Difusividade Térmica e Método do Flash de Laser

A difusividade térmica é uma propriedade importante usada para avaliar como um material transfere calor e reage às mudanças de temperatura. A difusividade térmica, alfa, é a razão entre a quantidade de calor conduzida em um material em relação à quantidade de calor armazenada. Da mesma forma, a condutividade térmica, kappa, descreve quanto calor é transferido através de um material devido a um gradiente de temperatura. A difusividade térmica e a condutividade térmica estão relacionadas pela seguinte equação, onde Roe é a densidade e Cp é a capacidade térmica específica do material. Um material com alta difusividade térmica, como um metal, é capaz de conduzir energia térmica rapidamente, enquanto um material com baixa difusividade térmica, como o plástico, é muito mais lento. A difusividade térmica de um material é frequentemente medida usando análise de flash a laser ou LFA. Nesta técnica, uma amostra é aquecida de um lado pulsando-a com um laser, induzindo um gradiente de temperatura que é então medido em relação ao tempo. Este vídeo apresentará noções básicas de como o método de flash laser é usado para medir a difusividade térmica. E então demonstraremos a técnica no laboratório usando uma amostra padrão.

Primeiro, o método de flash a laser requer uma amostra com superfícies superior e inferior planas e paralelas e geralmente assume a forma de um disco fino. Embora uma amostra de disco sólido seja a amostra mais direta, a técnica pode ser usada em pó, líquido ou até mesmo em camadas ou porosas. Uma vez preparada, a amostra é suspensa dentro de um forno selado com atmosfera controlada. Um laser com potência em torno de 15 joules por pulso fornece um pulso de energia instantâneo para a face inferior da amostra. Um detector infravermelho acima da face superior da amostra registra a mudança de temperatura com o tempo após cada pulso de laser. Entre cada pulso, a amostra pode se equilibrar. Os pulsos de laser e os dados de mudança de temperatura resultantes são registrados para os pontos de medição de temperatura definidos.

Os dados resultantes, chamados de termograma, são um gráfico da mudança de temperatura ou sinal medido em relação ao tempo. Uma estimativa da difusividade térmica é obtida após o ajuste às previsões teóricas usando modelos de transporte de calor que geralmente são incorporados ao software do sistema. O modelo mais comum utilizado é o Modelo Ideal de Parks. Este modelo envolve a resolução de uma equação diferencial com condições de contorno que assumem temperaturas constantes e que nenhum calor escapa do sistema durante a medição. Ambas as suposições são falsas para medições não ideais, portanto, este modelo é corrigido usando o Modelo Cowan, que leva em consideração a perda de calor. Agora que introduzimos o método de flash a laser, vamos dar uma olhada em como executar a medição usando uma amostra de ferro padrão.

Para começar, ligue o instrumento de flash laser e deixe-o aquecer por cerca de duas horas. Após o aquecimento do instrumento, encha o compartimento do detector com nitrogênio líquido usando um pequeno funil. Deixe o líquido assentar até que não haja mais vapor saindo. Em seguida, feche o compartimento. Agora obtenha sua amostra. Aqui estamos usando um disco padrão de ferro. Meça as dimensões da amostra com paquímetros. Deve ter entre seis e 25,4 milímetros de largura. A espessura deve ser uniforme e entre um e quatro milímetros. Calcule a espessura média da amostra, bem como o desvio padrão. Para garantir o aquecimento uniforme da amostra, pulverize uma fina camada de grafite coloidal na superfície. Repita três vezes, permitindo que a amostra seque entre as pulverizações, depois vire a amostra e pulverize o outro lado da mesma maneira.

Depois de seco, coloque a amostra na metade inferior do pequeno suporte de amostra e, em seguida, cubra-a com a metade superior do suporte. Abra o forno pressionando simultaneamente o botão de segurança no lado direito da máquina e o botão na parte frontal rotulado forno. Gire o detector no sentido horário para ter mais mobilidade ao redor do forno. O estágio de amostra dentro do forno tem três locais projetados para armazenar as amostras. Coloque o suporte de amostra contendo a amostra em um dos três locais, anotando qual é. Em seguida, realinhe o detector e feche o forno pressionando o botão de segurança simultaneamente com o botão do forno. Agora evacue a câmara antes de purgá-la com gás inerte. Primeiro, certifique-se de que a válvula de ventilação esteja fechada. Em seguida, ligue a bomba de vácuo e abra lentamente a válvula de vácuo para evacuar a câmara até que o indicador de pressão esteja estabilizado. Em seguida, abra o regulador no cilindro de argônio e ajuste a pressão entre cinco e 10 PSI. Em seguida, feche a válvula de vácuo e abra a válvula de aterro para encher o compartimento com argônio.

Feche a válvula de aterro e, em seguida, abra lentamente a válvula de vácuo para evacuar a câmara novamente e permitir que a pressão se estabilize. Em seguida, feche a válvula de vácuo e abra a válvula de aterro novamente para reabastecer com argônio. Em seguida, feche a válvula de aterro mais uma vez depois que a pressão se estabilizar. Faça isso várias vezes para garantir que não haja mais ar na câmara. Isso é para eliminar a chance de oxigênio ou nitrogênio reagir com os compostos presentes na superfície da amostra em alta temperatura. Em seguida, ligue a purga e abra a válvula de ventilação antes de ligar o controlador. Agora, o forno deve ser deixado com uma pressão positiva muito leve do gás de purga para garantir que o ar não flua para dentro do forno. Em seguida, inicie o software da máquina. A amostra será aquecida de 25 a 600 graus Celsius e depois esfriará de volta a 25 graus. Três pulsos serão feitos em cada temperatura com medições feitas a cada 50 graus. Agora ajuste a taxa de fluxo de purga no medidor de fluxo até que o fluxo se estabilize e, em seguida, inicie o experimento. Verifique periodicamente o nível de nitrogênio líquido no detector e reabasteça-o conforme necessário. Quando o teste terminar, remova a amostra do forno e do porta-amostras.

Agora vamos dar uma olhada nos dados. Primeiro, vemos dois gráficos de sinal medido versus tempo para um pulso de laser em nossa amostra padrão de ferro. O da esquerda é a resposta a um pulso de laser a 48,2 graus e o da direita é a resposta a um pulso de laser a 600 graus. O traço azul mostra os dados de temperatura coletados da amostra e a linha vermelha fina mostra os dados calculados do Modelo Cowan. Ambos os conjuntos de dados se encaixam bem no modelo porque é um material padrão bem definido. Geralmente, os valores calculados experimentalmente correspondem melhor ao Modelo Cowan em altas temperaturas, conforme mostrado pelo maior desvio do traço do modelo para os pulsos de laser em baixa temperatura versus alta temperatura. Se dermos uma olhada na difusividade térmica calculada em comparação com a temperatura em que cada ponto representa um pulso de laser, podemos ver que há mais ruído em temperaturas mais baixas, mas um ajuste melhor em temperaturas mais altas, conforme o esperado.

É essencial entender as propriedades térmicas de um material ao selecionar um material apropriado para qualquer aplicação que envolva fluxo de calor ou flutuações de temperatura. Ao olhar para espaçonaves, por exemplo, as telhas de proteção térmica desempenham um papel importante na reentrada atmosférica bem-sucedida. Ao entrar na atmosfera, uma espaçonave é exposta a altas temperaturas e derreteria, oxidaria ou queimaria sem uma camada protetora. Os ladrilhos térmicos são normalmente feitos de fibras de vidro de sílica pura com minúsculos poros cheios de ar. Esses dois componentes têm baixa condutividade térmica e, portanto, minimizam o fluxo de calor através dos ladrilhos. À medida que os componentes eletrônicos são miniaturizados, a questão da dissipação de calor em circuitos integrados tornou-se um problema fundamental. O aquecimento é geralmente causado pelo aquecimento joule, onde a passagem de corrente elétrica através de um material produz calor como nas bobinas deste aquecedor elétrico. Esses componentes do circuito podem gerar pontos quentes, portanto, devem ser selecionados materiais capazes de dissipar o calor e é por isso que o cobre e a prata têm sido tradicionalmente selecionados. Você acabou de assistir JoVE,

Introdução ao Estudo em Difusividade Térmica Através do Método do Flash Laser. Agora você deve entender por que a análise da difusividade térmica é essencial para uma ampla gama de aplicações de engenharia e como medir a difusividade térmica de uma amostra usando o método de flash a laser. Obrigado por assistir.