Introduktion
Inden for højtemperaturteknik er der en stigende efterspørgsel efter materialer, der kan fungere pålideligt selv under ekstreme termiske forhold. Materialer, der kan modstå høje temperaturer og stærke temperaturgradienter på lang sigt, er af særlig betydning. Keramiske fiberkompositter har etableret sig som en højtydende løsning i denne sammenhæng. De bruges primært til at beskytte følsomme og stærkt belastede komponenter mod varme. Typiske anvendelser omfatter foringer i forbrændingskamre og strukturelle komponenter i procesindustrien.
På grund af deres lagdelte struktur har disse materialer udprægede retningsafhængige egenskaber. Derfor kan deres termiske egenskaber variere betydeligt afhængigt af fiberretningen. For et præcist design af højtemperaturkomponenter er det derfor vigtigt med en præcis forståelse af varmetransporten som en funktion af fiberretningen.
Metode og målebetingelser
Laserflashanalyse (LFA, måleprincip i figur 1) bruges til at bestemme den termiske diffusivitet, α, i et materiale. Kombineret med densiteten, ρ, og den kendte 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, kan varmeledningsevnen, λ, beregnes (λ = α - 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 - ρ).
Under målingen opvarmes bunden af prøven med en kort laserpuls, og temperaturstigningen på den modsatte side registreres af en infrarød detektor. Den termiske diffusivitet kan derefter bestemmes ud fra temperaturkurven over tid ved hjælp af en passende matematisk model.
Målingerne blev udført på en keramisk fiberkomposit ved hjælp af LFA 707 StratoFlash® Classic i temperaturområdet fra stuetemperatur til 1100 °C, hvilket afspejler materialernes faktiske driftsforhold.
Der blev brugt to forskellige prøveholdere: en standardholder (figur 2) til at bestemme de termiske egenskaber i retningen gennem planet og en lamelformet prøveholder til at analysere egenskaberne i planet.
Figur 3 viser skemaet for prøveforberedelse ved brug af den lamellære prøveholder.
Prøven, der blev brugt til måling gennem planet, havde en diameter på 12,64 mm og en tykkelse på ca. 2,03 mm, mens prøverne i planet blev skåret i strimler og placeret på en lamelformet prøveholder med en kantlængde på 10 mm og en tykkelse på ca. 2,30 mm. Måleparametrene er beskrevet i tabel 1.
Tabel 1: LFA-målebetingelser
| Temperaturområde | RT til 1100°C |
|---|---|
| Prøveholder |
|
| Størrelse på prøve |
|
| Belægning | Grafit |
| Atmosfære | Argon |
| Opvarmningshastighed | Variabel op til 10 til 20 K/min |
| Energi | 650 V; 600 μs |
Resultater og diskussion
Figur 4 viser, at den undersøgte fiberforstærkede komposit udviser en klart udtalt anisotropisk varmeledningsevneprofil. Selv ved stuetemperatur er det tydeligt, at den termiske diffusivitet langs fiberretningen er markant højere end den vinkelrette på fiberen. Forskellen er ca. 16 %, hvilket kan tilskrives den foretrukne retning for varmeledningen langs fiberstrukturen. I denne retning muliggør kontinuerlige fiberstier en mere effektiv energitransport; men på tværs af fiberen hindrer grænseflader og strukturelle inhomogeniteter varmetransporten mere markant.
Når temperaturen stiger, falder denne anisotropiske effekt en smule, og forskellen mellem de to retninger falder til omkring 13 %. Det tyder på, at yderligere mekanismer, som f.eks. forbedrede fonon-fonon-interaktioner, relativt svækker fiberorienteringens indflydelse, når temperaturen stiger.
Samlet set viser måleresultaterne, at fiberorienteringen har en betydelig indflydelse på den termiske transportadfærd. Denne indflydelse bliver dog mindre udtalt ved højere temperaturer. De opnåede data for Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet udgør derfor et vigtigt grundlag for termomekaniske simuleringer. De muliggør en realistisk repræsentation af disse anisotropiske materialers opførsel og bidrager væsentligt til sikker og effektiv design og implementering af højtydende materialer i industrielle applikationer.
Sammenfatning
Laserflashanalyse (LFA) muliggør præcis bestemmelse af den termiske diffusivitet over et bredt temperaturområde, herunder høje driftstemperaturer. Ved hjælp af særlige prøveholdere kan man bestemme materialernes anistropi.
Især den lamellære prøveholder gør det muligt at undersøge den termiske diffusivitet i planets retning som supplement til den traditionelle måling gennem planet. Det gør det muligt at måle anisotrope termiske egenskaber eksperimentelt, selv ved høje temperaturer. Det er afgørende for at forstå retningsafhængige varmeledningsmekanismer og for et realistisk design af højtydende materialer.