Εισαγωγή
Στον τομέα της μηχανικής υψηλών θερμοκρασιών, υπάρχει αυξανόμενη ζήτηση για υλικά που μπορούν να αποδίδουν αξιόπιστα ακόμη και σε ακραίες θερμικές συνθήκες. Τα υλικά που μπορούν να αντέχουν σε υψηλές θερμοκρασίες και ισχυρές κλίσεις θερμοκρασίας μακροπρόθεσμα έχουν ιδιαίτερη σημασία. Τα σύνθετα υλικά με κεραμικές ίνες έχουν καθιερωθεί ως λύση υψηλής απόδοσης σε αυτό το πλαίσιο. Χρησιμοποιούνται κυρίως για την προστασία ευαίσθητων και βαριά φορτισμένων εξαρτημάτων από τη θερμότητα. Τυπικές εφαρμογές περιλαμβάνουν επενδύσεις θαλάμων καύσης και δομικά στοιχεία στη βιομηχανία διεργασιών.
Λόγω της στρωματοειδούς δομής τους, τα υλικά αυτά διαθέτουν έντονα εξαρτώμενες από την κατεύθυνση ιδιότητες. Κατά συνέπεια, οι θερμικές τους ιδιότητες μπορούν να διαφέρουν σημαντικά ανάλογα με τον προσανατολισμό των ινών. Για τον ακριβή σχεδιασμό εξαρτημάτων υψηλών θερμοκρασιών, είναι επομένως απαραίτητη η ακριβής κατανόηση της μεταφοράς θερμότητας ως συνάρτηση της ευθυγράμμισης των ινών.
Μέθοδος και συνθήκες μέτρησης
Η ανάλυση λάμψης με λέιζερ (LFA, αρχή μέτρησης στο σχήμα 1) χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της θερμικής διαχυτότητας α ενός υλικού. Σε συνδυασμό με την πυκνότητα, ρ, και τη γνωστή 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, μπορεί να υπολογιστεί η θερμική αγωγιμότητα, λ, (λ = α - 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 - ρ).
Κατά τη διάρκεια της μέτρησης, το κάτω μέρος του δείγματος θερμαίνεται με έναν σύντομο παλμό λέιζερ και η αύξηση της θερμοκρασίας στην απέναντι πλευρά καταγράφεται από έναν ανιχνευτή υπερύθρων. Η θερμική διαχυτότητα μπορεί στη συνέχεια να προσδιοριστεί από την καμπύλη θερμοκρασίας με την πάροδο του χρόνου χρησιμοποιώντας το κατάλληλο μαθηματικό μοντέλο.
Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε ένα σύνθετο υλικό από κεραμικές ίνες με τη χρήση του LFA 707 StratoFlash®Classic στο εύρος θερμοκρασιών από θερμοκρασία δωματίου έως 1100°C, αντικατοπτρίζοντας έτσι τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας των υλικών.
Χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικοί υποδοχείς δειγμάτων: ένας τυπικός υποδοχέας (σχήμα 2) για τον προσδιορισμό των θερμικών ιδιοτήτων στη διαμπερή διεύθυνση και ένας υποδοχέας ελασματοειδούς δείγματος για την ανάλυση των ιδιοτήτων στο επίπεδο.
Το Σχήμα 3 δείχνει τα σχήματα για την προετοιμασία του δείγματος όταν χρησιμοποιείται ο ελασματοειδής υποδοχέας δείγματος.
Το δοκίμιο που χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση στο επίπεδο είχε διάμετρο 12,64 mm και πάχος περίπου 2,03 mm, ενώ τα δοκίμια στο επίπεδο κόπηκαν σε λωρίδες και τοποθετήθηκαν σε μια ελασματοειδή υποδοχή δείγματος με μήκος ακμής 10 mm και πάχος περίπου 2,30 mm. Οι παράμετροι μέτρησης περιγράφονται λεπτομερώς στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης LFA
| Εύρος θερµοκρασίας | RT έως 1100°C |
|---|---|
| Δοχείο δείγματος |
|
| Μέγεθος δείγματος |
|
| Επικάλυψη | Γραφίτης |
| Ατµόσφαιρα | Αργό |
| Ρυθμός θέρμανσης | Μεταβλητός έως 10 έως 20 K/min |
| Ενέργεια | 650 V- 600 μs |
Αποτελέσματα και συζήτηση
Το Σχήμα 4 δείχνει ότι το υπό εξέταση σύνθετο υλικό ενισχυμένο με ίνες παρουσιάζει ένα σαφώς έντονο ανισοτροπικό προφίλ θερμικής αγωγιμότητας. Ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου, είναι προφανές ότι η θερμική διαχυτότητα κατά μήκος της διεύθυνσης της ίνας είναι σημαντικά υψηλότερη από εκείνη κάθετα στην ίνα. Η διαφορά είναι περίπου 16%, η οποία μπορεί να αποδοθεί στην προτιμώμενη κατεύθυνση της θερμικής αγωγιμότητας κατά μήκος της δομής των ινών. Σε αυτή την κατεύθυνση, οι συνεχείς διαδρομές της ίνας επιτρέπουν μια πιο αποτελεσματική μεταφορά ενέργειας- ωστόσο, κατά μήκος της ίνας, οι διεπιφάνειες και οι δομικές ανομοιογένειες παρεμποδίζουν τη μεταφορά θερμότητας πιο σημαντικά.
Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, αυτό το ανισοτροπικό φαινόμενο μειώνεται ελαφρώς, με τη διαφορά μεταξύ των δύο κατευθύνσεων να μειώνεται σε περίπου 13%. Αυτό υποδηλώνει ότι επιπρόσθετοι μηχανισμοί, όπως οι ενισχυμένες αλληλεπιδράσεις φωνονίων-φωνονίων, αποδυναμώνουν σχετικά την επίδραση του προσανατολισμού των ινών καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία.
Συνολικά, τα αποτελέσματα των μετρήσεων καταδεικνύουν ότι ο προσανατολισμός της ίνας επηρεάζει σημαντικά τη συμπεριφορά της θερμικής μεταφοράς. Ωστόσο, η επιρροή αυτή γίνεται λιγότερο έντονη σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Συνεπώς, τα δεδομένα θερμικής διαχυτότητας που ελήφθησαν παρέχουν μια ουσιαστική βάση για θερμομηχανικές προσομοιώσεις. Επιτρέπουν μια ρεαλιστική αναπαράσταση της συμπεριφοράς αυτών των ανισότροπων υλικών και συμβάλλουν σημαντικά στον ασφαλή και αποτελεσματικό σχεδιασμό και την εφαρμογή υλικών υψηλής απόδοσης σε βιομηχανικές εφαρμογές.
Περίληψη
Η ανάλυση flash με λέιζερ (LFA) επιτρέπει τον ακριβή προσδιορισμό της θερμικής διάχυσης σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, συμπεριλαμβανομένων των υψηλών θερμοκρασιών λειτουργίας. Η χρήση ειδικών υποδοχέων δειγμάτων επιτρέπει τον προσδιορισμό της ανιστροπίας των υλικών.
Ειδικότερα, η ελασματοειδής υποδοχή δείγματος διευκολύνει τη διερεύνηση της θερμικής διαχυτότητας κατά τη διεύθυνση εντός του επιπέδου, συμπληρώνοντας την παραδοσιακή μέτρηση μέσω του επιπέδου. Αυτό καθιστά δυνατή την πειραματική μέτρηση ανισοτροπικών θερμικών ιδιοτήτων, ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτό είναι απαραίτητο για την κατανόηση των μηχανισμών θερμικής αγωγής που εξαρτώνται από την κατεύθυνση και για τον ρεαλιστικό σχεδιασμό υλικών υψηλής απόδοσης.