Bevezetés
A magas hőmérsékletű mérnöki munkák területén egyre nagyobb igény mutatkozik az olyan anyagok iránt, amelyek szélsőséges hőmérsékleti körülmények között is megbízhatóan teljesítenek. Különösen fontosak azok az anyagok, amelyek hosszú távon ellenállnak a magas hőmérsékleteknek és az erős hőmérséklet-ingadozásoknak. A kerámiaszálas kompozitok ebben a kontextusban nagy teljesítményű megoldásnak bizonyultak. Elsősorban az érzékeny és nagy terhelésnek kitett alkatrészek hő elleni védelmére használják őket. Tipikus alkalmazások közé tartoznak az égéstér-bélések és a folyamatiparban használt szerkezeti elemek.
Réteges szerkezetüknek köszönhetően ezek az anyagok kifejezett irányfüggő tulajdonságokkal rendelkeznek. Következésképpen hőtani tulajdonságaik a szálak irányultságától függően jelentősen eltérhetnek. A magas hőmérsékletű alkatrészek pontos tervezéséhez ezért elengedhetetlen a hőszállítás pontos megértése a szálak igazításának függvényében.
Módszer és mérési feltételek
A lézeres villanáselemzés (LFA, mérési elv az 1. ábrán) egy anyag α hődiffúziós képességének meghatározására szolgál. A sűrűséggel ρ és az ismert fajlagos hőkapacitással 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 kombinálva kiszámítható 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 (λ = α - 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 - ρ).
A mérés során a minta alját egy rövid lézerimpulzus melegíti, és az ellenkező oldalon bekövetkező hőmérsékletnövekedést egy infravörös detektor rögzíti. Ezután a hőmérséklet időbeli görbéjéből a megfelelő matematikai modell segítségével meghatározható a Termikus diffúziós képességA hővezető képesség (a mm2/s egységgel) egy anyagspecifikus tulajdonság, amely az instacionárius hővezetés jellemzésére szolgál. Ez az érték azt írja le, hogy egy anyag milyen gyorsan reagál a hőmérsékletváltozásra.termikus diffúziós képesség.
A méréseket egy kerámiaszálas kompoziton végeztük az LFA 707 StratoFlash®Classic segítségével a szobahőmérséklettől 1100°C-ig terjedő hőmérséklet-tartományban, így tükrözve az anyagok tényleges üzemi körülményeit.
Két különböző mintatartót használtunk: egy szabványos tartót (2. ábra) a hőtani tulajdonságok meghatározásához a síkbeli irányban, és egy lamellás mintatartót a síkbeli tulajdonságok elemzéséhez.
A 3. ábra a minta előkészítésének vázlatát mutatja a lamellás mintatartó használata esetén.
A síkbeli mérésekhez használt minta átmérője 12,64 mm, vastagsága pedig körülbelül 2,03 mm volt, míg a síkbeli minták csíkokra vágva és egy 10 mm hosszúságú és körülbelül 2,30 mm vastagságú lamellás mintatartóra helyezve készültek. A mérési paramétereket az 1. táblázat részletezi.
1. táblázat: LFA mérési feltételek
| Hőmérséklet-tartomány | RT-től 1100°C-ig |
|---|---|
| Mintatartó |
|
| Minta mérete |
|
| Bevonat | Grafit |
| Atmoszféra | Argon |
| Fűtési sebesség | Változó 10-20 K/percig |
| Energia | 650 V; 600 μs |
Eredmények és vita
A 4. ábra azt mutatja, hogy a vizsgált szálerősítésű kompozit egyértelműen kifejezett anizotróp hővezetési profilt mutat. Már szobahőmérsékleten is nyilvánvaló, hogy a szálak iránya mentén 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 jelentősen nagyobb, mint a szálakra merőlegesen. A különbség körülbelül 16%, ami a szálszerkezet mentén történő preferenciális hővezetési iránynak tulajdonítható. Ebben az irányban a folytonos szálpályák hatékonyabb energiaátvitelt tesznek lehetővé; a szálon keresztben azonban a határfelületek és a szerkezeti inhomogenitások jelentősebben akadályozzák a hőátvitelt.
A hőmérséklet emelkedésével ez az anizotróp hatás kissé csökken, a két irány közötti különbség 13% körülire csökken. Ez arra utal, hogy további mechanizmusok, például a fokozott fonon-fonon kölcsönhatások a hőmérséklet emelkedésével viszonylag gyengítik a szálorientáció hatását.
Összességében a mérési eredmények azt mutatják, hogy a szálorientáció jelentősen befolyásolja a hőszállítási viselkedést. Ez a hatás azonban magasabb hőmérsékleten egyre kevésbé érvényesül. A kapott termikus diffúziós adatok ezért lényeges alapot nyújtanak a termomechanikai szimulációkhoz. Lehetővé teszik ezen anizotróp anyagok viselkedésének reális ábrázolását, és jelentősen hozzájárulnak a nagy teljesítményű anyagok biztonságos és hatékony tervezéséhez és ipari alkalmazásokban való alkalmazásához.
Összefoglaló
A lézeres villanáselemzés (LFA) lehetővé teszi a Termikus diffúziós képességA hővezető képesség (a mm2/s egységgel) egy anyagspecifikus tulajdonság, amely az instacionárius hővezetés jellemzésére szolgál. Ez az érték azt írja le, hogy egy anyag milyen gyorsan reagál a hőmérsékletváltozásra.termikus diffúziós képesség pontos meghatározását széles hőmérséklet-tartományban, beleértve a magas üzemi hőmérsékleteket is. Speciális mintatartók használatával lehetővé válik az anyagok anisztrópiájának meghatározása.
A lamellás mintatartó megkönnyíti a Termikus diffúziós képességA hővezető képesség (a mm2/s egységgel) egy anyagspecifikus tulajdonság, amely az instacionárius hővezetés jellemzésére szolgál. Ez az érték azt írja le, hogy egy anyag milyen gyorsan reagál a hőmérsékletváltozásra.termikus diffúziós képesség síkbeli irányú vizsgálatát, kiegészítve a hagyományos síkbeli mérést. Ez lehetővé teszi az anizotróp termikus tulajdonságok kísérleti mérését, még magas hőmérsékleten is. Ez elengedhetetlen az irányfüggő hővezetési mechanizmusok megértéséhez és a nagy teljesítményű anyagok reális tervezéséhez.