TECAPEEK®-materiaalien lämmönjohtavuus suojatun lämpövirtausmittarin ja laserflash-menetelmien avulla

Johdanto

Polyeetterieetteriketon (PEEK) on korkean suorituskyvyn termoplasti, jota käytetään laajalti vaativissa teknillisissä sovelluksissa sen erinomaisen lämpöstabiilisuuden, mekaanisen lujuuden ja kemiallisen kestävyyden ansiosta. Ensingerin valmistamia kaupallisia laatuja, kuten TECAPEEK® natural ja lasikuituvahvistettu TECAPEEK® GF30 natural (kuva 1), käytetään yleisesti materiaalin ominaisuuksien räätälöimiseen tiettyjä sovelluksia varten.

TECAPEEK® natural on täyteainetta sisältämätön PEEK-laatu, jonka TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys on noin 1,31 g/cm³, kun taas TECAPEEK® GF30 natural sisältää 30 % lasikuitua ja sen TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys on noin 1,53 g/cm³. Molemmat materiaalit kestävät pitkäaikaisia käyttölämpötiloja noin 250–260 °C, ja niiden ilmoitetut lämmönjohtavuudet ovat noin 0,29 W/(m·K) (TECAPEEK® natural) ja noin 0,30 W/(m·K) (TECAPEEK® GF30 natural) [2, 3].

Tässä sovellusohjeessa arvioidaan TECAPEEK® natural- ja TECAPEEK® GF30 natural -materiaalien lämmönjohtavuutta lämpötila-alueella -10 °C – 250 °C käyttäen NETZSCH TCT 716 Lambda -suojattua lämmönvirtausmittaria (GHFM) sekä NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® -laservälähdysanalysaattoria (LFA). Testatut materiaalit toimitti Ensinger kaupallisina vakiotuotteina, mikä takaa niiden suoran soveltuvuuden todellisiin käyttökohteisiin. Tämä lämpötila-alue vastaa tyypillisiä käyttöolosuhteita esimerkiksi ilmailu- ja avaruusteollisuudessa, autoteollisuudessa, sähkötekniikassa ja kemian prosessiteollisuudessa, joissa lämmönsiirto-ominaisuudet vaikuttavat lämmön haihtumiseen ja komponenttien luotettavuuteen. Tässä sovellusohjeessa esitetyt kokeelliset tiedot tarjoavat insinööreille riippumattomia tietoja kaupallisesti saatavilla olevista materiaaleista, mikä tukee suunnittelupäätöksiä tilanteissa, joissa tällaisia tietoja ei ole saatavilla.

Kokeellinen

GHFM-menetelmä mahdollistaa lämmönjohtavuuden suoran, vakiotilassa suoritettavan mittauksen, mikä tarjoaa suoraviivaisen tavan arvioida lämmönsiirtoa tasapainotilassa. Sen sijaan LFA on transienttinen menetelmä, jolla mitataan lämmön diffuusiokerrointa (α), joka kuvaa lämmön etenemisnopeutta materiaalin läpi. Lämmönjohtavuuden (λ) määrittämiseksi tällä menetelmällä mitattu diffuusiokerroin yhdistetään erikseen määritettyyn ominaislämpökapasiteettiin (_{Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp}) ja tiheyteen (ρ). Tämä suhde ilmaistaan kaavalla:

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} · p

Tämä yhdistetty lähestymistapa mahdollistaa suorien ja laskettujen lämmönjohtavuusarvojen ristiinvalidoinnin, mikä lisää luottamusta mitattuihin tuloksiin.

Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.Ominaislämpökapasiteetti määritettiin käyttämällä NETZSCH DSC 300 Caliris^® -differentiaaliskannauskalorimetriä (DSC), kun taas lämpötilasta riippuva TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys saatiin lämpölaajenemismittauksista NETZSCH 402 Expedis^® -dilatometrin (DIL) avulla.

Mittaukset suoritettiin lämpötila-alueella -10 °C – 250 °C, jotta voitiin selvittää materiaalin käyttäytyminen tyypillisissä käyttöolosuhteissa, mukaan lukien lasittumiskohdan alue.

Tulokset ja keskustelu

TECAPEEK® natural- ja TECAPEEK® GF30 natural -materiaalien lämpötilariippuvainen ominaislämpökapasiteetti (_{Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp}) mitattiin käytettäväksi LFA-pohjaisissa lämmönjohtavuuslaskelmissa (kuva 2). Koko lämpötila-alueella täyttämättömällä materiaalilla on korkeammat Cp-arvot kuin lasikuituvahvistetulla materiaalilla, mikä johtuu epäorgaanisten kuitujen pienemmästä osuudesta lämpökapasiteetissa. Molemmissa materiaaleissa esiintyy selvä lasittumiskäyrä, jossa TECAPEEK® naturalin keskipiste on noin 157 °C, kun taas TECAPEEK® GF30 naturalin keskipiste on hieman matalampi, 152 °C. PEEK:n lasittumiskäyttäytymistä voidaan seurata myös lämpötilamoduloidulla DSC-menetelmällä [4].

TECAPEEK® natural- ja TECAPEEK® GF30 natural -materiaalien lämpötilariippuvainen lämpölaajeneminen mitattiin näytteen paksuuden korjaamiseksi diffuusiokerroinlaskelmissa ja tiheyden korjaamiseksi lämmönjohtavuusmäärityksissä (kuva 3); näiden tietojen tarkempi analysointi tarjoaa kuitenkin myös arvokasta tietoa materiaalin käyttäytymisestä. Selkeä laajenemisen kasvu havaitaan lasittumislämpötilan (_Tg) läheisyydessä, jossa ketjujen liikkuvuuden lisääntyminen johtaa suurempaan lämpölaajenemiskertoimeen. Lasikuituvahvistetussa materiaalissa laajenemiseen vaikuttaa voimakkaasti kuitujen suuntautumisesta, mikrorakenteesta ja prosessointihistoriasta johtuva anisotropia, mikä johtaa kuitujen suuntaan riippuvaan käyttäytymiseen [5].

GHFM- ja LFA-materiaaleista saadut lämmönjohtavuusmittaukset ovat hyvin yhdenmukaisia koko lämpötila-alueella, ja molempien materiaalien 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 kasvaa lämpötilan noustessa (kuva 4). TECAPEEK® GF30 natural -materiaalin 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 on johdonmukaisesti korkeampi kuin TECAPEEK® natural -materiaalin, mikä johtuu lasikuitujen tarjoamista parannetuista lämmönsiirtoreiteistä.

Tässä tutkimuksessa saadut lämmönjohtavuustulokset ovat myös hyvin yhdenmukaisia niiden tulosten kanssa, jotka on raportoitu NETZSCH -sivuston sovellusohjeessa 327 [5], erityisesti sekä absoluuttisten arvojen että lämpötilariippuvien suuntausten osalta. Sovellusohjeessa 327 suoraan GHFM-mittauksella ja epäsuorilla LFA-laskelmilla määritetyt lämmönjohtavuusarvot osoittavat tiivistä korrelaatiota, kun syötetään oikeat_{Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp-} ja tiheysarvot. Vastaavasti tässä tutkimuksessa GHFM- ja LFA-tulosten välinen yhdenmukaisuus on erinomainen koko lämpötila-alueella, ja poikkeamat pysyvät tyypillisen kokeellisen epävarmuuden rajoissa. Kaiken kaikkiaan tämän tutkimuksen ja aiempien tutkimusten välinen tiivis yhdenmukaisuus vahvistaa GHFM- ja LFA-menetelmien luotettavuuden ja osoittaa, että näitä menetelmiä voidaan soveltaa sekä täyteaineettomiin että lasikuituvahvistettuihin PEEK-järjestelmiin.

Yhteenveto

TECAPEEK® natural- ja TECAPEEK® GF30 natural -materiaalien lämmönjohtavuutta arvioitiin lämpötila-alueella -10 °C – 250 °C käyttäen suojattua lämmönvirtausmittaria (GHFM) ja laserflash-analyysiä (LFA). Tulokset osoittavat, 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 kasvaa lämpötilan noustessa molemmilla materiaaleilla, ja TECAPEEK® GF30 natural -materiaalin 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 on suurempi lasikuituvahvistuksen parantaman lämmönsiirron ansiosta. GHFM- ja LFA-tulosten välinen vahva yhdenmukaisuus sekä yhdenmukaisuus aiempien NETZSCH tutkimusten kanssa osoittavat näiden menetelmien luotettavuuden lämpöominaisuuksien määrittelyssä.