Diffusività termica e metodo del flash laser

La diffusività termica è una proprietà importante utilizzata per valutare il modo in cui un materiale trasferisce il calore e reagisce alle variazioni di temperatura. La diffusività termica, alfa, è il rapporto tra la quantità di calore condotta in un materiale e la quantità di calore immagazzinata. Allo stesso modo la conduttività termica, kappa, descrive la quantità di calore che viene trasferita attraverso un materiale a causa di un gradiente di temperatura. La diffusività termica e la conducibilità termica sono correlate dalla seguente equazione dove Roe è la densità e Cp è la capacità termica specifica del materiale. Un materiale con un'elevata diffusività termica, come un metallo, è in grado di condurre rapidamente l'energia termica mentre un materiale con bassa diffusività termica, come la plastica, è molto più lento. La diffusività termica di un materiale viene spesso misurata utilizzando l'analisi laser flash o LFA. In questa tecnica un campione viene riscaldato su un lato pulsandolo con un laser inducendo un gradiente di temperatura che viene poi misurato rispetto al tempo. Questo video introdurrà le basi di come il metodo del flash laser viene utilizzato per misurare la diffusività termica. E poi dimostreremo la tecnica in laboratorio utilizzando un campione standard.

Innanzitutto, il metodo laser flash richiede un campione con superfici superiori e inferiori piatte e parallele e di solito assume la forma di un disco sottile. Mentre un campione su disco solido è il campione più semplice, la tecnica può essere utilizzata su polvere, liquidi o anche su campioni stratificati o porosi. Una volta preparato, il campione viene sospeso all'interno di un forno sigillato in atmosfera controllata. Un laser con una potenza di circa 15 joule per impulso fornisce un impulso di energia istantaneo alla faccia inferiore del campione. Un rivelatore a infrarossi sopra la faccia superiore del campione registra la variazione di temperatura nel tempo dopo ogni impulso laser. Tra un impulso e l'altro, il campione viene lasciato equilibrare. Gli impulsi laser e i dati di variazione di temperatura risultanti vengono registrati per i punti di misurazione della temperatura impostati.

I dati risultanti, chiamati termogramma, sono un grafico della variazione di temperatura o del segnale misurato rispetto al tempo. Una stima della diffusività termica si ottiene dopo l'adattamento alle previsioni teoriche utilizzando modelli di trasporto del calore che sono solitamente incorporati nel software del sistema. Il modello più comunemente utilizzato è il modello ideale Parks. Questo modello prevede la risoluzione di un'equazione differenziale con condizioni al contorno che presuppongono temperature costanti e che nessun calore fuoriesca dal sistema durante la misurazione. Entrambe queste ipotesi sono false per le misurazioni non ideali, quindi questo modello viene corretto utilizzando il modello Cowan che prende in considerazione la perdita di calore. Ora che abbiamo introdotto il metodo del flash laser, diamo un'occhiata a come eseguire la misurazione utilizzando un campione di ferro standard.

Per iniziare, accendere lo strumento flash laser e lasciarlo riscaldare per circa due ore. Dopo che lo strumento si è riscaldato, riempire il vano del rivelatore con azoto liquido utilizzando un piccolo imbuto. Lascia che il liquido si depositi fino a quando non esce più vapore. Quindi chiudere lo scomparto. Ora prendi il tuo campione. Qui stiamo usando un disco standard di ferro. Misurare le dimensioni del campione con dei calibri. Dovrebbe essere largo tra i sei e i 25,4 millimetri. Lo spessore deve essere uniforme e compreso tra uno e quattro millimetri. Calcolare lo spessore medio del campione e la deviazione standard. Per garantire un riscaldamento uniforme del campione, spruzzare un sottile strato di grafite colloidale sulla superficie. Ripetere tre volte lasciando asciugare il campione tra uno spruzzo e l'altro, quindi capovolgere il campione e spruzzare l'altro lato allo stesso modo.

Una volta asciutto, posizionare il campione nella metà inferiore del supporto per campioni piccolo, quindi coprirlo con la metà superiore del supporto. Aprire il forno premendo contemporaneamente il pulsante di sicurezza sul lato destro della macchina e il pulsante sul lato anteriore etichettato forno. Ruotare il rilevatore in senso orario per avere una maggiore mobilità all'interno del forno. Lo stadio di campionamento all'interno del forno ha tre posizioni progettate per contenere i campioni. Posizionare il supporto portacampioni contenente il campione in una delle tre posizioni, prendendo nota di quale sia. Quindi riallineare il rilevatore e chiudere il forno premendo contemporaneamente il pulsante di sicurezza con il pulsante del forno. Ora evacuare la camera prima di spurgarla con gas inerte. Per prima cosa assicurarsi che la valvola di sfiato sia chiusa. Quindi accendere la pompa del vuoto e aprire lentamente la valvola del vuoto per evacuare la camera fino a quando l'indicatore di pressione non si stabilizza. Successivamente aprire il regolatore sulla bombola di Argon e impostare la pressione tra cinque e 10 PSI. Quindi chiudere la valvola del vuoto e aprire la valvola di riempimento per riempire lo scomparto con argon.

Chiudere la valvola di riempimento, quindi aprire lentamente la valvola del vuoto per evacuare nuovamente la camera e consentire alla pressione di stabilizzarsi. Quindi chiudere la valvola del vuoto e riaprire la valvola di riempimento per riempire con argon. Quindi chiudere nuovamente la valvola di riempimento dopo che la pressione si è stabilizzata. Fallo più volte per assicurarti che non ci sia più aria nella camera. Questo per eliminare la possibilità che l'ossigeno o l'azoto reagiscano con i composti presenti sulla superficie del campione ad alta temperatura. Quindi attivare lo spurgo e aprire la valvola di sfiato prima di accendere il controller. Ora il forno dovrebbe essere lasciato con una pressione positiva molto leggera dal gas di spurgo per garantire che l'aria non fluisca nel forno. Quindi avvia il software della macchina. Il campione verrà riscaldato da 25 a 600 gradi Celsius, quindi si raffredderà nuovamente a 25 gradi. Verranno effettuati tre impulsi ad ogni temperatura con misurazioni effettuate ogni 50 gradi. Ora regola la portata di spurgo sul flussometro fino a quando il flusso non si stabilizza, quindi avvia l'esperimento. Controllare periodicamente il livello di azoto liquido nel rilevatore e riempirlo secondo necessità. Una volta terminato il test, rimuovere il campione dal forno e dal supporto del campione.

Ora diamo un'occhiata ai dati. Per prima cosa vediamo due grafici del segnale misurato in funzione del tempo per un impulso laser sul nostro campione standard di ferro. Quello a sinistra è la risposta a un impulso laser a 48,2 gradi e quello a destra è la risposta a un impulso laser a 600 gradi. La traccia blu mostra i dati di temperatura raccolti dal campione e la sottile linea rossa mostra i dati calcolati dal modello Cowan. Entrambi i set di dati si adattano bene al modello perché si tratta di un materiale standard ben definito. Generalmente i valori calcolati sperimentalmente corrispondono meglio al modello di Cowan ad alte temperature, come mostrato dalla maggiore deviazione dalla traccia del modello per gli impulsi laser a bassa temperatura rispetto ad alta temperatura. Se diamo un'occhiata alla diffusività termica calcolata rispetto alla temperatura in cui ogni punto rappresenta un impulso laser, possiamo vedere che c'è più rumore a una temperatura più bassa, ma un adattamento migliore a una temperatura più alta come previsto.

È essenziale comprendere le proprietà termiche di un materiale quando si seleziona un materiale appropriato per qualsiasi applicazione che comporti il flusso di calore o le fluttuazioni di temperatura. Quando si osservano i veicoli spaziali, ad esempio, le piastrelle di protezione termica svolgono un ruolo importante nel successo del rientro atmosferico. Quando entra nell'atmosfera, un veicolo spaziale è esposto ad alte temperature e si scioglie, si ossida o brucia senza uno strato protettivo. Le piastrelle termiche sono tipicamente realizzate in fibre di vetro di silice pura con minuscoli pori pieni d'aria. Questi due componenti hanno una bassa conduttività termica e quindi riducono al minimo il flusso di calore attraverso le piastrelle. Con la miniaturizzazione dei componenti elettronici, il problema della dissipazione del calore nei circuiti integrati è diventato un problema chiave. Il riscaldamento è generalmente causato dal riscaldamento joule in cui il passaggio di corrente elettrica attraverso un materiale produce calore come nelle bobine di questo riscaldatore elettrico. Questi componenti del circuito possono generare punti caldi, quindi è necessario selezionare materiali in grado di dissipare il calore ed è per questo che il rame e l'argento sono stati tradizionalmente selezionati. Hai appena guardato l'introduzione di JoVE,

allo studio della diffusività termica tramite il metodo Laser Flash. A questo punto è necessario capire perché l'analisi della diffusività termica è essenziale per un'ampia gamma di applicazioni ingegneristiche e come misurare la diffusività termica di un campione utilizzando il metodo del flash laser. Grazie per l'attenzione.