Εισαγωγή
Τα σύνθετα υλικά από ίνες άνθρακα/άνθρακα (C/C) και άνθρακα/άνθρακα-καρβιδίου του πυριτίου (C/C-SiC) είναι κορυφαία υλικά υψηλών επιδόσεων, σχεδιασμένα για ακραία θερμικά και μηχανικά περιβάλλοντα. Τα καθοριστικά χαρακτηριστικά τους περιλαμβάνουν εξαιρετική αναλογία αντοχής προς βάρος και εξαιρετική σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες. Η κατηγορία υλικών C/C χρησιμοποιείται κυρίως σε αεροδιαστημικές εφαρμογές, όπως οι θερμικές ασπίδες επανεισόδου, ενώ το C/C-SiC χρησιμοποιείται σε συστήματα πέδησης υψηλών επιδόσεων για αεροσκάφη, αγωνιστικά αυτοκίνητα και τρένα υψηλής ταχύτητας [1]. Επιπλέον, η εξαιρετική βιοσυμβατότητα και η αδράνεια των σύνθετων υλικών C/C τα καθιστούν ανεκτίμητα για εξειδικευμένους ιατρικούς τομείς, όπως ορθοπεδικά εμφυτεύματα και εξαρτήματα προσθετικών καρδιακών βαλβίδων.
Μια βασική ιδιότητα και των δύο κατηγοριών υλικών είναι η θερμική τους αγωγιμότητα, η οποία είναι σημαντικά υψηλότερη από τα συμβατικά δομικά κεραμικά και είναι ζωτικής σημασίας για τη διαχείριση της θερμότητας. Τα σύνθετα υλικά C/C με υψηλή περιεκτικότητα σε γραφίτη μπορούν να παρουσιάσουν θερμική αγωγιμότητα στο επίπεδο συγκρίσιμη ή και υψηλότερη από τα πυρίμαχα μέταλλα όπως το βολφράμιο και το ταντάλιο [2]. Αν και γενικά παρουσιάζουν χαμηλότερη αγωγιμότητα λόγω της μήτρας SiC, τα σύνθετα υλικά C/C-SiC εξακολουθούν να προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα απόδοσης σε σχέση με τα περισσότερα κεραμικά. Αυτή η εξαιρετικά αποτελεσματική απαγωγή θερμότητας από θερμικά καταπονημένες δομές αποτρέπει την τοπική υπερθέρμανση, τις θερμικές καταπονήσεις και την πιθανή δομική αστοχία. Ο κρίσιμος συνδυασμός μηχανικής σταθερότητας, χαμηλής θερμικής διαστολής και αποτελεσματικής απομάκρυνσης θερμότητας καθιστά τα σύνθετα υλικά C/C και C/C-SiC ιδιαίτερα υποσχόμενα για απαιτητικές μελλοντικές ενεργειακές εφαρμογές, όπως εξαρτήματα σε συστήματα αντιδραστήρων γενιάς IV και σύντηξης [3].
Μετρήσεις θερμικής αγωγιμότητας
Ο ακριβής προσδιορισμός της θερμικής αγωγιμότητας στην περιοχή των υψηλών θερμοκρασιών μπορεί να επιτευχθεί μόνο με τη χρήση της ανάλυσης flash με λέιζερ (LFA) σε συνδυασμό με τη διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC) και τη διαστολομετρία (DIL) ή τη θερμομηχανική ανάλυση (TMA). Όλες αυτές οι μέθοδοι συμβάλλουν στον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας (λ) σύμφωνα με την ακόλουθη εξίσωση (εξίσωση 1, [4]):
Η θερμική διαχυτότητα, α, προσδιορίζεται με τη βοήθεια της LFA, η ειδική θερμοχωρητικότητα, Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp, με τη βοήθεια της DSC και η εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία μεταβολή της πυκνότητας, ρ, υπολογίζεται με τη βοήθεια της θερμικής διαστολής με βάση μετρήσεις διαστομέτρου ή TMA. Όλες οι ιδιότητες εξαρτώνται από τη θερμοκρασία (Τ) και πρέπει να χαρακτηρίζονται σε ολόκληρο το εύρος θερμοκρασιών που ενδιαφέρει για τον ακριβή προσδιορισμό της θερμικής αγωγιμότητας. Αυτό αποτελεί μεγάλη πρόκληση, ιδίως στην περιοχή υψηλών θερμοκρασιών έως 2000°C και άνω.
Πειραματικό
Δείγματα C/C και C/C-SiC εξετάστηκαν με τη χρήση των LFA 427 και DSC 500 Pegasus® σε συνδυασμό με δεδομένα θερμικής διαστολής μέχρι τους 1300°C και λίγο κάτω από τους 2000°C, αντίστοιχα. Οι παράμετροι μέτρησης για τις μετρήσεις LFA και DSC περιγράφονται λεπτομερώς στους πίνακες 1 και 2.
Πίνακας 1: Παράμετροι μέτρησης LFA
| Μοντέλο LFA | LFA 427 με κλίβανο 2000°C |
|---|---|
| Δείγμα | 1 x C/C, 1 x C/C-SiC |
Δείγμα διαστάσεις | Ø12,7 mm- πάχος περίπου 3 mm |
| Υποδοχή δείγματος | 12.7 mm γραφίτη |
| Επικάλυψη | Καμία |
| Ατµόσφαιρα | Αργό (120 ml/min) |
Θερμοκρασία σημεία | C/C-SiC: RT/400/1000/1300 C/C: RT/400/1000/1300/1500/1700/1990 |
Πίνακας 2: Παράμετροι μέτρησης DSC
Μοντέλο DSC και κλίβανος | DSC 500 Pegasus® με ρόδιο κλίβανος |
|---|---|
Φορέας δείγματος/ θερμοστοιχείο | DSC Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp / Typ S |
| Δείγματα | 1 x C/C, 1 x C/C-SiC |
| Μάζα δείγματος | C/C: 38.000 mg C/C-SiC: 59.713 mg |
| Χωνευτήρι | Γραφίτης με καπάκι και ροδέλα Al2O3 |
| Ατµόσφαιρα | Αργό (70 ml/min) |
Θερμοκρασία πρόγραμμα | C/C: Κ/λεπτό: RT - 1400°C σε 20 Κ/λεπτό C/C-SiC: K/min |
Βαθμονόμηση πρότυπο | C/C-SiC: RT/400/1000/1300 Γραφίτης POCO |
Αποτελέσματα και συζήτηση
Στα Σχήματα 1 και 2 παρουσιάζεται η ειδική θερμοχωρητικότητα των δειγμάτων C/C και C/C-SiC σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από θερμοκρασία δωματίου έως ~1400°C σε ατμόσφαιρα αργού. Σύμφωνα με τη θεωρία Debye, οι τιμές της Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp αυξάνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Μετά τις μετρήσεις, παρατηρήθηκε απώλεια μάζας περίπου 0,15% για το δείγμα C/C και περίπου 0,06% για το δείγμα C/C-SiC.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο προσδιορισμός του Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp θα μπορούσε θεωρητικά να πραγματοποιηθεί και με τη χρήση LFA. Ωστόσο, η ανισότροπη δομή των δειγμάτων το καθιστά ακατάλληλο.
2Οι μετρήσεις DSC πραγματοποιήθηκαν στους 1300°C και 1400°C αντίστοιχα. Τα χωνευτήρια γραφίτη χρησιμοποιούνται γενικά κατά την εξέταση δειγμάτων άνθρακα. Επιπλέον, δίσκοι Al₂O₃ τοποθετούνται μεταξύ του χωνευτηρίου γραφίτη και της υποδοχής δείγματος Pt/Rh για την προστασία του αισθητήρα και την αποφυγή αλληλεπιδράσεων μεταξύ των υλικών σε υψηλές θερμοκρασίες. Η χρήση του χωνευτηρίου γραφίτη είναι εγγυημένη και τεχνικά εγκεκριμένη έως τους 1400°C. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, ωστόσο, αναμένονται αλληλεπιδράσεις μεταξύ γραφίτη και Al₂O₃. Για τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας έως τους 2000°C, η ειδική θερμοχωρητικότητα του δείγματος C/C προεκτάθηκε από τα δεδομένα των μετρήσεων DSC έως τους 1400°C.
Στα σχήματα 3 και 4 απεικονίζονται οι θερμοφυσικές ιδιότητες των δύο δειγμάτων.
Όπως είναι αναμενόμενο για τα περισσότερα υλικά λόγω της ισχυρότερης αλληλεπίδρασης φωνονίων-φωνονίων σε υψηλότερες θερμοκρασίες, τόσο η θερμοκρασία όσο και η θερμική αγωγιμότητα μειώνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας και στα δύο δείγματα.
Δεδομένου ότι η θερμική διαχυτότητα, α, εξαρτάται μεταξύ άλλων από το πάχος του δείγματος, d (βλ. εξίσωση 2, [1]), οι τιμές διορθώθηκαν χρησιμοποιώντας δεδομένα για τη θερμική διαστολή.
Εάν η θερμική διαστολή δεν διορθωθεί, πρέπει να αναμένεται αυξημένο σφάλμα σε υψηλότερες θερμοκρασίες.
Για τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας ελήφθησαν υπόψη η ειδική θερμοχωρητικότητα από τις μετρήσεις DSC (μερικώς εξωπολωμένη) και η εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία πυκνότητα μέσω της θερμικής διαστολής (υποθέτοντας ένα ισότροπο σώμα). Τα σήματα LFA αξιολογήθηκαν με τη χρήση του τυπικού μοντέλου Cape-Lehman για ομογενή και ισότροπα υλικά.
Στο Σχήμα 5 παρουσιάζεται η σύγκριση της θερμικής αγωγιμότητας των δύο δειγμάτων. Το δείγμα C/C παρουσιάζει σημαντικά υψηλότερες τιμές από το δείγμα C/C-SiC.
Περίληψη
Ο ακριβής προσδιορισμός της θερμικής αγωγιμότητας στην περιοχή των υψηλών θερμοκρασιών παρουσιάζει αρκετές προκλήσεις και απαιτεί την επιλογή των κατάλληλων μεθόδων μέτρησης. Πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη η δομή των δειγμάτων. Το παράδειγμα των υλικών υψηλής απόδοσης C/C και C/C-SiC δείχνει ότι η LFA 427 και η DSC 500 Pegasus®, μαζί με τη θερμική διαστολή, είναι απαραίτητες για τον προσδιορισμό της θερμικής αγωγιμότητας στην περιοχή υψηλών θερμοκρασιών, όπως και το τρίο LFA, DSC και DIL/TMA.