ASTM E1269: قياس السعة الحرارية في المعادن والسيراميك

مقدمة

تُعد السعة الحرارية من بين الخواص الفيزيائية الحرارية الأساسية، والتي تُقاس من حيث كمية الحرارة التي تمتصها المادة لكل وحدة ارتفاع في درجة الحرارة. تتحول السعة الحرارية إلى متطلب هندسي وعلوم المواد والبحوث الصناعية لتصميم مكون يجب أن يتحمل تقلبات درجات الحرارة، أو تحسين كفاءة الطاقة، أو أن يكون جديرًا بالثقة تحت ضغط درجات الحرارة.

ASTM E1269 هي طريقة الاختبار القياسية الدولية ASTM ASTM لتحديد السعة الحرارية النوعية للمواد الصلبة مثل السيراميك والمعادن. ويوفر المعيار طريقة قابلة للتكرار ومتسقة لقياس السعة الحرارية عن طريق المسعر بالمسح التفاضلي (DSC)، مما يعطي اتساقًا في المختبر والصناعة.

ما هي السعة الحرارية وما أهميتها؟

تُعطى السعة الحرارية (C) على النحو التالي:

C = Q/دلتا T

حيث (Q) هي الحرارة المضافة و(Delta T) هي التغير في درجة الحرارة المتولدة. تُستخدم السعة الحرارية النوعية ((C_p))، السعة الحرارية لكل وحدة كتلة، في الهندسة لمقارنة المواد. تؤثر السعة الحرارية على:

-الإدارة الحرارية: في الإلكترونيات، تُستخدم المعادن مثل النحاس (C = 0.385 J/g-K) في الإلكترونيات كمشتتات حرارية لأنها توصل الحرارة وتحتفظ بها بشكل فعال.

- تخزين الطاقة: تُستخدم المواد الخزفية مثل الألومينا (C = 0.9 جول/كلفن) في الطلاءات العازلة للحرارة والعزل في درجات الحرارة العالية بسبب ثباتها الحراري وسعتها الحرارية العالية.

- السلامة والمتانة: تقلل القدرات الحرارية المستقرة والمتوقعة للمواد من خطر الصدمات الحرارية في المحركات والتوربينات والأفران الصناعية.

طريقة اختبار ASTM E1269

تفصِّل ASTM E1269 استخدام مسعر المسح التفاضلي (DSC) لقياس السعة الحرارية للمواد المركبة والسيراميك والمعادن. ويستلزم مقارنة التدفق الحراري المرجعي والعينة أثناء زيادة درجة الحرارة على مدى معين. تتضمن إجراءات اختبار ASTM E1269 ما يلي:

1. تحضير العينة: يتم تقطيع العينات المعدنية المتجانسة (سبائك التيتانيوم، الفولاذ المقاوم للصدأ، إلخ) أو عينات السيراميك (الألومينا، الزركونيا، إلخ) إلى حجم محدد. تتراوح أوزان العينات بين 5 مجم و50 مجم لتحليل DSC.

2. المادة المرجعية: تُستخدم مادة مرجعية، عادةً ما تكون من الياقوت في حالة المعادن، لمعايرة المعدات والحصول على قياس دقيق.

3. بروتوكول التسخين: يتم تسخين العينة بمعدل مضبوط (عادةً 10 كلفن/دقيقة) ويتم تسجيل الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارتها.

4. تحليل البيانات: تُستخدم منحنيات التدفق الحراري لحساب السعة الحرارية النوعية بعد تصحيح خطوط الأساس والتأخر الحراري وفقدان الحرارة.

دراسة حالة: سبائك التيتانيوم والألومينا

ضع في اعتبارك سبيكة تيتانيوم (Ti-6Al-4V) وسيراميك ألومينا (Al₂O₃). باستخدام ASTM E1269:

- سبائك التيتانيوم:

نطاق درجة الحرارة: 25 درجة مئوية - 600 درجة مئوية

مقاس (C_p): 0.56-0.63 J/g-K 0.56-0.63 J/g-K (تزداد قليلاً مع ارتفاع درجة الحرارة)

نظرة ثاقبة للتطبيق: الحرارة النوعية المعتدلة المقترنة بالتوصيل الحراري العالي تجعل Ti-6Al-4V مناسبًا بشكل خاص للتطبيقات الفضائية ذات التدوير الحراري العالي.

-سيراميك الألومينا:

نطاق درجة الحرارة: 25 درجة مئوية - 1000 درجة مئوية

مقاس (C_p): 0.88-0.95 جول/ز - كلفن

بصيرة التطبيق: الاستقرار في درجات الحرارة العالية جدًا وكذلك المنخفضة جدًا والسعة الحرارية النوعية العالية تجعل الألومينا مناسبة جدًا للعزل الحراري لأنظمة الطاقة وبطانات الأفران.

تمكن هذه القياسات المهندسين من توقع ارتفاع درجات الحرارة، وتطوير أنظمة التحكم الحراري، وتصنيف المواد بناءً على تقييم موضوعي، مما يساعد في اختيار المواد اللازمة لتطبيقات الفضاء والسيارات والطاقة.

العوامل المؤثرة في قياسات السعة الحرارية

على الرغم من توافر التقنيات القياسية، تتأثر الدقة في القياسات بالعوامل التالية:

- تجانس العينة: قد تؤدي العيوب أو البنية المجهرية غير المتجانسة إلى تشويه القياسات.

- معدل التسخين: يمكن أن يؤدي معدل التسخين المرتفع جدًا إلى تأخر حراري؛ ويمكن أن يسمح المعدل المنخفض جدًا بفقدان الحرارة بالتأثير على القياسات.

- دقة المعايرة: يجب معايرة المواد المرجعية بشكل جيد.

- نوع المادة: تتم معايرة المعادن الموصلة حراريًا بسرعة، لكن السيراميك قد يتطلب معدلات زيادة أبطأ للحصول على بيانات عالية الجودة.

تطبيقات ASTM E1269

1. الفضاء الجوي: اختيار السبائك المقاومة للحرارة لشفرات التوربينات ومكونات المحركات والدروع الحرارية للمركبات الفضائية.

2-الإلكترونيات: الاختبار الحراري للمعادن والسيراميك للإدارة الحرارية في الرقائق والمشتتات الحرارية ووحدات الطاقة.

3- الطاقة والتصنيع: طلاء الحاجز الحراري وتصميم البطانة للأفران الصناعية.

4. تطوير المواد: الاختبار التجريبي المقارن للسبائك أو مركبات السيراميك لتحسين الأداء الحراري.

ومن الأمثلة على ذلك سبيكة النيكل الفائقة ذات (C_p = 0.45-0.50 جول/غرام-ك) تقريبًا التي يمكن فحصها تجريبيًا لامتصاص ما يكفي من الحرارة دون التمدد المفرط، وبالتالي تقليل الضغط على شفرات التوربينات. وبالمثل، فإن سيراميك الزركونيا المصفى لـ (C_p = ~ 0.82 J/g-K) يوجه إنشاء طلاءات عازلة عالية الحرارة لخلايا وقود الأكسيد الصلب.

الأسئلة المتداولة

ما الغرض من استخدام ASTM E1269؟

تقوم بتوحيد قياس السعة الحرارية في المعادن والسيراميك والمواد المركبة باستخدام DSC.

ما أهمية السعة الحرارية في المواد؟

إنها تحدد سعة الاحتفاظ بالحرارة للمادة التي تؤثر على الإدارة الحرارية وكفاءة الطاقة والمتانة.

هل تستطيع ASTM E1269 التعامل مع درجات الحرارة العالية؟

نعم. تصل درجة حرارة قياس المعادن عادةً إلى 600-700 درجة مئوية، ولكن يمكن قياس السيراميك لأكثر من 1000 درجة مئوية، اعتمادًا على قدرة الجهاز.

هل حجم العينة له تأثير؟

نعم. يمكن أن تؤدي العينات الصغيرة للغاية أو غير المتساوية إلى حدوث أخطاء، وبالتالي توصي ASTM E1269 بهندسة العينة وكتلتها.

كيف يخدم المعيار الصناعة؟

يوفر بيانات متناسقة وقابلة للتكرار تسهل اختيار المواد والتصميم الحراري ومراقبة الجودة في مجموعة واسعة من الصناعات.

الخلاصة

معيار ASTM E1269 هو معيار لعلوم المواد يحتوي على طرق اختبار موحدة للقياس الدقيق للسعة الحرارية في المعادن والسيراميك. وله تطبيق واسع النطاق في مجالات الفضاء والإلكترونيات والطاقة والأبحاث ويوفر للمهندسين والعلماء البيانات التي يحتاجونها للتنبؤ بالسلوك الحراري واختيار المواد وتصميم أنظمة فعالة وآمنة.

يسمح التوافق مع ASTM E1269 للمختبرات في أي مكان في العالم بإنتاج بيانات متسقة وقابلة للمقارنة عن السعة الحرارية التي تغذي كلاً من الأبحاث الأساسية والتقدم الصناعي.