Pendahuluan
Di bidang rekayasa suhu tinggi, ada peningkatan permintaan untuk material yang dapat bekerja dengan andal bahkan dalam kondisi termal yang ekstrem. Material yang dapat menahan suhu tinggi dan gradien suhu yang kuat dalam jangka panjang sangat penting. Komposit serat keramik telah memantapkan diri sebagai solusi berkinerja tinggi dalam konteks ini. Mereka terutama digunakan untuk melindungi komponen yang sensitif dan banyak beban dari panas. Aplikasi yang umum termasuk pelapis ruang bakar dan komponen struktural dalam industri proses.
Karena strukturnya yang berlapis, bahan-bahan ini memiliki sifat yang bergantung pada arah. Akibatnya, sifat termalnya dapat sangat bervariasi tergantung pada orientasi serat. Untuk desain yang tepat dari komponen bersuhu tinggi, pemahaman yang tepat tentang transportasi panas sebagai fungsi dari penyelarasan serat sangat penting.
Metode dan Kondisi Pengukuran
Analisis sinar laser (LFA, prinsip pengukuran pada gambar 1) digunakan untuk menentukan 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, suatu bahan. Dikombinasikan dengan densitas, ρ, dan 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 yang diketahui, 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, 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, dapat dihitung (λ = α - 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 - ρ).
Selama pengukuran, bagian bawah sampel dipanaskan oleh pulsa laser pendek, dan kenaikan suhu pada sisi yang berlawanan direkam oleh detektor inframerah. 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 kemudian dapat ditentukan dari kurva suhu dari waktu ke waktu dengan menggunakan model matematika yang sesuai.
Pengukuran dilakukan pada komposit serat keramik menggunakan LFA 707 StratoFlash®Classic dalam kisaran suhu dari suhu kamar hingga 1100°C, sehingga mencerminkan kondisi operasi material yang sebenarnya.
Dua pemegang sampel yang berbeda digunakan: pemegang standar (gambar 2) untuk menentukan sifat termal pada arah bidang tembus dan pemegang sampel lamelar untuk menganalisis sifat dalam bidang.
Gambar 3 menunjukkan skema untuk persiapan sampel apabila menggunakan tempat sampel berbentuk pipih.
Spesimen yang digunakan untuk pengukuran melalui bidang memiliki diameter 12,64 mm dan ketebalan sekitar 2,03 mm, sedangkan spesimen dalam bidang dipotong-potong dan ditempatkan pada tempat sampel berbentuk pipih dengan panjang tepi 10 mm dan ketebalan sekitar 2,30 mm. Parameter pengukuran dirinci dalam tabel 1.
Tabel 1: Kondisi pengukuran LFA
| Kisaran suhu | RT hingga 1100°C |
|---|---|
| Tempat sampel |
|
| Ukuran sampel |
|
| Pelapisan | Grafit |
| Suasana | Argon |
| Tingkat pemanasan | Bervariasi hingga 10 hingga 20 K/menit |
| Energi | 650 V; 600 μs |
Hasil dan Pembahasan
Gambar 4 menunjukkan bahwa komposit yang diperkuat serat yang diteliti menunjukkan profil 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 anisotropik yang jelas. Bahkan pada suhu kamar, terlihat jelas bahwa 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 di sepanjang arah serat jauh lebih tinggi daripada yang tegak lurus terhadap serat. Perbedaannya sekitar 16%, yang dapat dikaitkan dengan arah preferensial konduksi panas di sepanjang struktur serat. Dalam arah ini, jalur serat kontinu memungkinkan transportasi energi yang lebih efisien; namun, di sepanjang serat, antarmuka dan ketidakhomogenan struktural menghambat transportasi panas secara lebih signifikan.
Saat suhu meningkat, efek anisotropik ini sedikit berkurang, dengan perbedaan antara kedua arah menurun hingga sekitar 13%. Hal ini menunjukkan bahwa mekanisme tambahan, seperti interaksi fonon-fonon yang ditingkatkan, secara relatif melemahkan pengaruh orientasi serat seiring dengan meningkatnya suhu.
Secara keseluruhan, hasil pengukuran menunjukkan bahwa orientasi serat secara signifikan mempengaruhi perilaku transpor termal. Namun, pengaruh ini menjadi kurang jelas pada suhu yang lebih tinggi. Oleh karena itu, data 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 yang diperoleh memberikan dasar yang penting untuk simulasi termo-mekanis. Data tersebut memungkinkan representasi realistis dari perilaku material anisotropik ini dan berkontribusi secara signifikan terhadap desain dan implementasi material berkinerja tinggi yang aman dan efisien dalam aplikasi industri.
Ringkasan
Analisis sinar laser (LFA) memungkinkan penentuan 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 secara tepat pada kisaran suhu yang luas, termasuk suhu pengoperasian yang tinggi. Dengan menggunakan tempat sampel khusus, memungkinkan penentuan anistropi bahan.
Khususnya, tempat sampel lamelar memfasilitasi penyelidikan 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 dalam arah dalam bidang, melengkapi pengukuran melalui bidang tradisional. Hal ini memungkinkan untuk mengukur sifat termal anisotropik secara eksperimental, bahkan pada suhu tinggi. Hal ini penting untuk memahami mekanisme konduksi panas yang bergantung pada arah dan untuk desain realistis dari bahan berkinerja tinggi.