Úvod
Polyetheretherketon (PEEK) je vysoce výkonný termoplast, který se díky své vynikající tepelné stabilitě, mechanické pevnosti a chemické odolnosti široce používá v náročných technických aplikacích. Komerční typy, jako je TECAPEEK® natural a skleněnými vlákny vyztužený TECAPEEK® GF30 natural (obrázek 1), vyráběné společností Ensinger, se běžně používají k přizpůsobení vlastností materiálu konkrétním aplikacím.
TECAPEEK® natural je neplněná varianta PEEK s hustotou ~1,31 g/cm³, zatímco TECAPEEK® GF30 natural obsahuje 30 % skleněných vláken a má hustotu ~1,53 g/cm³. Oba materiály snášejí dlouhodobé provozní teploty ~250 až 260 °C a jejich udávaná 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 činí ~0,29 W/(m·K) (TECAPEEK® natural) a ~0,30 W/(m·K) (TECAPEEK® GF30 natural) [2, 3].
V této aplikační poznámce je vyhodnocena 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 materiálů TECAPEEK® natural a TECAPEEK® GF30 natural v teplotním rozmezí od -10 °C do 250 °C s využitím chráněného měřiče tepelného toku (GHFM) od společnosti NETZSCH TCT 716 Lambda a laserového bleskového analyzátoru (LFA) od společnosti NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Testované materiály dodala společnost Ensinger jako komerčně dostupné výrobky, což zaručuje jejich přímou relevanci pro reálné aplikace. Tento teplotní rozsah odráží typické provozní podmínky v odvětvích, jako je letecký a kosmický průmysl, automobilový průmysl, elektrotechnika a chemické zpracování, kde vlastnosti přenosu tepla ovlivňují odvod tepla a spolehlivost komponent. Experimentální data uvedená v této aplikační poznámce poskytují inženýrům nezávislé údaje o komerčně dostupných materiálech, které jim pomohou při rozhodování o návrhu v případech, kdy takové údaje nejsou k dispozici.
Experimentální
Metoda GHFM umožňuje přímé měření tepelné vodivosti v ustáleném stavu a nabízí tak jednoduché vyhodnocení přenosu tepla za rovnovážných podmínek. Naproti tomu LFA je přechodová technika, která měří tepelnou difuzivitu (α), která odráží rychlost, jakou se teplo šíří materiálem. Pro stanovení tepelné vodivosti (λ) pomocí této techniky se naměřená difuzivita kombinuje s nezávisle stanovenou 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) a hustotou (ρ). Tento vztah je vyjádřen vztahem:
Tento kombinovaný přístup umožňuje vzájemnou validaci mezi přímými a vypočítanými hodnotami tepelné vodivosti, čímž zvyšuje spolehlivost naměřených výsledků.
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 byla stanovena pomocí diferenciálního skenovacího kalorimetru (DSC) NETZSCH DSC 300 Caliris®, zatímco HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. hustota závislá na teplotě byla získána z měření tepelné roztažnosti pomocí dilatometru (DIL) NETZSCH 402 Expedis®.
Měření byla prováděna v teplotním rozmezí od -10 °C do 250 °C, aby bylo možné zachytit chování materiálu za typických provozních podmínek, včetně oblasti skelného přechodu.
Výsledky a diskuze
Pro účely výpočtů tepelné vodivosti pomocí metody LFA byla změřena teplotně závislá 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 (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) materiálů TECAPEEK® natural a TECAPEEK® GF30 natural (obrázek 2). V celém teplotním rozsahu vykazuje nenaplněný materiál vyšší hodnoty Cp než materiál vyztužený skleněnými vlákny, a to kvůli nižšímu příspěvku anorganických vláken k tepelné kapacitě. Oba materiály vykazují zřetelný skelný přechod, přičemž u materiálu TECAPEEK® natural se střední teplota pohybuje kolem 157 °C, zatímco u materiálu TECAPEEK® GF30 natural je střední teplota o něco nižší, a to 152 °C. Chování PEEK při skelné přechodové teplotě lze také sledovat pomocí teplotně modulované DSC [4].
Byla změřena teplotně závislá tepelná roztažnost materiálů TECAPEEK® natural a TECAPEEK® GF30 natural za účelem korekce tloušťky vzorků při výpočtech difuzivity a hustoty při stanovení tepelné vodivosti (obrázek 3); další analýza těchto údajů však poskytuje také cenné poznatky o chování materiálů. Výrazný nárůst roztažnosti je pozorován v blízkosti teploty skelného přechodu (Tg), kde zvýšená pohyblivost řetězců vede k vyššímu koeficientu tepelné roztažnosti. U materiálu vyztuženého skleněnými vlákny je roztažnost silně ovlivněna anizotropií vyplývající z orientace vláken, mikrostruktury a způsobu zpracování, což vede k chování závislému na směru vláken [5].
Měření tepelné vodivosti získaná z GHFM a LFA vykazují vysokou shodu v celém teplotním rozsahu, přičemž u obou materiálů se s rostoucí teplotou zvyšuje vodivost (obrázek 4). Materiál TECAPEEK® GF30 natural vykazuje trvale vyšší tepelnou vodivost než materiál TECAPEEK® natural, což je přičítáno lepším drahám přenosu tepla, které zajišťují skleněná vlákna.
Výsledky tepelné vodivosti získané v této studii se rovněž dobře shodují s výsledky uvedenými v aplikační poznámce 327 společnosti NETZSCH [5], a to zejména co se týče absolutních hodnot i trendů závislých na teplotě. V aplikační poznámce 327 vykazuje 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 stanovená přímým měřením metodou GHFM a nepřímými výpočty metodou LFA úzkou korelaci, jsou-li použity správné vstupní hodnotyMěrná 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 a hustoty. Podobně i tato práce ukazuje vynikající shodu mezi výsledky metod GHFM a LFA v celém teplotním rozsahu, přičemž odchylky zůstávají v rámci typické experimentální nejistoty. Celkově vzato, těsná shoda mezi touto studií a předchozími pracemi potvrzuje spolehlivost metod GHFM a LFA a potvrzuje použitelnost těchto metod jak pro systémy z PEEK bez plniva, tak pro systémy z PEEK vyztužené skleněnými vlákny.
Shrnutí
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 materiálů TECAPEEK® natural a TECAPEEK® GF30 natural byla hodnocena v teplotním rozmezí od -10 °C do 250 °C pomocí chráněného měřiče tepelného toku (GHFM) a laserové bleskové analýzy (LFA). Výsledky ukazují, že 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 obou materiálů s rostoucí teplotou stoupá, přičemž materiál TECAPEEK® GF30 natural vykazuje vyšší vodivost díky lepšímu přenosu tepla díky výztuži ze skleněných vláken. Vysoká shoda mezi výsledky měření metodami GHFM a LFA, spolu s konzistentností s předchozími studiemi provedenými v laboratoři NETZSCH, dokládá spolehlivost těchto metod pro tepelnou charakterizaci.