الانتشار الحراري وطريقة فلاش الليزر

يعد الانتشار الحراري خاصية مهمة تستخدم لتقييم كيفية نقل المادة للحرارة وتفاعلها مع التغيرات في درجة الحرارة. الانتشار الحراري ، ألفا ، هو نسبة مقدار الحرارة التي يتم إجراؤها في مادة ما بالنسبة إلى مقدار الحرارة المخزنة. وبالمثل ، تصف الموصلية الحرارية ، كابا ، مقدار الحرارة المنقولة عبر مادة بسبب تدرج درجة الحرارة. يرتبط الانتشار الحراري والتوصيل الحراري بالمعادلة التالية حيث Roe هي الكثافة و Cp هي السعة الحرارية النوعية للمادة. المادة ذات الانتشار الحراري العالي ، مثل المعدن ، قادرة على توصيل الطاقة الحرارية بسرعة بينما تكون المادة ذات الانتشار الحراري المنخفض ، مثل البلاستيك ، أبطأ بكثير. غالبا ما يتم قياس الانتشار الحراري للمادة باستخدام تحليل فلاش الليزر أو LFA. في هذه التقنية ، يتم تسخين العينة من جانب واحد عن طريق نبضها بالليزر مما يؤدي إلى تدرج درجة الحرارة الذي يتم قياسه بعد ذلك فيما يتعلق بالوقت. سيقدم هذا الفيديو أساسيات كيفية استخدام طريقة فلاش الليزر لقياس الانتشار الحراري. وبعد ذلك سنوضح هذه التقنية في المختبر باستخدام عينة قياسية.

أولا ، تتطلب طريقة فلاش الليزر عينة ذات أسطح علوية وسفلية مسطحة ومتوازية وعادة ما تأخذ شكل قرص رفيع. في حين أن عينة القرص الصلب هي العينة الأكثر وضوحا ، يمكن استخدام هذه التقنية على مسحوق أو سائل أو حتى عينات ذات طبقات أو مسامية. بمجرد تحضير العينة ، يتم تعليقها داخل فرن مغلق بجو متحكم فيه. يوفر الليزر الذي تبلغ قوته حوالي 15 جول لكل نبضة نبضة طاقة فورية إلى الوجه السفلي للعينة. يسجل كاشف الأشعة تحت الحمراء فوق الوجه العلوي للعينة التغير في درجة الحرارة بمرور الوقت بعد كل نبضة ليزر. بين كل نبضة يسمح للعينة بالتوازن. يتم تسجيل نبضات الليزر وبيانات تغير درجة الحرارة الناتجة لنقاط قياس درجة الحرارة المحددة.

البيانات الناتجة ، التي تسمى مخطط الحرارة ، هي مخطط لتغير درجة الحرارة أو الإشارة المقاسة فيما يتعلق بالوقت. يتم الحصول على تقدير للانتشار الحراري بعد التوافق مع التنبؤات النظرية باستخدام نماذج نقل الحرارة التي يتم دمجها عادة في برنامج النظام. النموذج الأكثر شيوعا هو نموذج الحدائق المثالي. يتضمن هذا النموذج حل معادلة تفاضلية بشروط حدودية تفترض درجات حرارة ثابتة ولا تهرب أي حرارة من النظام أثناء القياس. كلا هذين الافتراضين خاطئان للقياسات غير المثالية ، لذلك يتم تصحيح هذا النموذج باستخدام نموذج Cowan الذي يأخذ فقدان الحرارة في الاعتبار. الآن بعد أن قدمنا طريقة فلاش الليزر ، دعنا نلقي نظرة على كيفية إجراء القياس باستخدام عينة حديد قياسية.

للبدء ، قم بتشغيل أداة فلاش الليزر واتركها تسخن لمدة ساعتين تقريبا. بعد تسخين الأداة ، املأ حجرة الكاشف بالنيتروجين السائل باستخدام قمع صغير. دع السائل يستقر حتى يخرج البخار. ثم أغلق المقصورة. الآن احصل على عينتك. نحن هنا نستخدم قرصا قياسيا حديديا. قم بقياس أبعاد العينة باستخدام الفرجار. يجب أن يتراوح عرضه بين ستة و 25.4 ملم. يجب أن يكون السماكة موحدة وبين واحد وأربعة ملليمترات. احسب متوسط سمك العينة وكذلك الانحراف المعياري. لضمان تسخين موحد للعينة ، قم برش طبقة رقيقة من الجرافيت الغروي على السطح. كرر العملية ثلاث مرات واترك العينة تجف بين البخاخات ثم اقلب العينة ورش الجانب الآخر بنفس الطريقة.

بمجرد أن تجف ، ضع العينة في النصف السفلي من دعامة العينة الصغيرة ، ثم قم بتغطيتها بالنصف العلوي من الدعم. افتح الفرن بالضغط في نفس الوقت على زر الأمان على الجانب الأيمن من الماكينة والزر الموجود على الجانب الأمامي المسمى بالفرن قم بتدوير الكاشف في اتجاه عقارب الساعة من أجل الحصول على مزيد من الحركة حول الفرن. تحتوي مرحلة العينة داخل الفرن على ثلاثة مواقع مصممة لحمل العينات. ضع دعم العينة الذي يحتوي على العينة في أحد المواقع الثلاثة مع ملاحظة أي موقع. ثم أعد محاذاة الكاشف وأغلق الفرن بالضغط على زر الأمان في وقت واحد مع زر الفرن. الآن قم بإخلاء الغرفة قبل تطهيرها بالغاز الخامل. تأكد أولا من إغلاق صمام التهوية. ثم قم بتشغيل مضخة التفريغ وافتح صمام التفريغ ببطء لإخلاء الغرفة حتى يستقر مؤشر الضغط. بعد ذلك ، افتح المنظم على أسطوانة الأرجون واضبط الضغط بين خمسة و 10 رطل لكل بوصة مربعة. ثم أغلق صمام التفريغ وافتح صمام الردم لملء المقصورة بالأرجون.

أغلق صمام الردم ثم افتح صمام التفريغ ببطء لإخلاء الغرفة مرة أخرى والسماح للضغط بالاستقرار. ثم أغلق صمام التفريغ وافتح صمام الردم مرة أخرى لإعادة تعبئته بالأرجون. ثم أغلق صمام الردم مرة أخرى بعد استقرار الضغط. افعل ذلك عدة مرات للتأكد من عدم وجود هواء متبقي في الغرفة. هذا للقضاء على فرصة تفاعل الأكسجين أو النيتروجين مع المركبات الموجودة على سطح العينة عند درجة حرارة عالية. ثم قم بتشغيل التطهير وافتح صمام التهوية قبل تشغيل وحدة التحكم. الآن يجب ترك الفرن بضغط إيجابي طفيف جدا من غاز التطهير لضمان عدم تدفق الهواء إلى الفرن. ثم قم بتشغيل برنامج الجهاز. سيتم تسخين العينة من 25 إلى 600 درجة مئوية ثم تبرد مرة أخرى إلى 25 درجة. سيتم عمل ثلاث نبضات عند كل درجة حرارة مع إجراء قياسات كل 50 درجة. الآن اضبط معدل تدفق التطهير على مقياس التدفق حتى يستقر التدفق ، ثم ابدأ التجربة. تحقق بشكل دوري من مستوى النيتروجين السائل في الكاشف وأعد تعبئته حسب الحاجة. بمجرد الانتهاء من الاختبار ، قم بإزالة العينة من الفرن وحامل العينة.

الآن دعونا نلقي نظرة على البيانات. أولا ، نرى مخططين للإشارة المقاسة مقابل وقت نبضة الليزر على عينة الحديد القياسية. الموجود على اليسار هو الاستجابة لنبض الليزر عند 48.2 درجة والآخر الموجود على اليمين هو الاستجابة لنبض الليزر عند 600 درجة. يظهر التتبع الأزرق بيانات درجة الحرارة التي تم جمعها من العينة ويظهر الخط الأحمر الرفيع البيانات المحسوبة من نموذج كوان. تتناسب كلتا المجموعتين من البيانات بشكل جيد مع النموذج لأنها مادة قياسية محددة جيدا. بشكل عام ، تتطابق القيم المحسوبة تجريبيا مع نموذج Cowan بشكل أفضل في درجات الحرارة العالية كما يتضح من الانحراف الأكبر عن تتبع النموذج لنبضات الليزر عند درجة حرارة منخفضة مقابل درجة حرارة عالية. إذا ألقينا نظرة على الانتشار الحراري المحسوب مقارنة بدرجة الحرارة حيث تمثل كل نقطة نبضة ليزر واحدة ، يمكننا أن نرى أن هناك ضوضاء أكثر عند درجة حرارة منخفضة ولكنها مناسبة بشكل أفضل عند درجة حرارة أعلى كما هو متوقع.

من الضروري فهم الخصائص الحرارية للمادة عند اختيار مادة مناسبة لأي تطبيق ينطوي على تدفق الحرارة أو تقلبات درجات الحرارة. عند النظر إلى المركبة الفضائية على سبيل المثال ، تلعب بلاط الحماية الحرارية دورا مهما في إعادة الدخول الناجحة إلى الغلاف الجوي. عند دخول الغلاف الجوي ، تتعرض المركبة الفضائية لدرجات حرارة عالية وتذوب أو تتأكسد أو تحترق بدون طبقة واقية. عادة ما يكون البلاط الحراري مصنوعا من ألياف زجاجية من السيليكا النقية ذات مسام صغيرة مملوءة بالهواء. هذان المكونان لهما موصلية حرارية منخفضة وبالتالي تقليل تدفق الحرارة عبر البلاط. نظرا لتصغير المكونات الإلكترونية ، أصبحت مشكلة تبديد الحرارة في الدوائر المتكاملة مشكلة رئيسية. يحدث التسخين بشكل عام بسبب تسخين الجول حيث ينتج عن مرور التيار الكهربائي عبر مادة ما حرارة كما هو الحال في ملفات هذا السخان الكهربائي. يمكن لمكونات الدائرة هذه أن تولد نقاطا ساخنة ، وبالتالي يجب اختيار المواد القادرة على تبديد الحرارة وهذا هو سبب اختيار النحاس والفضة تقليديا. لقد شاهدت للتو JoVE,

مقدمة للدراسة في الانتشار الحراري عبر طريقة فلاش الليزر. يجب أن تفهم الآن سبب أهمية تحليل الانتشار الحراري لمجموعة واسعة من التطبيقات الهندسية وكيفية قياس الانتشار الحراري للعينة باستخدام طريقة فلاش الليزر. شكرا للمشاهدة.