Diffusività termica e metodo del flash laser

Overview

Fonte: Elise S.D. Buki, Danielle N. Beatty e Taylor D. Sparks,Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, Università dello Utah, Salt Lake City, UT

Il metodo del flash laser (LFA) è una tecnica utilizzata per misurare la diffusività termica, una proprietà specifica del materiale. La diffusività termica (α) è il rapporto tra la quantità di calore condotta rispetto alla quantità di calore immagazzinata in un materiale. È correlato alla conduttività termica ( Equation 1 ), quanto calore viene trasferito attraverso un materiale a causa di un gradiente di temperatura, dalla seguente relazione:

Equation 2 (Equazione 1)

dove ⍴ è la densità del materiale e C_pè la capacità termica specifica del materiale alla data temperatura di interesse. Sia la diffusività termica che la conduttività termica sono importanti proprietà del materiale utilizzate per valutare come i materiali trasferiscono il calore (energia termica) e reagiscono alle variazioni di temperatura. Le misurazioni della diffusività termica sono ottenute più comunemente con il metodo del flash termico o laser. In questa tecnica un campione viene riscaldato pulsandolo con un flash laser o xeno da un lato ma non dall'altro, inducendo così un gradiente di temperatura. Questo gradiente di temperatura provoca la propagazione del calore attraverso il campione verso il lato opposto, riscaldando il campione mentre va. Sul lato opposto un rilevatore a infrarossi legge e segnala la variazione di temperatura rispetto al tempo sotto forma di termogramma. Una stima della diffusività termica si ottiene dopo che questi risultati sono stati confrontati e adattati alle previsioni teoriche utilizzando un modello dei minimi quadrati.

Il metodo laser flash è l'unico metodo supportato da più standard (ASTM, BS, JIS R) ed è il metodo più utilizzato per determinare la diffusività termica.

Procedure

Accendere la macchina e attendere la fine del processo di riscaldamento (circa 2 ore).
Riempire il compartimento del rilevatore con azoto liquido utilizzando un piccolo imbuto fino a quando il vapore di azoto può essere visto provenire dal rilevatore. Lasciare che il liquido si depositi fino a quando non c'è più vapore che esce e chiudere il rilevatore.
Misura lo spessore del tuo campione con un micrometro su più punti e calcola lo spessore medio e la deviazione standard. I bordi del campione devono essere compre...

Results

Le figure 1, 2 e 3 mostrano i dati di una corsa LFA di un campione standard di ferro. Le figure 1 e 2 mostrano grafici di impulsi laser vs tempo per due temperature (48,2 ° C e 600 ° C); la traccia blu mostra l'impulso laser raccolto dal campione di ferro e la sottile linea rossa mostra l'impulso calcolato dal modello di Cowan. Entrambi gli impulsi di temperatura si adattano bene al modello perché si tratta di un materiale standard ben definito. Generalmente, i valori calcolati sperime...

Application and Summary

Il metodo del flash laser è una tecnica ampiamente utilizzata per la determinazione della diffusività termica che consiste nel irradiare un lato di un campione con energia termica (da una sorgente laser) e posizionare un rilevatore IR sull'altro lato per raccogliere l'impulso. L'ampia gamma di temperature di diversi modelli consente la misurazione su vari tipi di campioni. L'LFA richiede campioni relativamente piccoli. Altri strumenti che misurano direttamente la conduttività termica, piuttosto che la diffusività ter...