Introdução
No campo da engenharia de alta temperatura, há uma demanda crescente por materiais que possam ter um desempenho confiável mesmo sob condições térmicas extremas. Os materiais que podem suportar altas temperaturas e fortes gradientes de temperatura a longo prazo são de particular importância. Os compostos de fibra cerâmica se estabeleceram como uma solução de alto desempenho nesse contexto. Eles são usados principalmente para proteger do calor os componentes sensíveis e altamente carregados. As aplicações típicas incluem revestimentos de câmaras de combustão e componentes estruturais no setor de processos.
Devido à sua estrutura em camadas, esses materiais apresentam propriedades pronunciadas que dependem da direção. Consequentemente, suas propriedades térmicas podem variar significativamente, dependendo da orientação da fibra. Portanto, para o projeto preciso de componentes de alta temperatura, é essencial compreender com precisão o transporte de calor em função do alinhamento das fibras.
Método e condições de medição
A análise de flash a laser (LFA, princípio de medição na figura 1) é usada para determinar a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica, α, de um material. Combinada com a DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade, ρ, e a capacidade de calor específica conhecida, Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade térmica específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp, a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica, λ, pode ser calculada (λ = α - Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade térmica específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp - ρ).
Durante a medição, a parte inferior da amostra é aquecida por um pulso curto de laser, e o aumento de temperatura no lado oposto é registrado por um detector de infravermelho. A Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica pode então ser determinada a partir da curva de temperatura ao longo do tempo usando o modelo matemático apropriado.
As medições foram realizadas em um composto de fibra cerâmica usando o LFA 707 StratoFlash®Classic na faixa de temperatura de temperatura ambiente a 1100°C, refletindo assim as condições reais de operação dos materiais.
Foram usados dois suportes de amostra diferentes: um suporte padrão (figura 2) para determinar as propriedades térmicas na direção do plano de passagem e um suporte de amostra lamelar para analisar as propriedades no plano.
A Figura 3 mostra os esquemas para a preparação da amostra ao usar o suporte de amostra lamelar.
O corpo de prova usado para a medição através do plano tinha um diâmetro de 12,64 mm e uma espessura de cerca de 2,03 mm, enquanto os corpos de prova no plano foram cortados em tiras e colocados em um suporte de amostra lamelar com um comprimento de borda de 10 mm e uma espessura de aproximadamente 2,30 mm. Os parâmetros de medição estão detalhados na tabela 1.
Tabela 1: Condições de medição do LFA
| Faixa de temperatura | RT a 1100°C |
|---|---|
| Suporte de amostra |
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| Tamanho da amostra |
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| Revestimento | Grafite |
| Atmosfera | Argônio |
| Taxa de aquecimento | Variável até 10 a 20 K/min |
| Energia | 650 V; 600 μs |
Resultados e discussão
A Figura 4 mostra que o compósito reforçado com fibra investigado apresenta um perfil de Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica anisotrópica claramente pronunciado. Mesmo à temperatura ambiente, é evidente que a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica ao longo da direção da fibra é notavelmente maior do que a perpendicular à fibra. A diferença é de aproximadamente 16%, o que pode ser atribuído à direção preferencial da condução de calor ao longo da estrutura da fibra. Nessa direção, os caminhos contínuos da fibra permitem um transporte de energia mais eficiente; no entanto, ao longo da fibra, as interfaces e as inomogeneidades estruturais dificultam o transporte de calor de forma mais significativa.
Com o aumento da temperatura, esse efeito anisotrópico diminui ligeiramente, com a diferença entre as duas direções diminuindo para cerca de 13%. Isso sugere que mecanismos adicionais, como interações fônon-fônon aprimoradas, enfraquecem relativamente a influência da orientação da fibra à medida que a temperatura aumenta.
De modo geral, os resultados das medições demonstram que a orientação da fibra influencia significativamente o comportamento do transporte térmico. Entretanto, essa influência se torna menos pronunciada em temperaturas mais altas. Os dados de Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica obtidos fornecem, portanto, uma base essencial para simulações termomecânicas. Eles permitem uma representação realista do comportamento desses materiais anisotrópicos e contribuem significativamente para o projeto e a implementação seguros e eficientes de materiais de alto desempenho em aplicações industriais.
Resumo
A análise de flash a laser (LFA) permite a determinação precisa da Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica em uma ampla faixa de temperatura, incluindo altas temperaturas de operação. O uso de suportes de amostras especiais permite a determinação da anistropia dos materiais.
Em especial, o suporte de amostra lamelar facilita a investigação da Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica na direção do plano, complementando a medição tradicional através do plano. Isso possibilita a medição experimental de propriedades térmicas anisotrópicas, mesmo em temperaturas elevadas. Isso é essencial para compreender os mecanismos de condução de calor dependentes da direção e para o projeto realista de materiais de alto desempenho.