Úvod
Uhlíko-uhlíkové (C/C) a uhlíko-uhlíko-karbidové (C/C-SiC) vláknové kompozity jsou špičkové vysoce výkonné materiály určené pro extrémní tepelné a mechanické prostředí. Mezi jejich charakteristické vlastnosti patří vynikající poměr pevnosti a hmotnosti a výjimečná stabilita při vysokých teplotách. Třída materiálů C/C se používá především v leteckých a kosmických aplikacích, jako jsou tepelné štíty při návratu do atmosféry, zatímco C/C-SiC se používá ve vysoce výkonných brzdových systémech pro letadla, závodní automobily a vysokorychlostní vlaky [1]. Kromě toho jsou C/C kompozity díky své vynikající biokompatibilitě a inertnosti neocenitelné pro specifické lékařské obory, jako jsou ortopedické implantáty a komponenty srdečních chlopní.
Klíčovou vlastností obou tříd materiálů je jejich 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, která je výrazně vyšší než u běžné konstrukční keramiky a je klíčová pro hospodaření s teplem. Vysoce grafitizované C/C kompozity mohou vykazovat rovinnou tepelnou vodivost srovnatelnou nebo dokonce vyšší než žáruvzdorné kovy, jako je wolfram a tantal [2]. Ačkoli kompozity C/C-SiC obecně vykazují nižší vodivost díky matrici SiC, stále nabízejí významné výkonnostní výhody oproti většině keramik. Vysoce účinný odvod tepla z tepelně namáhaných struktur zabraňuje lokálnímu přehřátí, tepelnému namáhání a potenciálnímu selhání konstrukce. Klíčová kombinace mechanické stability, nízké tepelné roztažnosti a účinného odvodu tepla činí kompozity C/C a C/C-SiC obzvláště slibnými pro náročné budoucí energetické aplikace, jako jsou komponenty v rámci systémů IV. generace a fúzních reaktorů [3].
Měření tepelné vodivosti
Přesného stanovení tepelné vodivosti v oblasti vysokých teplot lze dosáhnout pouze pomocí laserové bleskové analýzy (LFA) v kombinaci s diferenční skenovací kalorimetrií (DSC) a dilatometrií (DIL) nebo termomechanickou analýzou (TMA). Všechny tyto metody přispívají k výpočtu tepelné vodivosti (λ) podle následující rovnice (rovnice 1, [4]):
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 α se stanoví pomocí LFA, Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.měrná tepelná kapacitaMěrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp pomocí DSC a změna hustoty ρ v závislosti na teplotě se vypočítá pomocí tepelné roztažnosti na základě měření dilatometrem nebo TMA. Všechny vlastnosti jsou závislé na teplotě (T) a pro přesné určení tepelné vodivosti je třeba je charakterizovat v celém teplotním rozsahu. To je velký problém, zejména v oblasti vysokých teplot do 2000 °C a výše.
Experimentální
Vzorky C/C a C/C-SiC byly zkoumány pomocí LFA 427 a DSC 500 Pegasus® v kombinaci s údaji o teplotní roztažnosti do 1300 °C, resp. těsně pod 2000 °C. Parametry měření pro LFA a DSC měření jsou podrobně uvedeny v tabulkách 1 a 2.
Tabulka 1: Parametry měření LFA
| Model LFA | LFA 427 s pecí o teplotě 2000 °C |
|---|---|
| Vzorek | 1 x C/C, 1 x C/C-SiC |
Vzorek rozměry | Ø12,7 mm; tloušťka cca 3 mm |
| Držák vzorku | 12.7 mm grafit |
| Povlak | Žádný |
| Atmosféra | Argon (120 ml/min) |
Teplota body | C/C-SiC: RT/400/1000/1300 C/C: RT/400/1000/1300/1500/1700/1990 |
Tabulka 2: Parametry měření DSC
Model DSC a pec | DSC 500 Pegasus® s rhodiem pec |
|---|---|
Nosič vzorku/ termočlánek | DSC Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp / Typ S |
| Vzorky | 1 x C/C, 1 x C/C-SiC |
| Hmotnost vzorku | C/C: 38 000 mg C/C-SiC: 59,713 mg |
| Kelímek | Grafitový s víkem a podložkou z Al2O3 |
| Atmosféra | Argon (70 ml/min) |
Teplota program | C/C: RT - 1400 °C při 20 K/min C/C-SiC: RT - 1300 °C při 20 K/min |
Kalibrace standardní | C/C-SiC: RT/400/1000/1300 POCO Grafit |
Výsledky a diskuse
Obrázky 1 a 2 ukazují měrnou tepelnou kapacitu vzorků C/C a C/C-SiC při teplotách od pokojové teploty do ~1400 °C v atmosféře argonu. V souladu s Debyeovou teorií se hodnoty Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp zvyšují s rostoucí teplotou. Po měření byl pozorován úbytek hmotnosti přibližně 0,15 % u vzorku C/C a přibližně 0,06 % u vzorku C/C-SiC.
Je třeba poznamenat, že stanovení Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp by teoreticky mohlo být provedeno také pomocí LFA. Vzhledem k anizotropní struktuře vzorků je však tento postup nevhodný.
2Měření DSC byla provedena při teplotě 1300 °C a 1400 °C. Při zkoumání uhlíkových vzorků se obvykle používají grafitové kelímky. Mezi grafitovým kelímkem a držákem vzorku Pt/Rh jsou navíc umístěny Al₂O₃ disky, které chrání senzor a zabraňují interakci mezi materiály při vysokých teplotách. Použití grafitového kelímku je garantováno a technicky schváleno až do teploty 1400 °C. Při vyšších teplotách však lze očekávat interakce mezi grafitem a Al₂O₃. Pro výpočet tepelné vodivosti do 2000 °C byla Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.měrná tepelná kapacita vzorku C/C extrapolována z údajů měření DSC do 1400 °C.
Na obrázcích 3 a 4 jsou znázorněny termofyzikální vlastnosti obou vzorků.
Jak se u většiny materiálů očekává v důsledku silnější interakce fononů s fonony při vyšších teplotách, teplota i 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 se u obou vzorků s rostoucí teplotou snižují.
Protože 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 α závisí mimo jiné na tloušťce vzorku d (viz rovnice 2, [1]), byly hodnoty korigovány pomocí údajů o tepelné roztažnosti.
Pokud se tepelná roztažnost nekoriguje, je třeba při vyšších teplotách očekávat zvýšenou chybu.
Pro výpočet tepelné vodivosti byla zohledněna Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.měrná tepelná kapacita z měření DSC (částečně extrapolovaná) a HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. hustota závislá na teplotě prostřednictvím tepelné roztažnosti (za předpokladu izotropního tělesa). Signály LFA byly vyhodnoceny pomocí standardního Cape-Lehmanova modelu pro homogenní a izotropní materiály.
Obrázek 5 ukazuje srovnání tepelné vodivosti obou vzorků. Vzorek C/C vykazuje výrazně vyšší hodnoty než vzorek C/C-SiC.
Souhrn
Přesné stanovení tepelné vodivosti v oblasti vysokých teplot představuje několik výzev a vyžaduje výběr vhodných měřicích metod. V úvahu je třeba vzít také strukturu vzorků. Příklad vysoce výkonných materiálů C/C a C/C-SiC ukazuje, že pro stanovení tepelné vodivosti v oblasti vysokých teplot jsou nepostradatelné metody LFA 427 a DSC 500 Pegasus®, spolu s tepelnou roztažností, stejně jako trojice LFA, DSC a DIL/TMA.