Experimental investigation of the thermophysical properties of new and representative materials from room temperature up to 1300 C

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1 Experimental investigation of the thermophysical properties of new and representative materials from room temperature up to 1300 C Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktoringenieurin (Dr.-Ing.) von geb. am M.Sc. Dipl.-Ing. Mónica Silva González 14. September 1977 in Bogotá, Kolumbien genehmigt durch die Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Promotionskommission: Prof. Dr.-Ing., Jürgen Tomas (Vorsitz) Prof. Dr.-Ing., Eckehard Specht (Gutachter und Betreuer) Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Bauer (Gutachter) Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmidt (Betreuer) eingereicht am: Promotionskolloquium am:

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3 Berichte aus der Materialwissenschaft Mónica Silva González Experimental investigation of the thermophysical properties of new and representative materials from room temperature up to 1300 C Shaker Verlag Aachen 2010

4 Bibliographic information published by the Deutsche Nationalbibliothek The Deutsche Nationalbibliothek lists this publication in the Deutsche Nationalbibliografie; detailed bibliographic data are available in the Internet at Zugl.: Magdeburg, Univ., Diss., 2009 Copyright Shaker Verlag 2010 All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise, without the prior permission of the publishers. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH P.O. BOX D Aachen Phone: 0049/2407/ Telefax: 0049/2407/ Internet: info@shaker.de

5 Danksagung Mein besonderer herzlicher Dank gilt Prof. Eckehard Specht, der an mich glaubte, mir die Faszination für die Forschung vermittelte und mich mit seiner kritischen Betreuung zu einem strukturierten Ergebnis führte. Ich danke auch Prof. Jürgen Schmidt für seine immer noch rechzeitigen wertvollen Kritiken und Hinweise. Prof. Wolfgang Bauer danke ich für die freundliche Übernahme des Zweitgutachtens. Dank schulde ich Dr. Janan Al-Karawi, der mich die Anwendung der Messapparaturen lehrte und mir bei den Messungen half. Großer Dank gilt den Kollegen der Werkstatt für ihre Hilfsbereitschaft und Effizienz beim Fertigen der Proben für meine Untersuchungen. Besonderer Dank geht an Michael Reppin vom Institut für Werkstoff- und Fügetechnik der Fakultät für Maschinenbau. Meinen Kolleginnen und Kollegen, die mich mit Freude und Geduld durch diesen Prozess begleiten haben, gilt mein herzlicher Dank. Nicht zuletzt möchte ich mich bei meinem verständnisvollen Mann bedanken, der meine Abwesenheit zu Hause mit Liebe ausfüllte; für seine Geduld in guten und schlechten Momenten und seine großartige konstruktive Unterstützung. Dank an meine Kinder Luna und Carl, die mir so viel Kraft geben. Dank an meine Familie in Kolumbien, die mir vertraut und mich bedingungslos liebt. Ich danke ganz herzlich meinen Schwiegereltern, ohne deren umfassende Hilfe diese Arbeit nicht entstanden wäre.

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7 Die Erde schenkt uns mehr Selbsterkenntnis als alle Bücher, weil sie uns Widerstand leistet. Und nur im Kampf findet der Mensch zu sich selber. Antoine de Saint Exupery Wind, Sand und Steine

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9 Für meine Mutter und meine Tochter A mi mamá y a mi hija A todas aquellas mujeres que se encuentran detrás mio y con su ejemplo me enseñaron a arriesgarme y luchar por la realización personal.

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11 Contents Contents Chapter 1 Introduction Research Problem Objectives of this Research... 2 Chapter 2 Thermal Properties Overview per Material Class Thermal Properties Definitions Thermal Conductivity Thermal Diffusivity Heat Capacity and Specific Heat Capacity (C p,c v ) Thermal Expansion and Density Ceramics General Characteristics of Ceramics Thermal Properties Metals and Alloys General Characteristics of Metals...16 Thermal Properties...18 Chapter 3 Thermal Analysis Definitions Experimental Determination of Thermal Conductivity Steady-State Methods...23 Non Steady-State Methods Simultaneous TG-DTA (Setaram) Working Principles Apparatus Description Procedure Calibration Presentation of TG-TGA Data Factors of Influence in the Experiment Differential Scanning Calorimeter 404C Pegasus (Netzsch) Working Principle Apparatus Description Calibration Factors of Influence in the Experiment Laser-Flash Method LFA 427 (Netzsch) Working Principles...46 Apparatus description Dilatometer DIL 402 C (Netzsch) Working Principles Apparatus Description Calibration Presentation of Thermal Expansion Data...62 Chapter 4 Limestone and Lime Introduction to Limestone and Lime Specific Heat Capacity Literature Review Experimental Instrument and Interpretation of Results Results and discussion Equilibrium Temperature Literature Review...73

12 Contents Experimental Apparatus and Interpretation of Results Experimental Facts and Results Decomposition enthalpy Literature Review...79 Experimental Facts and Results Thermal Diffusivity Literature Review Experimental Facts and Results Thermal Conductivity Literature Review...89 Results Conclusions of this Chapter Chapter 5 Insulation Materials Characteristics of the Studied Insulating Materials Experimental Facts and Results Specific Heat Capacity Thermal Diffusivity Thermal Conductivity Analysis of the Results Conclusions of this Chapter Chapter 6 Powder Metallurgy Steel (PM Steel) Introduction Sintering in Powder Metallurgy Characterization of the Material Samples Results PM Steel Fe- 0.85%Mo - 0.3%C PM Steel various composition Conclusions of this Chapter Chapter 7 Evaluation of the Thermal Conductivity Determination Introduction Deviation Related to the Laser Flash Deviation of results of the same material sample Deviation of results of different samples of the same material Deviation of results of the material measured with different methods References