Johdanto
Korkean lämpötilan tekniikan alalla tarvitaan yhä enemmän materiaaleja, jotka toimivat luotettavasti myös äärimmäisissä lämpöolosuhteissa. Erityisen tärkeitä ovat materiaalit, jotka kestävät korkeita lämpötiloja ja voimakkaita lämpötilavaihteluita pitkällä aikavälillä. Keraamiset kuitukomposiitit ovat vakiinnuttaneet asemansa suorituskykyisenä ratkaisuna tässä yhteydessä. Niitä käytetään ensisijaisesti suojaamaan herkkiä ja raskaasti kuormitettuja komponentteja kuumuudelta. Tyypillisiä käyttökohteita ovat esimerkiksi palotilan vuoraukset ja prosessiteollisuuden rakenneosat.
Kerrosrakenteensa vuoksi näillä materiaaleilla on voimakkaat suuntauksesta riippuvat ominaisuudet. Näin ollen niiden lämpöominaisuudet voivat vaihdella merkittävästi kuitujen suuntauksen mukaan. Korkean lämpötilan komponenttien tarkan suunnittelun kannalta on siksi välttämätöntä ymmärtää tarkasti lämmönkuljetus kuitujen suuntauksen funktiona.
Menetelmä ja mittausolosuhteet
Laserleimausanalyysia (LFA, mittausperiaate kuvassa 1) käytetään materiaalin lämpödiffuusiokyvyn α määrittämiseen. Yhdessä tiheyden ρ ja tunnetun ominaislämpökapasiteetin Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp kanssa voidaan laskea 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 λ (λ = α - Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp - ρ).
Mittauksen aikana näytteen alaosaa lämmitetään lyhyellä laserpulssilla, ja vastakkaisen puolen lämpötilan nousu rekisteröidään infrapuna-ilmaisimella. Lämpödiffuusiokyky voidaan sitten määrittää lämpötilakäyrästä ajan funktiona käyttäen sopivaa matemaattista mallia.
Mittaukset tehtiin keraamiselle kuitukomposiitille käyttäen LFA 707 StratoFlash®Classic -laitteistoa huoneenlämpötilasta 1100 °C:een, mikä kuvastaa materiaalien todellisia käyttöolosuhteita.
Käytettiin kahta erilaista näytepidikettä: standardipidikettä (kuva 2) lämpöominaisuuksien määrittämiseksi läpimenevässä tasossa ja lamellinäytepidikettä tasossa olevien ominaisuuksien analysoimiseksi.
Kuvassa 3 esitetään näytteen valmistuksen kaaviot, kun käytetään lamellinäytteenpidintä.
Läpimittaukseen käytetyn näytteen halkaisija oli 12,64 mm ja paksuus noin 2,03 mm, kun taas tasossa olevat näytteet leikattiin kaistaleiksi ja asetettiin lamellinäytteenpitimeen, jonka reunan pituus oli 10 mm ja paksuus noin 2,30 mm. Mittausparametrit esitetään yksityiskohtaisesti taulukossa 1.
Taulukko 1: LFA-mittausolosuhteet
| Lämpötila-alue | RT-1100 °C |
|---|---|
| Näytteen pidike |
|
| Näytteen koko |
|
| Pinnoite | Grafiitti |
| Ilmakehä | Argon |
| Lämmitysnopeus | Vaihteleva jopa 10-20 K/min |
| Energia | 650 V; 600 μs |
Tulokset ja keskustelu
Kuvasta 4 käy ilmi, että tutkitussa kuituvahvisteisessa komposiitissa on selvästi korostunut anisotrooppinen lämmönjohtavuusprofiili. Jopa huoneenlämmössä on selvää, että 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 kuidun suuntaisesti on huomattavasti suurempi kuin kohtisuorassa kuituun nähden. Ero on noin 16 %, mikä johtuu siitä, että lämmönjohtuminen tapahtuu ensisijaisesti kuiturakennetta pitkin. Tässä suunnassa jatkuvat kuitureitit mahdollistavat tehokkaamman energiankuljetuksen, mutta kuidun poikki rajapinnat ja rakenteelliset epähomogeenisuudet haittaavat lämmönkuljetusta merkittävämmin.
Lämpötilan noustessa tämä anisotrooppinen vaikutus vähenee hieman, ja näiden kahden suunnan välinen ero pienenee noin 13 prosenttiin. Tämä viittaa siihen, että lisämekanismit, kuten tehostuneet fononi-fononi-vuorovaikutukset, heikentävät kuidun suuntauksen vaikutusta lämpötilan noustessa.
Kaiken kaikkiaan mittaustulokset osoittavat, että kuidun suuntaus vaikuttaa merkittävästi lämmönsiirtokäyttäytymiseen. Tämä vaikutus kuitenkin heikkenee korkeammissa lämpötiloissa. Näin ollen saadut lämpödiffuusiotiedot tarjoavat olennaisen perustan termomekaanisille simulaatioille. Ne mahdollistavat näiden anisotrooppisten materiaalien käyttäytymisen realistisen esittämisen ja edistävät merkittävästi suorituskykyisten materiaalien turvallista ja tehokasta suunnittelua ja käyttöönottoa teollisissa sovelluksissa.
Yhteenveto
Laserleimausanalyysi (LFA) mahdollistaa lämpödiffuusiokyvyn tarkan määrittämisen laajalla lämpötila-alueella, myös korkeissa käyttölämpötiloissa. Erikoisnäytteenpitimien avulla voidaan määrittää materiaalien anistrooppisuus.
Erityisesti lamellinäytteenpidin helpottaa lämpödiffuusiokyvyn tutkimista tasonsuuntaisesti, mikä täydentää perinteistä tason läpi tapahtuvaa mittausta. Tämä mahdollistaa anisotrooppisten lämpöominaisuuksien kokeellisen mittaamisen jopa korkeissa lämpötiloissa. Tämä on olennaisen tärkeää suunnasta riippuvien lämmönjohtumismekanismien ymmärtämiseksi ja korkean suorituskyvyn materiaalien realistisen suunnittelun kannalta.