Conductividad térmica de materiales cerámicos

Cerámica y Vidrio
A R T I C U L O

B O L E T I N D E L A S O C I E DA D E S PA Ñ O L A D E

Equipo comparativo para la medida de conductividad térmica de materiales cerámicos
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R. baREa, 2R. maRín, 1m.i. osEndi, 1R. maRtinEz y 1p. miRanzo.

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1 Instituto de Cerámica y Vidrio, CSIC. Cantoblanco. Madrid.. Ikerlan Energía, Centro de Investigaciones Tecnológicas, Parque Tecnológico deÁlava, Miñano Menor, Álava.

Entre las distintas técnicas de medida de la conductividad térmica de materiales, el método comparativo, recogido en la norma ASTM E1225-99, es el más adecuado para muestras porosas o materiales compuestos. Este método permite determinar conductividades térmicas en estado estacionario, en el intervalo de valores de 0,2 a 200 W/mK, y a temperaturas de ensayo en el rango100-1300 K, dependiendo del diseño del equipo. En este trabajo se expone el diseño, desarrollo y puesta a punto de un equipo de medida de conductividad térmica basado en este método. Paralelamente, se realiza una validación del equipo mediante el estudio comparativo de los resultados obtenidos usando el equipo comparativo y la técnica del pulso láser en materiales porosos de mullita. Palabrasclave: conductividad térmica, difusividad térmica, método comparativo, materiales porosos, mullita. Comparative equipment for the measurement of the thermal conductivity. Among the different techniques available for measuring thermal conductivity, the comparative method (ASTM E1225-99) is the most appropriate for porous materials. This method determines the thermal conductivity in steady stateconditions in the 100 - 1300 K temperature range and for conductivities between 0.2 and 200 W/mK, respectively, depending on the equipment characteristics. In the present paper, the design and development, as well as the start up process, of an apparatus based on this method is described. Thermal conductivity data on a mullite based refractory, measured by both the laser flash and the comparativemethods, are presented and comparatively discussed in order to validate the developed equipment. Keywords: thermal conductivity, thermal diffusivity, comparative method, porous materials, mullite. 1. INTRODUCCIÓN Desde el punto de vista socioeconómico, el estudio de los procesos de conducción de calor en los materiales cerámicos, así como la determinación experimental precisa de la conductividadtérmica, son temas de una gran importancia para muchos sectores industriales y de consumo. Entre aquellos se pueden citar la industria tradicional cerámica, la de construcción, la industria metalúrgica, y la industria del electrodoméstico. Además, se puede afirmar que la conductividad térmica es un parámetro clave en el diseño y desarrollo de nuevos materiales y recubrimientos para las industriasaerospacial, de automoción y de generación de energía. La determinación de la conductividad térmica es compleja. Generalmente, se requieren distintos equipos de medida para abarcar los amplios rangos de conductividades, de temperaturas y de tipos de materiales (Figura 1). De hecho, en la literatura científica se pueden encontrar numerosos trabajos dedicados exclusivamente al estudio comparativo de losdiversos métodos de medida (1,2). La mayoría de los equipos están diseñados para piezas de gran tamaño (23 x 11,4 x 6,4 cm3), 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 m2/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
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grano y de poro pequeños, es una limitación cuando se trata con materiales de características microestructurales en el rango del milímetro. Además, esta técnica no es recomendable para...