Método del “Pulso Láser” para la medida de la difusividad térmica en materiales cerámicos

Abstract

Entre las distintas técnicas de medida de la conductividad/difusividad térmica de materiales, destaca la técnica del pulso láser por la rapidez de medida de la difusividad térmica y la facilidad de preparación de las muestras. Sin embargo, cuando se mide la difusividad térmica en materiales porosos, aparecen problemas relacionados con la transmisión del haz láser y la subestimacion del espesor de la muestra. En este trabajo, se propone un método para evitar estos problemas que consiste en formar un sistema tricapa Cu/material poroso/Cu. Este método se ha verificado experimentalmente utilizando materiales de alúmina densa y porosa. Los valores experimentales para la alúmina porosa se han explicado a partir de modelos que estiman la conductividad térmica efectiva de un material poroso en función de la conductividad del material denso, la porosidad y el tipo de microestructura.Palabras Clave: Difusividad térmica, conductividad térmica, cerámicas porosas. Thermal diffusivity in ceramics by laser flash methodAmong the several techniques available to measure the thermal conductivity/ diffusivity, the laser flash method stands out for its low run time (less than 1 hour per temperature) and the reduced sample size required. Nevertheless, the laser flash technique is not very accurate for porous materials due to laser transmission problems and the underestimation of the total sample thickness. The attaching to the porous sample of two thin foils of an opaque and high diffusivity material (Cu) can solve these problems. This type of assembly was used to measure diffusivity in a porous alumina material. Data obtained are compared with theoretical models, wich predict effective thermal conductivity of the porous material from the thermal conductivity of the dense material, the amount of porosity and the type of microstructure. INTRODUCCIÓNEn la mayoría de las aplicaciones industriales, los materiales cerámicos están sometidos a gradientes térmicos que originan tensiones residuales y degradan su resistencia mecáni-ca. Estos gradientes térmicos dependen de la difusividad y de la conductividad térmica del material y, por ello, es fundamental conocer dichos parámetros y su variación con la temperatura. Existen varios métodos de medida (1) dependiendo del tipo de material y del rango de difusividad o conductividad. En general, se pueden agrupar en dos clases: aquellos que miden la difusividad ("pulso láser") y los que miden directamente la conductividad ("hilo caliente", "panel", "placa caliente", "comparativo"...). Algunos métodos son dinámicos como el "pulso láser" y el método del "hilo caliente", en los que el gradiente de temperatura en la muestra varía con el tiempo, mientras que otros son métodos estacionarios y calculan la conductividad cuando el sistema se encuentra en equilibrio térmico.Las características de los métodos comúnmente usados para medir la conductividad de materiales cerámicos se resumen en la Tabla I. Entre todos ellos, destaca el método del pulso láser por varias razones tales como la rapidez (1 h para ca...

Thermal diffusivity of porous cordierite ceramic burners

“…13 This assumption can be made when the diffusivity of the first and the third layers are very high compared to the middle layer, their thickness is thin compared to the middle layer thickness and when their contribution to the total structure mass is small. In the present case, the first and second assumptions are true but not the third one, due to the low density of both A and B cordierites compared to the density of Cu ͑8.96 g/cm 3 ).…”

Equipo comparativo para la medida de conductividad térmica de materiales cerámicos

“…): temperatura fija y constante en dos puntos separados una distancia L, igual a la longitud del cilindro, y pérdidas de calor nulas en cualquier dirección distinta a la de propagación (z). Esto es: [1] Con estas tres condiciones de contorno, se obtiene el siguiente perfil de temperaturas: [2] A partir de la solución anterior y empleando la ecuación de Fourier, que relaciona el flujo de energía térmica, Q, a través de un área, A, con el gradiente de temperatura, se obtiene la conductividad térmica, k, del material: [3] Basándose en esta solución, para realizar la medida con esta técnica, la muestra se coloca entre dos patrones de conductancia térmica (conductividad térmica/espesor) igual o superior a la muestra problema, formando lo que se denomina el apilamiento de medida (Figura 2). A continuación, se establece un gradiente térmico entre la parte superior (T 1 ) e inferior (T 6 ) del apilamiento de medida, esto es ΔT=T 1 -T 6 , y se aseguran las condiciones adiabáticas del sistema.…”

“…La mayoría de los equipos están diseñados para piezas de gran tamaño (23 x 11,4 x 6,4 cm 3 ), por lo que su utilización queda restringida a mantas de fibras aislantes y refractarios. En el otro extremo, la técnica de pulso láser permite determinar la difusividad térmica en un amplio intervalo de difusividades, entre 10 -7 y 10 -5 m 2 /s, y temperaturas, de 100 a 2300 K, pero en muestras de tamaño muy pequeño, 12 mm de diámetro y 1-3 mm de espesor (3). Esto, que en principio es una ventaja en el caso de los materiales avanzados, generalmente muy homogéneos y de tamaños de grano y de poro pequeños, es una limitación cuando se trata con materiales de características microestructurales en el rango del milímetro.…”