Стандартен метод за изпитване на термична дифузия чрез флаш метод ASTM E1461

Стандартът „ASTM E1461 Standard Test Method for Thermal Difuzivity by Flash“, разработен от Американското дружество за изпитване и материали (ASTM), описва метод за изпитване, включващ предимно определяне на термичната дифузия на хомогенни изотропни твърди материали. Стойности на термичната дифузия в диапазона от 0,1 до 1000 (mm) ^{² s⁻¹} могат да бъдат измерени с помощта на този метод за изпитване при температури, вариращи от приблизително 75 до 2800 K.

Стандартната практика ASTM E2585 за термична дифузия чрез флаш метод е допълнение към този метод за изпитване и предоставя подробна информация за използването на флаш метода. Тези два стандарта се допълват взаимно.

Този метод за изпитване е по-подробна форма на стандартния метод за изпитване ASTM C714 и е приложим за много по-широк диапазон от материали, приложения и температури, а точността на измерване е повишена.

Този метод за изпитване е предназначен да позволи използването на голямо разнообразие от конструкции на устройства. Непрактично е такъв метод за изпитване да определя конструктивни и процедурни детайли, които биха обхванали всички ситуации, които биха представлявали предизвикателство за някой, който не притежава съответните технически познания, или да ограничава научноизследователската и развойна дейност до подобрения в основната техника.

Този метод на изпитване е приложим за измервания, извършени върху практически напълно плътни (за предпочитане, но ниската порьозност е приемлива), хомогенни и изотропни твърди материали, които са непрозрачни за приложения енергиен импулс. Опитът показва, че някои отклонения от тези строги правила могат да бъдат отстранени чрез внимателно и подходящо експериментално проектиране и могат значително да увеличат полезността на метода.

Термичната дифузия е важно преходно термично свойство, необходимо за цели като проектни приложения, определяне на безопасна работна температура, контрол на процесите и осигуряване на качеството.

Флаш методът се използва за измерване на термичната дифузия на голямо разнообразие от твърди материали. Той е особено предимствен поради простата геометрия на пробата, малките изисквания за размер на пробата, скоростта на измерване и лекотата на използване.

При определени строги условия, когато методът се използва количествено, може да се определи специфичният топлинен капацитет на хомогенна, изотропна, непрозрачна твърда проба. Резултатите от термичната дифузия, заедно със съответните стойности на специфичния топлинен капацитет и плътност, могат да се използват за определяне на топлопроводимостта, в много случаи съгласно зависимостите, дадени в стандарта.

За целите на този стандарт, топлопроводимостта на твърд материал е скоростта във времето на постоянен топлинен поток през единица дебелина на безкрайна плоча от хомогенен материал, перпендикулярна на повърхността, в резултат на единична температурна разлика. Тъй като това свойство се променя с температурата, то трябва да бъде дефинирано чрез специфична средна температура. Термопроводимостта на твърд материал се определя чрез разделяне на топлопроводимостта на произведението от неговата плътност и топлинен капацитет на единица маса.

По време на изпитването, малка, тънка дискова проба се подлага на високоинтензивен, краткотраен импулс от лъчиста енергия. Енергията на импулса се абсорбира от предната повърхност на пробата и полученото повишаване на температурата на задната повърхност (термична крива) се записва. Стойността на термичната дифузия се изчислява от дебелината на пробата и времето, необходимо за повишаване на температурата на задната повърхност, за да достигне определен процент от максималната си стойност. Ако термичната дифузия на пробата трябва да се определи в определен температурен диапазон, измерването трябва да се повтори при всяка съответна температура. Този метод на изпитване е описан подробно в редица публикации и обзорни статии. Обобщение на теорията е включено в стандартното приложение (Приложение X1).

Типичната проба е тънък кръгъл диск с предна повърхност, по-малка от тази на енергийния лъч. Пробите обикновено са с диаметър от 10 до 12,5 mm (в специални случаи могат да се използват проби с размери от 6 mm до 30 mm). Оптималната дебелина зависи от величината на очакваната термична дифузия и трябва да бъде избрана така, че времето за достигане на половината от максималната температура да е в диапазона от 10 до 1000 ms. По-тънките проби са за предпочитане при по-високи температури, за да се сведат до минимум корекциите за топлинни загуби, но пробите винаги трябва да са достатъчно дебели, за да представят изпитвания материал. Дебелините обикновено варират от 1 до 6 mm.

Образците трябва да се подготвят така, че повърхностите им да са плоски и успоредни с отклонение до 0,5% от дебелината им, за да се поддържа грешката в термичната дифузия, дължаща се на измерената средна дебелина, под 1%. Неравности (кратери, драскотини, следи) трябва да се избягват и по двете повърхности.

Преди извършване на измервания е добра практика да се нанесе много тънък, равномерен слой графит или друг материал с висока емисионна способност върху двете повърхности на тестваната проба. Покритието може да се нанесе чрез методи като разпрашване, боядисване или пръскане. Това увеличава способността на пробата да абсорбира приложената енергия, особено за силно отразяващи материали. За прозрачни материали първо трябва да се нанесе слой от злато, сребро или други непрозрачни материали, последвано от графитното покритие. За някои непрозрачни отразяващи материали, пясъкоструйната обработка на повърхността може да осигури достатъчно поглъщане на удари и емисионна способност, особено при високи температури, където покритията могат да бъдат нестабилни или да реагират с материала.

Основните компоненти на устройството, използвано в тестовете, са източник на светкавица, държач за проба, камера за измерване на околната среда (по избор), температурен детектор и записващо устройство.

• Източникът на светкавица може да бъде импулсен лазер, светкавична лампа или друго устройство, способно да генерира краткотраен импулс, съдържащ значително количество енергия. Продължителността на импулса трябва да бъде по-малка от 2 процента от времето, необходимо за повишаване на температурата на задната повърхност, за да достигне половината от максималната си стойност. Може да се приложи корекция на дължината на импулса, позволяваща продължителност на импулса по-голяма от 0,5 процента. Енергията на импулса, удрящ повърхността на пробата, трябва да бъде пространствено равномерна по интензитет.
• За измервания над и под стайната температура е необходима контролна зала за околната среда.
• Температурният детектор може да бъде термодвойка, инфрачервен детектор, оптичен пирометър или друг сензор, способен да осигури линеен електрически изход, пропорционален на малко повишаване на температурата. Той трябва да може да открива промяна от 0,05 K над началната температура на пробата. Детекторът и свързаният с него усилвател трябва да имат време за реакция не повече от 2 процента от стойността на времето на полунарастване.
• Сигналният преобразувател включва електронна схема, която потиска показанията на околната температура, филтри за пикове, усилватели и аналогово-цифрови преобразуватели.
• Системата за събиране на данни трябва да бъде достатъчно бърза, за да гарантира, че за най-бързата термична крива, за която системата е подходяща, разделителната способност при определяне на времето за полунарастване на термичната крива не е по-голяма от 1 процент от времето за полунарастване.
• Температурата на пробата се измерва с помощта на калибрирани температурни сензори, като термодвойки, оптични пирометри или платинени резистивни температурни детектори. Температурният сензор трябва да е в тесен контакт с държача на пробата или да е разположен близо до пробата. Не се препоръчва докосване на пробата с термодвойки. Поставянето на термодвойка в пробата е неприемливо.
• Контролерът или програматорът на температурата трябва да доведе пробата до желаните температури.

Нашата организация, която работи от много години и щателно следи световните развития в науката и технологиите, разполага с квалифициран екип и обширна инфраструктура за провеждане на тестове, измервания и анализи в широк спектър от области за бизнеси от всички сектори. В този контекст, ние също така предоставяме услуги за тестване в съответствие със стандартния метод за изпитване ASTM E1461 за термична дифузия чрез флаш метод.