דיפוזיה תרמית ושיטת פלאש לייזר

דיפוזיביות תרמית היא תכונה חשובה המשמשת להערכת האופן שבו חומר מעביר חום ומגיב לשינויים בטמפרטורה. דיפוזיות תרמית, אלפא, היא היחס בין כמות החום המוליכה בחומר ביחס לכמות החום המאוחסנת. באופן דומה, מוליכות תרמית, קאפה, מתארת כמה חום מועבר דרך חומר עקב שיפוע טמפרטורה. דיפוזיביות תרמית ומוליכות תרמית קשורות על ידי המשוואה הבאה שבה Roe הוא צפיפות ו-Cp הוא קיבולת החום הספציפית של החומר. חומר בעל דיפוזיות תרמית גבוהה, כמו מתכת, מסוגל להוליך אנרגיה תרמית במהירות בעוד שחומר בעל דיפוזיות תרמית נמוכה, כמו פלסטיק, איטי בהרבה. הדיפוזיביות התרמית של חומר נמדדת לעתים קרובות באמצעות ניתוח הבזק לייזר או LFA. בטכניקה זו מחממים דגימה בצד אחד על ידי פעימה בלייזר הגורם לשיפוע טמפרטורה אשר נמדד לאחר מכן ביחס לזמן. סרטון זה יציג את היסודות של אופן השימוש בשיטת הבזק הלייזר למדידת דיפוזיות תרמית. ואז נדגים את הטכניקה במעבדה באמצעות דגימה סטנדרטית.

ראשית, שיטת הבזק הלייזר דורשת דגימה עם משטחים עליונים ותחתונים שטוחים ומקבילים ובדרך כלל לובשת צורה של דיסק דק. בעוד שדגימת דיסק מוצק היא הדגימה הפשוטה ביותר, ניתן להשתמש בטכניקה על דגימות אבקה, נוזל או אפילו שכבות או נקבוביות. לאחר הכנת הדגימה היא מושעה בתוך תנור אטום עם אווירה מבוקרת. לייזר עם הספק של כ-15 ג'אול לפולס מספק דופק אנרגיה מיידי לחלק התחתון של הדגימה. גלאי אינפרא אדום מעל החלק העליון של הדגימה רושם את השינוי בטמפרטורה עם הזמן לאחר כל פולס לייזר. בין כל פעימה מותר לדגימה להתאזן פולסי לייזר ונתוני שינוי הטמפרטורה המתקבלים נרשמים עבור נקודות מדידת טמפרטורה מוגדרות.

הנתונים המתקבלים, הנקראים תרמוגרמה, הם תרשים של שינוי הטמפרטורה או האות הנמדד ביחס לזמן. אומדן של הדיפוזיביות התרמית מתקבל לאחר התאמה לתחזיות תיאורטיות באמצעות מודלים של הובלת חום המשולבים בדרך כלל בתוכנת המערכת. המודל הנפוץ ביותר בשימוש הוא המודל האידיאלי של פארקים. מודל זה כולל פתרון משוואה דיפרנציאלית עם תנאי גבול המניחים טמפרטורות קבועות וששום חום לא בורח מהמערכת במהלך המדידה. שתי ההנחות הללו שגויות עבור מדידות לא אידיאליות ולכן מודל זה מתוקן באמצעות מודל קוואן שלוקח בחשבון את אובדן החום. כעת, לאחר שהצגנו את שיטת הבזק הלייזר, בואו נסתכל כיצד להפעיל את המדידה באמצעות דגימת ברזל סטנדרטית.

כדי להתחיל, הפעל את מכשיר פלאש הלייזר ואפשר לו להתחמם כשעתיים. לאחר שהמכשיר התחמם, מלאו את תא הגלאי בחנקן נוזלי באמצעות משפך קטן. תן לנוזל להתיישב עד שלא יוצאים יותר אדים. לאחר מכן סגור את התא. כעת קבל את המדגם שלך. כאן אנו משתמשים בדיסק סטנדרטי מברזל. מדוד את מידות המדגם בעזרת מחוגה. רוחבו צריך להיות בין שישה ל -25.4 מילימטרים. העובי צריך להיות אחיד ובין מילימטר לארבעה מילימטרים. חשב את העובי הממוצע של המדגם וכן את סטיית התקן. כדי להבטיח חימום אחיד של הדגימה, יש לרסס ציפוי דק של גרפיט קולואידי על פני השטח. חזור על הפעולה שלוש פעמים ואפשר לדגימה להתייבש בין תרסיסים, ואז הפוך את הדגימה ורסס את הצד השני באותו אופן.

לאחר הייבוש הנח את הדגימה במחצית התחתונה של תומך הדגימה הקטן, ולאחר מכן כסה אותה במחצית העליונה של התמיכה. פתח את התנור על ידי לחיצה בו-זמנית על כפתור הבטיחות בצד ימין של המכונה ועל הכפתור בצד הקדמי המסומן בתנור. סובב את הגלאי בכיוון השעון על מנת שתהיה יותר ניידות סביב הכבשן. לשלב הדגימה בתוך התנור יש שלושה מיקומים שנועדו להחזיק את הדגימות. שים את תמיכת הדגימה המכילה את הדגימה באחד משלושת המיקומים תוך שים לב באיזה מהם מדובר. לאחר מכן יישר מחדש את הגלאי וסגור את התנור על ידי לחיצה על כפתור הבטיחות בו-זמנית עם כפתור התנור. כעת פנה את החדר לפני שתנקה אותו בגז אינרטי. ראשית וודא ששסתום האוורור סגור. לאחר מכן הפעל את משאבת הוואקום ופתח לאט את שסתום הוואקום כדי לפנות את החדר עד להתייצבות מחוון הלחץ. לאחר מכן, פתח את הרגולטור על גליל הארגון והגדר את הלחץ בין חמישה ל-10 PSI. לאחר מכן סגור את שסתום הוואקום ופתח את שסתום המילוי החוזר כדי למלא את התא בארגון.

סגור את שסתום המילוי החוזר ולאחר מכן פתח לאט את שסתום הוואקום כדי לפנות את החדר שוב ולאפשר ללחץ להתייצב. לאחר מכן סגור את שסתום הוואקום ופתח שוב את שסתום המילוי החוזר כדי למלא מחדש בארגון. לאחר מכן סגור שוב את שסתום המילוי החוזר לאחר שהלחץ מתייצב. עשה זאת מספר פעמים נוספות כדי לוודא שלא יישאר אוויר בתא. זאת כדי למנוע את הסיכוי שחמצן או חנקן יגיבו עם התרכובות הקיימות על פני הדגימה בטמפרטורה גבוהה. לאחר מכן הפעל את הטיהור ופתח את שסתום האוורור לפני הפעלת הבקר. כעת יש להשאיר את התנור עם לחץ חיובי קל מאוד מגז הטיהור על מנת להבטיח שאוויר לא יזרום לתנור. לאחר מכן הפעל את תוכנת המכונה. הדגימה תתחמם מ-25 עד 600 מעלות צלזיוס ואז תתקרר בחזרה ל-25 מעלות. שלושה פולסים יבוצעו בכל טמפרטורה עם מדידות שיבוצעו כל 50 מעלות. כעת התאם את קצב זרימת הטיהור במד הזרימה עד שהזרימה תתייצב, ולאחר מכן הפעל את הניסוי. בדוק מעת לעת את מפלס החנקן הנוזלי בגלאי ומלא אותו לפי הצורך. לאחר סיום הבדיקה הסר את הדגימה מהתנור וממחזיק הדגימה.

עכשיו בואו נסתכל על הנתונים. ראשית אנו רואים שתי עלילות של אות נמדד לעומת זמן עבור פולס לייזר על דגימת הברזל הסטנדרטית שלנו. זה משמאל הוא התגובה לפולס לייזר ב-48.2 מעלות וזה מימין הוא התגובה לפולס לייזר ב-600 מעלות. העקבה הכחולה מציגה את נתוני הטמפרטורה שנאספו מהדגימה והקו האדום הדק מציג את הנתונים המחושבים ממודל קוואן. שתי קבוצות הנתונים מתאימות היטב למודל מכיוון שמדובר בחומר סטנדרטי מוגדר היטב. בדרך כלל ערכים מחושבים בניסוי תואמים את מודל קוואן בצורה הטובה ביותר בטמפרטורות גבוהות כפי שמוצג על ידי הסטייה הגדולה יותר מעקבות המודל עבור פולסי הלייזר בטמפרטורה נמוכה לעומת טמפרטורה גבוהה. אם נסתכל על הדיפוזיביות התרמית המחושבת בהשוואה לטמפרטורה שבה כל נקודה מייצגת פולס לייזר אחד, נוכל לראות שיש יותר רעש בטמפרטורה נמוכה יותר אך התאמה טובה יותר בטמפרטורה גבוהה יותר כצפוי.

חיוני להבין את התכונות התרמיות של חומר בעת בחירת חומר מתאים לכל יישום הכרוך בזרימת חום או תנודות טמפרטורה. כשמסתכלים על חלליות למשל, אריחי הגנה תרמית ממלאים תפקיד חשוב בכניסה מוצלחת לאטמוספירה. בכניסה לאטמוספירה חללית נחשפת לטמפרטורות גבוהות והיא נמסה, מתחמצנת או נשרפת ללא שכבת הגנה. אריחים תרמיים עשויים בדרך כלל מסיבי זכוכית סיליקה טהורים עם נקבוביות זעירות מלאות באוויר. לשני רכיבים אלה מוליכות תרמית נמוכה ולכן ממזערים את שטף החום על פני האריחים. ככל שהרכיבים האלקטרוניים ממוזערים, נושא פיזור החום במעגלים משולבים הפך לבעיה מרכזית. חימום נגרם בדרך כלל על ידי חימום ג'אול שבו מעבר זרם חשמלי דרך חומר מייצר חום כמו בסלילים של תנור חשמלי זה. רכיבי מעגל אלה יכולים ליצור נקודות חמות ולכן יש לבחור חומרים המסוגלים לפזר חום וזו הסיבה שנחושת וכסף נבחרו באופן מסורתי. זה עתה צפיתם ב-JoVE,

מבוא לחקר דיפוזיביות תרמית באמצעות שיטת הבזק הלייזר. כעת עליך להבין מדוע ניתוח דיפוזיות תרמית חיוני למגוון רחב של יישומים הנדסיים וכיצד למדוד את הדיפוזיביות התרמית של דגימה בשיטת הבזק הלייזר. תודה שצפית.