Wprowadzenie
CFRP (tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem węglowym) i GFRP (tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem szklanym) są niezbędne w wielu zaawansowanych technologicznie zastosowaniach ze względu na ich unikalne właściwości materiałowe. Ich kluczowe cechy to wysoka wytrzymałość w połączeniu z niską wagą. To, wraz z niską przewodnością cieplną, czyni je idealnymi do zaawansowanych technologicznie zastosowań w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym i elektronicznym. Ich kierunkowe (anizotropowe) właściwości termiczne odgrywają szczególną rolę w ich zastosowaniu, ponieważ Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna wzdłuż włókien jest wyższa niż w ich poprzek. Warstwowa struktura pozwala na ukierunkowanie włókien w taki sposób, aby rozpraszały ciepło w ukierunkowany sposób lub skutecznie izolowały obszary. Ta elastyczność umożliwia tworzenie rozwiązań dostosowanych do indywidualnych potrzeb, takich jak minimalizacja wahań temperatury w satelitach lub regulacja ciepła w akumulatorach.
Warunki pomiaru i wyniki
Do określania właściwości termicznych szczególnie dobrze nadaje się analiza laserowa/błyskowa. Początkowo dyfuzyjność cieplna - która jest funkcją kierunku - jest określana za pomocą przyrządu takiego jak LFA 717 HyperFlash®. Następnie dane dotyczące gęstości i pojemności cieplnej właściwej mogą być wykorzystane do obliczenia przewodności cieplnej, która jest również funkcją kierunku. Warunki pomiaru są wyszczególnione w tabeli 1.
Tabela 1: Parametry pomiaru
| Instrument analityczny | LFA 717 HyperFlash® |
|---|---|
| Rozmiar próbki | 10 mm x 10 mm x 2,5 mm - płaszczyzna przelotowa Kilka pasków o wymiarach 10 mm x 2,5 mm - w płaszczyźnie |
| Uchwyty próbek | kwadrat 10 mm - płaszczyzna przelotowa uchwyt na próbkę z laminatu 10 mm - w płaszczyźnie |
Temperatura punkty | 20 do 150°C w krokach co 10 K |
| Atmosfera | 100 ml/min, N2 |
Rysunek 1 przedstawia dyfuzyjność cieplną GFRP w kierunku przelotowym (prostopadle do włókna) i w kierunku płaszczyzny (równolegle do włókna). Dyfuzyjność cieplna nieznacznie spada wraz ze wzrostem temperatury. Pomiędzy 110°C a 130°C można zaobserwować zmianę gradientu small, wskazującą na zeszklenie matrycy polimerowej. Dyfuzyjność cieplna w płaszczyźnie jest o około 35 do 40% wyższa niż w kierunku przelotowym.
Materiał CFRP jest podobnie pokazany na rysunku 2. Ponownie, dyfuzyjność cieplna w płaszczyźnie jest wyższa niż dyfuzyjność cieplna w płaszczyźnie.
W przypadku materiału CFRP różnica między kierunkami jest znacznie większa niż w przypadku materiału GFRP. Nie jest to 35 do 40%, jak w przypadku próbki GFRP, ale 500 do 600%. Ta uderzająca różnica wynika z włókien węglowych, które mają znacznie wyższą dyfuzyjność cieplną niż włókna szklane. Jest to szczególnie widoczne na rysunku 3, który podsumowuje wszystkie pomiary.
Wnioski
Metoda LFA może również określać dyfuzyjność cieplną i przewodność cieplną w funkcji kierunku, dostarczając ważnych danych do projektowania i budowy zaawansowanych technologicznie aplikacji.