Anleitung: Erstellen eines dreistufigen kinetischen Modells für Dilatometerdaten (DIL)

Einführung

Während des Sinterprozesses kann die Schrumpfung des Prüfmaterials beobachtet werden. Die Längenänderung der Probe kann mit Dilatometern gemessen werden.

In diesem Leitfaden wird ein dreistufiges Kinetisches ModellKinetisches Modell ist ein allgemeiner Begriff, der das Schema (die Struktur) der einzelnen Reaktionsschritte einer mehrstufigen chemischen Reaktion, die Reaktionstypen und die kinetischen Parameter dieser Schritte enthält.kinetisches Modell für die Dilatometermessung des Sinterprozesses erstellt.

Wir beginnen mit dem Laden eines Beispieldatenprojekts, das in Kinetics Neo enthalten ist, erstellen dann ein Dreischrittmodell und optimieren es schließlich.

Beispielhafte Daten:

• Datentyp: Dilatometrie (DIL)
• Projektdatei: Si3n4_I_Data.kinx2

Laden Sie das Beispieldatenprojekt

1.starten Sie die Software Kinetics Neo.

Klicken Sie auf die Registerkarte Datei in der oberen Hauptleiste, um das Anwendungsmenü zu öffnen.

2. Öffnen Sie das DIL-Projekt Beispieldaten.

Klicken Sie auf Öffnen im Panel auf der linken Seite und wählen Sie dann Samples. Das Verzeichnis Kinetics Neo samples wird im Windows Explorer geöffnet. Wählen Sie das Verzeichnis DIL_Si3N4.

3. Öffnen Sie die Kinetics Neo Projektdatei Si3n4_I_Data.kinx2.

Überprüfen Sie die geladenen Messdaten

4. Prüfen Sie, ob die DIL-Messdaten geladen sind.

Das Kinetics Neo Beispielprojekt Si3n4_I_Data.kinx2 enthält bereits importierte Dilatometer-Messdaten-Dateien für das Sintern von Si3N4:

• Si3N4-20.txt - Heizrate 20 K/min
• Si3N4-10.txt - Aufheizrate 10 K/min
• Si3N4-5.txt - Heizrate 5 K/min.

Wenn die Projektdatei erfolgreich geladen wurde, werden diese Dateinamen im Abschnitt "Quelldaten" auf der linken Seite angezeigt. Die Datenkurven werden im Hauptdiagramm angezeigt.

Nach - Importieren von Probendaten Vorbereitung

Wenn Sie auf eine der Beispieldateien klicken, können Sie den Temperaturbereich eingrenzen, indem Sie eine linke und eine rechte Cursorposition auswählen. Darüber hinaus können die Daten bei Bedarf geglättet werden.

Bei Sinterprozessen kann eine Annahme über die Ausdehnung des Materials ohne Sinterung getroffen werden. Daher kann eine Basislinie gewählt werden. Die Optionen sind:

• Keine
• Horizontal nach links (DIL)
• Lineare Ausdehnung (DIL)
• Heizen - Kühlen (DIL) - Dies ist nur möglich, wenn in der Messdatei Kühlungsdaten enthalten sind.

Für diese Anleitung wurde keine Basislinie ausgewählt, da die Daten keine thermische Ausdehnung enthalten.

Erstellen eines einstufigen kinetischen Modells

5. Klicken Sie im linken Analyse-Panel unter dem Punkt Modellbasiert auf Neu hinzufügen.

Es wird ein neues modellbasiertes kinetisches Modell erstellt.

Dieses neue Modell hat die folgenden Standardparameter:

• Ein Schritt: A → B
• Reaktionstyp: F1, 1. Ordnung.

Sinterprozesse sind recht komplex, da mehrere Reaktionen ablaufen, manchmal sogar gleichzeitig. Daher können wir nicht sicher sein, dass diese und die folgenden Reaktionen die Reaktionsordnung 1 haben. In diesem Fall empfiehlt es sich, die allgemeine Reaktionsordnung n zu wählen, die auch den Wert 1 enthält. Mit Hilfe der Modelloptimierung ermittelt die Software die korrekte Reaktionsordnung von selbst.

Ändern Sie zunächst im Dropdown-Menü Reaktionstyp den Reaktionstyp vom Standardwert F1, 1. Ordnung auf Fn, n-te Ordnung. Klicken Sie dann im Bereich Modelloperationen auf die Schaltfläche Optimieren.

WICHTIG: Führen Sie die Modelloptimierung durch, BEVOR Sie weitere Schritte einfügen.

Dies sollte die erste Aktion nach der Modellerstellung und der Definition des Reaktionstyps sein.

nach der Modelloptimierung werden alle Modellparameter neu berechnet, um sie an die Quelldaten anzupassen.

Die simulierten Kurven für dieses einstufige Modell stimmen nicht gut mit dem Experiment überein. Daher ist der zweite Reaktionsschritt notwendig.

Warum und wo sollen die neuen kinetischen Schritte hinzugefügt werden?

6. Bitte wechseln Sie zu Conversion Rate im oberen Ribbon Panel.

Hier haben wir nur für den Hauptpeak bei 1600 °C eine Anpassung vorgenommen. Der erste kleine Peak bei 1320 °C ist in den Rohdaten zu sehen, kommt aber in den simulierten Kurven nicht vor. Der Hauptpeak sieht wie ein Doppelpeak aus. Die grüne Messung bei 10 K/min hat beispielsweise einen Doppelpeak mit Maxima bei 1500 °C und 1600 °C. Der letzte experimentelle Peak bei 1800 °C hat einen entsprechenden Peak in der simulierten Kurve. Daher kommt er wahrscheinlich von der Nichtlinearität der Temperatur und erfordert wahrscheinlich nicht den Reaktionsschritt im Modell.

Zunächst werden wir den kleinen Peak bei 1320 °C hinzufügen. Danach werden wir den Hauptpeak zum Doppelpeak erweitern.

Fügen wir den ersten Peak hinzu. Dieser kleine Peak endet bei etwa 1370 °C. Lassen Sie uns seinen Beitrag ermitteln.

Wechseln Sie in der oberen Bandleiste zu Conversion .

Die experimentellen Kurven haben bei 1370 °C einen Umsatzwert von etwa 0,08. Dies ist der Beitrag unseres ersten Reaktionsschritts. Dann muss der zweite Schritt den Beitrag 0,92 haben, um in der Summe 1,0 zu erhalten.

Nun fügen wir den neuen Reaktionsschritt mit dem Beitrag 0,08 vor dem Hauptschritt hinzu.

Erstellen eines Kinetikmodells mit zwei aufeinanderfolgenden Schritten

7.es wird ein neues modellbasiertes kinetisches Modell mit zwei aufeinanderfolgenden Schritten erstellt.

Wechseln Sie zu Signal in der oberen Multifunktionsleiste.

Wir werden das bestehende Modell verwenden und es duplizieren. Um dies zu tun, wählen Sie im linken Projektfenster unter Model Basedrechts-klicken Sie mit der rechten Maustaste auf unser Modell s; und wählen Sie im Kontextmenü + Kopieren.

Ein neues Modell, das vom ersten Modell kopiert wird, wird erstellt.

8. Innerhalb des Reaktionsschritts: A → B, erstellen Sie einen Folgeschritt, indem Sie auf →→ klicken.

Es wird ein zweistufiges Modell erstellt.

9. Wählen Sie den ersten Schritt A → B und setzen Sie seinen Beitrag auf 0,08.

10. Wählen Sie die zweite Stufe und setzen Sie ihren Beitrag auf 0,92.

Klicken Sie im Bereich Schritt B → C auf die Schaltfläche Neuberechnen.

11. Jetzt werden die simulierten Daten für den ersten Teil des Modells rechts von den experimentellen Daten platziert. Wählen Sie den ersten Schritt A → B und verschieben Sie ihn nach links, indem Sie auf die Schaltfläche Anpassen drücken:"←".

Jetzt sind die simulierten Kurven nicht mehr weit von den experimentellen Daten entfernt, und wir können die Optimierung durchführen.

Klicken Sie in Model Operations auf die Schaltfläche Optimize.

Nun ist das zweistufige Modell fertig.

Erstellen eines Kinetikmodells mit drei aufeinanderfolgenden Schritten

12. Es wird ein neues modellbasiertes kinetisches Modell mit drei aufeinanderfolgenden Schritten erstellt.

Wir werden unser zweites, zweistufiges Modell d; verwenden und es duplizieren. Wählen Sie dazu unter Modellbasiert das Doppelschrittmodell aus, klicken Sie mit der rechten Maustaste darauf und wählen Sie im Kontextmenü + Kopieren. Ein bestehendes Modell d; wird kopiert und ein neues Modell wird erstellt.

Wählen Sie dieses neue Modell aus. Hier werden wir einen neuen, dritten Reaktionsschritt hinzufügen.

Wählen Sie den Schritt(B →C) und fügen Sie den Folgeschritt durch Klicken auf →→ hinzu. Klicken Sie anschließend unter Modelloperationen auf Optimieren, um das gesamte kinetische Modell zu optimieren.

Nun ist das Drei-Stufen-Modell fertig:

Modell Zusammenfassung

13. Wenn Sie im linken Bereich auf Modellzusammenfassung klicken, können Sie einen Vergleich einiger statistischer Parameter wie den Korrelationskoeffizienten, R² oder den F-Test für die drei Modelle sehen, die im Rahmen dieser Anleitung erstellt wurden.

Das dreistufige Modell ist viel besser, weil es ein höheres^R2, einen niedrigeren F-Test, eine niedrigere Summe der Abweichungsquadrate und ein niedrigeres mittleres Residuum aufweist.