Úvod
CFRP (plast vyztužený uhlíkovými vlákny) a GFRP (plast vyztužený skleněnými vlákny) jsou díky svým jedinečným materiálovým vlastnostem nepostradatelné v mnoha technologicky vyspělých aplikacích. Jejich klíčovou vlastností je vysoká pevnost v kombinaci s nízkou hmotností. To je spolu s jejich nízkou tepelnou vodivostí činí ideálními pro high-tech aplikace v letectví, automobilovém průmyslu a elektronice. Zvláštní roli při jejich použití hrají jejich směrové (anizotropní) tepelné vlastnosti, protože Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost podél vláken je vyšší než napříč. Vrstvená struktura umožňuje vlákna orientovat tak, aby cíleně odváděla teplo nebo účinně izolovala oblasti. Tato flexibilita umožňuje řešení na míru, jako je minimalizace teplotních výkyvů v satelitech nebo regulace tepla v bateriích.
Podmínky měření a výsledky
Pro stanovení tepelných vlastností je obzvláště vhodná laserová/záblesková analýza. Nejprve se pomocí přístroje, jako je LFA 717 HyperFlash®, stanoví Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita, která je funkcí směru. Následně lze použít údaje o hustotě a měrné tepelné kapacitě k výpočtu tepelné vodivosti, která je rovněž funkcí směru. Podmínky měření jsou podrobně uvedeny v tabulce 1.
Tabulka 1: Parametry měření
| Analytický přístroj | LFA 717 HyperFlash® |
|---|---|
| Velikost vzorku | 10 mm x 10 mm x 2,5 mm - průchozí rovina Několik proužků 10 mm x 2,5 mm - v rovině |
| Držáky vzorků | 10 mm čtverec - průchozí rovina 10 mm laminátový držák vzorku - v rovině |
Teplota body | 20 až 150 °C v krocích po 10 K |
| Atmosféra | 100 ml/min, N2 |
Obrázek 1 ukazuje tepelnou difuzivitu GFRP v rovinném směru (kolmo na vlákno) a v rovinném směru (rovnoběžně s vláknem). Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.Tepelná difuzivita mírně klesá s rostoucí teplotou. Mezi teplotami 110 °C a 130 °C je patrná změna gradientu small, což ukazuje na skelný přechod polymerní matrice. Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.Tepelná difuzivita v rovině je přibližně o 35 až 40 % vyšší než v rovinném směru.
Materiál CFRP je podobně znázorněn na obrázku 2. Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.Tepelná difuzivita v rovině je opět vyšší než Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita v rovině.
U materiálu CFRP je rozdíl mezi směry výrazně větší než u materiálu GFRP. Není to 35 až 40 % jako u vzorku GFRP, ale 500 až 600 %. Tento nápadný rozdíl je způsoben uhlíkovými vlákny, která mají mnohem vyšší tepelnou difuzivitu než vlákna skleněná. To je zřejmé zejména z obrázku 3, který shrnuje všechna měření.
Závěr
Metodou LFA lze také určit tepelnou difuzivitu a tepelnou vodivost v závislosti na směru, což poskytuje důležité údaje pro návrh a konstrukci high-tech aplikací.