Въведение
Полиетер-етер-кетонът (PEEK) е високопроизводителен термопласт, широко използван в изискващи инженерни приложения благодарение на отличната си термична стабилност, механична якост и химическа устойчивост. Търговските марки като TECAPEEK® natural и подсиленият със стъклени влакна TECAPEEK® GF30 natural (Фигура 1), произвеждани от Ensinger, често се използват за адаптиране на характеристиките на материала към конкретни приложения.
TECAPEEK® natural е непълнен PEEK клас с плътност от ~1,31 g/cm³, докато TECAPEEK® GF30 natural съдържа 30% стъклени влакна и има плътност от ~1,53 g/cm³. И двата материала издържат на дългосрочни работни температури от ~250 до 260 °C, а отчетените им топлинни проводимости са ~0,29 W/(m·K) (TECAPEEK® natural) и ~0,30 W/(m·K) (TECAPEEK® GF30 natural) [2, 3].
В настоящата приложение бележка се оценява топлинната проводимост на TECAPEEK® natural и TECAPEEK® GF30 natural в температурен диапазон от -10 °C до 250 °C, като се използва защитен топлови токомер (GHFM) на NETZSCH TCT 716 Lambda и лазерен флаш анализатор (LFA) на NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Тестваните материали бяха предоставени от Ensinger като търговски наличности, което гарантира пряката им приложимост към реални приложения. Този температурен диапазон отразява типичните експлоатационни условия в различни индустрии като аерокосмическата, автомобилната, електротехническата и химическата, където термичните транспортни свойства оказват влияние върху разсейването на топлината и надеждността на компонентите. Експерименталните данни, представени в тази бележка за приложение, предоставят на инженерите независими данни за материали, налични на пазара, с цел подпомагане на проектните решения, когато такива данни липсват.
Експериментален
Методът GHFM осигурява директно измерване на топлинната проводимост в стационарно състояние, като позволява пряка оценка на топлопреноса при условия на равновесие. За разлика от него, LFA е преходна техника, която измерва топлинната дифузия (α), която отразява скоростта, с която топлината се разпространява през материала. За да се определи топлинната проводимост (λ) с помощта на тази техника, измерената дифузия се съчетава с независимо определените специфична топлинна мощност (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) и плътност (ρ). Тази зависимост се изразява като:
Този комбиниран подход позволява кръстосана валидация между преките и изчислените стойности на топлинната проводимост, което повишава доверието в измерените резултати.
Специфичната топлинна мощност беше определена с помощта на диференциален сканиращ калориметър (DSC) „ NETZSCH “ модел DSC 300 Caliris®, докато температурно-зависимата плътност беше получена от измервания на термичното разширение чрез дилатометър (DIL) „ NETZSCH “ модел 402 Expedis®.
Измерванията бяха проведени в температурен диапазон от -10 °C до 250 °C, за да се отразят характеристиките при типични експлоатационни условия, включително в зоната на стъкления преход.
Резултати и обсъждане
Беше измерена температурно-зависимата специфична топлинна мощност (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) на TECAPEEK® natural и TECAPEEK® GF30 natural с цел използването ѝ в изчисленията на топлинната проводимост, базирани на LFA (фигура 2). В целия температурен диапазон материалът без пълнител показва по-високи стойности на Cp в сравнение с материала, подсилен със стъклени влакна, поради по-ниския принос към топлинната мощност от страна на неорганичните влакна. И двата материала показват ясно изразен стъклен преход, като TECAPEEK® natural има средна точка около 157 °C, докато TECAPEEK® GF30 natural показва малко по-ниска средна точка при 152 °C. Поведението при стъкления преход на PEEK може да се наблюдава и чрез използване на DSC с температурна модулация [4].
Измерено бе температурно-зависимото термично разширение на TECAPEEK® natural и TECAPEEK® GF30 natural с цел коригиране на дебелината на пробите при изчисленията на дифузионната способност и на плътността при определянето на топлинната проводимост (фигура 3); освен това обаче по-нататъшният анализ на тези данни предоставя ценна информация за поведението на материала. Наблюдава се изразено увеличение на разширението в близост до температурата на стъклено преход (Tg), където повишената подвижност на веригите води до по-висок коефициент на термично разширение. При материала, армиран със стъклени влакна, разширението се влияе силно от анизотропията, произтичаща от ориентацията на влакната, микроструктурата и историята на обработката, което води до поведение, зависещо от посоката на влакната [5].
Измерванията на топлинната проводимост, получени чрез GHFM и LFA, показват силно съгласуване в целия температурен диапазон, като и двата материала проявяват нарастваща проводимост с повишаване на температурата (Фигура 4). TECAPEEK® GF30 natural постоянно демонстрира по-висока топлинна проводимост в сравнение с TECAPEEK® natural, което се дължи на подобрените пътища за пренос на топлина, осигурени от стъклените влакна.
Резултатите за топлинната проводимост, получени в настоящото проучване, също се съгласуват добре с тези, посочени в Приложение 327 на „ NETZSCH “ [5], по-специално както по отношение на абсолютните стойности, така и на тенденциите, зависещи от температурата. В Приложение 327 топлинната проводимост, определена чрез директно измерване с GHFM и индиректни изчисления с LFA, показва тясна корелация, когато се използват подходящи входни данниза 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 и плътност. По подобен начин настоящото проучване показва отлична съгласуваност между резултатите от GHFM и LFA в целия температурен диапазон, като отклоненията остават в рамките на типичната експериментална неточност. Като цяло, тясното съответствие между настоящото проучване и предишните изследвания потвърждава надеждността на методите GHFM и LFA и валидира приложимостта на тези методи както към системи от PEEK без пълнители, така и към системи от PEEK, армирани със стъклени влакна.
Обобщение
Топлинната проводимост на TECAPEEK® natural и TECAPEEK® GF30 natural беше оценена в температурен диапазон от -10 °C до 250 °C с помощта на защитен топловимерен уред (GHFM) и лазерен флаш-анализ (LFA). Резултатите показват, че топлинната проводимост се увеличава с температурата и при двата материала, като TECAPEEK® GF30 natural проявява по-висока проводимост благодарение на подобреното пренасяне на топлината чрез армирането със стъклени влакна. Силното съответствие между резултатите от GHFM и LFA, съчетано с съгласуваността с предишни проучвания на „ NETZSCH “, доказва надеждността на тези методи за термична характеристика.