Pendahuluan
Komposit serat karbon/karbon (C/C) dan karbon/karbon-silikon karbida (C/C-SiC) adalah material berkinerja tinggi terkemuka yang dirancang untuk lingkungan termal dan mekanis yang ekstrem. Fitur-fiturnya yang khas meliputi rasio kekuatan-terhadap-berat yang luar biasa dan stabilitas yang luar biasa pada suhu tinggi. Kelas material C/C terutama digunakan dalam aplikasi luar angkasa seperti perisai panas masuk kembali, sementara C/C-SiC digunakan dalam sistem pengereman berkinerja tinggi untuk pesawat terbang, mobil balap, dan kereta api berkecepatan tinggi [1]. Selain itu, biokompatibilitas yang sangat baik dan kelembaman komposit C/C membuatnya sangat berharga untuk bidang medis khusus, seperti implan ortopedi dan komponen katup jantung palsu.
Sifat utama dari kedua kelas material ini adalah konduktivitas termalnya, yang secara signifikan lebih tinggi daripada keramik struktural konvensional dan sangat penting untuk manajemen panas. Komposit C/C dengan grafitisasi tinggi dapat menunjukkan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal dalam bidang yang sebanding dengan, atau bahkan lebih tinggi daripada, logam tahan api seperti Tungsten dan Tantalum [2]. Meskipun secara umum menunjukkan konduktivitas yang lebih rendah karena matriks SiC, komposit C/C-SiC masih menawarkan keunggulan kinerja yang signifikan dibandingkan sebagian besar keramik. Pembuangan panas yang sangat efisien dari struktur yang mengalami tekanan termal ini mencegah panas berlebih lokal, tekanan termal, dan potensi kegagalan struktural. Kombinasi penting dari stabilitas mekanis, ekspansi termal yang rendah, dan pembuangan panas yang efektif membuat komposit C/C dan C/C-SiC sangat menjanjikan untuk aplikasi energi masa depan yang menuntut, seperti komponen dalam Generasi IV dan sistem reaktor fusi [3].
Pengukuran Konduktivitas Termal
Penentuan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal yang tepat dalam kisaran suhu tinggi hanya dapat dicapai dengan menggunakan analisis laser flash (LFA) yang dikombinasikan dengan kalorimetri pemindaian diferensial (DSC) dan dilatometri (DIL) atau analisis termomekanik (TMA). Semua metode ini berkontribusi pada perhitungan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal (λ) menurut persamaan berikut (persamaan 1, [4]):
Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu. Difusivitas termal, α, ditentukan dengan menggunakan LFA; Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen. kapasitas panas spesifik, Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen.cp, dengan menggunakan DSC; dan perubahan densitas yang bergantung pada suhu, ρ, dihitung dengan menggunakan ekspansi termal berdasarkan pengukuran dilatometer atau TMA. Semua properti bergantung pada suhu (T) dan harus dikarakterisasi di seluruh rentang suhu yang diinginkan untuk menentukan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal secara akurat. Ini merupakan tantangan besar, terutama pada rentang suhu tinggi hingga 2000°C ke atas.
Eksperimental
Sampel C/C dan C/C-SiC diperiksa menggunakan LFA 427 dan DSC 500 Pegasus® yang dikombinasikan dengan data ekspansi termal masing-masing hingga 1300°C dan sedikit di bawah 2000°C. Parameter pengukuran untuk pengukuran LFA dan DSC dirinci dalam tabel 1 dan 2.
Tabel 1: Parameter pengukuran LFA
| Model LFA | LFA 427 dengan tungku 2000 ° C |
|---|---|
| Sampel | 1 x C/C, 1 x C/C-SiC |
Sampel dimensi | Ø12,7 mm; ketebalan sekitar 3 mm |
| Tempat sampel | 12.grafit 7 mm |
| Pelapisan | Tidak ada |
| Atmosfer | Argon (120 ml/menit) |
Suhu poin | C/C-SiC: RT/400/1000/1300 C / C RT/400/1000/1300/1500/1700/1990 |
Tabel 2: Parameter pengukuran DSC
Model DSC dan tungku | DSC 500 Pegasus® dengan Rhodium tungku |
|---|---|
Pembawa sampel / termokopel | DSC Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen.cp / Typ S |
| Sampel | 1 x C / C, 1 x C / C-SiC |
| Massa sampel | C / C: 38.000 mg C/C-SiC: 59,713 mg |
| Wadah | Grafit dengan penutup dan pencuci Al2O3 |
| Atmosfer | Argon (70 ml/menit) |
Suhu program | C/C RT - 1400 ° C pada 20 K/menit C/C-SiC: RT - 1300°C pada 20 K/min |
Kalibrasi standar | C/C-SiC: RT/400/1000/1300 Grafit POCO |
Hasil dan Pembahasan
Gambar 1 dan 2 menunjukkan Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen. kapasitas panas spesifik dari sampel C/C dan C/C-SiC pada suhu mulai dari suhu kamar hingga ~1400°C dalam atmosfer argon. Sesuai dengan teori Debye, nilai Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen.cp meningkat dengan naiknya suhu. Setelah pengukuran, kehilangan massa sekitar 0,15% diamati untuk sampel C/C dan sekitar 0,06% untuk sampel C/C-SiC.
Perlu dicatat bahwa penentuan Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen.cp secara teoritis juga dapat dilakukan dengan menggunakan LFA. Namun demikian, struktur anisotropik sampel membuat hal ini tidak sesuai.
2Pengukuran DSC masing-masing dilakukan pada suhu 1300°C dan 1400°C. Krusibel grafit umumnya digunakan saat memeriksa sampel karbon. Selain itu, cakram Al₂O₃ diposisikan di antara wadah grafit dan tempat sampel Pt/Rh untuk melindungi sensor dan mencegah interaksi antara bahan pada suhu tinggi. Penggunaan wadah grafit dijamin dan disetujui secara teknis hingga 1400 ° C. Namun, pada suhu yang lebih tinggi, interaksi antara grafit dan Al₂O₃ diharapkan terjadi. Untuk menghitung Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal hingga 2000°C, Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen. kapasitas panas spesifik sampel C/C diekstrapolasi dari data pengukuran DSC hingga 1400°C.
Gambar 3 dan 4 menggambarkan sifat termofisik dari kedua sampel.
Seperti yang diharapkan untuk sebagian besar bahan karena interaksi fonon-fonon yang lebih kuat pada suhu yang lebih tinggi, baik suhu maupun Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal menurun dengan meningkatnya suhu pada kedua sampel.
Karena Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal, α, bergantung pada ketebalan sampel, d, antara lain (lihat persamaan 2, [1]), nilai tersebut dikoreksi dengan menggunakan data ekspansi termal.
Jika pemuaian termal tidak dikoreksi, maka akan terjadi peningkatan kesalahan pada suhu yang lebih tinggi.
Untuk menghitung Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal, Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen. kapasitas panas spesifik dari pengukuran DSC (sebagian dipoles ekstra) dan densitas yang bergantung pada suhu melalui ekspansi termal diperhitungkan (dengan asumsi benda isotropik). Sinyal LFA dievaluasi menggunakan model Cape-Lehman standar untuk bahan homogen dan isotropik.
Gambar 5 menunjukkan perbandingan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal dari kedua sampel. Sampel C/C menunjukkan nilai yang jauh lebih tinggi daripada sampel C/C-SiC.
Ringkasan
Penentuan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal yang tepat dalam kisaran suhu tinggi menimbulkan beberapa tantangan dan memerlukan pemilihan metode pengukuran yang tepat. Struktur sampel juga harus dipertimbangkan. Contoh bahan berkinerja tinggi C/C dan C/C-SiC menunjukkan bahwa LFA 427 dan DSC 500 Pegasus®, bersama dengan ekspansi termal, sangat diperlukan untuk menentukan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal pada rentang suhu tinggi, seperti halnya trio LFA, DSC, dan DIL/TMA.