Precisión en materiales de C/C y C/C-SiC de alta temperatura: Cuando LFA, DSC y DIL/TMA forman un equipo imbatible

Introducción

Los compuestos de fibra de carbono/carbono (C/C) y carbono/carbono-carburo de silicio (C/C-SiC) son materiales líderes de alto rendimiento diseñados para entornos térmicos y mecánicos extremos. Se caracterizan por una excelente relación resistencia-peso y una excepcional estabilidad a altas temperaturas. La clase de material C/C se utiliza principalmente en aplicaciones aeroespaciales, como los escudos térmicos de reentrada, mientras que el C/C-SiC se emplea en sistemas de frenado de alto rendimiento para aviones, coches de carreras y trenes de alta velocidad [1]. Además, la excelente biocompatibilidad e inercia de los materiales compuestos de C/C los hacen muy valiosos para nichos de la medicina, como los implantes ortopédicos y los componentes de prótesis de válvulas cardiacas.

Una propiedad clave de ambas clases de materiales es su 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, que es significativamente superior a la de la cerámica estructural convencional y resulta crucial para la gestión del calor. Los materiales compuestos de C/C altamente grafitizados pueden presentar 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 en el plano comparable, o incluso superior, a la de metales refractarios como el wolframio y el tántalo [2]. Aunque en general presentan una conductividad más baja debido a la matriz de SiC, los compuestos de C/C-SiC siguen ofreciendo importantes ventajas de rendimiento con respecto a la mayoría de las cerámicas. La disipación altamente eficaz del calor de las estructuras sometidas a tensiones térmicas evita el sobrecalentamiento local, las tensiones térmicas y el posible fallo estructural. La combinación crucial de estabilidad mecánica, baja expansión térmica y eliminación eficaz del calor hace que los materiales compuestos de C/C y C/C-SiC sean especialmente prometedores para las exigentes aplicaciones energéticas del futuro, como los componentes de los sistemas de reactores de fusión y de IV Generación [3].

Medidas de conductividad térmica

La determinación precisa de 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 en el rango de altas temperaturas sólo puede lograrse utilizando el análisis de flash láser (LFA) en combinación con la calorimetría diferencial de barrido (DSC) y la dilatometría (DIL) o el análisis termomecánico (TMA). Todos estos métodos contribuyen al cálculo de 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) según la siguiente ecuación (ecuación 1, [4]):

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, se determina mediante LFA; 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, mediante DSC; y el cambio de DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad dependiente de la temperatura, ρ, se calcula mediante expansión térmica basada en mediciones de dilatómetro o TMA. Todas las propiedades dependen de la temperatura (T) y deben caracterizarse en todo el intervalo de temperaturas de interés para determinar con precisión 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. Se trata de un reto importante, sobre todo en la gama de altas temperaturas de hasta 2000 °C y superiores.

Experimental

Se examinaron muestras de C/C y C/C-SiC utilizando el LFA 427 y el DSC 500 Pegasus^® en combinación con datos de expansión térmica hasta 1300°C y algo menos de 2000°C, respectivamente. Los parámetros de medición para las mediciones LFA y DSC se detallan en las tablas 1 y 2.

Tabla 1: Parámetros de medición del ALF

Tabla 2: Parámetros de medición DSC

Resultados y debate

Las figuras 1 y 2 muestran 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 de las muestras de C/C y C/C-SiC a temperaturas comprendidas entre la temperatura ambiente y ~1400°C en atmósfera de argón. De acuerdo con la teoría de Debye, los valores de 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 aumentan al aumentar la temperatura. Tras las mediciones, se observó una pérdida de masa de aproximadamente el 0,15% para la muestra de C/C y de aproximadamente el 0,06% para la muestra de C/C-SiC.

Cabe señalar que la determinación del 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 también podría realizarse teóricamente utilizando el AGL. Sin embargo, la estructura anisótropa de las muestras lo hace inadecuado.

2Las mediciones DSC se realizaron a 1300°C y 1400°C, respectivamente. Cuando se examinan muestras de carbono se suelen utilizar crisoles de grafito. Además, se colocan discos de Al₂O₃ entre el crisol de grafito y el portamuestras de Pt/Rh para proteger el sensor y evitar interacciones entre los materiales a altas temperaturas. El uso del crisol de grafito está garantizado y técnicamente aprobado hasta 1400°C. A temperaturas más altas, sin embargo, cabe esperar interacciones entre el grafito y el Al₂O₃. Para calcular 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 hasta 2000°C, se extrapoló 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 de la muestra de C/C a partir de los datos de las mediciones DSC hasta 1400°C.

Las figuras 3 y 4 muestran las propiedades termofísicas de las dos muestras.

Como era de esperar en la mayoría de los materiales debido a la mayor interacción fonón-fonón a temperaturas más altas, tanto la temperatura como 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 disminuyen al aumentar la temperatura en ambas muestras.

Dado que 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, depende, entre otras cosas, del grosor de la muestra, d (véase la ecuación 2, [1]), los valores se corrigieron utilizando datos sobre la expansión térmica.

Si no se corrige la dilatación térmica, cabe esperar un mayor error a temperaturas más elevadas.

Para calcular 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, se tuvieron en cuenta 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 de las mediciones DSC (parcialmente extrapolada) y la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad dependiente de la temperatura a través de la expansión térmica (suponiendo un cuerpo isótropo). Las señales del LFA se evaluaron utilizando el modelo estándar de Cape-Lehman para materiales homogéneos e isótropos.

La figura 5 muestra una comparación de 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 las dos muestras. La muestra de C/C presenta valores significativamente más altos que la muestra de C/C-SiC.

Resumen

La determinación precisa de 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 en el rango de altas temperaturas plantea varios retos y requiere la selección de los métodos de medición adecuados. También hay que tener en cuenta la estructura de las muestras. El ejemplo de los materiales de alto rendimiento C/C y C/C-SiC muestra que el LFA 427 y el DSC 500 Pegasus^®, junto con la expansión térmica, son indispensables 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 en el rango de altas temperaturas, al igual que el trío de LFA, DSC y DIL/TMA.