Термическая диффузия и метод лазерной вспышки

Теплопроводность является важным свойством, используемым для оценки того, как материал передает тепло и реагирует на изменения температуры. Теплопроводность, альфа, — это отношение количества тепла, проводимого в материале, к тому, сколько тепла сохраняется. Аналогично, теплопроводность, каппа, описывает, сколько тепла передается через материал из-за температурного градиента. Теплопроводность и теплопроводность связаны следующим уравнением, где Roe — плотность, а Cp — удельная теплоемкость материала. Материал с высокой теплопроводностью, такой как металл, способен быстро проводить тепловую энергию, в то время как материал с низкой теплопроводностью, такой как пластик, намного медленнее. Теплопроводность материала часто измеряется с помощью лазерного анализа вспышки или LFA. В этом методе образец нагревается с одной стороны путем импульсного воздействия на него лазером, вызывающим градиент температуры, который затем измеряется по времени. В этом видео мы познакомимся с основами использования метода лазерной вспышки для измерения теплопроводности. А затем мы продемонстрируем методику в лаборатории на стандартном образце.

Во-первых, метод лазерной вспышки требует образца с плоскими и параллельными верхней и нижней поверхностями и обычно принимает форму тонкого диска. Несмотря на то, что образец твердого диска является наиболее простым образцом, этот метод может быть использован на порошковых, жидких или даже слоистых или пористых образцах. После того, как образец подготовлен, его подвешивают внутри герметичной печи с контролируемой атмосферой. Лазер с мощностью около 15 джоулей на импульс подает мгновенный энергетический импульс на нижнюю поверхность образца. Инфракрасный детектор над верхней поверхностью образца регистрирует изменение температуры со временем после каждого лазерного импульса. Между каждым импульсом образцу дают сбалансироваться. Лазерные импульсы и полученные данные об изменении температуры записываются для заданных точек измерения температуры.

Результирующие данные, называемые термограммой, представляют собой график изменения температуры или измеренного сигнала по времени. Оценка теплопроводности получается после подгонки к теоретическим прогнозам с использованием моделей теплопереноса, которые обычно включаются в программное обеспечение системы. Наиболее распространенной моделью является модель Parks Ideal. Эта модель включает в себя решение дифференциального уравнения с граничными условиями, которые предполагают постоянные температуры и то, что тепло не уходит из системы во время измерения. Оба эти предположения ложны для неидеальных измерений, поэтому эта модель корректируется с использованием модели Коуэна, которая учитывает потери тепла. Теперь, когда мы представили метод лазерной вспышки, давайте рассмотрим, как провести измерение с использованием стандартного образца железа.

Для начала включите лазерную вспышку прибора и дайте ей прогреться около двух часов. После того как прибор прогреется, заполните отсек детектора жидким азотом с помощью небольшой воронки. Дайте жидкости отстояться до тех пор, пока пар не перестанет выходить. Затем закройте отсек. Теперь получите образец. Здесь мы используем стандартный железный диск. Измерьте размеры образца штангенциркулем. Его ширина должна составлять от шести до 25,4 миллиметров. Толщина должна быть равномерной и составлять от одного до четырех миллиметров. Рассчитайте среднюю толщину образца, а также стандартное отклонение. Для обеспечения равномерного нагрева образца распылите на поверхность тонкий слой коллоидного графита. Повторите три раза, дав образцу высохнуть между распылениями, затем переверните образец и распылите на другую сторону таким же образом.

После высыхания поместите образец в нижнюю половину небольшой подставки для образца, затем накройте ее верхней половиной подложки. Откройте печь, одновременно нажав кнопку безопасности на правой стороне машины и кнопку на передней стороне печи с маркировкой. Поворачивайте детектор по часовой стрелке, чтобы обеспечить большую мобильность вокруг печи. Ступень для образцов в печи имеет три места, предназначенных для хранения образцов. Поместите опору для образца, содержащую образец, в одно из трех мест, отметив, в каком из них оно находится. Затем перенастройте детектор и закройте печь, нажав кнопку предохранителя одновременно с кнопкой печи. Теперь опорожните камеру перед продувкой ее инертным газом. Сначала убедитесь, что вентиляционный клапан закрыт. Затем включите вакуумный насос и медленно откройте вакуумный клапан для опорожнения камеры до стабилизации индикатора давления. Затем откройте регулятор на баллоне с аргоном и установите давление в диапазоне от пяти до 10 фунтов на квадратный дюйм. Затем закройте вакуумный клапан и откройте клапан обратной засыпки, чтобы заполнить отсек аргоном.

Закройте клапан обратной засыпки, затем медленно откройте вакуумный клапан, чтобы снова откачать камеру и дать давлению стабилизироваться. Затем закройте вакуумный клапан и снова откройте клапан обратной засыпки, чтобы снова залить аргоном. Затем снова закройте клапан обратной засыпки после стабилизации давления. Проделайте это еще несколько раз, чтобы убедиться, что в камере не осталось воздуха. Это необходимо для того, чтобы исключить вероятность того, что кислород или азот вступят в реакцию с соединениями, присутствующими на поверхности образца при высокой температуре. Затем включите продувку и откройте вентиляционный клапан перед включением контроллера. Теперь печь следует оставить с очень небольшим положительным давлением от продувочного газа, чтобы гарантировать, что воздух не попадет в печь. Затем запустите программное обеспечение автомата. Образец будет нагрет с 25 до 600 градусов Цельсия, а затем остынет до 25 градусов. При каждой температуре будет производиться по три импульса с измерениями каждые 50 градусов. Теперь отрегулируйте скорость продувки на расходомере до тех пор, пока поток не стабилизируется, затем запустите эксперимент. Периодически проверяйте уровень жидкого азота в детекторе и заправляйте его по мере необходимости. После завершения испытания извлеките образец из печи и держателя образца.

Теперь давайте посмотрим на данные. Сначала мы видим два графика зависимости измеренного сигнала от времени лазерного импульса на нашем стандартном образце железа. Тот, что слева, — это отклик на лазерный импульс в 48,2 градуса, а тот, что справа, — отклик на лазерный импульс в 600 градусах. Синяя кривая показывает собранные данные о температуре из образца, а тонкая красная линия показывает расчетные данные модели Cowan. Оба набора данных хорошо вписываются в модель, поскольку это четко определенный стандартный материал. Как правило, экспериментально рассчитанные значения лучше всего соответствуют модели Коуэна при высоких температурах, о чем свидетельствует большее отклонение от кривой модели для лазерных импульсов при низкой температуре по сравнению с высокой. Если мы посмотрим на рассчитанную тепловую проводимость по сравнению с температурой, где каждая точка представляет один лазерный импульс, мы увидим, что при более низкой температуре шума больше, но при более высокой температуре он лучше подходит, как и ожидалось.

Важно понимать тепловые свойства материала при выборе подходящего материала для любого применения, связанного с тепловым потоком или колебаниями температуры. Например, при рассмотрении космических аппаратов теплозащитная плитка играет важную роль в успешном возвращении в атмосферу. При входе в атмосферу космический аппарат подвергается воздействию высоких температур и будет плавиться, окисляться или гореть без защитного слоя. Термочерепицы обычно изготавливаются из чистых волокон кварцевого стекла с крошечными порами, заполненными воздухом. Эти два компонента имеют низкую теплопроводность и, следовательно, минимизируют тепловой поток на плитке. Поскольку электронные компоненты миниатюризируются, вопрос рассеивания тепла в интегральных схемах становится ключевой проблемой. Нагрев обычно вызывается джоулевым нагревом, когда при прохождении электрического тока через материал выделяется тепло, как в катушках этого электрического нагревателя. Эти компоненты схемы могут создавать горячие точки, поэтому необходимо выбирать материалы, способные рассеивать тепло, и именно поэтому традиционно выбираются медь и серебро. Вы только что посмотрели статью Джова,

Введение в изучение теплопроводности с помощью метода лазерной вспышки. Теперь вы должны понять, почему анализ теплопроводности имеет важное значение для широкого спектра инженерных приложений и как измерить теплопроводность образца с помощью метода лазерной вспышки. Спасибо за просмотр.