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熱拡散率とレーザーフラッシュ法
 

熱拡散率とレーザーフラッシュ法

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熱拡散率は、材料が熱を伝達し、温度の変化に反応する方法を評価するために使用される重要な特性です。熱拡散率、αは、どのくらいの熱が貯蔵されるかについて材料に伝導される熱の比率である。同様に熱伝導率であるκは、温度勾配に起因する材料を通してどれだけの熱が伝達されるかを記述する。熱拡散率と熱伝導率は、Roeが密度、Cpが材料の比熱容量である次式によって関連しています。金属のような熱拡散率の高い材料は、プラスチックのような熱拡散率の低い材料がはるかに遅い一方で、熱エネルギーを急速に伝導することができます。材料の熱拡散率は、多くの場合、レーザーフラッシュ分析またはLFAを使用して測定されます。この技術では、サンプルは、時間に関して測定される温度勾配を誘導するレーザーでそれを脈動させることによって片側に加熱されます。このビデオでは、レーザーフラッシュ法を使用して熱拡散率を測定する方法の基本を紹介します。次に、標準サンプルを使用して実験室で技術をデモンストレーションします。

まず、レーザーフラッシュ法は、平らで平行な上下の表面を持つサンプルを必要とし、通常は薄いディスクの形状を取ります。固体ディスクサンプルは最も簡単なサンプルですが、この技術は粉末、液体、または層状または多孔質のサンプルで使用できます。サンプルが調製されると、制御された雰囲気を有する密閉炉の内部に懸濁される。パルスあたり約15ジュールのパワーを持つレーザーは、サンプルの底面に瞬時のエネルギーパルスを提供します。サンプルの上面の上の赤外線検出器は、各レーザーパルスの後の時間で温度の変化を登録します。各パルスの間で、サンプルは平衡化することが許される。レーザーパルスと得られた温度変化データは、設定温度測定ポイントに対して記録されます。

結果として得られるデータは、サーモグラムと呼ばれ、時間に対する温度変化または測定された信号のプロットです。熱拡散率の推定値は、通常システムソフトウェアに組み込まれる熱輸送モデルを使用して理論的予測に適合した後に得られます。最も一般的に使用されるモデルは、公園の理想モデルです。このモデルでは、一定の温度を仮定し、測定中に熱がシステムから逃げないようにする境界条件を使用して微分方程式を解きます。これらの仮定はどちらも非理想的な測定では偽であるため、熱損失を考慮したコーワンモデルを使用してこのモデルを修正します。レーザーフラッシュ法を導入したので、標準的な鉄サンプルを使用して測定を実行する方法を見てみましょう。

レーザーフラッシュ機器の電源を入れ始め、約2時間ウォームアップすることができます。器械が暖かくなった後、小さい漏斗を使用して液体窒素で探知器のコンパートメントを満たす。これ以上蒸気が出なくなるまで液体を落ち着かせます。次に、コンパートメントを閉じます。次に、サンプルを入手します。ここでは、鉄の標準ディスクを使用しています。キャリパーでサンプルの寸法を測定します。幅は 6 ~ 25.4 ミリメートルです。厚さは均一で、1〜4ミリメートルの間でなければなりません。標本の平均厚さと標準偏差を計算します。試料噴霧の均一な加熱を確保するために、表面にコロイド黒鉛の薄いコーティングを行う。サンプルがスプレーの間に乾燥し、サンプルを裏返しにして反対側に同じ方法でスプレーするように3回繰り返します。

乾燥したら、サンプルを小さなサンプルサポートの下半分に置き、サポートの上半分で覆います。機械の右側にある安全ボタンと前面ラベル付き炉のボタンを同時に押して炉を開きます。炉の周りの移動性を高めるために、検出器を時計回りに回転させます。炉内のサンプル段階はサンプルを握るように設計されている3つの場所がある。サンプルを含むサンプルサポートを 3 つの場所のいずれかに配置し、そのうちの 1 つを書き留めます。その後、検出器を再調整し、炉ボタンと同時に安全ボタンを押して炉を閉じます。今、不活性ガスでそれをパージする前に、チャンバーを避難。まず、ベントバルブが閉じていることを確認します。次に、真空ポンプをオンにし、圧力インジケータが安定するまでチャンバを避難させるために真空バルブをゆっくりと開きます。次に、アルゴンシリンダーのレギュレータを開き、5と10 PSIの間で圧力を設定します。次に、真空バルブを閉じ、バックフィルバルブを開いてコンパートメントをアルゴンで満たします。

バックフィルバルブを閉じ、真空バルブをゆっくりと開いてチャンバを再び取り出し、圧力を安定させます。その後、真空バルブを閉じ、バックフィルバルブをもう一度開いてアルゴンを補充します。その後、圧力が安定した後、もう一度バックフィルバルブを閉じます。チャンバーに空気が残らないように、さらに数回これを行います。これは、高温で試料の表面に存在する化合物と酸素または窒素が反応する可能性を排除する。次に、パージをオンにしてベントバルブを開いてから、コントローラの電源を入れます。今、炉は空気が炉に流れ込まないようにするために、パージガスから非常にわずかな正の圧力で残す必要があります。次に、マシンのソフトウェアを起動します。サンプルは25〜600°Cに加熱され、25度に冷却されます。50度ごとに測定を行い、各温度で3つのパルスが行われます。次に、フローが安定するまでフローゲージのパージ流量を調整し、実験を開始します。検出器内の液体窒素レベルを定期的に確認し、必要に応じて補充します。テストが完了したら、炉とサンプルホルダーからサンプルを取り出します。

次に、データを見てみましょう。まず、鉄標準サンプルのレーザーパルスに対する測定信号と時間の2つのプロットが表示されます。左側は48.2度のレーザーパルスに対する応答で、右側の1つは600度のレーザーパルスに対する応答です。青いトレースはサンプルから収集された温度データを示し、細い赤い線はコーワンモデルから計算されたデータを示します。どちらのデータセットも、適切に定義された標準材料であるため、モデルによく適合します。一般に、実験的に計算された値は、低温と高温でのレーザーパルスのモデルトレースからの偏差が大きいほど、高温で最もよく一致します。各ドットが1つのレーザーパルスを表す温度と比較して計算された熱拡散率を見ると、より低い温度ではノイズが多いが、予想通り高い温度でより良いフィット感があることがわかります。

熱流や温度変動を伴う用途に適した材料を選択する際には、材料の熱特性を理解することが不可欠です。例えば、宇宙船を見るとき、熱保護タイルは大気再突入を成功させるために重要な役割を果たします。大気中に入ると、宇宙船は高温にさらされ、保護層なしで溶融、酸化、または燃焼します。熱タイルは、通常、小さな空気で満たされた細孔を持つ純粋なシリカガラス繊維で作られています。これら2つのコンポーネントは熱伝導率が低いため、タイル全体の熱流束を最小限に抑えます。電子部品が小型化されるにつれて集積回路における放熱の問題が重要な課題となっている。加熱は、一般に、材料を通る電流の通過がこの電気ヒーターのコイルのような熱を生成するジュール加熱によって引き起こされます。これらの回路部品はホットスポットを生成できるため、熱を放散できる材料を選択する必要があり、銅と銀が伝統的に選択されている理由です。あなたはちょうどジョーブのを見た

レーザーフラッシュ法による熱拡散率研究入門幅広いエンジニアリングアプリケーションに熱拡散率の解析が不可欠である理由と、レーザーフラッシュ法を使用してサンプルの熱拡散率を測定する方法を理解する必要があります。見てくれてありがとう。

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