Difusividad térmica y el método del pulso láser

Overview

Fuente: Elise S.D. Buki, Danielle N. Beatty, y Taylor D. Sparks,Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de Utah, Salt Lake City, UT

El método de flash láser (LFA) es una técnica utilizada para medir la difusividad térmica, una propiedad específica del material. La difusividad térmica es la relación entre la cantidad de calor que se lleva a cabo en relación con la cantidad de calor que se almacena en un material. Está relacionado con la Equation 1 conductividad térmica ( ), la cantidad de calor que se transfiere a través de un material debido a un gradiente de temperatura, por la siguiente relación:

Equation 2 (Ecuación 1)

donde es la densidad del material y C_pes la capacidad térmica específica del material a la temperatura de interés dada. Tanto la difusividad térmica como la conductividad térmica son propiedades importantes del material que se utilizan para evaluar cómo los materiales transfieren el calor (energía térmica) y reaccionan a los cambios de temperatura. Las mediciones de la difusividad térmica se obtienen más comúnmente por el método de flash térmico o láser. En esta técnica se calienta una muestra pulsando con un destello láser o xenón en un lado pero no en el otro, induciendo así un gradiente de temperatura. Este gradiente de temperatura da como resultado que el calor se propague a través de la muestra hacia el lado opuesto, calentando la muestra a medida que avanza. En el lado opuesto un detector infrarrojo lee e informa el cambio de temperatura con respecto al tiempo en forma de termograma. Una estimación de la difusividad térmica se obtiene después de que estos resultados se comparan y se ajustan a las predicciones teóricas utilizando un modelo de mínimos cuadrados.

El método de flash láser es el único método que es compatible con múltiples estándares (ASTM, BS, JIS R) y es el método más utilizado para determinar la difusividad térmica.

Procedure

Encienda la máquina y espere a que finalice el proceso de calentamiento (aproximadamente 2 horas).
Llene el compartimiento del detector con nitrógeno líquido utilizando un pequeño embudo hasta que el vapor de nitrógeno pueda ser visto procedente del detector. Deje que el líquido se asiente hasta que no salga más vapor y cierre el detector.
Mida el grosor de la muestra con un micrómetro en varios puntos y calcule el espesor medio y la desviación estándar. Los bordes de la muestra deben estar entre 6 mm y 25,...

Results

Las figuras 1, 2 y 3 muestran los datos de una ejecución LFA de una muestra estándar de hierro. Las figuras 1 y 2 muestran el pulso láser frente a las gráficas de tiempo para dos temperaturas (48,2 oC y 600 oC); el rastro azul muestra el pulso láser recogido de la muestra de hierro y la delgada línea roja muestra el pulso calculado del modelo Cowan. Ambos pulsos de temperatura se ajustan bien al modelo porque se trata de un material estándar bien definido. Generalmente, los valores...

Application and Summary

El método de flash láser es una técnica ampliamente utilizada para la determinación de la difusividad térmica que consiste en irradiar un lado de una muestra con energía térmica (de una fuente láser) y colocar un detector IR en el otro lado para recoger el pulso. La amplia gama de temperatura según la temperatura de los diferentes modelos permite la medición en varios tipos de muestras. El LFA requiere muestras relativamente pequeñas. Otras herramientas que miden la conductividad térmica directamente, en luga...