소개
탄소/탄소(C/C) 및 탄소/탄소-탄화규소(C/C-SiC) 섬유 복합재는 극한의 열 및 기계적 환경을 위해 설계된 선도적인 고성능 소재입니다. 뛰어난 중량 대비 강도 비율과 고온에서의 탁월한 안정성이 특징입니다. C/C 소재는 주로 재진입 열 차폐와 같은 항공우주 분야에 사용되며, C/C-SiC는 항공기, 경주용 자동차 및 고속 열차의 고성능 제동 시스템에 사용됩니다[1]. 또한 C/C 복합소재는 생체 적합성과 불활성이 뛰어나 정형외과 임플란트 및 인공 심장 판막 부품과 같은 틈새 의료 분야에서 매우 유용하게 사용됩니다.
두 소재의 핵심 특성은 기존 구조용 세라믹보다 훨씬 높은 열전도율로, 열 관리에 매우 중요합니다. 고도로 흑연화된 C/C 복합재는 텅스텐 및 탄탈륨과 같은 내화성 금속과 비슷하거나 더 높은 평면 내 열전도도를 나타낼 수 있습니다[2]. 일반적으로 SiC 매트릭스로 인해 낮은 전도도를 나타내지만, C/C-SiC 복합재는 대부분의 세라믹에 비해 상당한 성능 이점을 제공합니다. 열 스트레스를 받는 구조에서 매우 효율적으로 열을 방출하여 국부적인 과열, 열 스트레스 및 잠재적인 구조적 고장을 방지합니다. 기계적 안정성, 낮은 열팽창, 효과적인 열 제거의 중요한 조합으로 인해 C/C 및 C/C-SiC 복합재는 4세대 및 핵융합로 시스템 [3] 내의 부품과 같은 까다로운 미래 에너지 애플리케이션에 특히 유망합니다.
열 전도도 측정
고온 범위에서 열전도도를 정확하게 측정하려면 레이저 플래시 분석(LFA)과 차동 주사 열량 측정(DSC) 및 팽창도 측정(DIL) 또는 열역학적 분석(TMA)을 함께 사용해야만 가능합니다. 이러한 모든 방법은 다음 방정식(방정식 1, [4])에 따라 열전도율(λ)을 계산하는 데 기여합니다:
열 확산도 α는 LFA를 통해, 비열 용량 비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp는 DSC를 통해, 온도에 따른 밀도 변화 ρ는 팽창계 또는 TMA 측정을 기반으로 한 열팽창을 통해 계산됩니다. 모든 특성은 온도(T)에 따라 달라지며 열전도도를 정확하게 결정하려면 관심 있는 전체 온도 범위에서 특성화해야 합니다. 이는 특히 최대 2000°C 이상의 고온 범위에서 중요한 과제입니다.
실험적
C/C 및 C/C-SiC 샘플은 각각 최대 1300°C 및 2000°C 미만의 열팽창 데이터와 함께 LFA 427 및 DSC 500 Pegasus® 을 사용하여 검사했습니다. LFA 및 DSC 측정에 대한 측정 파라미터는 표 1과 2에 자세히 나와 있습니다.
표 1: LFA 측정 매개변수
| LFA 모델 | LFA 427 2000°C 용광로 사용 |
|---|---|
| 샘플 | 1 x C/C, 1 x C/C-SiC |
샘플 치수 | Ø12.7 mm, 두께 약 3mm |
| 샘플 홀더 | 12.7 mm 흑연 |
| 코팅 | 없음 |
| 분위기 | 아르곤(120 ml/min) |
온도 포인트 | C/C-SiC: RT/400/1000/1300 C/C: RT/400/1000/1300/1500/1700/1990 |
표 2: DSC 측정 매개변수
DSC 모델 및 용광로 | DSC 500 Pegasus®, 로듐 퍼니스 |
|---|---|
샘플 캐리어/ 열전대 | DSC비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp / Typ S |
| 샘플 | 1 x C/C, 1 x C/C-SiC |
| 시료 질량 | C/C: 38.000 mg C/C-SiC: 59.713 mg |
| Crucible | 뚜껑 및 Al2O3 와셔가 있는 흑연 |
| 분위기 | 아르곤(70ml/min) |
온도 프로그램 | C/C: RT - 1400°C(20K/min) C/C-SiC: RT - 1300°C, 20 K/min |
캘리브레이션 표준 | C/C-SiC: RT/400/1000/1300 POCO 흑연 |
결과 및 토론
그림 1과 2는 아르곤 분위기에서 실온에서 ~1400°C 범위의 온도에서 C/C 및 C/C-SiC 샘플의 비열 용량을 보여줍니다. 드비 이론에 따라 온도가 상승함에 따라 비열량은 증가합니다. 측정 결과, C/C 샘플의 경우 약 0.15%의 질량 손실이, C/C-SiC 샘플의 경우 약 0.06%의 질량 손실이 관찰되었습니다.
이론적으로 LFA를 사용하여 CP를 측정할 수도 있다는 점에 유의해야 합니다. 그러나 시료의 이방성 구조로 인해 이 방법은 부적합합니다.
2 DSC 측정은 각각 1300°C와 1400°C에서 수행되었습니다. 흑연 도가니는 일반적으로 탄소 시료를 검사할 때 사용됩니다. 또한 센서를 보호하고 고온에서 재료 간의 상호 작용을 방지하기 위해 흑연 도가니와 Pt/Rh 샘플 홀더 사이에 Al₂O₃ 디스크를 배치합니다. 흑연 도가니의 사용은 최대 1400°C까지 보장되며 기술적으로 승인되었습니다. 그러나 더 높은 온도에서는 흑연과 Al₂O₃ 간의 상호 작용이 예상됩니다. 2000°C까지의 열전도율을 계산하기 위해 1400°C까지의 DSC 측정 데이터에서 C/C 샘플의 비열 용량을 추정했습니다.
그림 3과 4는 두 샘플의 열물리학적 특성을 보여줍니다.
고온에서 더 강한 포논-포논 상호 작용으로 인해 대부분의 물질에서 예상되는 것처럼, 두 샘플 모두 온도가 증가함에 따라 온도와 열전도도가 모두 감소합니다.
열 확산도 α는 무엇보다도 샘플 두께 d에 따라 달라지므로(방정식 2, [1] 참조), 열 팽창 데이터를 사용하여 값을 보정했습니다.
열팽창을 보정하지 않으면 더 높은 온도에서 오차 증가를 예상해야 합니다.
열전도율을 계산하기 위해 DSC 측정(부분적으로 추가 폴링)에서 얻은 비열용량과 열팽창을 통한 온도 의존 밀도를 고려했습니다(등방성 물체 가정). LFA 신호는 균질 및 등방성 물질에 대한 표준 케이프-레만 모델을 사용하여 평가되었습니다.
그림 5는 두 샘플의 열전도도를 비교한 것입니다. C/C 샘플은 C/C-SiC 샘플보다 훨씬 높은 값을 나타냅니다.
요약
고온 범위에서 열전도도를 정밀하게 측정하려면 몇 가지 과제가 있으며 적절한 측정 방법을 선택해야 합니다. 시료의 구조도 고려해야 합니다. C/C 및 C/C-SiC 고성능 재료의 예는 열팽창과 함께 LFA 427 및 DSC 500 Pegasus® 이 고온 범위에서 열전도도를 측정하는 데 필수적이라는 것을 보여주며, LFA, DSC 및 DIL/TMA의 트리오와 마찬가지로 열전도도를 측정하는 데 필수적입니다.