Un dilatómetro óptico es un dispositivo sin contacto capaz de medir expansiones térmicas o cinéticas de sinterización de cualquier tipo de materiales, a diferencia del dilatómetro de varilla de empuje tradicional, puede empujar hasta el ablandamiento dilatométrico de la muestra. Es un dispositivo para medir cambios en las dimensiones de una probeta, ópticamente, la resolución alcanzada puede resultar en valores superiores a los de un dilatómetro de varilla de empuje convencional. Una fuente de luz monocromática , como un láser , ilumina la muestra. Parte de la luz es reflejada por la muestra e interfiere con la luz entrante, creando franjas de interferencia óptica. A medida que la muestra se contrae o expande, hay un movimiento proporcional de las franjas de interferencia, que se puede medir con un sistema de cámara. La resolución de la medición está determinada por la longitud de onda de la luz y es típicamente de 0,5 μm para la luz azul. Los dilatómetros ópticos se utilizan para medir la expansión térmica .
El dilatómetro óptico es, de hecho, complementario al dilatómetro de varilla de empuje tradicional de alta resolución cuando se trata de medir cambios dimensionales de materiales, en función de la temperatura, y no se requiere contacto entre la muestra y el instrumento.
Estructura y tipos
Los tipos más recientes de dilatómetros ópticos utilizan un sistema de haz directo para evitar problemas relacionados con el contacto midiendo la imagen que proyecta la muestra en un sensor de imagen , cuando es irradiada por un haz de luz . Utilizando un solo haz de luz de longitud de onda corta y un sensor de imagen de muy alta resolución es posible lograr buenas resoluciones, aunque no comparables a las de los dilatómetros estándar. Por ejemplo, utilizando una luz azul con una longitud de onda inferior a 1500 micrómetros, es posible lograr imágenes con una resolución real de casi 1500 micrómetros / píxel de la cámara (no una resolución interpolada sino una resolución real). Mediante el uso de dos haces de luz , que iluminan dos pequeñas porciones de material en los extremos de la muestra, colocados perpendicularmente a la dirección de los haces, es posible lograr una medición absoluta de la variación longitudinal mientras se trata con calor la muestra.
Hay dos tipos principales de dilatómetros ópticos que se utilizan actualmente:
- Dilatómetro óptico horizontal: la varilla-espécimen se coloca horizontalmente sobre el portamuestras y, durante el tratamiento térmico en el horno, es completamente libre de expandirse y contraerse. El desplazamiento del portamuestras no es relevante para el resultado de la medición porque el sistema óptico sigue los movimientos horizontales de pequeñas porciones de la muestra en sus extremos.
- Dilatómetro óptico vertical: la varilla-espécimen se coloca verticalmente en el portamuestras (placa delgada de alúmina) y mientras una cámara "observa" la parte superior de la placa, la otra sigue los desplazamientos verticales del borde superior de la muestra. Este sistema se ha utilizado hasta ahora para encontrar las temperaturas características (transiciones de fase, velocidad máxima de sinterización, hinchamiento, etc.) de los materiales cerámicos. De hecho, las transiciones de fase siempre están asociadas a la variación dimensional del material: la sinterización va acompañada de contracciones elevadas, relacionadas con la disminución de la porosidad; el hinchamiento suele aparecer a altas temperaturas. Después de queocurre la sinterización y la viscosidad de la formulación de cerámica disminuye fuertemente y el gas atrapado es libre para salir.
Historia
El primer dilatómetro óptico fue inventado por Abbe y Fizeau en la segunda mitad del siglo XIX. Este diseño tiene un haz reflejado de luz monocromática y la medición del desplazamiento se realiza contando las franjas de interferencia entre el haz de avance y el haz reflejado. Después de la invención de Abbe , se lograron muchas mejoras en el diseño original y ahora hay muchos modelos disponibles en el mercado, que utilizan ópticas y diseños modernos .
Durante las últimas cinco décadas, ha aumentado el interés en el uso de tecnologías termomecánicas para caracterizar materiales en diferentes campos de la ciencia y la ingeniería. En particular, el uso de métodos ópticos ha estado desempeñando un papel en el campo de la cerámica y se han utilizado para medir el coeficiente de expansión térmica de cuerpos y esmaltes con el fin de asegurar una adaptación óptima de su comportamiento termomecánico.
Aplicaciones y campos de investigación
Para medir la expansión térmica hasta altas temperaturas, el material a ensayar debe colocarse en un portamuestras dentro de un horno que tenga su propia expansión térmica. Para lograr una buena precisión, es necesario medir la expansión del portamuestras y restarla de la expansión real de la muestra. El mejor enfoque es dividir el rayo láser en dos rayos de luz, que se reflejan en el borde superior de la muestra y en el borde superior del portamuestras, o en ambos bordes longitudinales de la muestra. Al detectar las variaciones longitudinales en ambos extremos de la muestra, la medición lograda es absoluta y no hay necesidad de más correcciones. Esta es la forma más precisa de medir la expansión térmica y puede alcanzar una resolución nanométrica. Este es el tipo de instrumento utilizado por los proveedores de materiales estándar certificados. Por ejemplo, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología utiliza un interferómetro de doble haz Fizeau para certificar la expansión térmica de sus materiales de referencia certificados . Este método ha demostrado ser muy preciso, con una resolución de una fracción de la longitud de onda de la luz incidente, pero está limitado por la reflectividad de la superficie de la muestra. Si la muestra no es reflectante, o se vuelve no reflectante durante la prueba, entonces es necesario usar un espejo, que se pone en contacto con la muestra usando una varilla de empuje refractaria . Al hacerlo, dicho método pierde la ventaja de no tener contacto y se vuelve sustancialmente similar al dilatómetro electrónico .
Los dilatómetros ópticos se utilizan junto con los dilatómetros tradicionales en cerámica para realizar pruebas no destructivas del comportamiento de una muestra durante un tratamiento térmico. Los dilatómetros ópticos se utilizan para el análisis térmico de varios tipos de materiales, como materiales incoherentes (expansión y contracción de una frita granular incoherente , como se aplica, por ejemplo, en baldosas en bruto ) y polímeros (comportamiento por encima de la temperatura de transición vítrea , donde la superficie la tensión comienza a tirar de los bordes y hacer que la muestra se contraiga), así como para el análisis de varios procesos en la fabricación de materiales, por ejemplo, cinética de sinterización , expansión térmica y comportamiento de sinterización de la capa delgada de esmalte o películas delgadas de polímero .
Ver también
- Dilatómetro
- Análisis térmico