Въведение
Композитите от въглеродни/въглеродни (C/C) и въглеродни/въглеродно-силициеви карбидни (C/C-SiC) влакна са водещи високоефективни материали, проектирани за екстремни термични и механични среди. Техните отличителни характеристики включват изключително съотношение между здравина и тегло и изключителна стабилност при високи температури. Класът материали C/C се използва предимно в аерокосмически приложения, като например топлинни щитове при повторно влизане в атмосферата, докато C/C-SiC се използва във високоефективни спирачни системи за самолети, състезателни автомобили и високоскоростни влакове [1]. Освен това отличната биосъвместимост и инертност на C/C композитите ги правят безценни за нишови медицински области, като например ортопедични импланти и компоненти за протезиране на сърдечни клапи.
Ключово свойство и на двата класа материали е тяхната топлопроводимост, която е значително по-висока от конвенционалната структурна керамика и е от решаващо значение за управлението на топлината. Високо графитизираните C/C композити могат да демонстрират равнинна топлопроводимост, сравнима или дори по-висока от тази на огнеупорните метали като волфрам и тантал [2]. Макар че обикновено показват по-ниска проводимост поради матрицата от SiC, композитите C/C-SiC все пак предлагат значителни експлоатационни предимства пред повечето керамики. Това високоефективно отвеждане на топлината от термично натоварени структури предотвратява локално прегряване, термични напрежения и потенциални структурни повреди. Решаващата комбинация от механична стабилност, ниско термично разширение и ефективно отвеждане на топлината прави C/C и C/C-SiC композитите особено обещаващи за взискателни бъдещи енергийни приложения, като например компоненти в системите на реактори от IV поколение и термоядрени реактори [3].
Измервания на топлопроводимостта
Прецизното определяне на топлопроводимостта във високотемпературния диапазон може да се постигне само с помощта на лазерен светкавичен анализ (LFA) в комбинация с диференциална сканираща калориметрия (DSC) и дилатометрия (DIL) или термомеханичен анализ (TMA). Всички тези методи допринасят за изчисляването на коефициента на топлопроводност (λ) съгласно следното уравнение (уравнение 1, [4]):
Топлинната дифузия, α, се определя чрез LFA; специфичният топлинен капацитет, Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp, чрез DSC; а температурнозависимото изменение на плътността, ρ, се изчислява чрез топлинно разширение въз основа на измервания с дилатометър или TMA. Всички свойства зависят от температурата (Т) и трябва да се характеризират в целия температурен диапазон, който представлява интерес, за да се определи точно топлопроводимостта. Това е голямо предизвикателство, особено във високотемпературния диапазон до 2000 °C и повече.
Експериментален
Пробите от C/C и C/C-SiC бяха изследвани с помощта на LFA 427 и DSC 500 Pegasus® в комбинация с данни за термичното разширение съответно до 1300°C и малко под 2000°C. Параметрите на измерванията за LFA и DSC са подробно описани в таблици 1 и 2.
Таблица 1: Параметри на измерване на LFA
| Модел на LFA | LFA 427 с пещ с температура 2000°C |
|---|---|
| Проба | 1 x C/C, 1 x C/C-SiC |
Образец размери | Ø12,7 mm; дебелина приблизително 3 mm |
| Държач на образеца | 12.7 mm графит |
| Покритие | Няма |
| Атмосфера | Аргон (120 ml/min) |
Температура точки | C/C-SiC: RT/400/1000/1300 C/C: RT/400/1000/1300/1500/1700/1990 |
Таблица 2: Параметри на измерване на DSC
DSC модел и пещ | DSC 500 Pegasus® с родий пещ |
|---|---|
Носител на пробата/ термодвойка | DSC Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp / Typ S |
| Проби | 1 x C/C, 1 x C/C-SiC |
| Маса на образеца | C/C: 38,000 mg C/C-SiC: 59,713 mg |
| Тигел | Графит с капак и шайба от Al2O3 |
| Атмосфера | Аргон (70 ml/min) |
Температура програма | C/C: RT - 1400°C при 20 K/min C/C-SiC: RT - 1300°C при 20 K/min |
Калибриране стандарт | C/C-SiC: RT/400/1000/1300 POCO графит |
Резултати и обсъждане
На фигури 1 и 2 са показани специфичните топлинни капацитети на образците C/C и C/C-SiC при температури от стайна температура до ~1400°C в аргонова атмосфера. В съответствие с теорията на Деби, стойностите на Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp се увеличават с повишаване на температурата. След измерванията се наблюдава загуба на маса от приблизително 0,15% за пробата C/C и приблизително 0,06% за пробата C/C-SiC.
Трябва да се отбележи, че теоретично определянето на Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp може да се извърши и чрез LFA. Анизотропната структура на пробите обаче прави това неподходящо.
2Измерванията на DSC са проведени съответно при 1300°C и 1400°C. При изследването на въглеродни образци обикновено се използват графитни тигли. Освен това между графитния тигел и държача на Pt/Rh пробата се поставят Al₂O₃ дискове, за да се предпази сензорът и да се предотврати взаимодействието между материалите при високи температури. Използването на графитния тигел е гарантирано и технически одобрено до 1400°C. При по-високи температури обаче може да се очаква взаимодействие между графита и Al₂O₃. За да се изчисли коефициентът на топлопроводност до 2000°C, специфичният топлинен капацитет на пробата C/C е екстраполиран от данните от DSC измерванията до 1400°C.
На фигури 3 и 4 са представени термофизичните свойства на двата образеца.
Както се очаква за повечето материали поради по-силното взаимодействие между фонони и фонони при по-високи температури, температурата и топлопроводимостта намаляват с увеличаване на температурата и при двата образеца.
Тъй като топлинната дифузия, α, зависи, наред с други неща, от дебелината на образеца, d (вж. уравнение 2, [1]), стойностите бяха коригирани, като бяха използвани данни за топлинното разширение.
Ако топлинното разширение не се коригира, трябва да се очаква повишена грешка при по-високи температури.
За да се изчисли топлопроводимостта, бяха взети предвид специфичният топлинен капацитет от измерванията на DSC (частично допълнително поляризиран) и температурно зависимата плътност чрез топлинно разширение (при предположение за изотропно тяло). Сигналите от LFA са оценени, като е използван стандартният модел на Cape-Lehman за хомогенни и изотропни материали.
На фигура 5 е показано сравнение на коефициента на топлопроводност на двата образеца. Пробата C/C показва значително по-високи стойности от пробата C/C-SiC.
Резюме
Прецизното определяне на коефициента на топлопроводност във високотемпературния диапазон е свързано с няколко предизвикателства и изисква избор на подходящи методи за измерване. Трябва да се вземе предвид и структурата на пробите. Примерът с високоефективните материали C/C и C/C-SiC показва, че LFA 427 и DSC 500 Pegasus®, заедно с термичното разширение, са незаменими за определяне на топлопроводимостта във високотемпературния диапазон, както и тройката LFA, DSC и DIL/TMA.