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La diffusion thermique et la méthode Flash Laser
 

La diffusion thermique et la méthode Flash Laser

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La diffusion thermique est une propriété importante utilisée pour évaluer comment un matériau transfère la chaleur et réagit aux changements de température. La diffusion thermique, alpha, est le rapport de la quantité de chaleur est effectuée dans un matériau par rapport à la quantité de chaleur stockée. De même, la conductivité thermique, le kappa, décrit la quantité de chaleur transférée à travers un matériau en raison d'un gradient de température. La diffusion thermique et la conductivité thermique sont liées par l'équation suivante où Roe est densité et Cp est la capacité thermique spécifique du matériau. Un matériau à forte diffusion thermique, comme un métal, est capable de conduire l'énergie thermique rapidement tandis qu'un matériau à faible diffusion thermique, comme le plastique, est beaucoup plus lent. La diffusion thermique d'un matériau est souvent mesurée à l'aide d'une analyse flash laser ou LFA. Dans cette technique, un échantillon est chauffé d'un côté en le pulsant avec un laser induisant un gradient de température qui est ensuite mesuré par rapport au temps. Cette vidéo présentera les bases de la façon dont la méthode flash laser est utilisée pour mesurer la diffusion thermique. Et puis nous allons démontrer la technique en laboratoire à l'aide d'un échantillon standard.

Tout d'abord, la méthode flash laser nécessite un échantillon avec des surfaces plates et parallèles en haut et en bas et prend généralement la forme d'un disque mince. Bien qu'un échantillon de disque solide soit l'échantillon le plus simple, la technique peut être utilisée sur une poudre, un liquide, ou même des échantillons en couches ou poreux. Une fois l'échantillon préparé, il est suspendu à l'intérieur d'un four scellé avec une atmosphère contrôlée. Un laser d'environ 15 joules par impulsion fournit une impulsion d'énergie instantanée à la face inférieure de l'échantillon. Un détecteur infrarouge au-dessus de la face supérieure de l'échantillon enregistre le changement de température avec le temps après chaque impulsion laser. Entre chaque impulsion, l'échantillon est autorisé à l'équilibre. Les impulsions laser et les données sur les changements de température qui en résultent sont enregistrées pour les points de mesure de la température.

Les données obtenues, appelées thermogrammes, sont une parcelle du changement de température ou du signal mesuré par rapport au temps. Une estimation de la diffusion thermique est obtenue après ajustement aux prédictions théoriques à l'aide de modèles de transport de chaleur qui sont généralement incorporés dans le logiciel du système. Le modèle le plus utilisé est le modèle idéal des parcs. Ce modèle consiste à résoudre une équation différentielle avec des conditions limites qui supposent des températures constantes et qu'aucune chaleur ne s'échappe du système pendant la mesure. Ces deux hypothèses sont fausses pour les mesures non idéales de sorte que ce modèle est corrigé à l'aide du modèle Cowan qui prend en considération la perte de chaleur. Maintenant que nous avons introduit la méthode flash laser nous allons jeter un oeil à la façon d'exécuter la mesure à l'aide d'un échantillon de fer standard.

Pour commencer à allumer l'instrument flash laser et lui permettre de se réchauffer pendant environ deux heures. Une fois l'instrument réchauffé, remplissez le compartiment détecteur d'azote liquide à l'aide d'un petit entonnoir. Laissez le liquide se déposer jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de vapeur qui s'évapore. Fermez ensuite le compartiment. Maintenant, obtenez votre échantillon. Ici, nous utilisons un disque standard de fer. Mesurer les dimensions de l'échantillon à l'égard des étriers. Il devrait être entre six et 25,4 millimètres de large. L'épaisseur doit être uniforme et entre un et quatre millimètres. Calculer l'épaisseur moyenne de l'échantillon ainsi que l'écart type. Pour assurer un chauffage uniforme de l'échantillon pulvériser une fine couche de graphite colloïdal sur la surface. Répétez trois fois en laissant sécher l'échantillon entre les pulvérisations, puis retournez l'échantillon et vaporisez l'autre côté de la même façon.

Une fois à sec placer l'échantillon dans la moitié inférieure du support de l'échantillon, puis le couvrir avec la moitié supérieure du support. Ouvrez le four en appuyant simultanément sur le bouton de sécurité sur le côté droit de la machine et le bouton sur le four étiqueté côté avant. Faites pivoter le détecteur dans le sens des aiguilles d'une montre afin d'avoir plus de mobilité autour du four. L'étape de l'échantillon à l'intérieur du four comporte trois emplacements conçus pour contenir les échantillons. Placez le support de l'échantillon contenant l'échantillon dans l'un des trois endroits en prenant note de celui qu'il est. Réalignez ensuite le détecteur et fermez le four en appuyant simultanément sur le bouton de sécurité avec le bouton du four. Maintenant, évacuer la chambre avant de la purger avec du gaz inerte. Assurez-vous d'abord que la soupape d'évent est fermée. Ensuite, allumez la pompe à vide et ouvrez lentement la soupape à vide pour évacuer la chambre jusqu'à ce que l'indicateur de pression soit stabilisé. Ensuite, ouvrez le régulateur sur le cylindre Argon et régle la pression entre cinq et 10 PSI. Fermez ensuite la soupape à vide et ouvrez la soupape de remblai pour remplir le compartiment d'argon.

Fermez la soupape de remblai puis ouvrez lentement la soupape à vide pour évacuer à nouveau la chambre et laisser la pression se stabiliser. Fermez ensuite la soupape à vide et ouvrez à nouveau la soupape de remblai pour remplir avec de l'argon. Puis fermez la soupape de remblai une fois de plus après que la pression se stabilise. Faites-le plusieurs fois de plus pour vous assurer qu'il n'y a plus d'air dans la chambre. Il s'agit d'éliminer le risque de réaction de l'oxygène ou de l'azote avec les composés présents à la surface de l'échantillon à haute température. Ensuite, allumez la purge et ouvrez la soupape d'évent avant d'allumer le contrôleur. Maintenant, le four doit être laissé avec une très légère pression positive du gaz de purge afin de s'assurer que l'air ne coule pas dans le four. Ensuite, lancez le logiciel de la machine. L'échantillon sera chauffé de 25 à 600 degrés Celsius puis reviendra à 25 degrés. Trois impulsions seront faites à chaque température avec des mesures faites tous les 50 degrés. Maintenant, ajustez le débit de purge sur la jauge de débit jusqu'à ce que le débit se stabilise, puis lancez l'expérience. Vérifiez périodiquement le niveau d'azote liquide dans le détecteur et remplissez-le au besoin. Une fois l'essai terminé, retirez l'échantillon du four et du porte-échantillon.

Maintenant, nous allons jeter un oeil aux données. D'abord, nous voyons deux parcelles de signal mesuré par rapport au temps pour une impulsion laser sur notre échantillon standard de fer. Celui de gauche est la réponse à une impulsion laser à 48,2 degrés et celle de droite est la réponse à une impulsion laser à 600 degrés. La trace bleue montre les données de température recueillies à partir de l'échantillon et la mince ligne rouge montre les données calculées du modèle Cowan. Les deux ensembles de données s'adaptent bien au modèle parce qu'il s'agit d'un matériau standard bien défini. En général, les valeurs calculées expérimentalement correspondent le mieux au modèle Cowan à des températures élevées, comme le montre la plus grande déviation par rapport à la trace du modèle pour les impulsions laser à basse température par rapport à la température élevée. Si nous prenons un coup d'oeil à la diffusion thermique calculée par rapport à la température où chaque point représente une impulsion laser, nous pouvons voir qu'il ya plus de bruit à basse température, mais un meilleur ajustement à une température plus élevée comme prévu.

Il est essentiel de comprendre les propriétés thermiques d'un matériau lors de la sélection d'un matériau approprié pour toute application impliquant le flux de chaleur ou les fluctuations de température. En regardant les engins spatiaux par exemple, les tuiles de protection thermique jouent un rôle important dans la rentrée atmosphérique réussie. Lorsqu'il pénètre dans l'atmosphère, un engin spatial est exposé à des températures élevées et fond, s'oxyde ou brûle sans couche protectrice. Les tuiles thermiques sont généralement faites de fibres de verre de silice pures avec de minuscules pores remplis d'air. Ces deux composants ont une faible conductivité thermique et minimisent donc le flux de chaleur à travers les tuiles. À mesure que les composants électroniques sont miniaturisés, la question de la dissipation de la chaleur dans les circuits intégrés est devenue un problème clé. Le chauffage est généralement causé par le chauffage de joule où le passage du courant électrique à travers un matériau produit la chaleur comme dans les bobines de ce chauffage électrique. Ces composants de circuit peuvent générer des points chauds donc des matériaux doivent être sélectionnés qui sont capables de dissiper la chaleur et c'est pourquoi le cuivre et l'argent ont été traditionnellement sélectionnés. Vous venez de regarder JoVE,

Introduction à l'étude dans la diffusion thermique par l'intermédiaire de la méthode Flash Laser. Vous devez maintenant comprendre pourquoi l'analyse de la diffusion thermique est essentielle à un large éventail d'applications d'ingénierie et comment mesurer la diffusion thermique d'un échantillon à l'aide de la méthode flash laser. Merci d'avoir regardé.

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