Úvod
V oblasti vysokoteplotního inženýrství roste poptávka po materiálech, které spolehlivě fungují i v extrémních tepelných podmínkách. Zvláštní význam mají materiály, které dlouhodobě odolávají vysokým teplotám a silným teplotním gradientům. Kompozity z keramických vláken se v této souvislosti prosadily jako vysoce výkonné řešení. Používají se především k ochraně citlivých a silně zatížených součástí před teplem. Mezi typické aplikace patří vyzdívky spalovacích komor a konstrukční prvky ve zpracovatelském průmyslu.
Díky své vrstevnaté struktuře se tyto materiály vyznačují výraznými směrově závislými vlastnostmi. V důsledku toho se jejich tepelné vlastnosti mohou výrazně lišit v závislosti na orientaci vláken. Pro přesný návrh vysokoteplotních součástí je proto nezbytné přesné pochopení přenosu tepla v závislosti na orientaci vláken.
Metoda a podmínky měření
K určení tepelné difuzivity α materiálu se používá laserová analýza (LFA, princip měření na obrázku 1). V kombinaci s hustotou ρ a známou měrnou tepelnou kapacitou 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 lze vypočítat tepelnou vodivost λ (λ = α - 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 - ρ).
Během měření je spodní část vzorku zahřívána krátkým laserovým pulzem a nárůst teploty na opačné straně je zaznamenáván infračerveným detektorem. Tepelnou difuzivitu pak lze určit z průběhu teploty v čase pomocí příslušného matematického modelu.
Měření byla provedena na kompozitu z keramických vláken pomocí přístroje LFA 707 StratoFlash® Classic v teplotním rozsahu od pokojové teploty do 1100 °C, což odráží skutečné provozní podmínky materiálů.
Byly použity dva různé držáky vzorků: standardní držák (obr. 2) pro stanovení tepelných vlastností v rovinném směru a lamelový držák vzorků pro analýzu vlastností v rovině.
Obrázek 3 ukazuje schéma přípravy vzorku při použití lamelového držáku vzorku.
Vzorek použitý pro měření v rovině měl průměr 12,64 mm a tloušťku přibližně 2,03 mm, zatímco vzorky v rovině byly rozřezány na proužky a umístěny na lamelový držák vzorků o délce hrany 10 mm a tloušťce přibližně 2,30 mm. Parametry měření jsou podrobně uvedeny v tabulce 1.
Tabulka 1: Podmínky měření LFA
| Teplotní rozsah | RT až 1100 °C |
|---|---|
| Držák vzorku |
|
| Velikost vzorku |
|
| Povlak | Grafit |
| Atmosféra | Argon |
| Rychlost ohřevu | Variabilní až do 10 až 20 K/min |
| Energie | 650 V; 600 μs |
Výsledky a diskuse
Obrázek 4 ukazuje, že zkoumaný kompozit vyztužený vlákny vykazuje jasně vyjádřený anizotropní profil tepelné vodivosti. Již při pokojové teplotě je zřejmé, že 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 podél směru vláken je výrazně vyšší než difuzivita kolmá na vlákna. Rozdíl činí přibližně 16 %, což lze přičíst přednostnímu směru vedení tepla podél struktury vláken. V tomto směru umožňují souvislé dráhy vlákna účinnější přenos energie, napříč vláknem však přenosu tepla výrazněji brání rozhraní a strukturální nehomogenity.
S rostoucí teplotou se tento anizotropní efekt mírně snižuje a rozdíl mezi oběma směry klesá na přibližně 13 %. To naznačuje, že další mechanismy, jako je zvýšená interakce fononů s fonony, relativně oslabují vliv orientace vláken s rostoucí teplotou.
Celkově výsledky měření ukazují, že orientace vláken významně ovlivňuje chování tepelného transportu. Tento vliv je však při vyšších teplotách méně výrazný. Získané údaje o tepelné difuzivitě proto poskytují zásadní podklad pro termo-mechanické simulace. Umožňují realistické zobrazení chování těchto anizotropních materiálů a významně přispívají k bezpečnému a efektivnímu návrhu a implementaci vysoce výkonných materiálů v průmyslových aplikacích.
Souhrn
Laserová záblesková analýza (LFA) umožňuje přesné stanovení tepelné difuzivity v širokém rozsahu teplot, včetně vysokých provozních teplot. Použití speciálních držáků vzorků umožňuje stanovit anistropii materiálů.
Zejména lamelový držák vzorku usnadňuje zkoumání tepelné difuzivity v rovinném směru a doplňuje tak tradiční měření v rovině. To umožňuje experimentálně měřit anizotropní tepelné vlastnosti i při zvýšených teplotách. To je nezbytné pro pochopení mechanismů vedení tepla v závislosti na směru a pro realistický návrh vysoce výkonných materiálů.