Introduzione
Nel campo dell'ingegneria delle alte temperature, c'è una crescente richiesta di materiali in grado di funzionare in modo affidabile anche in condizioni termiche estreme. I materiali in grado di resistere alle alte temperature e ai forti gradienti di temperatura nel lungo periodo sono particolarmente importanti. I compositi in fibra ceramica si sono affermati come soluzione ad alte prestazioni in questo contesto. Vengono utilizzati principalmente per proteggere dal calore componenti sensibili e fortemente sollecitati. Le applicazioni tipiche comprendono i rivestimenti delle camere di combustione e i componenti strutturali dell'industria di processo.
Grazie alla loro struttura stratificata, questi materiali presentano proprietà fortemente dipendenti dalla direzione. Di conseguenza, le loro proprietà termiche possono variare in modo significativo a seconda dell'orientamento delle fibre. Per una progettazione precisa di componenti ad alta temperatura, è quindi essenziale una comprensione precisa del trasporto di calore in funzione dell'allineamento delle fibre.
Metodo e condizioni di misura
L'analisi laser flash (LFA, principio di misura in figura 1) è utilizzata per determinare la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica, α, di un materiale. In combinazione con la densità, ρ, e la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica nota, Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp, è possibile calcolare la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica, λ (λ = α - Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp - ρ).
Durante la misurazione, il fondo del campione viene riscaldato da un breve impulso laser e l'aumento di temperatura sul lato opposto viene registrato da un rilevatore a infrarossi. La Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica può quindi essere determinata dalla curva di temperatura nel tempo utilizzando un modello matematico appropriato.
Le misure sono state eseguite su un composito di fibre ceramiche utilizzando l'LFA 707 StratoFlash®Classic nell'intervallo di temperatura compreso tra la temperatura ambiente e 1100°C, riflettendo così le reali condizioni operative dei materiali.
Sono stati utilizzati due diversi portacampioni: un portacampioni standard (figura 2) per determinare le proprietà termiche in direzione passante e un portacampioni lamellare per analizzare le proprietà in piano.
La Figura 3 mostra lo schema per la preparazione del campione quando si utilizza il portacampioni lamellare.
Il campione utilizzato per la misurazione passante aveva un diametro di 12,64 mm e uno spessore di circa 2,03 mm, mentre i campioni in piano sono stati tagliati in strisce e collocati su un portacampioni lamellare con un bordo lungo 10 mm e uno spessore di circa 2,30 mm. I parametri di misura sono riportati nella tabella 1.
Tabella 1: Condizioni di misura LFA
| Intervallo di temperatura | Da RT a 1100°C |
|---|---|
| Supporto del campione |
|
| Dimensione del campione |
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| Rivestimento | Grafite |
| Atmosfera | Argon |
| Velocità di riscaldamento | Variabile fino a 10-20 K/min |
| Energia | 650 V; 600 μs |
Risultati e discussione
La Figura 4 mostra che il composito fibrorinforzato in esame presenta un profilo di conducibilità termica anisotropo chiaramente pronunciato. Anche a temperatura ambiente, è evidente che la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica lungo la direzione della fibra è notevolmente superiore a quella perpendicolare alla fibra. La differenza è di circa il 16% e può essere attribuita alla direzione preferenziale della conduzione del calore lungo la struttura della fibra. In questa direzione, i percorsi continui della fibra consentono un trasporto di energia più efficiente; tuttavia, attraverso la fibra, le interfacce e le disomogeneità strutturali ostacolano il trasporto di calore in modo più significativo.
All'aumentare della temperatura, questo effetto anisotropo diminuisce leggermente, con una differenza tra le due direzioni che si riduce a circa il 13%. Ciò suggerisce che meccanismi aggiuntivi, come le interazioni fono-foniche potenziate, indeboliscono relativamente l'influenza dell'orientamento della fibra all'aumentare della temperatura.
Nel complesso, i risultati delle misure dimostrano che l'orientamento della fibra influenza in modo significativo il comportamento del trasporto termico. Tuttavia, questa influenza diventa meno pronunciata a temperature più elevate. I dati di Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica ottenuti forniscono quindi una base essenziale per le simulazioni termomeccaniche. Consentono una rappresentazione realistica del comportamento di questi materiali anisotropi e contribuiscono in modo significativo alla progettazione e all'implementazione sicura ed efficiente di materiali ad alte prestazioni nelle applicazioni industriali.
Sintesi
L'analisi laser flash (LFA) consente di determinare con precisione la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica in un ampio intervallo di temperatura, comprese le alte temperature di esercizio. L'utilizzo di speciali portacampioni consente di determinare l'anistropia dei materiali.
In particolare, il portacampione lamellare facilita l'indagine della Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica in direzione in-plane, integrando la tradizionale misurazione attraverso il piano. Ciò consente di misurare sperimentalmente le proprietà termiche anisotrope, anche a temperature elevate. Ciò è essenziale per la comprensione dei meccanismi di conduzione del calore dipendenti dalla direzione e per la progettazione realistica di materiali ad alte prestazioni.