Difusividade Térmica e Método do Flash de Laser

Fonte: Elise S.D. Buki, Danielle N. Beatty, e Taylor D. Sparks, Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade de Utah, Salt Lake City, UT

O método de flash laser (LFA) é uma técnica usada para medir a difusividade térmica, uma propriedade específica do material. A difusividade térmica (α) é a razão de quanto calor é realizado em relação à quantidade de calor armazenado em um material. Está relacionado à condutividade térmica ( ), quanto calor é transferido através de um material devido a um gradiente de temperatura, pela seguinte relação:

(Equação 1)

onde ⍴ é a densidade do material e C_p é a capacidade de calor específica do material na determinada temperatura de interesse. Tanto a difusividade térmica quanto a condutividade térmica são importantes propriedades materiais utilizadas para avaliar como os materiais transferem calor (energia térmica) e reagem às mudanças de temperatura. As medidas de difusividade térmica são obtidas mais comumente pelo método de flash térmico ou laser. Nesta técnica, uma amostra é aquecida pulsando-a com um laser ou flash de xenônio de um lado, mas não do outro, induzindo assim um gradiente de temperatura. Este gradiente de temperatura resulta em propagação de calor através da amostra para o lado oposto, aquecendo a amostra como ela vai. No lado oposto, um detector infravermelho lê e relata a mudança de temperatura em relação ao tempo na forma de um termograma. Uma estimativa da difusividade térmica é obtida após a comparação desses resultados e apta a previsões teóricas utilizando um modelo de menos quadrados.

O método de flash laser é o único método suportado por múltiplos padrões (ASTM, BS, JIS R) e é o método mais amplamente utilizado para determinar a difusividade térmica.

1. Ligue a máquina e espere o processo de aquecimento terminar (aproximadamente 2 horas).
2. Encha o compartimento do detector com nitrogênio líquido usando um pequeno funil até que o vapor de nitrogênio possa ser visto vindo do detector. Deixe o líquido se instalar até que não haja mais vapor saindo e feche o detector.
3. Meça a espessura da amostra com um micrômetro sobre vários pontos e calcule a espessura média e o desvio padrão. As bordas da amostra devem estar entre 6mm e 25,4 mm, com geometria plana, redonda ou retangu

As figuras 1, 2 e 3 mostram os dados de uma execução LFA de uma amostra padrão de ferro. As figuras 1 e 2 mostram pulso laser vs parcelas de tempo para duas temperaturas (48,2°C e 600°C); o traço azul mostra o pulso laser coletado da amostra de ferro e a fina linha vermelha mostra o pulso calculado do modelo Cowan. Ambos os pulsos de temperatura se encaixam bem no modelo porque este é um material padrão bem definido. Geralmente, os valores calculados experimentalmente correspondem...

O método de flash laser é uma técnica amplamente utilizada para determinação da difusividade térmica que consiste em irradiar um lado de uma amostra com energia térmica (de uma fonte de laser) e colocar um detector de IR do outro lado para captar o pulso. A ampla gama de temperaturas de diferentes modelos permite a medição em vários tipos de amostras. O LFA requer amostras relativamente pequenas. Outras ferramentas que medem diretamente a condutividade térmica, em vez de difusividade térmica, incluem a placa ...