Đồng là một nguyên tố cực kỳ linh hoạt và phong phú được sử dụng trong tất cả các loại ứng dụng khác nhau. Nó là một chất dẫn nhiệt và điện hiệu quả, cũng như một vật liệu dẻo, dễ uốn. Mặc dù đồng bị oxy hóa hoặc phản ứng với oxy khi tiếp xúc với nước và không khí trong thời gian dài, nhưng nó không bị gỉ như nhiều kim loại khác. Do đó, đồng là một thành phần thiết yếu trong nhiều ứng dụng công nghiệp và công nghệ ngày nay.
Hiểu được tính dẫn nhiệt của vật liệu là điều cần thiết trong nhiều ứng dụng khác nhau. Có nhiều phương pháp khác nhau để kiểm tra độ dẫn nhiệt của đồng. Trong ứng dụng này, chúng ta sẽ khám phá cách sử dụng phương pháp Transient Plane Source (TPS) để đo các mẫu đồng có hình dạng và kích cỡ khác nhau.
Thiết bị và vật liệu
Ba mẫu đồng có hình dạng và kích cỡ khác nhau được đo về độ dẫn nhiệt (W/m·K), độ khuếch tán nhiệt (mm²/s) và nhiệt dung riêng theo thể tích (MJ/m³K) bằng Phương pháp Transient Plane Source (TPS) MP-1. Trong ứng dụng này, chúng tôi sẽ sử dụng nhiều mô-đun thử nghiệm: Standard, Slab và One dimensional, để chứa các mẫu đồng khác nhau.
Kim loại đồng
Đồng là một nguyên tố kim loại tự nhiên. Kim loại dễ uốn này có thể có nhiều loại hợp kim và thành phần khác nhau. Nó là một kim loại mềm, có nghĩa là đồng nguyên chất quá mềm để phục vụ một số ứng dụng. Người ta phát hiện ra rằng đồng có thể được làm cứng bằng các kim loại khác như thiếc để tạo thành hợp kim, đồng. Tính chất hợp kim tuyệt vời của đồng đã làm tăng khả năng sử dụng của nó khi kết hợp với các kim loại khác. Các hợp kim này có đặc tính chuyên biệt và các thành phần khác nhau cho phép chúng được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau. Đồng và hợp kim đồng rất cần thiết cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau như kiến trúc, ô tô, điện, hệ thống ống nước và công nghiệp.
 |
| Hình 1: Ba mẫu đồng |
Thiết bị đo MP-1 (Measurement Platform – 1)
MP-1 được thiết kế để kiểm tra độ dẫn nhiệt tuyệt đối (W/m·K), hệ số khuếch tán nhiệt (mm²/s) và nhiệt dung riêng (MJ/m³K) của chất rắn, chất lỏng, bột nhão và bột với sự kết hợp mạnh mẽ của Transient Plane Source (TPS, ISO 22007-2) và phương pháp Transient Hot Wire (THW, ASTM D7896-19).
MP-1 với Mô-đun TPS Standard được sử dụng để đo độ dẫn nhiệt trung bình hoặc khối và độ khuếch tán nhiệt của vật liệu đẳng hướng. Mô-đun MP-1 TPS Slab được sử dụng để đo độ dẫn nhiệt của vật liệu tấm mỏng có độ dẫn nhiệt từ trung bình đến cao (lên đến 1800 W/m·K) và có độ dày đồng đều (< 8 mm). Mô-đun MP-1 TPS One dimension được sử dụng để đo chính xác độ dẫn nhiệt dọc theo chiều dài (hoặc “chiều cao”) của mẫu rắn ở dạng hình trụ hoặc khối lên đến 1800 W/m·K. Các phép đo có thể được thực hiện đối xứng hoặc không đối xứng. Mô-đun được chọn dựa trên các thuộc tính và kích thước của mẫu.
 |
| Hình 2: Thiết bị MP-1 với cảm biến THW và TPS |
Độ dẫn nhiệt của đồng
Để đo độ dẫn nhiệt của đồng bằng phương pháp TPS, hai mẫu đồng được đặt chồng lên nhau (cấu hình đối xứng) với cảm biến TPS kẹp ở giữa. Cảm biến TPS này vừa đóng vai trò là nguồn nhiệt để tăng nhiệt độ của mẫu vừa là “nhiệt kế điện trở” để ghi lại mức tăng nhiệt độ phụ thuộc vào thời gian. Ứng dụng intelligent Transient Plane Source (iTPS) thông minh đã được sử dụng để xác định các thông số đo tối ưu cho từng mẫu đồng nhằm đạt được mức tăng nhiệt độ tối ưu và các phép đo thuộc tính vật lý nhiệt.
Các phép đo TPS Standard được thực hiện khi bán kính của mẫu lớn hơn ít nhất hai lần bán kính của cảm biến TPS. Các phép đo TPS One dimensional được thực hiện khi các mẫu có bán kính gần giống với cảm biến TPS. Mô-đun này giả định rằng nhiệt chỉ truyền theo một chiều. Khi thực hiện phép đo TPS Slab, một chất cách điện được đặt phía trên mẫu trên cùng và bên dưới mẫu dưới cùng. Điều này thực thi điều kiện biên sao cho không có sự truyền nhiệt đến các cạnh trên và dưới của cả hai mẫu.
Kết quả
Bảng 1. Độ dẫn nhiệt (W/m·K) của ba mẫu đồng, được đo bằng các mô đun Bulk Standard, Slab và One dimensional.
Kết luận
Việc đo độ dẫn nhiệt của các mẫu có thành phần và kích thước khác nhau có thể là một thách thức. Các mô đun TPS như Standard, Slab và One Dimensional cho phép đo các loại mẫu khác nhau một cách hiệu quả và chính xác.