Introducere
În domeniul ingineriei la temperaturi ridicate, există o cerere tot mai mare de materiale care pot funcționa fiabil chiar și în condiții termice extreme. Materialele care pot rezista la temperaturi ridicate și la gradienți de temperatură puternici pe termen lung sunt deosebit de importante. Compozitele din fibre ceramice s-au impus ca o soluție de înaltă performanță în acest context. Acestea sunt utilizate în principal pentru a proteja de căldură componentele sensibile și puternic încărcate. Printre aplicațiile tipice se numără căptușelile camerelor de combustie și componentele structurale din industria de proces.
Datorită structurii lor stratificate, aceste materiale prezintă proprietăți pronunțate în funcție de direcție. În consecință, proprietățile lor termice pot varia semnificativ în funcție de orientarea fibrelor. Prin urmare, pentru proiectarea precisă a componentelor cu temperaturi ridicate, este esențială înțelegerea exactă a transportului de căldură în funcție de alinierea fibrelor.
Metodă și condiții de măsurare
Analiza flash cu laser (LFA, principiul de măsurare din figura 1) este utilizată pentru a determina difuzivitatea termică, α, a unui material. Combinată cu densitatea, ρ, și capacitatea termică specifică cunoscută, 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, se poate calcula conductivitatea termică, λ (λ = α - 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 - ρ).
În timpul măsurării, partea inferioară a probei este încălzită de un impuls laser scurt, iar creșterea temperaturii pe partea opusă este înregistrată de un detector în infraroșu. Difuzivitatea termică poate fi apoi determinată din curba temperaturii în timp, utilizând modelul matematic adecvat.
Măsurătorile au fost efectuate pe un compozit din fibre ceramice folosind LFA 707 StratoFlash®Classic în intervalul de temperatură de la temperatura camerei la 1100°C, reflectând astfel condițiile reale de funcționare ale materialelor.
Au fost utilizate două suporturi de probe diferite: un suport standard (figura 2) pentru a determina proprietățile termice în direcția planului transversal și un suport de probe lamelar pentru a analiza proprietățile în plan.
Figura 3 prezintă schemele de preparare a probelor atunci când se utilizează suportul lamelar pentru probe.
Eșantionul utilizat pentru măsurarea în plan a avut un diametru de 12,64 mm și o grosime de aproximativ 2,03 mm, în timp ce eșantioanele în plan au fost tăiate în benzi și plasate pe un suport de eșantion lamelar cu o lungime a marginii de 10 mm și o grosime de aproximativ 2,30 mm. Parametrii de măsurare sunt detaliați în tabelul 1.
Tabelul 1: Condiții de măsurare LFA
| Interval de temperatură | RT până la 1100°C |
|---|---|
| Suport de probă |
|
| Dimensiunea probei |
|
| Acoperire | Grafit |
| Atmosferă | Argon |
| Rata de încălzire | Variabilă până la 10-20 K/min |
| Energie | 650 V; 600 μs |
Rezultate și discuții
Figura 4 arată că compozitul ranforsat cu fibre investigat prezintă un profil de conductivitate termică anizotropic clar pronunțat. Chiar și la temperatura camerei, este evident că difuzivitatea termică de-a lungul direcției fibrelor este semnificativ mai mare decât cea perpendiculară pe fibre. Diferența este de aproximativ 16%, ceea ce poate fi atribuit direcției preferențiale a conducției termice de-a lungul structurii fibroase. În această direcție, traseele continue ale fibrelor permit un transport mai eficient al energiei; cu toate acestea, de-a lungul fibrei, interfețele și neomogenitățile structurale împiedică transportul căldurii în mod mai semnificativ.
Pe măsură ce temperatura crește, acest efect anizotropic scade ușor, diferența dintre cele două direcții scăzând la aproximativ 13%. Acest lucru sugerează că mecanismele suplimentare, cum ar fi interacțiunile fonon-fonon îmbunătățite, slăbesc relativ influența orientării fibrelor pe măsură ce temperatura crește.
În general, rezultatele măsurătorilor demonstrează că orientarea fibrelor influențează semnificativ comportamentul transportului termic. Cu toate acestea, această influență devine mai puțin pronunțată la temperaturi mai ridicate. Prin urmare, datele privind difuzivitatea termică obținute oferă o bază esențială pentru simulările termomecanice. Acestea permit o reprezentare realistă a comportamentului acestor materiale anizotrope și contribuie semnificativ la proiectarea și implementarea sigură și eficientă a materialelor de înaltă performanță în aplicații industriale.
Rezumat
Analiza cu bliț laser (LFA) permite determinarea precisă a difuzivității termice pe o gamă largă de temperaturi, inclusiv temperaturi de funcționare ridicate. Utilizarea unor suporturi speciale pentru probe permite determinarea anistropiei materialelor.
În special, suportul de probă lamelar facilitează investigarea difuzivității termice în direcția în plan, completând măsurarea tradițională prin plan. Acest lucru face posibilă măsurarea experimentală a proprietăților termice anizotrope, chiar și la temperaturi ridicate. Acest lucru este esențial pentru înțelegerea mecanismelor de conducere a căldurii în funcție de direcție și pentru proiectarea realistă a materialelor de înaltă performanță.