소개
고온 엔지니어링 분야에서는 극한의 열 조건에서도 안정적으로 작동할 수 있는 소재에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 고온과 강한 온도 변화를 장기간 견딜 수 있는 소재가 특히 중요합니다. 세라믹 섬유 복합재는 이러한 맥락에서 고성능 솔루션으로 자리 잡았습니다. 세라믹 섬유 복합재는 주로 민감하고 부하가 큰 부품을 열로부터 보호하는 데 사용됩니다. 일반적인 응용 분야로는 연소실 라이닝과 공정 산업의 구조 부품 등이 있습니다.
이러한 소재는 층상 구조로 인해 방향에 따라 뚜렷한 특성을 보입니다. 따라서 섬유 방향에 따라 열 특성이 크게 달라질 수 있습니다. 따라서 고온 부품을 정밀하게 설계하려면 섬유 정렬에 따른 열 전달에 대한 정확한 이해가 필수적입니다.
방법 및 측정 조건
레이저 플래시 분석(LFA, 그림 1의 측정 원리)은 재료의 열 확산도(α)를 측정하는 데 사용됩니다. 밀도(ρ) 및 알려진 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.cp)과 결합하면 열 전도도(λ)를 계산할 수 있습니다(λ = α -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.cp - ρ).
측정하는 동안 시료의 바닥은 짧은 레이저 펄스로 가열되고 반대쪽의 온도 상승은 적외선 감지기로 기록됩니다. 그런 다음 적절한 수학적 모델을 사용하여 시간 경과에 따른 온도 곡선으로부터 열 확산도를 결정할 수 있습니다.
측정은 실온에서 1100°C까지의 온도 범위에서 LFA 707 StratoFlash®Classic 을 사용하여 세라믹 섬유 복합재에 대해 수행되었으므로 재료의 실제 작동 조건을 반영합니다.
두 가지 다른 샘플 홀더가 사용되었습니다: 관통면 방향의 열 특성을 측정하기 위한 표준 홀더(그림 2)와 평면 내 특성을 분석하기 위한 라멜라 샘플 홀더.
그림 3은 라멜라 시료 홀더를 사용할 때 시료 준비의 개략도를 보여줍니다.
관통면 측정에 사용된 시편은 직경 12.64mm, 두께 약 2.03mm였으며, 평면 내 시편은 스트립으로 절단하여 가장자리 길이 10mm, 두께 약 2.30mm의 라멜라 시편 홀더에 놓았습니다. 측정 매개변수는 표 1에 자세히 나와 있습니다.
표 1: LFA 측정 조건
| 온도 범위 | RT ~ 1100°C |
|---|---|
| 샘플 홀더 |
|
| 샘플 크기 |
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| 코팅 | 흑연 |
| 분위기 | 아르곤 |
| 가열 속도 | 최대 10~20K/min까지 가변 |
| 에너지 | 650V; 600μs |
결과 및 토론
그림 4는 조사된 섬유 강화 복합재료가 뚜렷한 이방성 열전도도 프로파일을 나타낸다는 것을 보여줍니다. 상온에서도 섬유 방향을 따른 열 확산도가 섬유에 수직인 열 확산도보다 현저히 높다는 것을 알 수 있습니다. 이 차이는 약 16%이며, 이는 섬유 구조를 따라 열 전도가 우선적으로 이루어지는 방향에 기인할 수 있습니다. 이 방향에서는 연속적인 광섬유 경로가 더 효율적인 에너지 전달을 가능하게 하지만, 광섬유를 가로지르는 인터페이스와 구조적 불균일성은 열 전달을 더 크게 방해합니다.
온도가 상승함에 따라 이 이방성 효과는 약간 감소하여 두 방향의 차이가 약 13%까지 감소합니다. 이는 온도가 상승함에 따라 향상된 포논-포논 상호 작용과 같은 추가적인 메커니즘이 광섬유 방향의 영향을 상대적으로 약화시킨다는 것을 시사합니다.
전반적으로, 측정 결과는 광케이블 방향이 열 전달 거동에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 그러나 이러한 영향은 더 높은 온도에서 덜 두드러집니다. 따라서 얻은 열 확산도 데이터는 열역학 시뮬레이션에 필수적인 기초를 제공합니다. 이러한 이방성 재료의 거동을 사실적으로 표현할 수 있으며 산업 응용 분야에서 고성능 재료를 안전하고 효율적으로 설계하고 구현하는 데 크게 기여합니다.
요약
레이저 플래시 분석(LFA)을 사용하면 높은 작동 온도를 포함한 넓은 온도 범위에서 열 확산도를 정밀하게 측정할 수 있습니다. 특수 시료 홀더를 사용하면 재료의 이방성을 측정할 수 있습니다.
특히 라멜라 시료 홀더는 평면 내 방향의 열 확산도 조사를 용이하게 하여 기존의 스루플레인 측정을 보완합니다. 이를 통해 고온에서도 이방성 열 특성을 실험적으로 측정할 수 있습니다. 이는 방향에 따른 열전도 메커니즘을 이해하고 고성능 소재를 현실적으로 설계하는 데 필수적입니다.