مقدمة
في مجال هندسة درجات الحرارة المرتفعة، هناك طلب متزايد على المواد التي يمكن أن تؤدي أداءً موثوقًا حتى في ظل الظروف الحرارية القاسية. وتكتسب المواد التي يمكنها تحمل درجات الحرارة العالية والتدرجات القوية لدرجات الحرارة على المدى الطويل أهمية خاصة. وقد أثبتت مركبات الألياف الخزفية نفسها كحل عالي الأداء في هذا السياق. وهي تُستخدم في المقام الأول لحماية المكونات الحساسة والمحمّلة بشدة من الحرارة. وتشمل التطبيقات النموذجية بطانات غرف الاحتراق والمكونات الهيكلية في صناعة المعالجة.
تتميز هذه المواد بخصائص واضحة تعتمد على الاتجاه بسبب بنيتها الطبقية. وبالتالي، يمكن أن تختلف خصائصها الحرارية بشكل كبير اعتمادًا على اتجاه الألياف. من أجل التصميم الدقيق للمكونات ذات درجة الحرارة المرتفعة، من الضروري الفهم الدقيق لنقل الحرارة كدالة لمحاذاة الألياف.
الطريقة وشروط القياس
يُستخدم تحليل الوميض الليزري (LFA، مبدأ القياس في الشكل 1) لتحديد الانتشار الحراري، α، للمادة. وبالاقتران مع الكثافة، ρ، والسعة الحرارية النوعية المعروفة، cp، يمكن حساب الموصلية الحرارية، λ (λ = α - cp - ρ).
أثناء القياس، يتم تسخين الجزء السفلي من العينة بواسطة نبضة ليزر قصيرة، ويتم تسجيل الزيادة في درجة الحرارة على الجانب المقابل بواسطة كاشف الأشعة تحت الحمراء. يمكن بعد ذلك تحديد الانتشار الحراري من منحنى درجة الحرارة بمرور الوقت باستخدام النموذج الرياضي المناسب.
أُجريت القياسات على مركب من الألياف الخزفية باستخدام LFA 707 StratoFlash®Classic في نطاق درجة حرارة يتراوح بين درجة حرارة الغرفة و1100 درجة مئوية، مما يعكس ظروف التشغيل الفعلية للمواد.
استُخدم حاملان مختلفان للعينات: حامل قياسي (الشكل 2) لتحديد الخواص الحرارية في الاتجاه العابر للمستوى وحامل عينة صفائحي لتحليل الخواص داخل المستوى.
يوضح الشكل 3 مخططات تحضير العينة عند استخدام حامل العينة الرقائقي.
يبلغ قطر العينة المستخدمة للقياس عبر المستوى 12.64 مم وسمكها حوالي 2.03 مم، بينما تم تقطيع العينات داخل المستوى إلى شرائح ووضعها على حامل عينة صفائحي بطول حافة 10 مم وسمك 2.30 مم تقريبًا. معلمات القياس مفصلة في الجدول 1.
الجدول 1: ظروف قياس LFA
| نطاق درجة الحرارة | RT إلى 1100 درجة مئوية |
|---|---|
| حامل العينة |
|
| حجم العينة |
|
| الطلاء | الجرافيت |
| الغلاف الجوي | الأرجون |
| معدل التسخين | متغير حتى 10 إلى 20 كلفن/الدقيقة |
| الطاقة | 650 فولت؛ 600 ميكروثانية |
النتائج والمناقشة
يُظهر الشكل 4 أن المركب المقوى بالألياف الذي تم فحصه يُظهر بوضوح شكلًا واضحًا متباين الخواص للتوصيل الحراري. حتى في درجة حرارة الغرفة، من الواضح أن الانتشار الحراري على طول اتجاه الألياف أعلى بشكل ملحوظ من ذلك المتعامد على الألياف. يبلغ الفرق حوالي 16% تقريبًا، وهو ما يمكن أن يُعزى إلى الاتجاه التفضيلي للتوصيل الحراري على طول هيكل الألياف. في هذا الاتجاه، تتيح مسارات الألياف المتواصلة نقل الطاقة بكفاءة أكبر؛ ومع ذلك، فإن الواجهات وعدم التجانس الهيكلي عبر الألياف تعيق نقل الحرارة بشكل أكبر.
ومع ارتفاع درجة الحرارة، ينخفض هذا التأثير المتباين الخواص بشكل طفيف، حيث ينخفض الفرق بين الاتجاهين إلى حوالي 13%. يشير هذا إلى أن الآليات الإضافية، مثل التفاعلات الفون-الفونون المعززة، تضعف نسبيًا تأثير اتجاه الألياف مع ارتفاع درجة الحرارة.
بشكل عام، توضح نتائج القياس أن اتجاه الألياف يؤثر بشكل كبير على سلوك النقل الحراري. ومع ذلك، يصبح هذا التأثير أقل وضوحًا في درجات الحرارة المرتفعة. وبالتالي توفر بيانات الانتشار الحراري التي تم الحصول عليها أساسًا أساسيًا للمحاكاة الحرارية الميكانيكية. كما أنها تتيح تمثيلًا واقعيًا لسلوك هذه المواد متباينة الخواص وتساهم بشكل كبير في التصميم الآمن والفعال وتنفيذ المواد عالية الأداء في التطبيقات الصناعية.
الملخص
يتيح تحليل الوميض بالليزر (LFA) التحديد الدقيق للانتشار الحراري على نطاق واسع من درجات الحرارة، بما في ذلك درجات حرارة التشغيل العالية. ويسمح استخدام حوامل العينات الخاصة بتحديد أنستروبية المواد.
والجدير بالذكر أن حامل العينة الصفائحي يسهل فحص الانتشار الحراري في الاتجاه المستوي الداخلي، مكملاً القياس التقليدي عبر المستوى. وهذا يجعل من الممكن قياس الخواص الحرارية متباينة الخواص تجريبياً، حتى في درجات الحرارة المرتفعة. وهذا أمر ضروري لفهم آليات التوصيل الحراري المعتمدة على الاتجاه وللتصميم الواقعي للمواد عالية الأداء.