ASTM E1461 Flaş Yöntemi ile Termal Yayılma için Standart Test Yöntemi

Amerikan Test ve Malzeme Kuruluşu (ASTM) tarafından geliştirilen “ASTM E1461 Flaş yöntemi ile termal yayılma için standart test yöntemi” standardında, esas olarak homojen izotropik katı malzemelerin termal difüzivitesinin belirlenmesini içeren bir test yöntemi açıklanmaktadır. 0,1 ila 1000 (mm)² s^-1 aralığındaki termal difüzivite değerleri, bu test yöntemiyle yaklaşık 75 ila 2800 K arasında ölçülebilir.

“ASTM E2585 Flaş yöntemiyle termal difüzivite için standart uygulama” standardı, bu test yöntemine ektir ve flaş yönteminin kullanımı ile ilgili ayrıntılı bilgiler içerir. Bu iki standart birbirini tamamlar.

Bu test yöntemi, ASTM C714 standardı test yönteminin daha ayrıntılı bir biçimidir ve çok daha geniş malzeme, uygulama ve sıcaklık aralıklarına uygulanabilir ve ölçüm doğruluğu artırılmıştır.

Bu test yöntemi, çok çeşitli cihaz tasarımlarına olanak sağlamayı amaçlamaktadır. Bu tür bir test yönteminde, ilgili teknik bilgiye sahip olmayan bir kişi için zorluk oluşturabilecek tüm durumları kapsayacak şekilde yapı ve prosedür ayrıntılarını belirlemek veya temel teknikte iyileştirmeler için araştırma ve geliştirmeyi kısıtlamak pratik değildir.

Bu test yöntemi, uygulanan enerji darbesine karşı opak olan, esasen tamamen yoğun (tercihen, ancak düşük gözeneklilik kabul edilebilir), homojen ve izotropik katı malzemeler üzerinde gerçekleştirilen ölçümler için geçerlidir. Deneyimler, bu katı kurallardan bazı sapmaların, dikkatli ve uygun deneysel tasarımla karşılanabileceğini ve yöntemin kullanışlılığını önemli ölçüde artırabileceğini göstermektedir.

Isıl difüzyon, tasarım uygulamaları, güvenli çalışma sıcaklığının belirlenmesi, proses kontrolü ve kalite güvencesi gibi amaçlar için gerekli olan önemli bir geçici ısıl özelliktir.

Flaş yöntemi, çok çeşitli katı malzemelerin ısıl difüzyon değerlerini ölçmek için kullanılır. Basit numune geometrisi, küçük numune boyutu gereksinimleri, ölçüm hızı ve kullanım kolaylığı nedeniyle özellikle avantajlıdır.

Belirli sıkı koşullar altında, yöntem nicel olarak kullanıldığında homojen izotropik opak bir katı numunenin özgül ısı kapasitesi belirlenebilir. Isıl difüzyon sonuçları, özgül ısı kapasitesi ve yoğunluk değerlerinin ilgili değerleriyle birlikte, birçok durumda standart içinde verilen ilişkiye göre ısıl iletkenliği türetmek için kullanılabilir.

Bu standardın amaçları doğrultusunda katı bir malzemenin ısıl iletkenliği, birim sıcaklık farkından kaynaklanan, homojen bir malzemeden yapılmış sonsuz bir levhanın birim kalınlığından yüzeye dik yönde geçen sabit ısı akışının zaman hızını ifade eder. Bu özellik, sıcaklığa göre değiştiğinden belirli bir ortalama sıcaklıkla tanımlanmalıdır. Katı bir malzemenin ısıl yayılımı ise, birim kütle başına yoğunluk ve ısı kapasitesinin çarpımına bölünen ısıl iletkenlik ile elde edilen özelliktir.

Test uygulanırken, küçük ve ince bir disk numunesi, yüksek yoğunluklu ve kısa süreli bir radyant enerji darbesine tabi tutulur. Darbenin enerjisi numunenin ön yüzeyinde emilir ve ortaya çıkan arka yüz sıcaklık artışı (termal eğri) kaydedilir. Termal difüzivite değeri, numune kalınlığından ve arka yüz sıcaklık artışının maksimum değerinin belirli bir yüzdesine ulaşması için gereken süreden hesaplanır. Numunenin termal difüzivitesi belirli bir sıcaklık aralığında belirlenecekse, ölçüm ilgili her sıcaklıkta tekrarlanmalıdır. Bu test yöntemi, bir dizi yayında ve derleme makalelerinde ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Teorinin bir özeti standart ekinde yer almaktadır (Ek X1).

Alışılmış numune, ön yüzey alanı enerji ışınınınkinden daha küçük olan ince dairesel bir disktir. Numuneler genellikle 10 ila 12,5 mm çapındadır (özel durumlarda, 6 mm kadar küçük ve 30 mm kadar büyük çaplı numuneler kullanılabilir). Optimum kalınlık, tahmini termal difüzyonun büyüklüğüne bağlıdır ve maksimum sıcaklığın yarısına ulaşma süresinin 10 ila 1000 ms aralığında olması için seçilmelidir. Isı kaybı düzeltmelerini en aza indirmek için daha yüksek sıcaklıklarda daha ince numuneler tercih edilir, ancak numuneler her zaman test malzemesini temsil edecek kadar kalın olmalıdır. Kalınlıklar genellikle 1 ila 6 mm aralığındadır.

Numuneler, ölçülen ortalama kalınlıktan kaynaklanan termal difüzyon hatasının yüzde 1’in altında tutulması için, yüzeyleri kalınlıklarının yüzde 0,5’i kadar düz ve paralel olacak şekilde hazırlanmalıdır. Her iki yüzeyde de düzensizlik (kraterler, çizikler, izler) önlenmelidir.

Ölçümleri gerçekleştirmeden önce, test edilecek numunenin her iki yüzeyine çok ince, homojen bir grafit veya başka bir yüksek emisivite kaplaması uygulamak iyi bir uygulamadır. Kaplama, püskürtme, boyama, püskürtme gibi yöntemlerle uygulanabilir. Bu, özellikle yüksek yansıtıcı malzemeler söz konusu olduğunda, numunenin uygulanan enerjiyi emme kapasitesini artırır. Şeffaf malzemeler için önce altın, gümüş veya diğer opak malzemelerden oluşan bir tabaka uygulanmalı, ardından grafit kaplanmalıdır. Bazı opak yansıtıcı malzemeler için, özellikle kaplamaların stabil olmayabileceği veya malzemeyle reaksiyona girebileceği yüksek sıcaklıklarda, yüzeye kum püskürtme işlemi yeterli darbe emilimi ve emisivite sağlayabilir.

Testlerde kullanılan cihazın temel bileşenleri, flaş kaynağı, numune tutucu, çevresel muhafaza (opsiyonel), sıcaklık dedektörü ve kayıt cihazıdır.

• Flaş kaynağı, kısa süreli ve önemli miktarda enerji içeren bir darbe üretebilen bir darbe lazeri, flaş lambası veya başka bir cihaz olabilir. Darbenin süresi, arka yüzey sıcaklık artışının maksimum değerinin yarısına ulaşması için gereken sürenin yüzde 2’sinden az olmalıdır. Bir darbe uzunluğu düzeltmesi uygulanabilir, bu da yüzde 0,5’ten daha uzun darbe sürelerinin kullanılmasına olanak tanır. Numunenin yüzeyine çarpan darbenin enerjisi, yoğunluk açısından mekansal olarak tekdüze olmalıdır.
• Oda sıcaklığının üstünde ve altında ölçümler için bir ortam kontrol odası gereklidir.
• Sıcaklık dedektörü, küçük bir sıcaklık artışına orantılı doğrusal bir elektrik çıkışı sağlayabilen bir termokupl, kızılötesi dedektör, optik pirometre veya başka herhangi bir sensör olabilir. Numunenin başlangıç sıcaklığının 0,05 K üzerindeki değişimi algılayabilmelidir. Dedektör ve ilgili amplifikatörü, yarım yükselme süresi değerinin yüzde 2’sinden fazla olmayan bir tepki süresine sahip olmalıdır.
• Sinyal düzenleyici, ortam sıcaklığı okumasını önleyen elektronik devre, sivri uç filtreleri, amplifikatörler ve analog-dijital dönüştürücüler içerir.
• Veri toplama sistemi, sistemin uygun olduğu en hızlı termal eğri için, termal eğrideki yarı yükselme süresinin belirlenmesinde çözünürlüğün yarı yükselme süresinin yüzde 1’inden fazla olmamasını sağlayacak yeterli hızda olmalıdır.
• Numunenin sıcaklığının ölçümü, termokupl, optik pirometre, platin dirençli sıcaklık dedektörü gibi kalibre edilmiş sıcaklık sensörleri kullanılarak gerçekleştirilir. Sıcaklık sensörü, numune tutucuyla yakın temas halinde olmalı veya numuneye yakın olmalıdır. Numuneye termokupllarla dokunulması önerilmez. Numuneye termokupl yerleştirilmesi kabul edilemez.
• Sıcaklık kontrol cihazı veya programlayıcı, numuneyi istenen sıcaklıklara getirmelidir.

Uzun yıllardır hizmet veren ve dünyada bilim ve teknoloji alanında yaşanan gelişmeleri titizlikle takip eden kuruluşumuz, her sektörden işletmelere, yetişkin bir kadro ve geniş bir altyapı ile çok farklı alanlarda test, ölçüm ve analiz çalışmaları gerçekleştirmektedir. Bu çerçevede işletmelere “ASTM E1461 Flaş yöntemi ile termal yayılma için standart test yöntemi” standardına uygun test hizmetleri de verilmektedir.