Введение
CFRP (пластик, армированный углеродным волокном) и GFRP (пластик, армированный стекловолокном) незаменимы в многочисленных высокотехнологичных областях применения благодаря своим уникальным свойствам материалов. Их ключевыми характеристиками являются высокая прочность в сочетании с малым весом. Это, наряду с низкой теплопроводностью, делает их идеальными для высокотехнологичных применений в аэрокосмической, автомобильной промышленности и электронике. Особую роль в их применении играют направленные (анизотропные) тепловые свойства, поскольку теплопроводность вдоль волокон выше, чем поперек. Слоистая структура позволяет ориентировать волокна для направленного отвода тепла или эффективной изоляции участков. Такая гибкость позволяет создавать индивидуальные решения, например, минимизировать колебания температуры в спутниках или регулировать тепло в батареях.
Условия и результаты измерений
Для определения тепловых свойств особенно хорошо подходит лазерный анализ/анализ световой вспышки. Сначала определяется теплопроводность, которая является функцией направления, с помощью такого прибора, как LFA 717 HyperFlash®. Затем данные о плотности и удельной теплоемкости могут быть применены для расчета теплопроводности, которая также является функцией направления. Условия измерения подробно описаны в таблице 1.
Таблица 1: Параметры измерений
| Аналитический прибор | LFA 717 HyperFlash® |
|---|---|
| Размер образца | 10 мм x 10 мм x 2,5 мм - сквозная плоскость Несколько полосок размером 10 мм x 2,5 мм - в плоскости |
| Держатели образцов | квадрат 10 мм - сквозная плоскость держатель образцов из ламината 10 мм - в плоскости |
Температура точки | от 20 до 150°C с шагом 10 K |
| Атмосфера | 100 мл/мин, N2 |
На рис. 1 показана тепловая диффузия GFRP в направлении сквозной плоскости (перпендикулярно волокну) и в направлении внутренней плоскости (параллельно волокну). Теплопроводность немного уменьшается с повышением температуры. Между 110°C и 130°C наблюдается изменение градиента small, что свидетельствует о стекловании полимерной матрицы. Тепловая диффузия в плоскости примерно на 35-40 % выше, чем в направлении сквозной плоскости.
Материал CFRP аналогично показан на рисунке 2. Опять же, тепловая диффузия в плоскости выше, чем тепловая диффузия через плоскость.
Для углепластикового материала разница между направлениями значительно больше, чем для материала GFRP. Она составляет не 35-40 %, как для образца из GFRP, а 500-600 %. Такая разительная разница объясняется наличием углеродных волокон, которые обладают гораздо большей теплопроводностью, чем стекловолокно. Это особенно хорошо видно на рисунке 3, где обобщены результаты всех измерений.
Заключение
Метод LFA также позволяет определить тепловую диффузию и теплопроводность в зависимости от направления, предоставляя важные данные для проектирования и строительства высокотехнологичных объектов.