Introducere
Polieteretercetona (PEEK) este un termoplastic de înaltă performanță, utilizat pe scară largă în aplicații inginerești exigente datorită stabilității termice, rezistenței mecanice și rezistenței chimice excelente. Gradele comerciale, precum TECAPEEK® natural și TECAPEEK® GF30 natural, armat cu fibră de sticlă (Figura 1), fabricate de Ensinger, sunt utilizate în mod obișnuit pentru a adapta performanța materialului la aplicații specifice.
TECAPEEK® natural este un tip de PEEK neumplut, cu o DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate de ~1,31 g/cm³, în timp ce TECAPEEK® GF30 natural conține 30% fibră de sticlă și are o DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate de ~1,53 g/cm³. Ambele materiale suportă temperaturi de funcționare pe termen lung de ~250 până la 260 °C, iar conductivitățile termice raportate sunt de ~0,29 W/(m·K) (TECAPEEK® natural) și ~0,30 W/(m·K) (TECAPEEK® GF30 natural) [2, 3].
În această notă de aplicație, conductivitatea termică a materialelor TECAPEEK® natural și TECAPEEK® GF30 natural este evaluată în intervalul de temperatură cuprins între -10 °C și 250 °C, utilizând un debitmetru de flux termic protejat (GHFM) de la NETZSCH TCT 716 Lambda și un analizor cu flash laser (LFA) de la NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Materialele testate au fost furnizate de Ensinger ca stoc comercial, asigurând relevanța directă pentru aplicațiile din lumea reală. Acest interval de temperatură reflectă condițiile tipice de funcționare din industrii precum cea aerospațială, auto, electrotehnică și de prelucrare chimică, unde proprietățile de transport termic influențează disiparea căldurii și fiabilitatea componentelor. Datele experimentale prezentate în această notă de aplicare oferă inginerilor informații independente despre materialele disponibile pe piață, pentru a sprijini deciziile de proiectare în cazul în care astfel de date nu sunt disponibile.
Experimental
Metoda GHFM permite măsurarea directă, în regim staționar, a conductivității termice, oferind o evaluare simplă a transportului de căldură în condiții de echilibru. În schimb, LFA este o tehnică tranzitorie care măsoară difuzivitatea termică (α), care reflectă viteza cu care căldura se propagă printr-un material. Pentru a determina conductivitatea termică (λ) folosind această tehnică, difuzivitatea măsurată este combinată cu capacitatea termică specifică (Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp) și densitatea (ρ), determinate independent. Această relație se exprimă astfel:
Această abordare combinată permite validarea încrucișată între valorile conductivității termice directe și cele calculate, sporind încrederea în rezultatele măsurate.
Capacitatea termică specifică a fost determinată folosind un calorimetru cu scanare diferențială (DSC) DSC 300 Caliris® de la NETZSCH, în timp ce densitatea dependentă de temperatură a fost obținută din măsurătorile de dilatare termică efectuate cu ajutorul unui dilatometru (DIL) 402 Expedis® de la NETZSCH.
Măsurătorile au fost efectuate în intervalul de temperatură cuprins între -10 °C și 250 °C pentru a surprinde comportamentul în condiții tipice de utilizare, inclusiv în zona de tranziție vitroasă.
Rezultate și discuții
Capacitatea specifică de căldură (Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp) dependentă de temperatură a materialelor TECAPEEK® natural și TECAPEEK® GF30 natural a fost măsurată în vederea utilizării în calculele conductivității termice bazate pe metoda LFA (Figura 2). Pe întregul interval de temperatură, materialul nearmat prezintă valori ale Cp mai mari decât materialul armat cu fibră de sticlă, datorită contribuției mai mici la capacitatea termică a fibrelor anorganice. Ambele materiale prezintă o tranziție vitroasă distinctă, TECAPEEK® natural având un punct mediu în jur de 157 °C, în timp ce TECAPEEK® GF30 natural prezintă un punct mediu ușor mai scăzut, la 152 °C. Comportamentul tranziției vitroase a PEEK poate fi, de asemenea, monitorizat prin utilizarea DSC cu modulare de temperatură [4].
Expansiunea termică dependentă de temperatură a materialelor TECAPEEK® natural și TECAPEEK® GF30 natural a fost măsurată pentru a corecta grosimea probei în calculele difuzivității și densitatea în determinările conductivității termice (Figura 3); cu toate acestea, o analiză mai aprofundată a acestor date oferă, de asemenea, informații valoroase privind comportamentul materialului. Se observă o creștere pronunțată a dilatării în apropierea temperaturii de tranziție vitroasă (Tg), unde mobilitatea crescută a lanțurilor moleculare conduce la un coeficient mai mare de dilatare termică. În cazul materialului armat cu fibră de sticlă, dilatația este puternic influențată de anizotropia care rezultă din orientarea fibrelor, microstructură și istoricul procesării, ceea ce duce la un comportament dependent de direcția fibrelor [5].
Măsurătorile conductivității termice obținute din GHFM și LFA arată o concordanță puternică pe întregul interval de temperatură, ambele materiale prezentând o conductivitate crescătoare odată cu temperatura (Figura 4). TECAPEEK® GF30 natural demonstrează în mod constant o conductivitate termică mai mare decât TECAPEEK® natural, ceea ce se datorează căilor îmbunătățite de transfer termic asigurate de fibrele de sticlă.
Rezultatele privind conductivitatea termică obținute în cadrul acestui studiu sunt, de asemenea, în concordanță cu cele raportate în Nota de aplicație 327 a companiei NETZSCH [5], în special atât în ceea ce privește valorile absolute, cât și tendințele dependente de temperatură. În Nota de aplicație 327, conductivitatea termică determinată prin măsurarea directă cu GHFM și prin calcule indirecte cu LFA demonstrează o corelație strânsă atunci când se utilizează valori corespunzătoarepentru Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp și DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate. În mod similar, prezenta lucrare arată o concordanță excelentă între rezultatele obținute prin GHFM și LFA pe întregul interval de temperatură, abaterile rămânând în limitele incertitudinii experimentale tipice. În ansamblu, concordanța strânsă dintre acest studiu și lucrările anterioare confirmă fiabilitatea metodelor GHFM și LFA și validează aplicabilitatea acestor metode atât la sistemele PEEK neumplute, cât și la cele armate cu fibră de sticlă.
Rezumat
Conductivitatea termică a materialelor TECAPEEK® natural și TECAPEEK® GF30 natural a fost evaluată în intervalul de temperatură cuprins între -10 °C și 250 °C, utilizând un debitmetru de căldură protejat (GHFM) și analiza cu flash laser (LFA). Rezultatele arată că conductivitatea termică crește odată cu temperatura pentru ambele materiale, TECAPEEK® GF30 natural prezentând o conductivitate mai mare datorită transferului de căldură îmbunătățit prin armarea cu fibră de sticlă. Concordanța puternică dintre rezultatele obținute prin GHFM și LFA, combinată cu coerența cu studiile anterioare NETZSCH, demonstrează fiabilitatea acestor metode pentru caracterizarea termică.