Introducción
En el campo de la ingeniería de altas temperaturas, cada vez es mayor la demanda de materiales que puedan funcionar de forma fiable incluso en condiciones térmicas extremas. Los materiales que pueden soportar altas temperaturas y fuertes gradientes de temperatura a largo plazo son de particular importancia. En este contexto, los compuestos de fibra cerámica se han consolidado como una solución de alto rendimiento. Se utilizan principalmente para proteger del calor componentes sensibles y sometidos a grandes cargas. Las aplicaciones típicas incluyen revestimientos de cámaras de combustión y componentes estructurales en la industria de procesos.
Debido a su estructura en capas, estos materiales presentan propiedades muy dependientes de la dirección. En consecuencia, sus propiedades térmicas pueden variar significativamente en función de la orientación de las fibras. Para el diseño preciso de componentes de alta temperatura, es por tanto esencial la comprensión exacta del transporte de calor en función de la alineación de las fibras.
Método y condiciones de medición
El análisis de flash láser (LFA, principio de medición en la figura 1) se utiliza para determinar 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, de un material. Combinada con la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad, ρ, y 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 conocida, 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, puede calcularse 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 (λ = α - 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 - ρ).
Durante la medición, la parte inferior de la muestra se calienta mediante un breve pulso de láser, y el aumento de temperatura en el lado opuesto se registra mediante un detector de infrarrojos. 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 puede determinarse entonces a partir de la curva de temperatura a lo largo del tiempo utilizando el modelo matemático apropiado.
Las mediciones se realizaron en un compuesto de fibras cerámicas utilizando el LFA 707 StratoFlash®Classic en el rango de temperatura comprendido entre temperatura ambiente y 1100°C, reflejando así las condiciones reales de funcionamiento de los materiales.
Se utilizaron dos portamuestras diferentes: un portamuestras estándar (figura 2) para determinar las propiedades térmicas en la dirección transversal y un portamuestras laminar para analizar las propiedades en el plano.
La figura 3 muestra el esquema de preparación de la muestra cuando se utiliza el portamuestras laminar.
El espécimen utilizado para la medición a través del plano tenía un diámetro de 12,64 mm y un grosor de unos 2,03 mm, mientras que los especímenes en el plano se cortaron en tiras y se colocaron en un portamuestras laminar con una longitud de borde de 10 mm y un grosor de aproximadamente 2,30 mm. Los parámetros de medición se detallan en la tabla 1.
Tabla 1: Condiciones de medición del ALF
| Rango de temperatura | RT a 1100°C |
|---|---|
| Soporte de la muestra |
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| Tamaño de la muestra |
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| Revestimiento | Grafito |
| Atmósfera | Argón |
| Velocidad de calentamiento | Variable hasta 10 a 20 K/min |
| Energía | 650 V; 600 μs |
Resultados y debate
La figura 4 muestra que el material compuesto reforzado con fibra investigado presenta un perfil 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 anisótropo claramente pronunciado. Incluso a temperatura ambiente, es evidente 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 a lo largo de la dirección de la fibra es notablemente superior a la perpendicular a la fibra. La diferencia es de aproximadamente un 16%, lo que puede atribuirse a la dirección preferente de la conducción del calor a lo largo de la estructura de la fibra. En esta dirección, las trayectorias continuas de la fibra permiten un transporte de energía más eficiente; sin embargo, a lo largo de la fibra, las interfaces y las inhomogeneidades estructurales dificultan el transporte de calor de forma más significativa.
A medida que aumenta la temperatura, este efecto anisótropo disminuye ligeramente, y la diferencia entre las dos direcciones se reduce a alrededor del 13%. Esto sugiere que existen mecanismos adicionales, como la mejora de las interacciones fonón-fonón, que debilitan relativamente la influencia de la orientación de la fibra a medida que aumenta la temperatura.
En general, los resultados de las mediciones demuestran que la orientación de la fibra influye significativamente en el comportamiento del transporte térmico. Sin embargo, esta influencia se hace menos pronunciada a temperaturas más elevadas. Por lo tanto, los datos de 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 obtenidos proporcionan una base esencial para las simulaciones termomecánicas. Permiten una representación realista del comportamiento de estos materiales anisótropos y contribuyen significativamente al diseño e implementación seguros y eficientes de materiales de alto rendimiento en aplicaciones industriales.
Resumen
El análisis de flash láser (LFA) permite determinar con precisión 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 en un amplio intervalo de temperaturas, incluidas las altas temperaturas de funcionamiento. El uso de portamuestras especiales permite determinar la anistropía de los materiales.
En particular, el portamuestras laminar facilita la investigación de 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 en la dirección en el plano, complementando la medición tradicional a través del plano. Esto permite medir experimentalmente las propiedades térmicas anisótropas, incluso a temperaturas elevadas. Esto es esencial para comprender los mecanismos de conducción del calor dependientes de la dirección y para el diseño realista de materiales de alto rendimiento.