Metode Uji Standar ASTM E1461 untuk Difusi Termal dengan Metode Flash

Standar "ASTM E1461 Metode Uji Standar untuk Difusivitas Termal dengan Flash", yang dikembangkan oleh American Society for Testing and Materials (ASTM), menjelaskan metode uji yang terutama melibatkan penentuan difusivitas termal dari material padat isotropik homogen. Nilai difusivitas termal dalam kisaran 0,1 hingga 1000 (mm) ^{² s⁻¹} dapat diukur menggunakan metode uji ini pada suhu berkisar dari sekitar 75 hingga 2800 K.

ASTM E2585 Praktik Standar untuk Difusivitas Termal dengan Metode Flash merupakan pelengkap untuk metode uji ini dan memberikan informasi detail tentang penggunaan metode flash. Kedua standar ini saling melengkapi.

Metode pengujian ini merupakan bentuk yang lebih rinci dari metode pengujian standar ASTM C714 dan dapat diterapkan pada berbagai macam material, aplikasi, dan suhu, serta akurasi pengukurannya pun meningkat.

Metode pengujian ini dirancang untuk memungkinkan beragam desain perangkat. Metode pengujian semacam ini tidak praktis jika tidak menetapkan detail konstruksi dan prosedur yang mencakup semua situasi yang mungkin menantang bagi seseorang yang tidak memiliki pengetahuan teknis yang relevan, atau membatasi penelitian dan pengembangan hanya pada penyempurnaan teknik dasar.

Metode uji ini dapat diterapkan pada pengukuran yang dilakukan pada material padat yang pada dasarnya padat sempurna (lebih disukai, tetapi porositas rendah dapat diterima), homogen, dan isotropik yang tidak tembus cahaya terhadap pulsa energi yang diberikan. Pengalaman menunjukkan bahwa beberapa penyimpangan dari aturan ketat ini dapat diakomodasi melalui desain eksperimen yang cermat dan tepat, serta dapat meningkatkan kegunaan metode ini secara signifikan.

Difusivitas termal merupakan sifat termal transien penting yang diperlukan untuk tujuan seperti aplikasi desain, penentuan suhu operasi yang aman, pengendalian proses, dan jaminan kualitas.

Metode flash digunakan untuk mengukur difusivitas termal berbagai macam material padat. Metode ini sangat menguntungkan karena geometri sampelnya sederhana, ukuran sampel yang dibutuhkan kecil, kecepatan pengukuran, dan kemudahan penggunaan.

Dalam kondisi ketat tertentu, ketika metode ini digunakan secara kuantitatif, kapasitas kalor jenis sampel padat homogen, isotropik, dan buram dapat ditentukan. Hasil difusi termal, beserta nilai kapasitas kalor jenis dan densitasnya, dapat digunakan untuk menurunkan konduktivitas termal, dalam banyak kasus sesuai dengan hubungan yang diberikan dalam standar.

Untuk keperluan standar ini, konduktivitas termal suatu material padat adalah laju aliran panas tetap yang melalui satu satuan ketebalan pelat material homogen tak terhingga, tegak lurus terhadap permukaan, yang dihasilkan dari perbedaan suhu satu satuan. Karena sifat ini bervariasi terhadap suhu, sifat ini harus didefinisikan dalam suhu rata-rata tertentu. Difusivitas termal suatu material padat ditentukan dengan membagi konduktivitas termal dengan hasil perkalian densitas dan kapasitas panas per satuan massanya.

Selama pengujian, sampel cakram kecil dan tipis dikenai pulsa energi radiasi berintensitas tinggi dan berdurasi pendek. Energi pulsa diserap di permukaan depan sampel, dan kenaikan suhu permukaan belakang (kurva termal) yang dihasilkan dicatat. Nilai difusivitas termal dihitung dari ketebalan sampel dan waktu yang dibutuhkan kenaikan suhu permukaan belakang untuk mencapai persentase tertentu dari nilai maksimumnya. Jika difusivitas termal sampel akan ditentukan pada rentang suhu tertentu, pengukuran harus diulang pada setiap suhu yang relevan. Metode pengujian ini dijelaskan secara rinci dalam sejumlah publikasi dan artikel tinjauan. Ringkasan teori ini terdapat dalam lampiran standar (Lampiran X1).

Sampel tipikal berupa cakram melingkar tipis dengan luas permukaan depan lebih kecil daripada luas permukaan berkas energi. Sampel biasanya berdiameter 10 hingga 12,5 mm (dalam kasus khusus, sampel sekecil 6 mm dan sebesar 30 mm dapat digunakan). Ketebalan optimal bergantung pada besarnya difusi termal yang diperkirakan dan harus dipilih sedemikian rupa sehingga waktu untuk mencapai setengah dari suhu maksimum berada dalam kisaran 10 hingga 1000 ms. Sampel yang lebih tipis lebih disukai pada suhu yang lebih tinggi untuk meminimalkan koreksi kehilangan panas, tetapi sampel harus selalu cukup tebal untuk mewakili material uji. Ketebalan biasanya berkisar antara 1 hingga 6 mm.

Spesimen harus disiapkan agar permukaannya rata dan sejajar, dengan ketebalan 0,5 persen dari ketebalannya, agar kesalahan difusi termal akibat ketebalan rata-rata yang diukur tetap di bawah 1 persen. Ketidakrataan (kawah, goresan, bekas) harus dihindari pada kedua permukaan.

Sebelum melakukan pengukuran, sebaiknya aplikasikan lapisan grafit atau material emisivitas tinggi lainnya yang sangat tipis dan seragam pada kedua permukaan sampel yang akan diuji. Pelapisan ini dapat dilakukan dengan metode seperti sputtering, pengecatan, atau penyemprotan. Hal ini meningkatkan kemampuan sampel untuk menyerap energi yang diberikan, terutama untuk material yang sangat reflektif. Untuk material transparan, lapisan emas, perak, atau material opak lainnya harus diaplikasikan terlebih dahulu, diikuti dengan lapisan grafit. Untuk beberapa material reflektif opak, proses sandblasting pada permukaan dapat memberikan penyerapan guncangan dan emisivitas yang memadai, terutama pada suhu tinggi di mana lapisan mungkin tidak stabil atau bereaksi dengan material.

Komponen dasar perangkat yang digunakan dalam pengujian adalah sumber kilatan, tempat sampel, penutup lingkungan (opsional), detektor dan perekam suhu.

• Sumber kilatan dapat berupa laser pulsa, lampu kilat, atau perangkat lain yang mampu menghasilkan pulsa berdurasi pendek yang mengandung energi dalam jumlah signifikan. Durasi pulsa harus kurang dari 2 persen dari waktu yang dibutuhkan agar peningkatan suhu permukaan belakang mencapai setengah dari nilai maksimumnya. Koreksi panjang pulsa dapat diterapkan, yang memungkinkan durasi pulsa lebih dari 0,5 persen. Energi pulsa yang mengenai permukaan sampel harus memiliki intensitas yang seragam secara spasial.
• Ruang kontrol lingkungan diperlukan untuk pengukuran di atas dan di bawah suhu ruangan.
• Detektor suhu dapat berupa termokopel, detektor inframerah, pirometer optik, atau sensor lain yang mampu memberikan keluaran listrik linear yang proporsional terhadap sedikit peningkatan suhu. Detektor ini harus mampu mendeteksi perubahan 0,05 K di atas suhu awal sampel. Detektor dan penguatnya harus memiliki waktu respons tidak lebih dari 2 persen dari nilai waktu setengah kenaikan.
• Pengkondisi sinyal mencakup sirkuit elektronik yang menekan pembacaan suhu sekitar, filter lonjakan, penguat, dan konverter analog-ke-digital.
• Sistem akuisisi data harus cukup cepat untuk memastikan bahwa, untuk kurva termal tercepat yang sesuai untuk sistem, resolusi dalam menentukan waktu setengah kenaikan kurva termal tidak lebih besar dari 1 persen dari waktu setengah kenaikan.
• Suhu sampel diukur menggunakan sensor suhu terkalibrasi seperti termokopel, pirometer optik, atau detektor suhu resistansi platina. Sensor suhu harus bersentuhan langsung dengan wadah sampel atau ditempatkan dekat dengan sampel. Menyentuh sampel dengan termokopel tidak disarankan. Menempatkan termokopel di dalam sampel tidak dapat diterima.
• Pengontrol suhu atau pemrogram harus membawa sampel ke suhu yang diinginkan.

Organisasi kami, yang telah beroperasi selama bertahun-tahun dan dengan cermat mengikuti perkembangan global dalam sains dan teknologi, mempekerjakan tim yang terampil dan infrastruktur yang luas untuk melakukan pengujian, pengukuran, dan analisis di berbagai bidang untuk bisnis di semua sektor. Dalam konteks ini, kami juga menyediakan layanan pengujian sesuai dengan Metode Uji Standar ASTM E1461 untuk Difusi Termal dengan Metode Flash.