Método de teste padrão ASTM E1461 para difusão térmica por método flash

^A norma “ASTM E1461 Standard Test Method for Thermal Diffusivity by Flash”, desenvolvida pela American Society for Testing and Materials (ASTM), descreve um método de ensaio que envolve principalmente a determinação da difusividade térmica de materiais sólidos homogêneos e isotrópicos. Valores de difusividade térmica na faixa de 0,1 a 1000 (mm) ^² s⁻¹ podem ser medidos usando este método de ensaio em temperaturas que variam de aproximadamente 75 a 2800 K.

A Norma Prática ASTM E2585 para Difusividade Térmica pelo Método de Flash complementa este método de ensaio e fornece informações detalhadas sobre o uso do método de flash. Essas duas normas se complementam.

Este método de teste é uma forma mais detalhada do método de teste padrão ASTM C714 e é aplicável a uma gama muito mais ampla de materiais, aplicações e temperaturas, e a precisão da medição é aumentada.

Este método de teste visa permitir uma ampla variedade de designs de dispositivos. É impraticável que tal método de teste especifique detalhes de construção e procedimentos que abranjam todas as situações que representariam um desafio para alguém sem o conhecimento técnico relevante, ou que restrinja a pesquisa e o desenvolvimento a melhorias na técnica básica.

Este método de teste é aplicável a medições realizadas em materiais sólidos essencialmente completamente densos (de preferência, mas baixa porosidade é aceitável), homogêneos e isotrópicos, opacos ao pulso de energia aplicado. A experiência mostra que alguns desvios dessas regras rigorosas podem ser acomodados por meio de um planejamento experimental cuidadoso e apropriado, o que pode aumentar significativamente a utilidade do método.

A difusividade térmica é uma propriedade térmica transitória importante necessária para propósitos como aplicações de projeto, determinação de temperatura operacional segura, controle de processo e garantia de qualidade.

O método flash é usado para medir a difusividade térmica de uma ampla variedade de materiais sólidos. É particularmente vantajoso devido à sua geometria de amostra simples, requisitos de tamanho de amostra reduzido, velocidade de medição e facilidade de uso.

Sob certas condições rigorosas, quando o método é utilizado quantitativamente, a capacidade térmica específica de uma amostra sólida homogênea, isotrópica e opaca pode ser determinada. Os resultados da difusão térmica, juntamente com os valores correspondentes de capacidade térmica específica e densidade, podem ser usados ​​para derivar a condutividade térmica, em muitos casos de acordo com as relações fornecidas na norma.

Para os fins desta norma, a condutividade térmica de um material sólido é a taxa temporal de fluxo de calor constante através de uma espessura unitária de uma placa infinita de material homogêneo, perpendicular à superfície, resultante de uma diferença unitária de temperatura. Como essa propriedade varia com a temperatura, ela deve ser definida em termos de uma temperatura média específica. A difusividade térmica de um material sólido é determinada pela divisão da condutividade térmica pelo produto de sua densidade e capacidade calorífica por unidade de massa.

Durante o teste, uma pequena amostra de disco fino é submetida a um pulso de energia radiante de alta intensidade e curta duração. A energia do pulso é absorvida na superfície frontal da amostra, e o aumento de temperatura da face posterior resultante (curva térmica) é registrado. O valor da difusividade térmica é calculado a partir da espessura da amostra e do tempo necessário para que o aumento da temperatura da face posterior atinja uma porcentagem especificada de seu valor máximo. Se a difusividade térmica da amostra for determinada em uma faixa de temperatura específica, a medição deve ser repetida em cada temperatura relevante. Este método de teste é descrito em detalhes em diversas publicações e artigos de revisão. Um resumo da teoria está incluído no apêndice padrão (Anexo X1).

A amostra típica é um disco circular fino com uma área de superfície frontal menor que a do feixe de energia. As amostras têm tipicamente de 10 a 12,5 mm de diâmetro (em casos especiais, podem ser utilizadas amostras de 6 mm a 30 mm). A espessura ideal depende da magnitude da difusão térmica estimada e deve ser selecionada de modo que o tempo para atingir metade da temperatura máxima esteja na faixa de 10 a 1000 ms. Amostras mais finas são preferíveis em temperaturas mais altas para minimizar as correções de perda de calor, mas as amostras devem sempre ser espessas o suficiente para representar o material de teste. As espessuras normalmente variam de 1 a 6 mm.

As amostras devem ser preparadas de modo que suas superfícies sejam planas e paralelas dentro de 0,5% de sua espessura para manter o erro de difusão térmica devido à espessura média medida abaixo de 1%. Irregularidades (crateras, arranhões, marcas) devem ser evitadas em ambas as superfícies.

Antes de realizar as medições, é recomendável aplicar uma camada muito fina e uniforme de grafite ou outro material de alta emissividade em ambas as superfícies da amostra a ser testada. O revestimento pode ser aplicado por métodos como pulverização catódica, pintura ou pulverização. Isso aumenta a capacidade da amostra de absorver a energia aplicada, especialmente para materiais altamente refletivos. Para materiais transparentes, uma camada de ouro, prata ou outros materiais opacos deve ser aplicada primeiro, seguida pelo revestimento de grafite. Para alguns materiais refletivos opacos, o jateamento de areia na superfície pode fornecer absorção de choque e emissividade suficientes, especialmente em altas temperaturas, onde os revestimentos podem ser instáveis ​​ou reagir com o material.

Os componentes básicos do dispositivo usado nos testes são a fonte de flash, o suporte da amostra, o invólucro ambiental (opcional), o detector de temperatura e o registrador.

• A fonte de flash pode ser um laser pulsado, uma lâmpada de flash ou outro dispositivo capaz de produzir um pulso de curta duração contendo uma quantidade significativa de energia. A duração do pulso deve ser inferior a 2% do tempo necessário para que o aumento da temperatura da superfície posterior atinja metade do seu valor máximo. Uma correção do comprimento do pulso pode ser aplicada, permitindo durações de pulso superiores a 0,5%. A energia do pulso que atinge a superfície da amostra deve ser espacialmente uniforme em intensidade.
• Uma sala de controle ambiental é necessária para medições acima e abaixo da temperatura ambiente.
• O detector de temperatura pode ser um termopar, um detector infravermelho, um pirômetro óptico ou qualquer outro sensor capaz de fornecer uma saída elétrica linear proporcional a um pequeno aumento de temperatura. Ele deve ser capaz de detectar uma variação de 0,05 K acima da temperatura inicial da amostra. O detector e seu amplificador associado devem ter um tempo de resposta de no máximo 2% do valor do tempo de meia-elevação.
• O condicionador de sinal inclui circuitos eletrônicos que suprimem leituras de temperatura ambiente, filtros de pico, amplificadores e conversores analógico-digitais.
• O sistema de aquisição de dados deve ser rápido o suficiente para garantir que, para a curva térmica mais rápida para a qual o sistema é adequado, a resolução na determinação do tempo de meia subida da curva térmica não seja maior que 1 por cento do tempo de meia subida.
• A temperatura da amostra é medida usando sensores de temperatura calibrados, como termopares, pirômetros ópticos ou detectores de temperatura de resistência de platina. O sensor de temperatura deve estar em contato próximo com o suporte da amostra ou localizado próximo à amostra. Não é recomendado tocar a amostra com termopares. A colocação de um termopar na amostra é inaceitável.
• O controlador ou programador de temperatura deve levar a amostra às temperaturas desejadas.

Nossa organização, que atua há muitos anos e acompanha meticulosamente os desenvolvimentos globais em ciência e tecnologia, conta com uma equipe qualificada e ampla infraestrutura para realizar testes, medições e análises em uma ampla gama de áreas para empresas de todos os setores. Nesse contexto, também fornecemos serviços de teste em conformidade com o Método de Teste Padrão ASTM E1461 para Difusão Térmica por Método Flash.