Indledning
Polyetheretherketon (PEEK) er et højtydende termoplastmateriale, der i vid udstrækning anvendes i krævende tekniske applikationer på grund af dets fremragende termiske stabilitet, mekaniske styrke og kemiske modstandsdygtighed. Kommercielle kvaliteter såsom TECAPEEK® natural og den glasfiberforstærkede TECAPEEK® GF30 natural (figur 1), der fremstilles af Ensinger, anvendes ofte til at tilpasse materialets ydeevne til specifikke anvendelser.
TECAPEEK® natural er en ufyldt PEEK-type med en massefylde på ca. 1,31 g/cm³, mens TECAPEEK® GF30 natural indeholder 30 % glasfiber og har en massefylde på ca. 1,53 g/cm³. Begge materialer tåler langvarige driftstemperaturer på ~250 til 260 °C, og deres rapporterede 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 er ~0,29 W/(m·K) (TECAPEEK® natural) og ~0,30 W/(m·K) (TECAPEEK® GF30 natural) [2, 3].
I denne anvendelsesvejledning vurderes varmeledningsevnen for TECAPEEK® natural og TECAPEEK® GF30 natural i temperaturområdet fra -10 °C til 250 °C ved hjælp af et beskyttet varmestrømsmåler (GHFM) fra NETZSCH TCT 716 Lambda og en laserflashanalysator (LFA) fra NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . De testede materialer blev leveret af Ensinger som standardvarer, hvilket sikrer direkte relevans for virkelige anvendelser. Dette temperaturområde afspejler typiske driftsbetingelser på tværs af brancher såsom luftfart, bilindustrien, elektroteknik og kemisk forarbejdning, hvor termiske transportegenskaber påvirker varmeafledning og komponenters pålidelighed. De eksperimentelle data, der præsenteres i denne anvendelsesnote, giver ingeniører uafhængige data om kommercielt tilgængelige materialer til støtte for designbeslutninger, når sådanne data ikke er tilgængelige.
Eksperimentel
GHFM-metoden muliggør direkte måling af varmeledningsevnen i stationær tilstand og giver dermed en enkel vurdering af varmetransporten under ligevægtsbetingelser. I modsætning hertil er LFA en transient teknik, der måler 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 (α), som afspejler den hastighed, hvormed varme udbreder sig gennem et materiale. For at bestemme varmeledningsevnen (λ) ved hjælp af denne teknik kombineres den målte diffusivitet med den uafhængigt bestemte 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) og densitet (ρ). Dette forhold udtrykkes som:
Denne kombinerede tilgang muliggør krydsvalidering mellem direkte og beregnede værdier for varmeledningsevnen, hvilket øger tilliden til de målte resultater.
Den specifikke varmekapacitet blev bestemt ved hjælp af et NETZSCH DSC 300 Caliris® differentielt scanningskalorimeter (DSC), mens den temperaturafhængige massefylde blev opnået fra målinger af termisk udvidelse via et NETZSCH 402 Expedis® dilatometer (DIL).
Målingerne blev udført i temperaturområdet fra -10 °C til 250 °C for at registrere opførslen under typiske driftsbetingelser, herunder glasovergangsområdet.
Resultater og diskussion
Den temperaturafhængige 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) for TECAPEEK® natural og TECAPEEK® GF30 natural blev målt med henblik på anvendelse i de LFA-baserede beregninger af varmeledningsevnen (figur 2). Over hele temperaturområdet udviser det ufyldte materiale højere Cp-værdier end det glasfiberforstærkede materiale på grund af det lavere bidrag til varmekapaciteten fra de uorganiske fibre. Begge materialer udviser en tydelig glasovergang, hvor TECAPEEK® natural har et midtpunkt omkring 157 °C, mens TECAPEEK® GF30 natural har et lidt lavere midtpunkt på 152 °C. PEEK’s glasovergangsadfærd kan også overvåges ved hjælp af Temperaturmoduleret DSCTemperaturmoduleret DSC (TM-DSC) bruges til at adskille flere termiske effekter, der forekommer i samme temperaturområde og overlapper hinanden i DSC-kurven.temperaturmoduleret DSC [4].
Den temperaturafhængige termiske udvidelse af TECAPEEK® natural og TECAPEEK® GF30 natural blev målt for at korrigere prøvetykkelsen i diffusivitetsberegninger og densiteten i bestemmelser af varmeledningsevnen (figur 3); en yderligere analyse af disse data giver imidlertid også værdifuld indsigt i materialets adfærd. Der observeres en markant stigning i udvidelsen nær glasovergangstemperaturen (Tg), hvor øget kædemobilitet fører til en højere termisk udvidelseskoefficient. I det glasfiberforstærkede materiale påvirkes udvidelsen i høj grad af anisotropi, der skyldes fiberorientering, mikrostruktur og forarbejdningshistorik, hvilket resulterer i en adfærd, der afhænger af fiberretningen [5].
Målinger af varmeledningsevnen fra GHFM og LFA viser stor overensstemmelse over hele temperaturområdet, hvor begge materialer udviser stigende ledningsevne med stigende temperatur (figur 4). TECAPEEK® GF30 natural udviser konsekvent højere 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 end TECAPEEK® natural, hvilket tilskrives de forbedrede varmeoverførselsveje, som glasfibrene giver.
Resultaterne for varmeledningsevnen fra denne undersøgelse stemmer også godt overens med dem, der er rapporteret i » NETZSCH, Application Note 327« [5], især hvad angår både de absolutte værdier og de temperaturafhængige tendenser. I Application Note 327 viser varmeledningsevnen, der er bestemt via direkte GHFM-målinger og indirekte LFA-beregninger, en tæt sammenhæng, når der anvendes korrekte indtastningsværdierfor 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 og densitet. Tilsvarende viser den foreliggende undersøgelse fremragende overensstemmelse mellem GHFM- og LFA-resultaterne over hele temperaturområdet, hvor afvigelserne holder sig inden for den typiske eksperimentelle usikkerhed. Samlet set bekræfter den tætte overensstemmelse mellem denne undersøgelse og tidligere arbejder pålideligheden af GHFM- og LFA-metoderne og validerer disse metoders anvendelighed til både ufyldte og glasfiberforstærkede PEEK-systemer.
Resumé
Varmeledningsevnen for TECAPEEK® natural og TECAPEEK® GF30 natural blev vurderet i temperaturområdet fra -10 °C til 250 °C ved hjælp af en beskyttet varmestrømsmåler (GHFM) og laserflashanalyse (LFA). Resultaterne viser, at varmeledningsevnen stiger med temperaturen for begge materialer, hvor TECAPEEK® GF30 natural udviser en højere 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 på grund af forbedret varmeoverførsel gennem glasfiberforstærkningen. Den stærke overensstemmelse mellem GHFM- og LFA-resultaterne, kombineret med overensstemmelse med tidligere undersøgelser fra NETZSCH, demonstrerer pålideligheden af disse metoder til termisk karakterisering.