Wprowadzenie
Polietereteroketon (PEEK) to wysokowydajny tworzywo termoplastyczne, szeroko stosowane w wymagających zastosowaniach inżynieryjnych ze względu na doskonałą stabilność termiczną, wytrzymałość mechaniczną i odporność chemiczną. Gatunki dostępne na rynku, takie jak TECAPEEK® naturalny oraz wzmocniony włóknem szklanym TECAPEEK® GF30 naturalny (rysunek 1), produkowane przez firmę Ensinger, są powszechnie stosowane w celu dostosowania właściwości materiału do konkretnych zastosowań.
TECAPEEK® natural to gatunek PEEK bez wypełniacza o gęstości ~1,31 g/cm³, natomiast TECAPEEK® GF30 natural zawiera 30% włókna szklanego i ma gęstość ~1,53 g/cm³. Oba materiały wytrzymują długotrwałe temperatury robocze w zakresie od ~250 do 260°C, a ich podawane przewodności cieplne wynoszą ~0,29 W/(m·K) (TECAPEEK® natural) oraz ~0,30 W/(m·K) (TECAPEEK® GF30 natural) [2, 3].
W niniejszej notatce aplikacyjnej oceniono przewodność cieplną materiałów TECAPEEK® natural i TECAPEEK® GF30 natural w zakresie temperatur od -10°C do 250°C przy użyciu chronionego miernika przepływu ciepła (GHFM) firmy NETZSCH TCT 716 Lambda oraz laserowego analizatora błyskowego (LFA) firmy NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Badane materiały zostały dostarczone przez firmę Ensinger jako produkty dostępne w handlu, co zapewnia ich bezpośrednie zastosowanie w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych. Zakres temperatur odzwierciedla typowe warunki eksploatacyjne w takich branżach, jak lotnictwo, motoryzacja, elektrotechnika i przetwórstwo chemiczne, gdzie właściwości przenoszenia ciepła wpływają na odprowadzanie ciepła i niezawodność komponentów. Dane eksperymentalne przedstawione w niniejszej nocie aplikacyjnej dostarczają inżynierom niezależnych informacji na temat materiałów dostępnych na rynku, które mogą pomóc w podejmowaniu decyzji projektowych w sytuacji, gdy takie dane są niedostępne.
Eksperymentalne
Metoda GHFM umożliwia bezpośredni pomiar przewodności cieplnej w stanie ustalonym, pozwalając na prostą ocenę transportu ciepła w warunkach równowagi. Natomiast LFA jest techniką przejściową, która mierzy dyfuzyjność cieplną (α), odzwierciedlającą szybkość, z jaką ciepło rozprzestrzenia się w materiale. Aby określić przewodność cieplną (λ) przy użyciu tej techniki, zmierzoną dyfuzyjność łączy się z niezależnie określoną ciepłem właściwym (Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp) i gęstością (ρ). Zależność tę wyraża się wzorem:
To połączone podejście umożliwia wzajemną weryfikację bezpośrednich i obliczonych wartości przewodności cieplnej, zwiększając wiarygodność wyników pomiarów.
Ciepło właściwe określono za pomocą kalorymetru różnicowego (DSC) typu skanującego ( NETZSCH ) DSC 300 Caliris®, natomiast gęstość zależną od temperatury uzyskano na podstawie pomiarów rozszerzalności cieplnej za pomocą dylatometru (DIL) NETZSCH 402 Expedis.
Pomiary przeprowadzono w zakresie temperatur od -10°C do 250°C w celu uchwycenia zachowania materiału w typowych warunkach eksploatacyjnych, w tym w obszarze przemiany szklistej.
Wyniki i dyskusja
W celu wykorzystania w obliczeniach przewodności cieplnej opartych na metodzie LFA zmierzono zależną od temperatury ciepło właściwe (Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp) materiałów TECAPEEK® natural i TECAPEEK® GF30 natural (rys. 2). W całym zakresie temperatur materiał niewypełniony wykazuje wyższe wartości Cp niż materiał wzmocniony włóknem szklanym ze względu na mniejszy wkład włókien nieorganicznych w pojemność cieplną. Oba materiały wykazują wyraźną przemianę szklistą, przy czym materiał TECAPEEK® naturalny osiąga punkt środkowy w temperaturze około 157°C, natomiast materiał TECAPEEK® GF30 naturalny wykazuje nieco niższy punkt środkowy wynoszący 152°C. Zachowanie PEEK podczas przemiany szklistej można również monitorować za pomocą DSC z modulacją temperaturyDSC z modulacją temperatury (TM-DSC) służy do oddzielenia wielu efektów termicznych, które występują w tym samym zakresie temperatur i nakładają się na krzywą DSC.DSC z modulacją temperatury [4].
Zmierzono zależną od temperatury rozszerzalność cieplną materiałów TECAPEEK® natural i TECAPEEK® GF30 natural w celu skorygowania grubości próbek w obliczeniach dyfuzyjności oraz gęstości w pomiarach przewodności cieplnej (rysunek 3); jednak dalsza analiza tych danych dostarcza również cennych informacji na temat zachowania materiałów. Wyraźny wzrost rozszerzalności obserwuje się w pobliżu temperatury zeszklenia (Tg), gdzie zwiększona ruchliwość łańcuchów prowadzi do wyższego współczynnika rozszerzalności cieplnej. W przypadku materiału wzmocnionego włóknem szklanym na rozszerzalność silny wpływ ma anizotropia wynikająca z orientacji włókien, mikrostruktury i historii przetwarzania, co skutkuje zachowaniem zależnym od kierunku włókien [5].
Pomiary przewodności cieplnej uzyskane dla GHFM i LFA wykazują wysoką zgodność w całym zakresie temperatur, przy czym oba materiały wykazują wzrost przewodności wraz ze wzrostem temperatury (rys. 4). TECAPEEK® GF30 natural konsekwentnie wykazuje wyższą przewodność cieplną niż TECAPEEK® natural, co przypisuje się ulepszonym ścieżkom przenoszenia ciepła zapewnianym przez włókna szklane.
Wyniki dotyczące przewodności cieplnej uzyskane w niniejszym badaniu są również zgodne z wynikami przedstawionymi w nocie aplikacyjnej nr 327 firmy NETZSCH [5], zwłaszcza jeśli chodzi o wartości bezwzględne oraz zależności od temperatury. W nocie aplikacyjnej nr 327 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 określona za pomocą bezpośrednich pomiarów metodą GHFM oraz pośrednich obliczeń metodą LFA wykazuje ścisłą korelację przy zastosowaniu prawidłowych wartościPojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp i gęstości. Podobnie, niniejsza praca wykazuje doskonałą spójność między wynikami metod GHFM i LFA w całym zakresie temperatur, przy czym odchylenia mieszczą się w granicach typowej niepewności eksperymentalnej. Ogólnie rzecz biorąc, ścisła zgodność między niniejszym badaniem a wcześniejszymi pracami potwierdza wiarygodność metod GHFM i LFA oraz potwierdza możliwość zastosowania tych metod zarówno do układów PEEK bez wypełniacza, jak i wzmocnionych włóknem szklanym.
Podsumowanie
Przewodność cieplną materiałów TECAPEEK® natural i TECAPEEK® GF30 natural oceniono w zakresie temperatur od -10°C do 250°C przy użyciu chronionego miernika przepływu ciepła (GHFM) oraz analizy laserowej (LFA). Wyniki pokazują, że 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 obu materiałów rośnie wraz z temperaturą, przy czym materiał TECAPEEK® GF30 natural wykazuje wyższą przewodność dzięki lepszemu przenoszeniu ciepła zapewnionemu przez wzmocnienie włóknem szklanym. Duża zgodność wyników uzyskanych metodami GHFM i LFA, w połączeniu z zgodnością z wynikami wcześniejszych badań opartych na metodzie „ NETZSCH ”, świadczy o wiarygodności tych metod w charakterystyce termicznej.