דיפוזיה תרמית ושיטת פלאש לייזר

בשיטת הבזק הלייזר, מדגם עם משטחים שטוחים, מקבילים עליונים ותחתונים ממוקם באטמוספירה מבוקרת (אוויר, חמצן, ארגון, חנקן וכו ') בתוך תנור אטום. דגימות הן לעתים קרובות דיסקים דקים עם קוטר של 6 מ"מ עד 25.4 מ"מ ועוביים בין 1 מ"מ ל 4 מ"מ. לייזר עם כוח סביב 15 J / דופק מספק דופק אנרגיה מיידית לפנים התחתונות של המדגם. גלאי אינפרא אדום נמצא מעל הפנים העליונות של המדגם; גלאי זה רושם את השינוי בטמפרטורה עם הזמן של הפנים העליונות של המדגם לאחר כל פעימת לייזר. פולסים בלייזר וכתוצאה מכך נתוני שינוי טמפרטורה נרשמים עבור נקודות מדידה קבועות של טמפרטורה, בטווח של -120°C עד 2800°C, בהתאם למכשיר. בין כל מדידה שנלקחה, הטמפרטורה של המדגם מותרת שישוא. LFA יכול להיות מופעל על אבקה, נוזל, בתפזורת, מרוכבים, שכבות, נקבובי, ודגימות שקופות למחצה (שינויים מסוימים עשויים להיות נחוצים בהתאם לסוג המדגם).

הנתונים המתקבלים מוצגים בצורה של תרמוגרמה ומושווים למודלים אנליטיים, חד ממדיים של הובלת חום, אשר מניחים אטימות מדגם, הומוגניות ואובדן חום רדיאלי מינימלי. מודלים אלה גם מניחים תכונות תרמיות וצפיפות המדגם נשארים קבועים בטווחי הטמפרטורה שנמדדו. סטיות ניסיוניות מהנחות מודל דורשות לעתים קרובות חישובי תיקון.

ישנם מספר מודלים מתמטיים המשמשים להשגת דיפוזיה תרמית מתוצאות שיטת הבזק הלייזר. המודל המקורי (המודל האידיאלי של הפארק) כרוך בפתרון משוואה דיפרנציאלית עם תנאי גבול המניחים טמפרטורות קבועות וכי אין חום בורח מהמערכת במהלך המדידה. שתי אלה הן הנחות שווא למדידות אמיתיות. Netzsch LFA 457 מופעל לעתים קרובות באמצעות מודל Cowan. מודל זה מתקן את המודל האידיאלי; זה לוקח אנרגיה ואובדן חום בחשבון ונותן התאמה מדויקת יותר עבור סריקות חומר רבות ושונות. דגם זה משמש כאן לחומר סטנדרטי מברזל.

איורים 1, 2 ו- 3 מציגים את הנתונים מריצה של LFA של מדגם סטנדרטי מברזל. איורים 1 ו-2 מראים דופק לייזר לעומת חלקות זמן לשתי טמפרטורות (48.2 מעלות צלזיוס ו-600 מעלות צלזיוס); העקבות הכחולים מראים את פעימת הלייזר שנאספה מדגימת הברזל והקו האדום הדק מראה את הדופק המחושב ממודל קאוון. שני פולסי הטמפרטורה מתאימים היטב למודל מכיוון שמדובר בחומר סטנדרטי מוגדר היטב. בדרך כלל, ערכים מחושבים באופן ניסיוני תואמים את המודל של קאוון בצורה הטובה ביותר בטמפרטורות גבוהות, כפי שניתן לראות בסטייה הגדולה יותר ממעקב המודל של פולסי הלייזר בטמפרטורות נמוכות (איור 1) לעומת טמפרטורות גבוהות (איור 2). טמפרטורות נמוכות מתאימות יחסית למודל של חומר סטנדרטי זה אך חורגות מתוצאות טמפרטורה גבוהות יותר מכיוון שלא ניתן להגיע לטמפרטורות הנמוכות יותר בזמן המותר לשאיול בין כל פעימה. כל נקודת נתונים (עיגול אדום) באיור 2 מייצגת פעימת לייזר אחת; ככל שנקודות הנתונים מתאימות יותר למודל קאוון, כך ערכי הדיפוזיה התרמית מתאימים ומדויקים יותר.

איור 1: אות לייזר לעומת חלקת זמן ב-48°C לריצה סטנדרטית מברזל ב-LFA 457. העקבות הכחולים מייצגים את האות מהלייזר שפוגע במדגם. הקו האדום הדק מייצג את הדופק המחושב עבור מודל קאוון.

איור 2: אות לייזר לעומת חלקת זמן ב-600°C לריצה סטנדרטית מברזל ב-LFA 457. העקבות הכחולים מייצגים את האות מהלייזר שפוגע במדגם. הקו האדום הדק מייצג את הדופק המחושב עבור מודל קאוון.

איור 3: דיפוזיה תרמית (α) לעומת התוויית טמפרטורה לדיסק סטנדרטי מברזל, הפעלה ב-LFA 457. כל עיגול אדום מייצג פעימת לייזר אחת.

שיטת הבזק הלייזר היא טכניקה נפוצה לקביעת דיפוזיה תרמית המורכבת מקרין צד אחד של מדגם עם אנרגיה תרמית (ממקור לייזר) והצבת גלאי IR בצד השני כדי לקלוט את הדופק. הטווח הרחב בטמפרטורה של מודלים שונים מאפשר מדידה על סוגים שונים של דגימות. ה- LFA דורש דגימות קטנות יחסית. כלים אחרים המודדים מוליכות תרמית ישירות, ולא דיפוזיה תרמית, כוללים את הצלחת החמה השמורה, מד זרימת החום ואחרים. מערכת פלטות חמות שמורות יכולה להכיל דגימות מרובעות גדולות יחסית (300 מ"מ x 300 מ"מ) ודורשת כיול זהיר על מנת לחשב שטף תרמי הדרוש לחישוב מוליכות תרמית. אף אחד מהכלים האלה לא יכול למדוד דיפוזיה תרמית לטמפרטורות גבוהות ובדרך כלל לפעול מתחת 250^oC.

דיפוזיה תרמית היא מאפיין חשוב שצריך להיות ידוע בעת בחירת החומר המתאים עבור כל יישומים מעורבים זרימת חום או רגישים לתנודות חום. לדוגמה, מוליכות תרמית, אונג עם דיפוזיות, גם לשחק תפקיד חשוב בבידוד. בעת בחירת חומר לשימוש לבידוד, חשוב להיות מסוגל למדוד ולהשוות את המאפיינים התרמיים של חומרים שונים. תכונות תרמיות אלה הן אפילו יותר קריטיות בחלל. אריחי הגנה תרמית ממלאים תפקיד חשוב בכניסה המצליחה של החללית לאטמוספירה. בעת הכניסה לאטמוספרה, חללית חשופה לטמפרטורות גבוהות במיוחד והייתה נמסה, מתחמצן או נשרפת ללא שכבת הגנה. אריחי הגנה תרמית עשויים בדרך כלל מסיבי זכוכית סיליקה טהורים עם נקבוביות זעירות מלאות אוויר. שני רכיבים אלה יש מוליכות תרמית נמוכה ולכן למזער את שטף החום על פני האריחים. המוליכות התרמית של חומרים עם נקבוביות גבוהה ( ) ניתן לחשב עם היחס הבא של מקסוול :
 (משוואה 2)