Introducción
La poliéter éter cetona (PEEK) es un termoplástico de alto rendimiento ampliamente utilizado en aplicaciones de ingeniería exigentes debido a su excelente Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica, resistencia mecánica y resistencia química. Los grados comerciales, como el TECAPEEK® natural y el TECAPEEK® GF30 natural reforzado con fibra de vidrio (figura 1), fabricados por Ensinger, se emplean habitualmente para adaptar el comportamiento del material a aplicaciones específicas.
El TECAPEEK® natural es un grado de PEEK sin relleno con una DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad de ~1,31 g/cm³, mientras que el TECAPEEK® GF30 natural contiene un 30 % de fibra de vidrio y tiene una DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad de ~1,53 g/cm³. Ambos materiales soportan temperaturas de servicio a largo plazo de entre ~250 y 260 °C, y sus conductividades térmicas registradas son de ~0,29 W/(m·K) (TECAPEEK® natural) y ~0,30 W/(m·K) (TECAPEEK® GF30 natural) [2, 3].
En esta nota de aplicación se evalúa la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica de TECAPEEK® natural y TECAPEEK® GF30 natural en un rango de temperaturas comprendido entre -10 °C y 250 °C, utilizando un medidor de flujo térmico protegido (GHFM) de NETZSCH TCT 716 Lambda y un analizador de destello láser (LFA) de NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Los materiales sometidos a ensayo fueron suministrados por Ensinger como productos comerciales disponibles en stock, lo que garantiza su relevancia directa para aplicaciones del mundo real. Este rango de temperaturas refleja las condiciones de servicio típicas en sectores como el aeroespacial, el automovilístico, la ingeniería eléctrica y el procesamiento químico, donde las propiedades de transporte térmico influyen en la disipación del calor y en la fiabilidad de los componentes. Los datos experimentales presentados en esta nota de aplicación proporcionan a los ingenieros información independiente sobre materiales disponibles en el mercado para respaldar las decisiones de diseño cuando no se dispone de dichos datos.
Experimental
El método GHFM permite medir de forma directa y en régimen estacionario la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica, lo que ofrece una evaluación sencilla del transporte de calor en condiciones de equilibrio. Por el contrario, la LFA es una técnica transitoria que mide la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica (α), que refleja la velocidad a la que el calor se propaga a través de un material. Para determinar la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica (λ) mediante esta técnica, la difusividad medida se combina con la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica (Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp) y la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad (ρ), determinadas de forma independiente. Esta relación se expresa como:
Este enfoque combinado permite la validación cruzada entre los valores de Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica directos y los calculados, lo que aumenta la fiabilidad de los resultados medidos.
La Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica se determinó utilizando un calorímetro diferencial de barrido (DSC) DSC 300 Caliris® de NETZSCH, mientras que la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad en función de la temperatura se obtuvo a partir de mediciones de expansión térmica mediante un dilatómetro (DIL) 402 Expedis de NETZSCH.
Las mediciones se realizaron en un intervalo de temperaturas de -10 °C a 250 °C para captar el comportamiento en condiciones típicas de servicio, incluida la región de transición vítrea.
Resultados y discusión
Se midió la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica (Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp) en función de la temperatura de los materiales TECAPEEK® natural y TECAPEEK® GF30 natural para su uso en los cálculos de Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica basados en el método LFA (figura 2). En todo el rango de temperaturas, el material sin relleno presenta valores de Cp más altos que el material reforzado con fibra de vidrio, debido a la menor contribución a la capacidad calorífica de las fibras inorgánicas. Ambos materiales muestran una transición vítrea bien definida: el TECAPEEK® natural presenta un punto medio en torno a los 157 °C, mientras que el TECAPEEK® GF30 natural muestra un punto medio ligeramente inferior, de 152 °C. El comportamiento de la transición vítrea del PEEK también puede monitorizarse mediante DSC con modulación de temperatura [4].
Se midió la expansión térmica en función de la temperatura de TECAPEEK® natural y TECAPEEK® GF30 natural para corregir el espesor de la muestra en los cálculos de difusividad y la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad en las determinaciones de Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica (Figura 3); sin embargo, un análisis más detallado de estos datos también proporciona información valiosa sobre el comportamiento del material. Se observa un aumento pronunciado de la expansión cerca de la temperatura de transición vítrea (Tg), donde el aumento de la movilidad de las cadenas da lugar a un mayor coeficiente de expansión térmica. En el material reforzado con fibra de vidrio, la expansión se ve fuertemente influenciada por la anisotropía derivada de la orientación de las fibras, la microestructura y el historial de procesamiento, lo que da lugar a un comportamiento dependiente de la dirección de las fibras [5].
Las mediciones de Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica obtenidas a partir de GHFM y LFA muestran una gran concordancia en todo el rango de temperaturas, y ambos materiales presentan una conductividad creciente con la temperatura (Figura 4). El TECAPEEK® GF30 natural muestra sistemáticamente una Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica superior a la del TECAPEEK® natural, lo que se atribuye a las mejores vías de transferencia de calor que proporcionan las fibras de vidrio.
Los resultados de Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica obtenidos en este estudio también concuerdan bien con los publicados en la Nota de aplicación n.º 327 de NETZSCH [5], especialmente tanto en los valores absolutos como en las tendencias dependientes de la temperatura. En la Nota de aplicación n.º 327, la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica determinada mediante la medición directa con GHFM y los cálculos indirectos con LFA muestran una estrecha correlación cuando se utilizan valores adecuadosde Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp y DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad. Del mismo modo, el presente trabajo muestra una excelente coherencia entre los resultados de GHFM y LFA en todo el rango de temperaturas, con desviaciones que se mantienen dentro de la incertidumbre experimental habitual. En general, la estrecha concordancia entre este estudio y trabajos anteriores confirma la fiabilidad de los métodos GHFM y LFA y valida la aplicabilidad de estos métodos tanto a sistemas de PEEK sin relleno como a los reforzados con fibra de vidrio.
Resumen
Se evaluó la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica del TECAPEEK® natural y del TECAPEEK® GF30 natural en un rango de temperaturas comprendido entre -10 °C y 250 °C mediante un medidor de flujo térmico protegido (GHFM) y un análisis por destello láser (LFA). Los resultados muestran que la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica aumenta con la temperatura en ambos materiales, si bien el TECAPEEK® GF30 natural presenta una mayor conductividad debido a la mejora en la transferencia de calor que proporciona el refuerzo de fibra de vidrio. La gran coincidencia entre los resultados del GHFM y del LFA, junto con la coherencia con estudios anteriores de NETZSCH, demuestra la fiabilidad de estos métodos para la caracterización térmica.