مقدمة
البولي إيثر إيثر كيتون (PEEK) هو مادة بلاستيكية حرارية عالية الأداء تُستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الهندسية الصعبة بفضل استقرارها الحراري الممتاز وقوتها الميكانيكية ومقاومتها الكيميائية. وغالبًا ما تُستخدم الدرجات التجارية مثل TECAPEEK® الطبيعي وTECAPEEK® GF30 الطبيعي المقوى بالألياف الزجاجية (الشكل 1)، المصنعة من قبل شركة Ensinger، لتكييف أداء المادة لتناسب تطبيقات محددة.
يُعد TECAPEEK® الطبيعي نوعًا من مادة PEEK غير مملوءة بكثافة تبلغ حوالي 1.31 جم/سم³، بينما يحتوي TECAPEEK® GF30 الطبيعي على 30% من الألياف الزجاجية وكثافة تبلغ حوالي 1.53 جم/سم³. تتحمل كلتا المادتين درجات حرارة تشغيل طويلة الأمد تتراوح بين ~250 و260 درجة مئوية، وتبلغ الموصلية الحرارية المعلنة لكل منهما ~0.29 وات/(م·ك) (TECAPEEK® الطبيعي) و~0.30 وات/(م·ك) (TECAPEEK® GF30 الطبيعي) [2، 3].
في مذكرة التطبيق هذه، تم تقييم الموصلية الحرارية لمادتي TECAPEEK® الطبيعية وTECAPEEK® GF30 الطبيعية على نطاق درجات حرارة يتراوح بين -10 درجة مئوية و250 درجة مئوية باستخدام مقياس تدفق الحرارة المحمي (GHFM) من شركة NETZSCH TCT 716 Lambda ومحلل ومقياس الوميض الليزري (LFA) من شركة NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . تم توفير المواد التي خضعت للاختبار من قبل شركة Ensinger كمخزون تجاري، مما يضمن صلتها المباشرة بالتطبيقات العملية. يعكس نطاق درجات الحرارة هذا ظروف التشغيل النموذجية في مختلف الصناعات مثل صناعة الطيران والفضاء، وصناعة السيارات، والهندسة الكهربائية، والمعالجة الكيميائية، حيث تؤثر خصائص النقل الحراري على تبديد الحرارة وموثوقية المكونات. توفر البيانات التجريبية الواردة في مذكرة التطبيق هذه للمهندسين بيانات مستقلة عن المواد المتوفرة تجاريًا لدعم قرارات التصميم في حالة عدم توفر مثل هذه البيانات.
تجريبي
توفر طريقة GHFM قياسًا مباشرًا في حالة الاستقرار للموصلية الحرارية، مما يتيح تقييمًا مباشرًا لنقل الحرارة في ظروف التوازن. في المقابل، تعد تقنية LFA تقنية عابرة تقيس الانتشار الحراري (α)، الذي يعكس معدل انتشار الحرارة عبر المادة. ولتحديد الموصلية الحرارية (λ) باستخدام هذه التقنية، يتم دمج الانتشار الحراري المقاس مع السعة الحرارية النوعية (cp) والكثافة (ρ) المحددة بشكل مستقل. وتُعبر عن هذه العلاقة بالصيغة التالية:
λ = α ·cp · p
يتيح هذا النهج المركب إجراء التحقق المتبادل بين قيم الموصلية الحرارية المباشرة والمحسوبة، مما يعزز الثقة في النتائج المقاسة.
تم تحديد السعة الحرارية النوعية باستخدام جهاز قياس السعرات الحرارية التفاضلي (DSC) من طراز DSC 300 Caliris® من شركة كيرني ( NETZSCH )، بينما تم الحصول على الكثافة المعتمدة على درجة الحرارة من قياسات التمدد الحراري عبر جهاز قياس التمدد (DIL) من طراز 402 Expedis من شركة ميتروول ( NETZSCH ).
أُجريت القياسات في نطاق درجات حرارة يتراوح بين -10 درجة مئوية و250 درجة مئوية لرصد السلوك في ظل ظروف التشغيل النموذجية، بما في ذلك منطقة الانتقال الزجاجي.
النتائج والمناقشة
تم قياس السعة الحرارية النوعية (cp) التي تعتمد على درجة الحرارة لكل من مادة TECAPEEK® الطبيعية وTECAPEEK® GF30 الطبيعية لاستخدامها في حسابات الموصلية الحرارية القائمة على LFA (الشكل 2). وعلى مدى نطاق درجات الحرارة بالكامل، تُظهر المادة غير المُعززة قيمًا أعلى للسعة الحرارية النوعية (Cp) مقارنةً بالمادة المُعززة بألياف الزجاج، وذلك بسبب انخفاض مساهمة الألياف غير العضوية في السعة الحرارية. تُظهر كلتا المادتين انتقالًا زجاجيًا واضحًا، حيث يُظهر TECAPEEK® الطبيعي نقطة وسط عند حوالي 157 درجة مئوية، بينما يُظهر TECAPEEK® GF30 الطبيعي نقطة وسط أقل قليلاً عند 152 درجة مئوية. يمكن أيضًا مراقبة سلوك الانتقال الزجاجي لـ PEEK باستخدام DSC المعدل بالحرارة [4].
تم قياس التمدد الحراري المتأثر بدرجة الحرارة لكل من مادة TECAPEEK® الطبيعية و TECAPEEK® GF30 الطبيعية لتصحيح سماكة العينة في حسابات الانتشار الحراري والكثافة في عمليات تحديد الموصلية الحرارية (الشكل 3)؛ ومع ذلك، فإن التحليل الإضافي لهذه البيانات يوفر أيضًا رؤية قيّمة حول سلوك المادة. وقد لوحظت زيادة ملحوظة في التمدد بالقرب من درجة حرارة الانتقال الزجاجي (Tg)، حيث تؤدي زيادة حركة السلسلة إلى ارتفاع معامل التمدد الحراري. وفي المادة المقواة بالألياف الزجاجية، يتأثر التمدد بشدة بالتباين الناتج عن اتجاه الألياف والبنية المجهرية وتاريخ المعالجة، مما يؤدي إلى سلوك يعتمد على اتجاه الألياف [5].
تُظهر قياسات الموصلية الحرارية التي تم الحصول عليها من GHFM وLFA توافقًا قويًّا عبر نطاق درجات الحرارة بالكامل، حيث تُظهر كلتا المادتين زيادة في الموصلية مع ارتفاع درجة الحرارة (الشكل 4). يُظهر TECAPEEK® GF30 الطبيعي باستمرار موصلية حرارية أعلى من TECAPEEK® الطبيعي، وهو ما يُعزى إلى مسارات نقل الحرارة المحسّنة التي توفرها الألياف الزجاجية.
كما تتوافق نتائج الموصلية الحرارية التي تم الحصول عليها في هذه الدراسة بشكل جيد مع تلك الواردة في مذكرة التطبيق رقم 327 الصادرة عن شركة « NETZSCH » [5]، لا سيما من حيث القيم المطلقة والاتجاهات المرتبطة بدرجة الحرارة. ففي مذكرة التطبيق رقم 327، تُظهر الموصلية الحرارية المحددة عبر القياس المباشر باستخدام طريقة GHFM والحسابات غير المباشرة باستخدام طريقة LFA ارتباطًا وثيقًا عند استخدام قيم مناسبةلـ cp والكثافة كمدخلات. وبالمثل، يُظهر هذا العمل اتساقًا ممتازًا بين نتائج طريقتي GHFM وLFA عبر نطاق درجات الحرارة الكامل، مع بقاء الانحرافات ضمن حدود عدم اليقين التجريبي المعتاد. وبشكل عام، يؤكد التوافق الوثيق بين هذه الدراسة والأعمال السابقة موثوقية طريقتي GHFM وLFA ويثبت قابلية تطبيق هاتين الطريقتين على أنظمة PEEK غير المملوءة والمقواة بالألياف الزجاجية على حد سواء.
ملخص
تم تقييم الموصلية الحرارية لكل من TECAPEEK® الطبيعي وTECAPEEK® GF30 الطبيعي على نطاق درجات حرارة يتراوح بين -10 درجة مئوية و250 درجة مئوية باستخدام مقياس تدفق الحرارة المحمي (GHFM) وتحليل وميض الليزر (LFA). تُظهر النتائج أن الموصلية الحرارية تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة في كلتا المادتين، حيث يُظهر مادة TECAPEEK® GF30 الطبيعية موصلية أعلى بفضل تحسين نقل الحرارة بفضل تعزيزها بالألياف الزجاجية. ويُثبت التوافق القوي بين نتائج مقياس تدفق الحرارة المحمي (GHFM) والتحليل بالوميض الليزري (LFA)، إلى جانب اتساقها مع الدراسات السابقة التي أجرتها شركة « NETZSCH »، موثوقية هذه الطرق في تحديد الخصائص الحرارية.