열해석

Thermal analysis

열분석은 재료의 성질이 온도에 따라 변하면서 연구되는 재료과학의 한 분야다. 일반적으로 사용되는 몇 가지 방법은 다음과 같이 측정되는 속성에 의해 서로 구별된다.

동시 열 분석은 일반적으로 열가비메트리 및 차동 스캐닝 칼로리를 단일 계측기에서 동일한 샘플에 동시에 적용하는 것을 말한다. 시험 조건은 열가비계 분석 및 차동 스캐닝 칼로리 측정 신호(동일한 대기, 가스 유량, 샘플의 증기 압력, 가열 속도, 샘플 도가니 및 센서에 대한 열 접촉, 방사선 효과 등)에 대해 완벽하게 동일하다. 수집된 정보는 푸리에 변환 적외선 분광법이나 질량 분광법 같은 진화된 가스 분석기에 동시 열 분석기를 결합함으로써도 향상시킬 수 있다.

다른 방법들은 덜 흔하다. 표본에서 나오는 소리나 빛 방출, 유전 물질에서 나오는 전기 방전 또는 응력된 표본에서 기계적 이완을 측정한다. 이 모든 기법의 본질은 샘플의 반응이 온도(및 시간)의 함수로 기록된다는 것이다.

일반적으로 일정한 속도로 온도가 지속적으로 증가하거나 감소하거나(선형 난방/냉방) 다른 온도에서 일련의 측정을 수행(단계 등온 측정)하여 미리 결정된 방식으로 온도를 제어하는 것이 일반적이다. 진동(일반적으로 사인파 또는 사각파) 가열 속도(변조 온도 열 분석)를 사용하거나 시스템의 특성 변화에 대응하여 가열 속도를 수정(샘플 제어 열 분석)하는 보다 발전된 온도 프로파일이 개발되었다.

시료의 온도를 조절하는 것 외에도 환경(대기 등)을 조절하는 것도 중요하다. 측정은 공기 또는 불활성 가스(예: 질소 또는 헬륨)에서 수행될 수 있다. 환원 또는 반응성 대기 또한 사용되었으며, 샘플이 물이나 다른 액체로 둘러싸인 상태에서 측정을 수행하기도 한다. 역기체크로마토그래피는 기체와 증기의 표면과의 상호작용을 연구하는 기법이다. 측정은 종종 다른 온도에서 이루어지기 때문에 이러한 실험이 열 분석의 지원 하에 이루어지는 것으로 간주된다.

원자력 현미경 검사는 표면의 지형과 기계적 특성을 높은 공간 분해능으로 매핑하기 위해 미세한 스타일러스를 사용한다. 가열된 팁 및/또는 샘플의 온도를 제어함으로써 공간적으로 분해된 열 분석을 수행할 수 있다.

열 분석은 또한 구조물을 통한 열 전달 연구를 위한 용어로 자주 사용된다. 그러한 시스템을 모델링하기 위한 많은 기본 엔지니어링 데이터는 열 용량과 열전도율 측정에서 나온다.

폴리머

중합체는 열 분석에서 강력한 용도를 찾아내는 또 다른 큰 영역을 나타낸다. 열가소성 중합체는 일상 포장과 생활용품에서 흔히 발견되지만, 원재료 분석을 위해서는 차등 스캐닝 칼로리법을 사용하여 사용되는 많은 첨가제(안정제 및 색상 포함)와 몰딩 또는 압출 처리의 미세 조정의 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어 열가소성 수지(일반적으로 폴리올레핀) 폴리머 재료에 존재하는 산화 안정제의 양을 결정할 수 있는 차동 스캐닝 칼로리메트리에 의한 산화 유도 시간이 있다. 합성 분석은 종종 열가비계 분석을 사용하여 이루어지는데, 이 분석은 필러, 폴리머 수지 및 기타 첨가물을 분리할 수 있다. 열가소성 분석은 또한 열적 안정성과 내연제와 같은 첨가제의 효과를 나타낼 수 있다.

탄소섬유복합체나 유리 에폭시복합체와 같은 복합재료의 열해석은 동적 역학적 분석을 사용하여 수행되는 경우가 많은데, 이 분석은 재료의 계량 및 감쇠(에너지 흡수) 특성을 결정하여 재료의 강성을 측정할 수 있다. 항공우주 회사들은 종종 제조되는 제품이 요구되는 강도 규격을 충족하는지 확인하기 위해 이러한 분석기를 일상적 품질 관리에 사용한다. 포뮬러 1 경주용 자동차 제조업체도 비슷한 요건을 갖고 있다. 차동 스캐닝 칼로리메트리(differential scanning calorimetry)는 복합 재료에 사용되는 레진의 경화 특성을 결정하는 데 사용되며, 또한 수지가 경화될 수 있는지 여부와 그 과정에서 얼마나 많은 열이 진화되는지 확인할 수 있다. 예측역학 분석을 적용하면 제조 공정을 미세하게 조정하는 데 도움이 될 수 있다. 또 다른 예로는 열가압 분석을 통해 시료를 가열하여 열을 가하여 수지를 제거한 후 남은 질량을 결정함으로써 합성물의 섬유 함량을 측정할 수 있다.

금속

많은 금속(주철, 회색 철, 연성 철, 압축 흑연 철, 3000 시리즈 알루미늄 합금, 구리 합금, 은 및 복합 강철)의 생산은 열 분석이라고도 하는 생산 기법에 의해 도움을 받는다.[2] 용광로나 국자에서 액체 금속의 샘플을 꺼내 그 안에 열전대가 내장된 샘플 컵에 붓는다. 그런 다음 온도를 모니터링하고 위상 다이어그램 구속(액상 다이어그램, 경구 및 솔리더스)을 기록한다. 이 정보로부터 위상도를 바탕으로 한 화학적 구성을 계산할 수도 있고, 특히 저자극성 Al-Si 주조 합금의 실리콘 형태학에 대해 주조 샘플의 결정 구조를 추정할 수도 있다.[3] 엄밀히 말하면 이러한 측정은 냉각 곡선과 표본 제어 열 분석의 한 형태로서, 표본의 냉각 속도는 컵 재료(일반적으로 접합된 모래)와 표본 부피에 의존하며, 표준 크기 표본 컵의 사용으로 인해 일반적으로 일정하다. 위상 진화와 그에 상응하는 특성 온도를 감지하려면 냉각 곡선과 그 첫 번째 파생 곡선이 동시에 고려되어야 한다. 냉각 및 파생 곡선의 검사는 적절한 데이터 분석 소프트웨어를 사용하여 수행된다. 공정은 플롯팅, 평활화 및 곡선 피팅과 반응점 및 특성 모수를 식별하는 것으로 구성된다. 이 절차를 컴퓨터 보조 냉각 곡선 열 해석이라고 한다.[4]

고급 기술은 차동 곡선을 사용하여 가스 구멍, 수축과 같은 내열 변곡점이나 탄화수소, 베타 결정, 결정 구리, 마그네슘 규산염, 철 인산염 및 기타 위상이 굳을 때 발열 단계를 찾는다. 검출한계는 부피의 0.01%~0.03% 정도로 보인다.

또한 0 곡선과 첫 번째 파생상품 사이의 영역 통합은 한 단계의 부피에 대한 대략적인 추정치를 이끌어낼 수 있는 응고 부분의 특정 열에 대한 척도다. (특정 열 대 전체 특정 열에 대해 어떤 것을 알거나 가정해야 한다.) 이러한 한계에도 불구하고, 이 방법은 2차원 마이크로 분석의 추정치보다 낫고, 화학적 분해보다 훨씬 빠르다.

음식

대부분의 식품은 저온 살균, 살균, 증발, 조리, 냉동, 냉각 등과 같은 생산, 운반, 저장, 준비 및 소비 중 온도 변화를 겪는다. 온도 변화는 최종 제품의 전반적인 특성(예: 맛, 모양, 질감 및 안정성)에 영향을 미치는 식품 성분의 물리적 및 화학적 성질을 변화시킨다. 가수 분해, 산화 또는 감소와 같은 화학 반응이 촉진되거나 증발, 용해, 결정화, 집적 또는 젤리화 같은 물리적 변화가 발생할 수 있다. 식품의 특성에 미치는 온도의 영향에 대한 더 나은 이해는 식품 제조업체가 가공 조건을 최적화하고 제품의 품질을 개선할 수 있게 한다. 그러므로 식품 과학자들에게는 온도가 다를 때 음식에서 일어나는 변화를 감시할 수 있는 분석 기법을 갖는 것이 중요하다. 이러한 기법은 열 분석의 일반적인 제목에 따라 분류되는 경우가 많다. 원칙적으로 대부분의 분석 기법은 분광(핵자기공명, UV-visible, 적외선 분광, 형광), 산란(빛, X선, 중성자), 물리적(질량, 밀도, 발열, 열 용량) 등 식품의 온도 의존적 특성을 모니터링하기 위해 사용되거나 쉽게 적응할 수 있다. 그럼에도 불구하고 현재 열 분석이라는 용어는 일반적으로 온도가 있는 식품의 물리적 특성 변화(TG/DTG,[clarification needed] 미분 열 분석, 미분 스캐닝 열량 및 전환 온도)를 측정하는 좁은 범위의 기법을 위해 사용된다.

인쇄 회로 보드

전력 소산은 오늘날의 PCB[clarification needed] 설계에서 중요한 사안이다. 전력 소산은 온도 차이를 초래하고 칩에 열 문제를 일으킬 것이다. 신뢰성의 문제 외에도, 과도한 열은 전기 성능과 안전에도 부정적인 영향을 미칠 것이다. 따라서 IC의 작동 온도는 최악의 경우 최대 허용 한계 이하로 유지되어야 한다. 일반적으로 접속부와 주변 온도는 각각 125 °C와 55 °C이다. 칩 크기가 계속 줄어들면 열이 작은 영역 내에 집중되어 높은 전력 밀도로 이어진다. 또한, 단일 칩에 더 조밀한 트랜지스터가 모이고 더 높은 작동 주파수는 전력 소모를 악화시킨다. 열을 효과적으로 제거하는 것은 해결되어야 할 중요한 문제가 된다.

참조

  1. ^ Paulik, F; Paulik, J; Erdey, L (1966). "Derivatography: A complex method in thermal analysis". Talanta. 13 (10): 1405–30. doi:10.1016/0039-9140(66)80083-8. PMID 18960022.
  2. ^ Emadi, D; L. V. Whiting; S. Nafisi; R. Ghomashchi (2005). "Applications of thermal analysis in quality control of solidification processes". Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 81 (1): 235–242. doi:10.1007/s10973-005-0772-9.
  3. ^ Farahany, Saeed; Ali Ourdjini; Mohd Hasbullah Idris (2012). "The usage of computer-aided cooling curve thermal analysis to optimise eutectic refiner and modifier in Al–Si alloys". Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 109 (1): 105–111. doi:10.1007/s10973-011-1708-1.
  4. ^ Shabestari, S. G.; Idris, M. H.; Ourdjini, A.; Farahany, S. (November 2013). "Computer-aided cooling curve thermal analysis of near eutectic Al–Si–Cu–Fe alloy". Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 114 (2): 705–717. doi:10.1007/s10973-013-3005-7.
  • 라모스산체스 M C, 레이 F J, 로드리게스 M L, 마르틴길 F J, 마르틴길 J, (1988) "일반 설탕에 대한 DTG와 DTA 연구" 테르모치미카 액타, 134, 55-60.

외부 링크