Introduktion
Kulstof/kulstof (C/C) og kulstof/kulstof-siliciumcarbid (C/C-SiC) fiberkompositter er førende højtydende materialer, der er udviklet til ekstreme termiske og mekaniske miljøer. Deres afgørende egenskaber omfatter et enestående styrke/vægt-forhold og enestående stabilitet ved høje temperaturer. C/C-materialeklassen bruges primært i rumfartsapplikationer som f.eks. varmeskjolde til genindtræden, mens C/C-SiC anvendes i højtydende bremsesystemer til fly, racerbiler og højhastighedstog [1]. Derudover gør C/C-kompositters fremragende biokompatibilitet og inerti dem uvurderlige til medicinske nicheområder, såsom ortopædiske implantater og hjerteklap-proteser.
En vigtig egenskab ved begge materialeklasser er deres Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne, som er betydeligt højere end konventionel strukturel keramik og er afgørende for varmestyring. Meget grafitiserede C/C-kompositter kan udvise Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne i planet, der kan sammenlignes med eller endda er højere end ildfaste metaller som wolfram og tantal [2]. Selvom C/C-SiC-kompositter generelt har en lavere ledningsevne på grund af SiC-matricen, giver de stadig betydelige fordele i forhold til de fleste keramiske materialer. Denne meget effektive varmeafledning fra termisk belastede strukturer forhindrer lokal overophedning, termiske spændinger og potentielle strukturelle fejl. Den afgørende kombination af mekanisk stabilitet, lav varmeudvidelse og effektiv varmeafledning gør C/C- og C/C-SiC-kompositter særligt lovende til krævende fremtidige energianvendelser, såsom komponenter i Generation IV- og fusionsreaktorsystemer [3].
Målinger af termisk ledningsevne
Den præcise bestemmelse af Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne i højtemperaturområdet kan kun opnås ved hjælp af laserflashanalyse (LFA) i kombination med differentialscanningskalorimetri (DSC) og dilatometri (DIL) eller termomekanisk analyse (TMA). Alle disse metoder bidrager til beregningen af varmeledningsevnen (λ) i henhold til følgende ligning (ligning 1, [4]):
Den termiske diffusivitet, α, bestemmes ved hjælp af LFA; den specifikke varmekapacitet, Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp, ved hjælp af DSC; og den temperaturafhængige densitetsændring, ρ, beregnes ved hjælp af termisk ekspansion baseret på dilatometer- eller TMA-målinger. Alle egenskaber er afhængige af temperaturen (T) og skal karakteriseres over hele det relevante temperaturområde for at kunne bestemme varmeledningsevnen nøjagtigt. Dette er en stor udfordring, især i højtemperaturområdet på op til 2000 °C og derover.
Eksperimentel
Prøver af C/C og C/C-SiC blev undersøgt ved hjælp af LFA 427 og DSC 500 Pegasus® i kombination med varmeudvidelsesdata op til henholdsvis 1300 °C og lige under 2000 °C. Måleparametrene for LFA- og DSC-målingerne er beskrevet i tabel 1 og 2.
Tabel 1: LFA-måleparametre
| LFA-model | LFA 427 med 2000°C-ovn |
|---|---|
| Prøve | 1 x C/C, 1 x C/C-SiC |
Prøve dimensioner | Ø12,7 mm; tykkelse ca. 3 mm |
| Holder til prøven | 12.7 mm grafit |
| Belægning | Ingen |
| Atmosfære | Argon (120 ml/min) |
Temperatur punkter | C/C-SiC: RT/400/1000/1300 C/C: RT/400/1000/1300/1500/1700/1990 |
Tabel 2: DSC-måleparametre
DSC-model og ovn | DSC 500 Pegasus® med Rhodium ovn |
|---|---|
Prøvebærer/ termoelement | DSC Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp / Typ S |
| Prøver | 1 x C/C, 1 x C/C-SiC |
| Masse af prøve | C/C: 38.000 mg C/C-SiC: 59.713 mg |
| Digel | Grafit med låg og Al2O3-skive |
| Atmosfære | Argon (70 ml/min) |
Temperatur program | C/C: RT - 1400°C ved 20 K/min C/C-SiC: RT - 1300°C ved 20 K/min |
Kalibrering standard | C/C-SiC: RT/400/1000/1300 POCO grafit |
Resultater og diskussion
Figur 1 og 2 viser den specifikke varmekapacitet for C/C- og C/C-SiC-prøverne ved temperaturer fra stuetemperatur til ~1400 °C i en argonatmosfære. I overensstemmelse med Debye-teorien stiger Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp-værdierne med stigende temperatur. Efter målingerne blev der observeret et massetab på ca. 0,15 % for C/C-prøven og ca. 0,06 % for C/C-SiC-prøven.
Det skal bemærkes, at Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp-bestemmelsen teoretisk set også kunne udføres ved hjælp af LFA. Prøvernes anisotropiske struktur gør dog dette uegnet.
2 DSC-målingerne blev udført ved henholdsvis 1300 °C og 1400 °C. Grafitdigler bruges generelt, når man undersøger kulstofprøver. Derudover placeres Al₂O₃-skiver mellem grafitdiglen og Pt/Rh-prøveholderen for at beskytte sensoren og forhindre interaktioner mellem materialerne ved høje temperaturer. Brug af grafitdiglen er garanteret og teknisk godkendt op til 1400 °C. Ved højere temperaturer kan man dog forvente interaktioner mellem grafit og Al₂O₃. For at beregne varmeledningsevnen op til 2000 °C blev den specifikke varmekapacitet for C/C-prøven ekstrapoleret fra DSC-måledataene op til 1400 °C.
Figur 3 og 4 viser de termofysiske egenskaber for de to prøver.
Som forventet for de fleste materialer på grund af den stærkere fonon-fonon-interaktion ved højere temperaturer, falder både temperaturen og varmeledningsevnen med stigende temperatur i begge prøver.
Da den termiske diffusivitet, α, blandt andet afhænger af prøvens tykkelse, d (se ligning 2, [1]), blev værdierne korrigeret ved hjælp af data om termisk udvidelse.
Hvis den termiske udvidelse ikke korrigeres, må der forventes en øget fejl ved højere temperaturer.
For at beregne varmeledningsevnen blev der taget højde for den specifikke varmekapacitet fra DSC-målingerne (delvist ekstrapoleret) og den temperaturafhængige massefylde via termisk ekspansion (under antagelse af et isotropt legeme). LFA-signalerne blev evalueret ved hjælp af standard Cape-Lehman-modellen for homogene og isotrope materialer.
Figur 5 viser en sammenligning af de to prøvers Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne. C/C-prøven udviser betydeligt højere værdier end C/C-SiC-prøven.
Sammenfatning
Præcis bestemmelse af varmeledningsevnen i højtemperaturområdet byder på flere udfordringer og kræver valg af passende målemetoder. Prøvernes struktur skal også tages i betragtning. Eksemplet med de højtydende C/C- og C/C-SiC-materialer viser, at LFA 427 og DSC 500 Pegasus® sammen med den termiske udvidelse er uundværlige for at bestemme varmeledningsevnen i højtemperaturområdet, ligesom trioen LFA, DSC og DIL/TMA er det.