CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU Q TRÌNH TƠI THÉP TRONG DUNG DỊCH POLYME BẰNG MÔ PHỎNG SỐ
3.2.3. Các tính chất lý – nhiệt của vậtliệu
3.2.3.1. Hệ số giãn nở nhiệt, biến dạng do nhiệt và do chuyển pha
Hệ số giãn nở nhiệt, thường được ký hiệu là α, có thể được định nghĩa là một tính chất của vật liệu, có liên quan đến sự thay đổi về thể tích khi nhiệt độ thay đổi. Có hai định nghĩa chính xác thường được đề cập đó là hệ số giãn nở nhiệt thực, ký hiệu là hoặc hệ số giãn nở nhiệt trung bình, ký hiệu là α [94]. Hệ số giãn nở nhiệt thực có độ dốc (của đường nối giữa hai điểm chính xác) xác định bằng sự thay đổi độ dài so với biểu đồ nhiệt độ, trong khi hệ số giãn nở nhiệt trung bình liên quan đến độ dốc của tiếp tuyến của chuỗi dữ liệu trong phạm vi giữa biến dạng so với biểu đồ nhiệt độ. Hệ số giãn nở nhiệt có thể được tính bằng dạng tổng qt trong phương trình (3.6):
(3.6) Nó cũng được mơ tả với dạng sau để tính hệ số thể tích, αv:
(3.7) Trong đó, ∆V là thay đổi thể tích (Vf - V0), với V0 là thể tích ban đầu và ∆T là thay đổi nhiệt độ. Hệ số thể tích của sự giãn nở nhiệt αv có thể được giả định xấp xỉ bằng 3αl,
khi sự giãn nở nhiệt của vật liệu là đẳng hướng. Hệ số tuyến tính của sự giãn nở nhiệt, αl, có thể được tính theo cơng thức (3.8) dưới đây:
(3.8) Trong đó, ∆l là lượng thay đổi chiều dài (lf - l0), với l0 là chiều dài ban đầu và ∆T đại diện cho sự thay đổi nhiệt độ.
Biến dạng nhiệt được tạo ra bởi sự giãn nở hoặc co ngót trong q trình nung nóng hoặc làm nguội tương ứng đối với pha i có thể được xác định theo phương trình (3.9)
(3.9) lấy tích phân của phương trình (3.9), biến dạng nhiệt cho pha i có dạng (3.10) như sau:
(3.10)
trong đó, T0 là nhiệt độ ban đầu (25 °C), là biến dạng nhiệt, là biến dạng do biến đổi pha ở nhiệt độ T0, αi là hệ số giãn nở nhiệt và T là nhiệt độ.
Biến dạng pha do biến đổi từ pha i sang pha j có thể được mơ tả bởi cơng thức (3.11) dưới đây:
(3.11)
trong đó, ( ) là biến dạng nhiệt của pha j tại nhiệt độ T và ( ) là biến dạng
nhiệt của pha i tại nhiệt độ T.
Biến dạng do chuyển biến pha cũng có thể được mơ tả như một dạng mật độ (tỷ trọng) của pha i và j bởi phương trình (3.12) như sau [95]:
(3.12) trong đó, ρi(T) là tỷ trọng của pha i ở nhiệt độ T và ρj(T) là tỷ trọng của pha j ở nhiệt độ T.
3.2.3.2. Tỷ trọng của vật liệu
Tỷ trọng của một thành phần thép phụ thuộc vào các pha có trong cấu trúc vi mơ của nó. Cấu trúc tinh thể của pha chủ yếu xác định tỷ trọng của pha. Tỷ trọng của một thành phần thép có thể được tính theo cơng thức (3.13) bằng cách tính tổng tỷ trọng của từng pha ở một nhiệt độ nhất định theo tỷ lệ của chúng, với giả định quy tắc trộn tuyến tính được áp dụng:
(3.13)
trong đó, biểu thị tỷ trọng, P là phần thể tích của các pha và n là số lượng pha được bao gồm. Tỷ trọng của một thành phần thép sẽ thay đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ và có thể được giải thích bằng: sự giãn nở/co ngót thể tích của vật liệu và độ hịa tan của nguyên tử cacbon trong cấu trúc vi mô
Tỷ trọng của pha i có thể được tính theo mối quan hệ trong phương trình (3.14), nếu biết các giá trị của tỷ trọng ở nhiệt độ tham chiếu và hệ số giãn nở nhiệt của pha i:
trong đó, ρi(Tref) là tỷ trọng ở nhiệt độ tham chiếu, αi là hệ số giãn nở nhiệt và Tref là nhiệt độ tham chiếu.
3.2.3.3. Độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và Entanpi
Độ dẫn nhiệt k có thể được mơ tả như một tính chất của vật liệu, liên quan đến khả năng dẫn nhiệt của chúng. Theo định luật Fourier, thơng lượng nhiệt q có thể được biểu thị theo công thức (3.15), bao gồm độ dẫn nhiệt của vật liệu:
= − . ∇ = − . ( ) = − . + + (3.15)
trong đó, T là gradient nhiệt độ. Để xác định giá trị độ dẫn nhiệt, ta có thể sử dụng thiết bị đo lưu lượng nhiệt hoặc kỹ thuật dòng nhiệt GCL và thông tin chi tiết về các phương pháp này có thể được tìm thấy trong tiêu chuẩn ASTM C518-10 [96]
Nhiệt dung riêng hoặc công suất nhiệt, thường được ký hiệu là Cp, là một đại lượng có thể đo được và có thể được định nghĩa là năng lượng hoặc nhiệt lượng cần thiết để thay đổi nhiệt độ của một lượng vật liệu nhất định. Nhiệt dung riêng được hiểu là một thuộc tính của vật liệu và nó phụ thuộc vào cả nhiệt độ và pha. Từ nhiệt dung riêng, entanpy của pha i có thể được tính như cơng thức (3.16) dưới đây:
(3.16)
trong đó, i là chỉ số phần tử và Hi0 là entanpy tiêu chuẩn của pha i.
Nhiệt dung riêng cụ thể thường được xác định bằng các kỹ thuật đo nhiệt lượng như DSC và DTA. Ngồi ra, entanpy cũng có thể thu được bởi kỹ thuật DSC bằng cách tính diện tích phía dưới đường cong DSC [96].