Introducere
Compozitele din fibre de carbon/carbon (C/C) și carbon/carbură de carbon-siliciu (C/C-SiC) sunt materiale de înaltă performanță de vârf, proiectate pentru medii termice și mecanice extreme. Caracteristicile lor definitorii includ un raport rezistență/greutate remarcabil și o stabilitate excepțională la temperaturi ridicate. Clasa de materiale C/C este utilizată în principal în aplicații aerospațiale, cum ar fi scuturile termice pentru reintrarea în atmosferă, în timp ce C/C-SiC este utilizată în sistemele de frânare de înaltă performanță pentru aeronave, mașini de curse și trenuri de mare viteză [1]. În plus, biocompatibilitatea și inerția excelente ale compozitelor C/C le fac neprețuite pentru domeniile medicale de nișă, cum ar fi implanturile ortopedice și componentele valvelor cardiace protetice.
O proprietate esențială a ambelor clase de materiale este conductivitatea termică, care este semnificativ mai mare decât cea a ceramicii structurale convenționale și este esențială pentru gestionarea căldurii. Materialele compozite C/C puternic grafitizate pot prezenta o conductivitate termică în plan comparabilă sau chiar mai mare decât cea a metalelor refractare precum tungstenul și tantalul [2]. Deși prezintă în general o conductivitate mai scăzută datorită matricei SiC, compozitele C/C-SiC oferă totuși avantaje de performanță semnificative față de majoritatea ceramicii. Această disipare extrem de eficientă a căldurii din structurile solicitate termic previne supraîncălzirea locală, tensiunile termice și eventualele defecțiuni structurale. Combinația crucială de stabilitate mecanică, dilatare termică redusă și eliminare eficientă a căldurii face ca compozitele C/C și C/C-SiC să fie deosebit de promițătoare pentru aplicațiile energetice exigente din viitor, cum ar fi componentele din cadrul sistemelor reactoarelor de generația IV și de fuziune [3].
Măsurarea conductivității termice
Determinarea precisă a conductivității termice în domeniul temperaturilor ridicate poate fi obținută numai utilizând analiza cu bliț laser (LFA) în combinație cu calorimetria diferențială cu baleiaj (DSC) și dilatometria (DIL) sau analiza termomecanică (TMA). Toate aceste metode contribuie la calcularea conductivității termice (λ) în conformitate cu următoarea ecuație (ecuația 1, [4]):
Difuzivitatea termică, α, este determinată cu ajutorul LFA; 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, cu ajutorul DSC; iar variația densității în funcție de temperatură, ρ, este calculată cu ajutorul expansiunii termice pe baza măsurătorilor cu dilatometru sau TMA. Toate proprietățile depind de temperatură (T) și trebuie caracterizate în întregul interval de temperatură de interes pentru a determina cu exactitate conductivitatea termică. Aceasta este o provocare majoră, în special în domeniul temperaturilor ridicate de până la 2000°C și peste.
Experimental
Probele de C/C și C/C-SiC au fost examinate utilizând LFA 427 și DSC 500 Pegasus® în combinație cu datele de dilatare termică până la 1300°C și, respectiv, puțin sub 2000°C. Parametrii de măsurare pentru măsurătorile LFA și DSC sunt detaliați în tabelele 1 și 2.
Tabelul 1: Parametrii de măsurare LFA
| Model LFA | LFA 427 cu cuptor la 2000°C |
|---|---|
| Eșantion | 1 x C/C, 1 x C/C-SiC |
Eșantion dimensiuni | Ø12,7 mm; grosime aprox. 3 mm |
| Suportul probei | 12.7 mm grafit |
| Acoperire | Niciuna |
| Atmosferă | Argon (120 ml/min) |
Temperatură puncte | C/C-SiC: RT/400/1000/1300 C/C: RT/400/1000/1300/1500/1700/1990 |
Tabelul 2: Parametrii de măsurare DSC
Model DSC și cuptor | DSC 500 Pegasus® cu rodiu cuptor |
|---|---|
Purtător de probă/ termocuplu | DSC 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 / Typ S |
| Eșantioane | 1 x C/C, 1 x C/C-SiC |
| Masa probei | C/C: 38.000 mg C/C-SiC: 59.713 mg |
| Creuzet | Grafit cu capac și spălător Al2O3 |
| Atmosferă | Argon (70 ml/min) |
Temperatură program | C/C: RT - 1400°C la 20 K/min C/C-SiC: RT - 1300°C la 20 K/min |
Calibrare standard | C/C-SiC: RT/400/1000/1300 Grafit POCO |
Rezultate și discuții
Figurile 1 și 2 prezintă capacitatea termică specifică a probelor C/C și C/C-SiC la temperaturi cuprinse între temperatura camerei și ~1400°C într-o atmosferă de argon. În conformitate cu teoria Debye, valorile 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 cresc odată cu creșterea temperaturii. În urma măsurătorilor, s-a observat o pierdere de masă de aproximativ 0,15% pentru proba C/C și de aproximativ 0,06% pentru proba C/C-SiC.
Trebuie remarcat faptul că determinarea 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 ar putea fi efectuată teoretic și cu ajutorul LFA. Cu toate acestea, structura anizotropă a probelor face acest lucru nepotrivit.
2Măsurătorile DSC au fost efectuate la 1300°C și, respectiv, 1400°C. La examinarea probelor de carbon se utilizează în general creuzete de grafit. În plus, discurile de Al₂O₃ sunt poziționate între creuzetul de grafit și suportul de probe din Pt/Rh pentru a proteja senzorul și a preveni interacțiunile dintre materiale la temperaturi ridicate. Utilizarea creuzetului de grafit este garantată și aprobată tehnic până la 1400°C. Cu toate acestea, la temperaturi mai ridicate, sunt de așteptat interacțiuni între grafit și Al₂O₃. Pentru a calcula conductivitatea termică până la 2000°C, capacitatea termică specifică a probei C/C a fost extrapolată din datele de măsurare DSC până la 1400°C.
Figurile 3 și 4 prezintă proprietățile termofizice ale celor două probe.
Așa cum era de așteptat pentru majoritatea materialelor din cauza interacțiunii fonon-fonon mai puternice la temperaturi mai ridicate, atât temperatura, cât și conductivitatea termică scad odată cu creșterea temperaturii în ambele probe.
Deoarece difuzivitatea termică, α, depinde de grosimea probei, d, printre altele (a se vedea ecuația 2, [1]), valorile au fost corectate folosind date privind expansiunea termică.
Dacă expansiunea termică nu este corectată, trebuie să ne așteptăm la o creștere a erorii la temperaturi mai ridicate.
Pentru a calcula conductivitatea termică, au fost luate în considerare capacitatea termică specifică din măsurătorile DSC (parțial extrapolată) și densitatea dependentă de temperatură prin expansiune termică (presupunând un corp izotrop). Semnalele LFA au fost evaluate utilizând modelul standard Cape-Lehman pentru materiale omogene și izotrope.
Figura 5 prezintă o comparație a conductivității termice a celor două probe. Proba C/C prezintă valori semnificativ mai mari decât proba C/C-SiC.
Rezumat
Determinarea precisă a conductivității termice în domeniul temperaturilor ridicate ridică mai multe provocări și necesită selectarea metodelor de măsurare adecvate. Structura probelor trebuie, de asemenea, luată în considerare. Exemplul materialelor de înaltă performanță C/C și C/C-SiC arată că LFA 427 și DSC 500 Pegasus®, împreună cu dilatarea termică, sunt indispensabile pentru determinarea conductivității termice în domeniul temperaturilor înalte, la fel ca trio-ul LFA, DSC și DIL/TMA.