Johdanto
CFRP (hiilikuituvahvisteinen muovi) ja GFRP (lasikuituvahvisteinen muovi) ovat ainutlaatuisten materiaaliominaisuuksiensa ansiosta välttämättömiä lukuisissa korkean teknologian sovelluksissa. Niiden tärkeimmät ominaisuudet ovat suuri lujuus yhdistettynä pieneen painoon. Tämä sekä niiden alhainen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus tekevät niistä ihanteellisia korkean teknologian sovelluksiin ilmailu- ja avaruusalalla, autoteollisuudessa ja elektroniikassa. Niiden suuntautuneilla (anisotrooppisilla) lämpöominaisuuksilla on erityinen merkitys niiden käytössä, sillä LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus kuituja pitkin on suurempi kuin niiden poikki. Kerrosrakenteen ansiosta kuituja voidaan suunnata siten, että ne joko johtavat lämpöä kohdennetusti tai eristävät tehokkaasti alueita. Tämä joustavuus mahdollistaa räätälöidyt ratkaisut, kuten lämpötilavaihteluiden minimoimisen satelliiteissa tai lämmön säätelyn akuissa.
Mittausolosuhteet ja tulokset
Lämpöominaisuuksien määrittämiseen soveltuu erityisen hyvin laser-/valosalama-analyysi. Aluksi määritetään suunnan funktiona oleva lämpödiffuusiokyky esimerkiksi LFA 717 HyperFlash®-laitteella. Tämän jälkeen tiheyttä ja ominaislämpökapasiteettia koskevia tietoja voidaan käyttää lämmönjohtavuuden laskemiseen, joka on myös suunnan funktio. Mittausolosuhteet on esitetty yksityiskohtaisesti taulukossa 1.
Taulukko 1: Mittausparametrit
| Analyysilaite | LFA 717 HyperFlash® |
|---|---|
| Näytekoko | 10 mm x 10 mm x 2,5 mm - läpileikkaustaso Useita 10 mm x 2,5 mm:n kaistaleita - tasossa sisällä |
| Näytteen pidikkeet | 10 mm:n neliö - tasossa 10 mm:n laminaattinäytteen pidike - tasossa - 10 mm:n laminaattinäytteen pidike - tasossa |
Lämpötila pisteet | 20-150 °C 10 K:n askelin |
| Ilmakehä | 100 ml/min, N2 |
Kuvassa 1 on esitetty GFRP:n lämpödiffuusiokyky tason läpäisevässä suunnassa (kohtisuorassa kuitua vastaan) ja tason sisäisessä suunnassa (kuidun suuntaisesti). Lämpödiffuusiokyky pienenee hieman lämpötilan noustessa. Välillä 110 °C ja 130 °C voidaan havaita small gradientin muutos, joka osoittaa polymeerimatriisin lasittumisen. Tason sisäinen lämpödiffuusiokyky on noin 35-40 prosenttia suurempi kuin tason läpi kulkeva lämpödiffuusiokyky.
CFRP-materiaali on esitetty vastaavasti kuvassa 2. Jälleen kerran tason sisäinen lämpödiffuusiokyky on suurempi kuin tason läpi kulkeva lämpödiffuusiokyky.
CFRP-materiaalin osalta suuntausten välinen ero on huomattavasti suurempi kuin GFRP-materiaalin osalta. Se ei ole 35-40 % kuten GFRP-näytteessä, vaan 500-600 %. Tämä silmiinpistävä ero johtuu hiilikuiduista, joilla on paljon suurempi lämpödiffuusiokyky kuin lasikuiduilla. Tämä käy erityisen selvästi ilmi kuvasta 3, jossa on yhteenveto kaikista mittauksista.
Päätelmä
LFA-menetelmällä voidaan myös määrittää lämpödiffuusiokyky ja LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus suunnan funktiona, mikä antaa tärkeitä tietoja korkean teknologian sovellusten suunnittelua ja rakentamista varten.