Giriş
Parker ve arkadaşları tarafından 1961 yılında lazer flaş yönteminin geliştirilmesinden bu yana [1], termal difüzivitenin temassız, tahribatsız belirlenmesi için bu yöntemde çeşitli iyileştirmeler yapılmıştır. Günümüzde, donanım ve yazılım farklı numune geometrileri, şekilleri ve formları üzerinde ölçümlere izin vermelidir. Lazer/ışıklı flaş aparatının (LFA) sadece katıları değil, aynı zamanda toz, sıvı, ufalanmış ve gözenekli numuneleri de test edebilmesi gerekli hale gelmiştir. Bu nedenle, özel numune tutucuları gibi belirli donanım önkoşulları sağlanmalıdır. Buna ek olarak, Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite (a), Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik (λ) ve özgül ısı kapasitesinin (Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp) hassas bir şekilde belirlenmesi için numunenin şeklinin ve formunun etkisini dikkate alan yazılım modelleri giderek daha önemli hale gelmektedir.
Son yıllarda NETZSCH, darbe düzeltmesi, radyasyon, çok katmanlı sistemler, düzlem içi testler, taban çizgisi düzeltmeleri vb. ile birlikte ısı kaybını dikkate alan hesaplama modellerini, düzeltmeleri ve matematiksel işlemleri sürekli olarak iyileştirmiş ve geliştirmiştir. Bu uygulama notu, gözenekli malzemeler üzerindeki ölçümler için McMasters'a [2] dayanan Penetrasyon modelini sunmaktadır.
Gözenekli Malzemeler Bir Zorluktur - Ama Penetrasyon Modeli İçin Değil
Standart flaş ölçümleri için, numunenin ön yüzü toplam enerjiyi emer. Daha sonra bir termal dalga arka yüze ulaşmadan önce numunenin kalınlığı boyunca ilerleyecektir (şekil 1). Gözenekli malzemeler için, NETZSCH şimdi aşağıdaki hususları içeren Penetrasyon modelini (şekil 2) tanıtmıştır:
- Darbe enerjisinin emilimi artık ön yüzle sınırlı değildir
- Absorpsiyon, numunenin kalınlığına ince bir tabaka boyunca yayılır
- Soğurma katmanları, malzeme içindeki ortalama serbest yol olarak ele alınabilir
Bu hususların dikkate alınması, numune içinde üstel olarak azalan bir başlangıç sıcaklık dağılımı ile sonuçlanır. Malzemenin gözenekliliğini hesaba katan bu yaklaşımın uygulanması, belirlenen Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite, Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik ve özgül ısı kapasitesi değerlerinin doğruluğunun ve hassasiyetinin artmasıyla sonuçlanır.
Ölçüm Koşulları
Bir grafit keçe yalıtımı oda sıcaklığı ile 90°C arasında NETZSCH LFA 427 ve karşılaştırma amacıyla NETZSCH ısı akış ölçer HFM 436 Lambda ile ölçülmüştür. Numune kalınlıkları sırasıyla 5,4 mm ve 20 mm'dir. YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. Yoğunluk 20°C'de 0,082 g/cm3 olarak belirlenmiştir.
Ölçüm Sonuçları
Şekil 3 şunları göstermektedir: a) Penetrasyon modeline dayalı olarak izlenen termal difüzivitenin seyrini gösteren LFA ölçüm sonuçları, b) POCO grafitin özgül ısı kapasitesine ilişkin literatür verileri ve c) denkleme dayalı olarak hesaplanan Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik:
ile
λ = Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik
α = Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite
ρ = YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk
Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp = özgül ısı kapasitesi
LFA ölçümü ilk olarak standart model (Cowan, [3]) ve ikinci kez Penetrasyon modeli ile değerlendirilmiştir. Şekil 4, aynı ölçümün farklı hesaplama modelleri kullanıldığında farklı Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik sonuçları verdiğini açıkça göstermektedir. Hangisinin daha iyi sonuç verdiği sorusu sinyal artışını kontrol ederek cevaplanabilir (Şekil 5).
Şekil 5 dedektör sinyalinin yükselişini göstermektedir. Soldaki grafik standart modelin kullanımını göstermektedir. Standart modelin yetersiz bir model uyumu sağladığını açıkça göstermektedir. Bu durumda, Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite 0,753 mm2/s olarak belirlenmiştir - incelenen malzeme için çok yüksek bir değer. Bununla birlikte, Penetrasyon modeline dayalı bir uyum kullanıldığında mükemmel bir model uyumu ortaya çıkmaktadır (sağdaki çizim). Elde edilen Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite değeri, a = 0,626 mm2/s, yaklaşık %17 daha düşüktür ve iyileştirilmiş uyum nedeniyle standart Cowan modeli ile elde edilenden çok daha güvenilirdir.
Termal iletkenlik, termal difüzivite ile orantılıdır ve bu nedenle değerler standart malzemeler için de daha yüksektir. Penetrasyon modeli ile elde edilen sonuçların güvenilirliği aynı malzeme üzerinde yapılan HFM ölçümleri ile doğrulanmıştır. LFA ve HFM sonuçları iyi bir uyum içindedir; maksimum sapma ±%6'dan azdır (Şekil 6).
Sonuç
Çeşitli classical modellerinin yanı sıra (örneğin, Cowan 5/10, Parker, geliştirilmiş Cape-Lehman, vb.), NETZSCH LFA Proteus® yazılımı birçok farklı hesaplama modeli, düzeltme ve matematiksel işlem içerir. Bunlardan biri de özellikle gözenekli malzemeler ve pürüzlü yüzeye sahip malzemeler için uygun olan Penetrasyon modelidir. LFA Proteus® yazılımının bu özel özelliği, ışık flaşının gerçek ısıtılmış yüzeyin ötesinde numuneye nüfuz etmesini içerir. Numunenin gözenekliliğini hesaba katar, bu da ışık flaşı enerjisinin bir kısmının numunenin içinde birikmesine neden olur. Bu, Penetrasyon modelinin, darbe enerjisinin ince bir tabaka üzerinde numunenin kalınlığına emilimini hesaba kattığı anlamına gelir. Isı Akış Ölçer (HFM) gibi diğer güvenilir yöntemler, termal difüzivite / iletkenliğin hesaplanması için Penetrasyon modelinin uygulanmasıyla elde edilen LFA sonuçlarını doğrular.