Precizitás a magas hőmérsékletű C/C és C/C-SiC anyagokban: Amikor az LFA, a DSC és a DIL/TMA verhetetlen csapatot alkotnak

Bevezetés

A szén/szén (C/C) és a szén/szén-szilícium-karbid (C/C-SiC) szálkompozitok vezető nagy teljesítményű anyagok, amelyeket szélsőséges termikus és mechanikai környezetekre terveztek. Meghatározó jellemzőik közé tartozik a kiemelkedő szilárdság/tömeg arány és a kivételes stabilitás magas hőmérsékleten. A C/C anyagkategóriát elsősorban a repülőgépiparban használják, például a visszatérési hőpajzsokban, míg a C/C-SiC-t a repülőgépek, versenyautók és nagysebességű vonatok nagy teljesítményű fékrendszereiben alkalmazzák [1]. Emellett a C/C kompozitok kiváló biokompatibilitása és inertitása felbecsülhetetlen értékűvé teszi őket az olyan speciális orvosi területeken, mint az ortopédiai implantátumok és a szívbillentyű-protézisek alkatrészei.

Mindkét anyagosztály kulcsfontosságú tulajdonsága a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességük, amely lényegesen magasabb, mint a hagyományos szerkezeti kerámiáké, és döntő fontosságú a hőkezelés szempontjából. A nagymértékben grafitizált C/C kompozitok síkbeli hővezető képessége a tűzálló fémekhez, például a volfrámhoz és a tantálhoz hasonló, sőt annál is magasabb [2]. Bár a C/C-SiC kompozitok a SiC mátrix miatt általában alacsonyabb vezetőképességgel rendelkeznek, mégis jelentős teljesítménybeli előnyöket kínálnak a legtöbb kerámiával szemben. Ez a rendkívül hatékony hőelvezetés a hőterhelt szerkezetekből megakadályozza a helyi túlmelegedést, a termikus feszültségeket és a lehetséges szerkezeti meghibásodást. A mechanikai stabilitás, az alacsony hő tágulás és a hatékony hőelvezetés döntő fontosságú kombinációja teszi a C/C és C/C-SiC kompozitokat különösen ígéretessé a jövő igényes energetikai alkalmazásaihoz, például a IV. generációs és a fúziós reaktorok rendszereinek alkatrészeihez [3].

Hővezetési mérések

A Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség pontos meghatározása a magas hőmérsékleti tartományban csak a lézeres villanáselemzéssel (LFA), a differenciál pásztázó kalorimetriával (DSC) és dilatometriával (DIL) vagy termomechanikai elemzéssel (TMA) kombinálva lehetséges. Mindezek a módszerek hozzájárulnak a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség (λ) kiszámításához az alábbi egyenlet szerint (1. egyenlet, [4]):

A hővezető képességet, α, LFA segítségével, a fajlagos hőkapacitást, Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.cp, DSC segítségével, a hőmérsékletfüggő sűrűségváltozást, ρ, pedig dilatométeres vagy TMA mérések alapján a hő tágulás segítségével számítják ki. Valamennyi tulajdonság a hőmérséklettől (T) függ, és a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség pontos meghatározásához a teljes hőmérséklettartományban jellemezni kell őket. Ez nagy kihívást jelent, különösen a magas hőmérséklet-tartományban, 2000 °C-ig és afelett.

Kísérleti

A C/C és C/C-SiC mintákat a LFA 427 és a DSC 500 Pegasus^® segítségével vizsgáltuk, a hőtágulási adatokkal együtt 1300°C-ig, illetve 2000°C alatt. Az LFA- és DSC-mérések mérési paramétereit az 1. és 2. táblázat részletezi.

1. táblázat: LFA mérési paraméterek

2. táblázat: DSC mérési paraméterek

Eredmények és vita

Az 1. és 2. ábra a C/C és C/C-SiC minták Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitását mutatja szobahőmérséklettől ~1400°C-ig terjedő hőmérsékleten, argon atmoszférában. A Debye-elméletnek megfelelően a Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.cp-értékek a hőmérséklet emelkedésével nőnek. A méréseket követően a C/C minta esetében kb. 0,15%-os, a C/C-SiC minta esetében pedig kb. 0,06%-os tömegveszteséget tapasztaltunk.

Meg kell jegyezni, hogy a Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.cp meghatározása elméletileg LFA segítségével is elvégezhető. A minták anizotróp szerkezete azonban ezt alkalmatlanná teszi.

2A DSC méréseket 1300°C-on, illetve 1400°C-on végeztük. A szénminták vizsgálatakor általában grafittégelyeket használnak. Emellett Al₂O₃ korongokat helyeznek a grafittégely és a Pt/Rh mintatartó közé, hogy megvédjék az érzékelőt és megakadályozzák az anyagok közötti kölcsönhatásokat magas hőmérsékleten. A grafittégely használata 1400 °C-ig garantált és műszakilag jóváhagyott. Magasabb hőmérsékleten azonban a grafit és az Al₂O₃ között kölcsönhatások várhatóak. A 2000°C-ig terjedő Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség kiszámításához a C/C minta Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitását a DSC mérési adatokból 1400°C-ig extrapoláltuk.

A 3. és 4. ábra a két minta termofizikai tulajdonságait mutatja be.

Ahogy az a legtöbb anyag esetében a magasabb hőmérsékleten erősödő fonon-fonon kölcsönhatás miatt várható, a hőmérséklet és a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség is csökken a hőmérséklet növekedésével mindkét mintában.

Mivel a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség, α, többek között a minta vastagságától, d-től függ (lásd 2. egyenlet, [1]), az értékeket a hőtágulásra vonatkozó adatokkal korrigáltuk.

Ha a hőtágulást nem korrigálják, akkor magasabb hőmérsékleten megnövekedett hibára kell számítani.

A Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség kiszámításához a DSC-mérésekből származó (részben extrapolált) fajlagos hőkapacitást és a hőtáguláson keresztül a hőmérsékletfüggő sűrűséget vettük figyelembe (izotróp testet feltételezve). Az LFA-jeleket a homogén és izotróp anyagokra vonatkozó szabványos Cape-Lehman-modell segítségével értékeltük ki.

Az 5. ábra a két minta Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességének összehasonlítását mutatja. A C/C minta lényegesen magasabb értékeket mutat, mint a C/C-SiC minta.

Összefoglaló

A Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség pontos meghatározása a magas hőmérsékleti tartományban számos kihívást jelent, és megköveteli a megfelelő mérési módszerek kiválasztását. A minták szerkezetét is figyelembe kell venni. A C/C és a C/C-SiC nagyteljesítményű anyagok példája azt mutatja, hogy a LFA 427 és a DSC 500 Pegasus^®, valamint a hő tágulás mellett a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség meghatározásához a magas hőmérsékleti tartományban elengedhetetlen az LFA, DSC és DIL/TMA hármasa.