Εισαγωγή
Τα CFRP (πλαστικό ενισχυμένο με ίνες άνθρακα) και GFRP (πλαστικό ενισχυμένο με ίνες γυαλιού) είναι απαραίτητα σε πολλές εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων των υλικών τους. Τα βασικά χαρακτηριστικά τους είναι η υψηλή αντοχή σε συνδυασμό με το χαμηλό βάρος. Αυτό, σε συνδυασμό με τη χαμηλή θερμική αγωγιμότητά τους, τα καθιστά ιδανικά για εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας στην αεροδιαστημική, την αυτοκινητοβιομηχανία και την ηλεκτρονική. Οι κατευθυντικές (ανισοτροπικές) θερμικές τους ιδιότητες παίζουν ιδιαίτερο ρόλο στην εφαρμογή τους, καθώς η θερμική αγωγιμότητα κατά μήκος των ινών είναι υψηλότερη από ό,τι κατά μήκος τους. Η στρωματοποιημένη δομή επιτρέπει τον προσανατολισμό των ινών ώστε είτε να αποβάλλουν θερμότητα με στοχευμένο τρόπο είτε να μονώνουν αποτελεσματικά περιοχές. Αυτή η ευελιξία επιτρέπει εξατομικευμένες λύσεις, όπως η ελαχιστοποίηση των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας σε δορυφόρους ή η ρύθμιση της θερμότητας σε μπαταρίες.
Συνθήκες μέτρησης και αποτελέσματα
Για τον προσδιορισμό των θερμικών ιδιοτήτων, η ανάλυση με λέιζερ/φωτοβολίδα είναι ιδιαίτερα κατάλληλη. Αρχικά, η θερμική διαχυτότητα - η οποία είναι συνάρτηση της κατεύθυνσης - προσδιορίζεται με τη χρήση ενός οργάνου όπως το LFA 717 HyperFlash®. Στη συνέχεια, τα δεδομένα σχετικά με την πυκνότητα και την ειδική θερμοχωρητικότητα μπορούν να εφαρμοστούν για τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας, η οποία είναι επίσης συνάρτηση της κατεύθυνσης. Οι συνθήκες μέτρησης περιγράφονται λεπτομερώς στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Παράμετροι μέτρησης
| Όργανο ανάλυσης | LFA 717 HyperFlash® |
|---|---|
| Μέγεθος δείγματος | 10 mm x 10 mm x 2,5 mm - διαμπερές επίπεδο Αρκετές λωρίδες των 10 mm x 2,5 mm - στο επίπεδο |
| Δειγματοφορείς | 10 mm τετράγωνο - δια του επιπέδου δειγματολήπτης με έλασμα 10 mm - στο επίπεδο |
Θερμοκρασία σηµεία | 20 έως 150°C σε βήματα των 10 K |
| Ατµόσφαιρα | 100 ml/min, N2 |
Στο Σχήμα 1 παρουσιάζεται η θερμική διαχυτότητα του GFRP στη διεύθυνση διαμπερούς επιπέδου (κάθετα προς την ίνα) και στη διεύθυνση εντός επιπέδου (παράλληλα προς την ίνα). Η θερμική διαχυτότητα μειώνεται ελαφρώς με την αύξηση της θερμοκρασίας. Μεταξύ 110°C και 130°C, παρατηρείται μια αλλαγή small στην κλίση, που υποδηλώνει τη υαλώδη μετάβαση της πολυμερικής μήτρας. Η θερμική διαχυτότητα εντός του επιπέδου είναι περίπου 35 έως 40% υψηλότερη από ό,τι στη διαμπερή διεύθυνση.
Ένα υλικό CFRP παρουσιάζεται ομοίως στο Σχήμα 2. Και πάλι, η θερμική διαχυτότητα εντός του επιπέδου είναι υψηλότερη από τη θερμική διαχυτότητα διαμέσου του επιπέδου.
Για το υλικό CFRP, η διαφορά μεταξύ των κατευθύνσεων είναι σημαντικά μεγαλύτερη από ό,τι για το υλικό GFRP. Δεν είναι 35 έως 40% όπως για το δείγμα GFRP, αλλά 500 έως 600%. Αυτή η εντυπωσιακή διαφορά οφείλεται στις ίνες άνθρακα, οι οποίες διαθέτουν πολύ μεγαλύτερη θερμική διαχυτότητα από τις ίνες γυαλιού. Αυτό είναι ιδιαίτερα σαφές στο σχήμα 3, το οποίο συνοψίζει όλες τις μετρήσεις.
Συμπέρασμα
Η μέθοδος LFA μπορεί επίσης να προσδιορίσει τη θερμική διάχυση και τη θερμική αγωγιμότητα ως συνάρτηση της κατεύθυνσης, παρέχοντας σημαντικά δεδομένα για το σχεδιασμό και την κατασκευή εφαρμογών υψηλής τεχνολογίας.