Inleiding
Op het gebied van engineering bij hoge temperaturen is er een toenemende vraag naar materialen die zelfs onder extreme thermische omstandigheden betrouwbaar kunnen presteren. Materialen die langdurig bestand zijn tegen hoge temperaturen en sterke temperatuurgradiënten zijn van bijzonder belang. Keramische vezelcomposieten hebben zichzelf bewezen als een hoogwaardige oplossing in deze context. Ze worden voornamelijk gebruikt om gevoelige en zwaar belaste componenten te beschermen tegen hitte. Typische toepassingen zijn verbrandingskamerbekledingen en structurele componenten in de procesindustrie.
Door hun gelaagde structuur hebben deze materialen uitgesproken richtingsafhankelijke eigenschappen. Bijgevolg kunnen hun thermische eigenschappen aanzienlijk variëren afhankelijk van de vezeloriëntatie. Voor het precieze ontwerp van componenten met hoge temperaturen is een nauwkeurig begrip van het warmtetransport als functie van de vezeloriëntatie daarom essentieel.
Methode en meetomstandigheden
Laser flash analysis (LFA, meetprincipe in figuur 1) wordt gebruikt om de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie, α, van een materiaal te bepalen. In combinatie met de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid, ρ, en de bekende Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit, Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp, kan de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid, λ, worden berekend (λ = α - Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp - ρ).
Tijdens de meting wordt de onderkant van het monster verwarmd door een korte laserpuls en de temperatuurstijging aan de andere kant wordt geregistreerd door een infrarooddetector. De Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie kan dan worden bepaald uit de temperatuurcurve in de tijd met behulp van het juiste wiskundige model.
Er werden metingen uitgevoerd op een keramische vezelcomposiet met de LFA 707 StratoFlash®Classic in het temperatuurbereik van kamertemperatuur tot 1100°C, wat de werkelijke werkingsomstandigheden van de materialen weerspiegelt.
Er werden twee verschillende monsterhouders gebruikt: een standaardhouder (figuur 2) om de thermische eigenschappen in de dwarsrichting te bepalen en een lamellaire monsterhouder om de eigenschappen in het vlak te analyseren.
Figuur 3 toont het schema voor monstervoorbereiding bij gebruik van de lamellaire monsterhouder.
Het proefstuk dat werd gebruikt voor de doorsneden had een diameter van 12,64 mm en een dikte van ongeveer 2,03 mm, terwijl de in het vlak liggende proefstukken in stroken werden gesneden en op een lamellenmonsterhouder werden geplaatst met een randlengte van 10 mm en een dikte van ongeveer 2,30 mm. De meetparameters staan in tabel 1.
Tabel 1: LFA meetomstandigheden
| Temperatuurbereik | RT tot 1100°C |
|---|---|
| Monsterhouder |
|
| Afmeting monster |
|
| Coating | Grafiet |
| Atmosfeer | Argon |
| Verwarmingssnelheid | Variabel tot 10 tot 20 K/min |
| Energie | 650 V; 600 μs |
Resultaten en discussie
Figuur 4 laat zien dat de onderzochte vezelversterkte composiet een duidelijk uitgesproken anisotroop warmtegeleidingsprofiel vertoont. Zelfs bij kamertemperatuur is het duidelijk dat de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie langs de vezelrichting aanzienlijk hoger is dan die loodrecht op de vezel. Het verschil is ongeveer 16%, wat kan worden toegeschreven aan de voorkeursrichting van de warmtegeleiding langs de vezelstructuur. In deze richting zorgen doorlopende vezelpaden voor een efficiënter energietransport, maar dwars op de vezel belemmeren interfaces en structurele inhomogeniteiten het warmtetransport aanzienlijker.
Naarmate de temperatuur stijgt, neemt dit anisotrope effect iets af, waarbij het verschil tussen de twee richtingen afneemt tot ongeveer 13%. Dit suggereert dat aanvullende mechanismen, zoals versterkte fonon-fonon interacties, de invloed van vezeloriëntatie relatief verzwakken naarmate de temperatuur toeneemt.
In het algemeen tonen de meetresultaten aan dat de vezeloriëntatie het thermisch transportgedrag significant beïnvloedt. Deze invloed wordt echter minder uitgesproken bij hogere temperaturen. De verkregen thermische diffusiegegevens vormen daarom een essentiële basis voor thermomechanische simulaties. Ze maken een realistische weergave van het gedrag van deze anisotrope materialen mogelijk en dragen aanzienlijk bij aan het veilig en efficiënt ontwerpen en implementeren van hoogwaardige materialen in industriële toepassingen.
Samenvatting
Laser flash analysis (LFA) maakt nauwkeurige bepaling van de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie mogelijk over een breed temperatuurbereik, inclusief hoge bedrijfstemperaturen. Met behulp van speciale monsterhouders kan de anistropie van materialen worden bepaald.
Met name de lamellaire monsterhouder maakt het mogelijk om de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie in de vlakke richting te onderzoeken, als aanvulling op de traditionele doorvlakmeting. Dit maakt het mogelijk om anisotrope thermische eigenschappen experimenteel te meten, zelfs bij hoge temperaturen. Dit is essentieel voor het begrijpen van richtingsafhankelijke warmtegeleidingsmechanismen en voor het realistisch ontwerpen van hoogwaardige materialen.