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Thermische Diffusivität und Laserblitzmethode
 

Thermische Diffusivität und Laserblitzmethode

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Thermische Diffusivität ist eine wichtige Eigenschaft, die verwendet wird, um zu beurteilen, wie ein Material Wärme überträgt und auf Temperaturänderungen reagiert. Thermische Diffusivität, alpha, ist das Verhältnis, wie viel Wärme in einem Material im Verhältnis zu der Menge der Wärme gespeichert wird. Ebenso beschreibt die Wärmeleitfähigkeit, kappa, wie viel Wärme durch ein Material aufgrund eines Temperaturgradienten übertragen wird. Thermische Diffusivität und Wärmeleitfähigkeit sind durch die folgende Gleichung verbunden, wobei Roe Dichte und Cp die spezifische Wärmekapazität des Materials ist. Ein Material mit einer hohen thermischen Diffusivität, wie ein Metall, ist in der Lage, wärmende Energie schnell zu leiten, während ein Material mit geringer thermischer Diffusivität, wie Kunststoff, viel langsamer ist. Die thermische Diffusivität eines Materials wird häufig mit Laserblitzanalyse oder LFA gemessen. Bei dieser Technik wird eine Probe einseitig erhitzt, indem sie mit einem Laser pulsiert, der einen Temperaturgradienten induzieren, der dann zeitlich gemessen wird. In diesem Video werden Grundlagen der Verwendung der Laserblitzmethode zur Messung der thermischen Diffusivität vorgestellt. Und dann zeigen wir die Technik im Labor mit einer Standardprobe.

Zuerst erfordert die Laserblitzmethode eine Probe mit flachen und parallelen oberen und unteren Oberflächen und nimmt in der Regel die Form einer dünnen Scheibe an. Während eine Feste Scheibe Probe ist die einfachste Probe kann die Technik auf einem Pulver verwendet werden, Flüssigkeit, oder sogar geschichtete oder poröse Proben. Sobald die Probe vorbereitet ist, wird sie in einem abgedichteten Ofen mit einer kontrollierten Atmosphäre aufgehängt. Ein Laser mit einer Leistung von etwa 15 Joule pro Puls liefert einen sofortigen Energieimpuls auf die untere Seite der Probe. Ein Infrarotdetektor über der Oberseite der Probe registriert die Temperaturänderung mit der Zeit nach jedem Laserpuls. Zwischen jedem Puls darf die Probe ausgeglichen werden. Laserpulse und die daraus resultierenden Temperaturänderungsdaten werden für eingestellte Temperaturmesspunkte aufgezeichnet.

Die resultierenden Daten, ein Thermogramm genannt, sind ein Diagramm der Temperaturänderung oder des gemessenen Signals in Bezug auf die Zeit. Eine Schätzung der thermischen Diffusivität wird nach anpassung an theoretische Vorhersagen mit Wärmetransportmodellen ermittelt, die in der Regel in die Systemsoftware integriert sind. Das am häufigsten verwendete Modell ist das Parks Ideal Model. Dieses Modell beinhaltet die Lösung einer Differentialgleichung mit Randbedingungen, die konstante Temperaturen annehmen und dass während der Messung keine Wärme aus dem System entweicht. Beide Annahmen sind für nicht ideale Messungen falsch, so dass dieses Modell mit dem Cowan-Modell korrigiert wird, das Wärmeverlust berücksichtigt. Nachdem wir nun die Laserblitzmethode eingeführt haben, werfen wir einen Blick darauf, wie die Messung mit einer Standard-Eisenprobe ausgeführt wird.

Um das Laserblitzgerät einzuschalten und es für etwa zwei Stunden aufwärmen zu lassen. Nachdem sich das Gerät erwärmt hat, füllen Sie das Detektorfach mit flüssigem Stickstoff mit einem kleinen Trichter. Lassen Sie die Flüssigkeit absetzen, bis kein Dampf mehr herauskommt. Schließen Sie dann das Fach. Jetzt erhalten Sie Ihre Probe. Hier verwenden wir eine Eisen-Standard-Disk. Messen Sie die Abmessungen der Probe mit Bremssätteln. Er sollte zwischen sechs und 25,4 Millimeter breit sein. Die Dicke sollte gleichmäßig und zwischen einem und vier Millimetern sein. Berechnen Sie die durchschnittliche Dicke der Probe sowie die Standardabweichung. Um eine gleichmäßige Erwärmung der Probe zu gewährleisten, sprühen Sie eine dünne Beschichtung aus kolloidalem Graphit auf die Oberfläche. Wiederholen Sie dies dreimal, so dass die Probe zwischen den Sprays trocknen kann, dann kippen Sie die Probe um und sprühen Sie die andere Seite auf die gleiche Weise.

Nach dem Trocknen die Probe in die untere Hälfte der kleinen Probenstütze legen, dann mit der oberen Hälfte des Trägers bedecken. Öffnen Sie den Ofen, indem Sie gleichzeitig die Sicherheitstaste auf der rechten Seite der Maschine und die Taste auf der Vorderseite mit beschrifteten Ofen drücken. Drehen Sie den Detektor im Uhrzeigersinn, um mehr Mobilität um den Ofen zu haben. Die Probenstufe innerhalb des Ofens verfügt über drei Standorte, die für die Proben ausgelegt sind. Setzen Sie die Probeunterstützung, die die Probe enthält, an einen der drei Orte, an denen sie notiert. Richten Sie dann den Detektor neu aus und schließen Sie den Ofen, indem Sie gleichzeitig mit dem Ofenknopf die Sicherheitstaste drücken. Nun evakuieren Sie die Kammer, bevor Sie sie mit Inertgas reinigen. Stellen Sie zunächst sicher, dass das Entlüftungsventil geschlossen ist. Schalten Sie dann die Vakuumpumpe ein und öffnen Sie langsam das Vakuumventil, um die Kammer zu evakuieren, bis die Druckanzeige stabilisiert ist. Öffnen Sie anschließend den Regler am Argon-Zylinder und stellen Sie den Druck zwischen fünf und 10 PSI ein. Schließen Sie dann das Vakuumventil und öffnen Sie das Verfüllventil, um das Fach mit Argon zu füllen.

Schließen Sie das Verfüllventil und öffnen Sie dann langsam das Vakuumventil, um die Kammer wieder zu evakuieren und den Druck zu stabilisieren. Schließen Sie dann das Vakuumventil und öffnen Sie das Verfüllventil erneut, um es mit Argon nachzufüllen. Schließen Sie dann das Verfüllventil wieder, nachdem sich der Druck stabilisiert hat. Tun Sie dies noch einige Male, um sicherzustellen, dass keine Luft mehr in der Kammer ist. Dadurch soll die Wahrscheinlichkeit beseitigt werden, dass Sauerstoff oder Stickstoff mit den auf der Oberfläche der Probe vorhandenen Verbindungen bei hohen Temperaturen reagieren. Schalten Sie dann die Spülung ein und öffnen Sie das Entlüftungsventil, bevor Sie den Regler einschalten. Nun sollte der Ofen mit einem sehr geringen positiven Druck aus dem Spülgas belassen werden, um sicherzustellen, dass keine Luft in den Ofen strömt. Starten Sie dann die Software der Maschine. Die Probe wird von 25 bis 600 Grad Celsius erhitzt und dann auf 25 Grad abgekühlt. Bei jeder Temperatur werden drei Impulse gemacht, wobei alle 50 Grad gemessen werden. Passen Sie nun die Spülgeschwindigkeit auf dem Durchflussmesser an, bis sich der Durchfluss stabilisiert, und starten Sie dann das Experiment. Überprüfen Sie regelmäßig den Flüssigstickstoffgehalt im Detektor und füllen Sie ihn nach Bedarf nach. Nach Abschluss der Prüfung entfernen Sie die Probe aus dem Ofen und Probenhalter.

Werfen wir nun einen Blick auf die Daten. Zuerst sehen wir zwei Diagramme des gemessenen Signals im Vergleich zur Zeit für einen Laserpuls auf unserer Eisenstandardprobe. Die linke ist die Reaktion auf einen Laserpuls bei 48,2 Grad und der auf der rechten Seite ist die Reaktion auf einen Laserpuls bei 600 Grad. Die blaue Spur zeigt die gesammelten Temperaturdaten aus der Stichprobe und die dünne rote Linie zeigt die berechneten Daten aus dem Cowan-Modell. Beide Datensätze passen gut zum Modell, da es sich um ein genau definiertes Standardmaterial handelt. Im Allgemeinen entsprechen experimentell berechnete Werte dem Cowan-Modell am besten bei hohen Temperaturen, wie die größere Abweichung von der Modellspur für die Laserpulse bei niedriger Temperatur im Vergleich zu hohen Temperaturen zeigt. Wenn wir einen Blick auf die berechnete thermische Diffusivität im Vergleich zu der Temperatur werfen, bei der jeder Punkt einen Laserpuls darstellt, können wir sehen, dass es mehr Rauschen bei niedrigerer Temperatur gibt, aber bei einer höheren Temperatur besser als erwartet.

Es ist wichtig, die thermischen Eigenschaften eines Materials zu verstehen, wenn ein geeignetes Material für jede Anwendung mit Wärmefluss oder Temperaturschwankungen ausgewählt wird. Beim Beispiel der Raumsonde spielen Wärmeschutzfliesen eine wichtige Rolle beim erfolgreichen wiedereintritt in die Atmosphäre. Beim Betreten der Atmosphäre ist ein Raumschiff hohen Temperaturen ausgesetzt und würde ohne Schutzschicht schmelzen, oxidieren oder verbrennen. Thermische Fliesen bestehen typischerweise aus reinen Kieselsäure-Glasfasern mit winzigen luftgefüllten Poren. Diese beiden Komponenten haben eine geringe Wärmeleitfähigkeit und minimieren daher den Wärmefluss über die Fliesen. Mit der Miniaturisierung elektronischer Komponenten ist das Problem der Wärmeableitung in integrierten Schaltkreisen zu einem zentralen Problem geworden. Die Erwärmung wird in der Regel durch Joule-Heizung verursacht, bei der der Durchgang von elektrischem Strom durch ein Material Wärme wie in den Spulen dieses elektrischen Heizers erzeugt. Diese Schaltungskomponenten können Hot Spots erzeugen, so dass Materialien ausgewählt werden müssen, die Wärme ableiten können und deshalb sind Kupfer und Silber traditionell ausgewählt. Sie haben gerade JoVeDs

Einführung in die Studie zur thermischen Diffusivität über die Laserblitzmethode. Sie sollten nun verstehen, warum die Analyse der thermischen Diffusivität für eine Vielzahl von technischen Anwendungen unerlässlich ist und wie die thermische Diffusivität einer Probe mit der Laserblitzmethode gemessen werden kann. Danke fürs Zuschauen.

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