Termal Yayılım ve Lazer Flaş Yöntemi

Termal yayılım, bir malzemenin ısıyı nasıl aktardığını ve sıcaklıktaki değişikliklere nasıl tepki verdiğini değerlendirmek için kullanılan önemli bir özelliktir. Termal yayılım, alfa, bir malzemede ne kadar ısının iletildiğinin ne kadar ısının depolandığına oranıdır. Benzer şekilde, termal iletkenlik, kappa, bir sıcaklık gradyanı nedeniyle bir malzemeden ne kadar ısı aktarıldığını tanımlar. Termal yayılım ve termal iletkenlik, Roe'nun yoğunluk ve Cp'nin malzemenin özgül ısı kapasitesi olduğu aşağıdaki denklemle ilişkilidir. Metal gibi yüksek termal yayılıma sahip bir malzeme, termal enerjiyi hızlı bir şekilde iletebilirken, plastik gibi düşük termal yayılıma sahip bir malzeme çok daha yavaştır. Bir malzemenin termal yayılımı genellikle lazer flaş analizi veya LFA kullanılarak ölçülür. Bu teknikte, bir numune, bir lazerle darbelenerek bir taraftan ısıtılır ve daha sonra zamana göre ölçülen bir sıcaklık gradyanı indüklenir. Bu video, termal yayılımı ölçmek için lazer flaş yönteminin nasıl kullanıldığına ilişkin temel bilgileri tanıtacaktır. Ve sonra tekniği laboratuvarda standart bir numune kullanarak göstereceğiz.

İlk olarak, lazer flaş yöntemi, düz ve paralel üst ve alt yüzeylere sahip bir numune gerektirir ve genellikle ince bir disk şeklini alır. Katı disk numunesi en basit numune olsa da, teknik toz, sıvı ve hatta katmanlı veya gözenekli numuneler üzerinde kullanılabilir. Numune hazırlandıktan sonra, kontrollü bir atmosfere sahip kapalı bir fırının içine asılır. Darbe başına yaklaşık 15 jul güce sahip bir lazer, numunenin alt yüzüne anlık bir enerji darbesi sağlar. Numunenin üst yüzünün üzerindeki bir kızılötesi dedektör, her lazer darbesinden sonra zamanla sıcaklıktaki değişimi kaydeder. Her darbe arasında numunenin dengelenmesine izin verilir. Lazer darbeleri ve elde edilen sıcaklık değişim verileri, ayarlanan sıcaklık ölçüm noktaları için kaydedilir.

Termogram adı verilen elde edilen veriler, zamana göre sıcaklık değişiminin veya ölçülen sinyalin bir grafiğidir. Termal yayılımın bir tahmini, genellikle sistem yazılımına dahil edilen ısı taşıma modelleri kullanılarak teorik tahminlere uydurulduktan sonra elde edilir. Kullanılan en yaygın model Parks İdeal Modeli'dir. Bu model, sabit sıcaklıkları varsayan ve ölçüm sırasında sistemden hiçbir ısının kaçmadığını varsayan sınır koşullarına sahip bir diferansiyel denklemin çözülmesini içerir. Bu varsayımların her ikisi de ideal olmayan ölçümler için yanlıştır, bu nedenle bu model, ısı kaybını dikkate alan Cowan Modeli kullanılarak düzeltilmiştir. Artık lazer flaş yöntemini tanıttığımıza göre, standart bir demir numunesi kullanarak ölçümün nasıl yapılacağına bir göz atalım.

Başlamak için lazer flaş cihazını açın ve yaklaşık iki saat ısınmasına izin verin. Cihaz ısındıktan sonra dedektör bölmesini küçük bir huni kullanarak sıvı nitrojen ile doldurun. Daha fazla buhar çıkmayana kadar sıvının çökmesine izin verin. Ardından bölmeyi kapatın. Şimdi numunenizi alın. Burada demir standart bir disk kullanıyoruz. Numunenin boyutlarını kaliperlerle ölçün. Altı ila 25,4 milimetre genişliğinde olmalıdır. Kalınlık düzgün ve bir ila dört milimetre arasında olmalıdır. Numunenin ortalama kalınlığını ve standart sapmayı hesaplayın. Numunenin eşit şekilde ısınmasını sağlamak için, yüzeye ince bir kolloidal grafit tabakası püskürtün. Numunenin spreyler arasında kurumasına izin vererek üç kez tekrarlayın, ardından numuneyi ters çevirin ve diğer tarafa da aynı şekilde püskürtün.

Kuruduktan sonra numuneyi küçük numune desteğinin alt yarısına yerleştirin, ardından desteğin üst yarısı ile örtün. Makinenin sağ tarafındaki güvenlik düğmesine ve ön taraftaki etiketli fırın düğmesine aynı anda basarak fırını açın. Fırın etrafında daha fazla hareketlilik sağlamak için dedektörü saat yönünde çevirin. Fırın içindeki numune aşaması, numuneleri tutmak için tasarlanmış üç konuma sahiptir. Numuneyi içeren numune desteğini, hangisi olduğuna dikkat ederek üç konumdan birine koyun. Ardından dedektörü yeniden hizalayın ve fırın düğmesiyle aynı anda güvenlik düğmesine basarak fırını kapatın. Şimdi inert gazla temizlemeden önce odayı boşaltın. İlk olarak, havalandırma valfinin kapalı olduğundan emin olun. Ardından vakum pompasını açın ve basınç göstergesi stabilize olana kadar odayı boşaltmak için vakum valfini yavaşça açın. Ardından, Argon silindirindeki regülatörü açın ve basıncı beş ila 10 PSI arasında ayarlayın. Ardından vakum valfini kapatın ve bölmeyi argon ile doldurmak için doldurma valfini açın.

Geri doldurma valfini kapatın, ardından hazneyi tekrar boşaltmak ve basıncın dengelenmesine izin vermek için vakum valfini yavaşça açın. Ardından vakum valfini kapatın ve argon ile yeniden doldurmak için doldurma valfini tekrar açın. Ardından, basınç dengelendikten sonra doldurma vanasını bir kez daha kapatın. Odada hava kalmadığından emin olmak için bunu birkaç kez daha yapın. Bu, oksijen veya nitrojenin numunenin yüzeyinde yüksek sıcaklıkta bulunan bileşiklerle reaksiyona girme olasılığını ortadan kaldırmak içindir. Ardından tahliyeyi açın ve denetleyiciyi açmadan önce havalandırma valfini açın. Şimdi, havanın fırına akmamasını sağlamak için fırın, tahliye gazından çok hafif bir pozitif basınçla bırakılmalıdır. Ardından makinenin yazılımını başlatın. Numune 25 ila 600 santigrat derece arasında ısıtılacak, daha sonra 25 dereceye kadar soğuyacaktır. Her 50 derecede bir yapılan ölçümlerle her sıcaklıkta üç darbe yapılacaktır. Şimdi, akış stabilize olana kadar akış göstergesindeki temizleme akış hızını ayarlayın, ardından deneyi başlatın. Dedektördeki sıvı nitrojen seviyesini periyodik olarak kontrol edin ve gerektiğinde yeniden doldurun. Test bittiğinde, numuneyi fırından ve numune tutucudan çıkarın.

Şimdi verilere bir göz atalım. İlk olarak, demir standart numunemizde bir lazer darbesi için zamana karşı ölçülen sinyalin iki grafiğini görüyoruz. Soldaki 48.2 derecelik bir lazer darbesine verilen yanıttır ve sağdaki 600 derecelik bir lazer darbesine verilen yanıttır. Mavi iz, numuneden toplanan sıcaklık verilerini gösterir ve ince kırmızı çizgi, Cowan Modelinden hesaplanan verileri gösterir. Her iki veri seti de iyi tanımlanmış standart bir malzeme olduğu için modele iyi uyum sağlar. Genel olarak, deneysel olarak hesaplanan değerler, düşük sıcaklıkta lazer darbeleri için model izinden daha büyük sapma ile gösterildiği gibi, yüksek sıcaklıklarda en iyi şekilde Cowan Modeli ile eşleşir. Her noktanın bir lazer darbesini temsil ettiği sıcaklığa kıyasla hesaplanan termal yayılıma bakarsak, daha düşük sıcaklıkta daha fazla gürültü olduğunu, ancak beklendiği gibi daha yüksek sıcaklıkta daha iyi oturduğunu görebiliriz.

Isı akışı veya sıcaklık dalgalanmaları içeren herhangi bir uygulama için uygun bir malzeme seçerken bir malzemenin termal özelliklerini anlamak çok önemlidir. Örneğin uzay aracına bakıldığında, termal koruma karoları başarılı atmosferik yeniden girişte önemli bir rol oynar. Atmosfere girerken bir uzay aracı yüksek sıcaklıklara maruz kalır ve koruyucu bir tabaka olmadan erir, oksitlenir veya yanar. Termal karolar tipik olarak küçük hava dolu gözeneklere sahip saf silika cam elyaflardan yapılır. Bu iki bileşen düşük ısı iletkenliğine sahiptir ve bu nedenle fayanslar boyunca ısı akışını en aza indirir. Elektronik bileşenler minyatürleştikçe, entegre devrelerde ısı dağılımı sorunu önemli bir sorun haline geldi. Isıtma genellikle, elektrik akımının bir malzemeden geçişinin bu elektrikli ısıtıcının bobinlerinde olduğu gibi ısı ürettiği joule ısıtmadan kaynaklanır. Bu devre bileşenleri sıcak noktalar oluşturabilir, bu nedenle ısıyı dağıtabilen malzemeler seçilmelidir ve bu nedenle geleneksel olarak bakır ve gümüş seçilmiştir. Az önce JoVE'nin

Lazer Flaş Yöntemi ile Termal Yayılım Çalışmasına Giriş adlı kitabını izlediniz. Artık termal yayılımını analiz etmenin çok çeşitli mühendislik uygulamaları için neden gerekli olduğunu ve lazer flaş yöntemini kullanarak bir numunenin termal yayılımının nasıl ölçüleceğini anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler.