Giriş
Termal iletkenlik için yeni referans malzeme olan ERM-FC440, artık mevcut olmayan iyi bilinen IRMM- 440 referans malzemesinin halefidir. ERM-FC440, Belçika'da bulunan Avrupa Referans Materyalleri Enstitüsü ERM® tarafından onaylanmıştır [1]. Malzeme, kalite kontrolü ve korumalı sıcak plaka (GHP) ölçümlerinin yöntem performansının değerlendirilmesinin yanı sıra ısı akış ölçer (HFM) cihazlarının calibration için tasarlanmıştır [2].
ERM-FC440'ın Özellikleri
ERM-FC440 reçine bağlı cam elyaf levhalar üç farklı boyutta mevcuttur:
- 30 cm x 30 cm (ERM-FC440a)
- 50 cm x 50 cm (ERM-FC440b)
- 60 cm x 60 cm (ERM-FC440c)
ERM-FC440'ın ortalama kalınlığı 0,25 kPa yük altında (28,65 ± 0,15) mm ve 1,5 kPa yük altında (28,27 ± 0,19) mm'dir. Tüm ERM-FC440 numunelerinin yoğunlukları 130 ve 148 kg/m3 aralığındadır [2]. Her bir numune plakasının 0,25 kPa'daki kalınlığı ve yoğunluğu her bir referans malzeme sertifikasında belirtilmiştir. ERM-FC440, -10°C ila 70°C sıcaklık aralığındaki termal iletkenliği için onaylanmıştır [2]. Ek olarak, -150°C ila -10°C aralığında gösterge niteliğinde 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 değerleri verilmiştir. ERM-FC440'ın sıcaklığa bağlı termal iletkenliği λ, sertifikada belirtildiği gibi şu şekilde ifade edilir
λ [W/(m-K)] = 0,03104 + 1,1 - 10-4 - T [°C] (1)
150°C ila 70°C arasındaki tüm sıcaklık aralığı için.
Genişletilmiş belirsizlik -10°C ila 70°C aralığında %1,1 ve -150°C ila -10°C aralığında %1,9 ila %1,1'dir. Şekil 2, denklem 1'e göre ERM-FC440'ın nominal termal iletkenliğini λ ve belirsizlik bütçesini göstermektedir.
Termal İletkenlik Sonuçları
1. GHP 456 ile Elde Edilen Sonuçlar
libraKorumalı sıcak plaka (GHP) tekniği, termal iletkenliğin herhangi bir şekilde hesaba katılmadığı mutlak bir yöntemdir. İki plaka modunda, 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, ölçüm alanı A olan sıcak plakaya akan Q gücünden, iki numune boyunca sıcaklık gradyanından ΔT ve ortalama numune kalınlığından d aşağıdaki gibi hesaplanır:
ERM-FC440 numuneleri üzerindeki GHP ölçümleri, sıvı nitrojen soğutmalı bir NETZSCH GHP 456 HT Titan® kullanılarak gerçekleştirilmiştir. GHP testleri için 001, 002, 003 ve 005 seri numaralı ERM-FC440a numuneleri kullanılmıştır. 001+002 ve 003+005 numune çiftlerinin her biri iki plaka modunda eş zamanlı olarak ölçülmüştür. Numuneler boyunca sıcaklık gradyanı -10°C'nin altındaki sıcaklıklarda 30 K, 10°C ve daha yüksek sıcaklıklarda ise 20 K idi. Numunelerin köşelerinde, tanımlanmış bir numune kalınlığı sağlamak için nominal numune kalınlığı ile aynı uzunlukta sert ara parçalar vardı.
Şekil 3'te GHP ölçüm sonuçları gösterilmektedir: 150°C ile 70°C arasındaki sıcaklık aralığında, denklem 1'den hesaplanan nominal 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 değerlerinden bağıl sapma, -150°C'de %2,2 sapma gösteren bir nokta hariç tüm ölçüm verileri için ±%1,3'ten azdır. Bu sonuçlar GHP 456'nın beklenen doğruluğu ile uyumludur.
2. HFM 446 ile Elde Edilen Sonuçlar
Isı akış ölçer (HFM) tekniği, termal iletkenliği bilinen bir referans malzeme kullanılarak ısı akışı sensörlerinin calibration'una dayanan göreceli bir yöntemdir. Bir numunenin bilinmeyen ısıl iletkenliği λ, alan başına ısı akısı Q/A ve ortalama kalınlığı d olan numune boyunca sıcaklık gradyanı ΔT'den Fourier'in tek boyutlu ısı akışı denklemine göre aşağıdaki gibi hesaplanır:
ERM-FC440 numuneleri üzerindeki HFM ölçümleri NETZSCH HFM 446 Lambda Eco-Line Small, Medium ve Large cihazları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Seri numaraları 004 ve 005 olan ERM-FC440c numunelerini test etmek için farklı konumlarda seri numaraları 0009 ve 0010 olan iki HFM 446 Large cihazı kullanılmıştır. Seri numaraları 001, 002, 003 ve 005 olan ERM-FC440a numunelerini test etmek için seri numaraları 0007 ve 0009 olan iki HFM 446 Medium cihazı kullanılmıştır. 0086, 0087 ve SOA-002 seri numaralı üç HFM 446 Small cihazı, HFM 446 Large cihazındaki ölçümler tamamlandıktan sonra 005 seri numaralı ERM-FC440c kartından kesilen 20 cm x 20 cm boyutundaki ERM-FC440 numunelerini test etmek için kullanılmıştır. Dokümantasyon amacıyla, her 20 cm'lik karta beş haneli bir kimlik numarası verildi ve bu numara ön yüzüne lazerle yazıldı (ayrıca bkz. sağdaki şekil 1).libraTüm cihazlar NIST SRM 1450d veya IRMM440 ile ölçülmüştür. Ölçümler -10°C ile 70°C arasındaki ortalama sıcaklıklarda, numuneler arasında 20 K'lik bir sıcaklık gradyanı ve maksimum 2 kPa'lık bir temas basıncı ile gerçekleştirilmiştir.
Şekil 4 ila 6'da tüm HFM cihazlarından alınan ölçüm sonuçları gösterilmektedir. Tüm sıcaklık aralığında, denklem 1 kullanılarak hesaplanan nominal 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 değerlerinden bağıl sapma, en yüksek sıcaklık olan 70°C'deki bazı ölçüm noktaları hariç, çoğu ölçüm sonucu için ± %1,5 dahilindedir. Tüm sonuçlar, HFM 446 ısı akış ölçerler için beklenen ± %2 doğrulukla uyumludur.
Özet
Termal iletkenlik için yeni referans malzeme olan ERM-FC440'ın termal iletkenliği, bir GHP 456 ve birkaç HFM 446 cihazı kullanılarak -150°C ile 70°C arasındaki sıcaklık aralığında incelenmiştir. Neredeyse tüm sonuçlar, GHP 456 Titan® ve HFM 446 Lambda cihazlarının NETZSCH doğruluğunu yansıtan nominal değerlerle ±% 1,5 içinde uyumluydu.