Wprowadzenie
W dziedzinie inżynierii wysokotemperaturowej rośnie zapotrzebowanie na materiały, które mogą działać niezawodnie nawet w ekstremalnych warunkach termicznych. Szczególne znaczenie mają materiały, które mogą wytrzymać wysokie temperatury i silne gradienty temperatury w długim okresie czasu. Kompozyty z włókien ceramicznych stały się w tym kontekście wysokowydajnym rozwiązaniem. Są one wykorzystywane przede wszystkim do ochrony wrażliwych i mocno obciążonych komponentów przed wysoką temperaturą. Typowe zastosowania obejmują okładziny komór spalania i elementy konstrukcyjne w przemyśle przetwórczym.
Ze względu na swoją warstwową strukturę, materiały te charakteryzują się wyraźnymi właściwościami zależnymi od kierunku. W związku z tym ich właściwości termiczne mogą się znacznie różnić w zależności od orientacji włókien. Do precyzyjnego projektowania komponentów wysokotemperaturowych niezbędne jest zatem dokładne zrozumienie transportu ciepła w funkcji ułożenia włókien.
Metoda i warunki pomiaru
Laserowa analiza błyskowa (LFA, zasada pomiaru na rysunku 1) służy do określania dyfuzyjności cieplnej, α, materiału. W połączeniu z gęstością, ρ, i znaną pojemnością cieplną właściwą, 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, można obliczyć przewodność cieplną, λ, (λ = α - 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 - ρ).
Podczas pomiaru dolna część próbki jest podgrzewana krótkim impulsem laserowym, a wzrost temperatury po przeciwnej stronie jest rejestrowany przez detektor podczerwieni. Dyfuzyjność cieplna może być następnie określona na podstawie krzywej temperatury w czasie przy użyciu odpowiedniego modelu matematycznego.
Pomiary przeprowadzono na kompozycie z włókien ceramicznych przy użyciu urządzenia LFA 707 StratoFlash®Classic w zakresie temperatur od temperatury pokojowej do 1100°C, co odzwierciedla rzeczywiste warunki pracy materiałów.
Zastosowano dwa różne uchwyty próbek: uchwyt standardowy (rysunek 2) do określenia właściwości termicznych w kierunku przelotowym oraz uchwyt próbek lamelarnych do analizy właściwości w płaszczyźnie.
Rysunek 3 przedstawia schemat przygotowania próbki przy użyciu uchwytu do próbek płytkowych.
Próbka użyta do pomiaru w płaszczyźnie miała średnicę 12,64 mm i grubość około 2,03 mm, podczas gdy próbki w płaszczyźnie zostały pocięte na paski i umieszczone na płytkowym uchwycie próbki o długości krawędzi 10 mm i grubości około 2,30 mm. Parametry pomiarowe zostały wyszczególnione w tabeli 1.
Tabela 1: Warunki pomiaru LFA
| Zakres temperatur | RT do 1100°C |
|---|---|
| Uchwyt próbki |
|
| Rozmiar próbki |
|
| Powłoka | Grafit |
| Atmosfera | Argon |
| Szybkość nagrzewania | Zmienna do 10 do 20 K/min |
| Energia | 650 V; 600 μs |
Wyniki i dyskusja
Rysunek 4 pokazuje, że badany kompozyt wzmocniony włóknami wykazuje wyraźny anizotropowy profil przewodności cieplnej. Nawet w temperaturze pokojowej wyraźnie widać, że dyfuzyjność cieplna wzdłuż kierunku włókien jest znacznie wyższa niż w kierunku prostopadłym do włókien. Różnica wynosi około 16%, co można przypisać preferencyjnemu kierunkowi przewodzenia ciepła wzdłuż struktury włókien. W tym kierunku ciągłe ścieżki włókien umożliwiają bardziej wydajny transport energii; jednak w poprzek włókna interfejsy i niejednorodności strukturalne znacznie utrudniają transport ciepła.
Wraz ze wzrostem temperatury ten efekt anizotropowy nieznacznie maleje, a różnica między dwoma kierunkami spada do około 13%. Sugeruje to, że dodatkowe mechanizmy, takie jak wzmocnione interakcje fonon-fonon, stosunkowo osłabiają wpływ orientacji włókna wraz ze wzrostem temperatury.
Ogólnie rzecz biorąc, wyniki pomiarów pokazują, że orientacja włókna znacząco wpływa na zachowanie transportu termicznego. Jednak wpływ ten staje się mniej wyraźny w wyższych temperaturach. Uzyskane dane dotyczące dyfuzyjności cieplnej stanowią zatem istotną podstawę dla symulacji termomechanicznych. Umożliwiają one realistyczne odwzorowanie zachowania tych anizotropowych materiałów i znacząco przyczyniają się do bezpiecznego i wydajnego projektowania i wdrażania wysokowydajnych materiałów w zastosowaniach przemysłowych.
Podsumowanie
Laserowa analiza błyskowa (LFA) umożliwia precyzyjne określenie dyfuzyjności cieplnej w szerokim zakresie temperatur, w tym w wysokich temperaturach roboczych. Zastosowanie specjalnych uchwytów do próbek pozwala na określenie anistropii materiałów.
W szczególności, lamelarny uchwyt próbki ułatwia badanie dyfuzyjności cieplnej w kierunku płaszczyzny, uzupełniając tradycyjny pomiar w płaszczyźnie. Umożliwia to eksperymentalny pomiar anizotropowych właściwości termicznych, nawet w podwyższonych temperaturach. Ma to zasadnicze znaczenie dla zrozumienia mechanizmów przewodzenia ciepła zależnych od kierunku oraz dla realistycznego projektowania materiałów o wysokiej wydajności.