مقدمة
تُعد مركبات ألياف الكربون/الكربون (C/C) وكربيد الكربون/الكربون-سيليكون الكربون (C/C-SiC) مواد رائدة عالية الأداء مصممة للبيئات الحرارية والميكانيكية القاسية. وتشمل ميزاتها المميزة نسبة القوة إلى الوزن المتميزة والثبات الاستثنائي في درجات الحرارة العالية. تُستخدم فئة مواد C/C في المقام الأول في تطبيقات الفضاء الجوي مثل الدروع الواقية من الحرارة العائدة إلى الأرض، بينما تُستخدم C/C-SiC في أنظمة الكبح عالية الأداء للطائرات وسيارات السباق والقطارات عالية السرعة [1]. وبالإضافة إلى ذلك، فإن التوافق الحيوي الممتاز والخمول الذي تتمتع به مركبات C/C يجعلها لا تقدر بثمن في المجالات الطبية المتخصصة، مثل غرسات العظام ومكونات صمامات القلب الاصطناعية.
وتتمثل إحدى الخصائص الرئيسية لكلتا فئتي المواد في الموصلية الحرارية، وهي أعلى بكثير من السيراميك الهيكلي التقليدي وهي ضرورية لإدارة الحرارة. يمكن أن تُظهر مركبات C/C عالية الجرافيت عالية الجرافيت توصيلًا حراريًا داخل المستوى يضاهي أو حتى أعلى من المعادن الحرارية مثل التنجستن والتنتالوم [2]. على الرغم من أن مركبات C/C-SiC تُظهر بشكل عام موصلية أقل بسبب مصفوفة SiC، إلا أنها لا تزال تقدم مزايا أداء كبيرة مقارنةً بمعظم السيراميك. ويمنع تبديد الحرارة عالي الكفاءة من الهياكل المجهدة حراريًا ارتفاع درجة الحرارة المحلية والإجهادات الحرارية والفشل الهيكلي المحتمل. إن الجمع الحاسم بين الاستقرار الميكانيكي، والتمدد الحراري المنخفض، والإزالة الفعالة للحرارة يجعل مركبات C/C وC/C-SiC واعدة بشكل خاص لتطبيقات الطاقة المستقبلية الصعبة، مثل المكونات في الجيل الرابع وأنظمة مفاعلات الاندماج [3].
قياسات الموصلية الحرارية
لا يمكن تحقيق التحديد الدقيق للموصلية الحرارية في نطاق درجات الحرارة العالية إلا باستخدام تحليل الوميض الليزري (LFA) بالاقتران مع قياس المسعر بالمسح التفاضلي (DSC) وقياس التمدد (DIL) أو التحليل الميكانيكي الحراري (TMA). تساهم كل هذه الطرق في حساب الموصلية الحرارية (λ) وفقًا للمعادلة التالية (المعادلة 1، [4]):
يتم تحديد الانتشارية الحرارية، α، عن طريق LFA؛ ويتم تحديد السعة الحرارية النوعية، cp، عن طريق DSC؛ ويتم حساب التغير في الكثافة المعتمد على درجة الحرارة، ρ، عن طريق التمدد الحراري استنادًا إلى قياسات مقياس التمدد الحراري أو TMA. وتعتمد جميع الخواص على درجة الحرارة (T) ويجب توصيفها عبر نطاق درجة الحرارة بالكامل لتحديد التوصيل الحراري بدقة. وهذا تحدٍ كبير، خاصةً في نطاق درجات الحرارة العالية التي تصل إلى 2000 درجة مئوية وما فوق.
تجريبي
تم فحص عينات من C/C وC/C-SiC باستخدام LFA 427 وDSC 500 Pegasus® بالاقتران مع بيانات التمدد الحراري حتى 1300 درجة مئوية وأقل بقليل من 2000 درجة مئوية، على التوالي. وترد تفاصيل معلمات القياس لقياسات LFA وDSC في الجدولين 1 و2.
الجدول 1: معلمات قياس LFA
| طراز LFA | LFA 427 مع فرن 2000 درجة مئوية |
|---|---|
| العينة | 1 × C/C، 1 × C/C-SiC |
العينة الأبعاد | Ø12.7 مم؛ السمك حوالي 3 مم |
| حامل العينة | 12.7 مم جرافيت |
| الطلاء | لا يوجد |
| الغلاف الجوي | الأرجون (120 مل/دقيقة) |
درجة الحرارة النقاط | جـ/جيم - سي سي RT/400/1000/1000/1300 C/C: RT/400/1000/1300/1500/1700/1990 |
الجدول 2: معلمات قياس DSC
نموذج DSC و الفرن | DSC 500 Pegasus® مع الروديوم الفرن |
|---|---|
حامل العينة/المزدوجة الحرارية المزدوجة الحرارية | DSC cp / Typ S |
| العينات | 1 x C/C، 1 x C/C-SiC |
| كتلة العينة | C/C: 38.000 مجم C/C-SiC: 59.713 مجم |
| البوتقة | الجرافيت مع غطاء وغسالة Al2O3 |
| الغلاف الجوي | الأرجون (70 مل/دقيقة) |
درجة الحرارة البرنامج | درجة الحرارة RT - 1400 درجة مئوية عند 20 كلفن/دقيقة C/C-SiC: RT - 1300 درجة مئوية عند 20 كلفن/دقيقة |
المعايرة قياسي | C/C-SiC: RT/400/1000/1000/1300 بوكو جرافيت |
النتائج والمناقشة
يُظهر الشكلان 1 و2 السعة الحرارية النوعية لعينات C/C وC/C-SiC عند درجات حرارة تتراوح من درجة حرارة الغرفة إلى نحو 1400 درجة مئوية في جو من الأرجون. وفقًا لنظرية ديبي، تزداد قيم السعة الحرارية النوعية مع ارتفاع درجة الحرارة. بعد القياسات، لوحظ فقدان كتلة بنسبة 0.15% تقريبًا لعينة C/C وحوالي 0.06% لعينة C/C-SiC.
وتجدر الإشارة إلى أنه يمكن أيضًا من الناحية النظرية تحديد cp باستخدام LFA. ومع ذلك، فإن البنية المتباينة الخواص للعينات تجعل ذلك غير مناسب.
2أُجريت قياسات DSC عند درجة حرارة 1300 درجة مئوية و1400 درجة مئوية على التوالي. تُستخدم بوتقات الجرافيت بشكل عام عند فحص عينات الكربون. وبالإضافة إلى ذلك، يتم وضع أقراص Al₂O₃O₃ بين بوتقة الجرافيت وحامل عينة Pt/Rh لحماية المستشعر ومنع التفاعلات بين المواد في درجات الحرارة العالية. استخدام بوتقة الجرافيت مضمون ومعتمد تقنيًا حتى 1400 درجة مئوية. ومع ذلك، في درجات الحرارة المرتفعة، من المتوقع حدوث تفاعلات بين الجرافيت وأكسيد الألومنيوم. ولحساب الموصلية الحرارية حتى 2000 درجة مئوية، تم استقراء السعة الحرارية النوعية لعينة C/C من بيانات قياس DSC حتى 1400 درجة مئوية.
يوضح الشكلان 3 و4 الخواص الفيزيائية الحرارية للعينتين.
كما هو متوقع بالنسبة لمعظم المواد بسبب التفاعل الأقوى بين الفونون والفونون في درجات الحرارة المرتفعة، تنخفض كل من درجة الحرارة والتوصيل الحراري مع زيادة درجة الحرارة في كلتا العينتين.
نظرًا لأن الانتشار الحراري، α، يعتمد على سُمك العينة، d، من بين أمور أخرى (انظر المعادلة 2، [1])، تم تصحيح القيم باستخدام بيانات التمدد الحراري.
إذا لم يتم تصحيح التمدد الحراري، فيجب توقع حدوث خطأ متزايد في درجات الحرارة المرتفعة.
لحساب التوصيل الحراري، أُخذت السعة الحرارية النوعية من قياسات DSC (تم أخذ السعة الحرارية النوعية من قياسات DSC (تم تحديدها جزئيًا بشكل إضافي) والكثافة المعتمدة على درجة الحرارة عن طريق التمدد الحراري في الاعتبار (بافتراض وجود جسم متساوي الخواص). تم تقييم إشارات LFA باستخدام نموذج Cape-Lehman القياسي للمواد المتجانسة ومتساوية الخواص.
يوضح الشكل 5 مقارنة بين التوصيل الحراري للعينتين. تُظهر عينة C/C قيمًا أعلى بكثير من عينة C/C-SiC.
الملخص
يطرح التحديد الدقيق للموصلية الحرارية في نطاق درجات الحرارة العالية العديد من التحديات ويتطلب اختيار طرق القياس المناسبة. ويجب أيضًا مراعاة بنية العينات. يُظهر مثال المواد عالية الأداء C/C وC/C-SiC عالية الأداء أن LFA 427 وDSC 500 Pegasus® ، إلى جانب التمدد الحراري، لا غنى عنها لتحديد الموصلية الحرارية في نطاق درجات الحرارة العالية، كما هو الحال مع ثلاثي LFA وDSC وDIL/TMA.