Въведение
В областта на високотемпературното инженерство нараства търсенето на материали, които могат да работят надеждно дори при екстремни топлинни условия. Материалите, които могат да издържат на високи температури и силни температурни градиенти в дългосрочен план, са от особено значение. Композитите от керамични влакна се утвърдиха като високоефективно решение в този контекст. Те се използват предимно за защита на чувствителни и силно натоварени компоненти от топлина. Типичните приложения включват облицовки на горивни камери и структурни компоненти в преработвателната промишленост.
Благодарение на многослойната си структура тези материали се характеризират с ясно изразени свойства, зависещи от посоката на движение. Вследствие на това топлинните им свойства могат да варират значително в зависимост от ориентацията на влакната. Следователно за прецизното проектиране на високотемпературни компоненти е необходимо точно разбиране на преноса на топлина като функция на подреждането на влакната.
Метод и условия на измерване
Лазерният светкавичен анализ (LFA, принцип на измерване на фигура 1) се използва за определяне на топлинната дифузия, α, на даден материал. В комбинация с плътността, ρ, и известния специфичен 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, може да се изчисли коефициентът на топлопроводност, λ (λ = α - 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 - ρ).
По време на измерването долната част на образеца се нагрява с кратък лазерен импулс, а повишаването на температурата на противоположната страна се регистрира от инфрачервен детектор. След това топлинната дифузия може да се определи от кривата на температурата във времето, като се използва подходящ математически модел.
Измерванията са извършени върху композит от керамични влакна с помощта на LFA 707 StratoFlash®Classic в температурния диапазон от стайна температура до 1100 °C, като по този начин се отразяват действителните условия на работа на материалите.
Използвани са два различни държача за проби: стандартен държач (фигура 2) за определяне на термичните свойства в посока през равнината и ламелен държач за проби за анализ на свойствата в равнината.
На фигура 3 са показани схемите за подготовка на пробите при използване на ламелния държач за проби.
Образецът, използван за измерването през равнината, е с диаметър 12,64 mm и дебелина около 2,03 mm, докато образците в равнината са нарязани на ленти и поставени върху държач за ламелни образци с дължина на ръба 10 mm и дебелина около 2,30 mm. Параметрите на измерването са описани подробно в таблица 1.
Таблица 1: Условия за измерване на LFA
| Температурен диапазон | RT до 1100°C |
|---|---|
| Държач на пробата |
|
| Размер на образеца |
|
| Покритие | Графит |
| Атмосфера | Аргон |
| Скорост на нагряване | Променлива до 10 до 20 K/min |
| Енергия | 650 V; 600 μs |
Резултати и обсъждане
Фигура 4 показва, че изследваният композит, подсилен с влакна, показва ясно изразен анизотропен профил на топлопроводността. Дори при стайна температура е очевидно, че топлопроводността по посока на влакната е значително по-висока от тази перпендикулярно на влакната. Разликата е приблизително 16 %, което може да се отдаде на преференциалната посока на топлопроводност по структурата на влакната. В тази посока непрекъснатите трасета на влакната позволяват по-ефективен пренос на енергия; напречно на влакното обаче интерфейсите и структурните нееднородности възпрепятстват преноса на топлина в по-значителна степен.
С повишаването на температурата този анизотропен ефект леко намалява, като разликата между двете посоки намалява до около 13%. Това предполага, че допълнителни механизми, като например засилени фонон-фононни взаимодействия, относително отслабват влиянието на ориентацията на влакната с повишаване на температурата.
Като цяло резултатите от измерванията показват, че ориентацията на влакната оказва значително влияние върху поведението на топлинния транспорт. Това влияние обаче става по-слабо изразено при по-високи температури. Поради това получените данни за термичната дифузия представляват съществена основа за термомеханични симулации. Те дават възможност за реалистично представяне на поведението на тези анизотропни материали и допринасят значително за безопасното и ефективно проектиране и внедряване на високоефективни материали в промишлените приложения.
Резюме
Лазерният светкавичен анализ (LFA) позволява прецизно определяне на топлинната дифузия в широк температурен диапазон, включително при високи работни температури. Използването на специални държачи за проби позволява определянето на анистропията на материалите.
По-специално, ламелният държач на пробата улеснява изследването на топлинната дифузия в посока в равнината, допълвайки традиционното измерване през равнината. Това дава възможност за експериментално измерване на анизотропни топлинни свойства дори при повишени температури. Това е от съществено значение за разбирането на механизмите на топлопроводност, зависещи от посоката, и за реалистичното проектиране на високоефективни материали.