Введение
Углерод/углеродные (C/C) и углерод/углерод-карбид кремния (C/C-SiC) волокнистые композиты - ведущие высокоэффективные материалы, разработанные для экстремальных тепловых и механических условий. Их отличительными особенностями являются превосходное соотношение прочности и веса и исключительная стабильность при высоких температурах. Материалы класса C/C в основном используются в аэрокосмической отрасли, например, в теплозащитных экранах при входе в атмосферу, а C/C-SiC - в высокоэффективных тормозных системах самолетов, гоночных автомобилей и высокоскоростных поездов [1]. Кроме того, отличная биосовместимость и инертность композитов C/C делают их незаменимыми в нишевых областях медицины, таких как ортопедические имплантаты и компоненты протезов сердечных клапанов.
Ключевым свойством обоих классов материалов является их теплопроводность, которая значительно выше, чем у обычной конструкционной керамики, и имеет решающее значение для управления теплом. Высокографитизированные композиты C/C могут демонстрировать теплопроводность в плоскости, сравнимую или даже превышающую теплопроводность тугоплавких металлов, таких как вольфрам и тантал [2]. Несмотря на более низкую теплопроводность, обусловленную наличием SiC-матрицы, композиты C/C-SiC обладают значительными преимуществами по сравнению с большинством керамических материалов. Высокоэффективный отвод тепла от термонагруженных структур предотвращает локальный перегрев, тепловые напряжения и потенциальное разрушение конструкции. Важнейшее сочетание механической стабильности, низкого теплового расширения и эффективного отвода тепла делает композиты C/C и C/C-SiC особенно перспективными для сложных будущих энергетических приложений, таких как компоненты реакторов поколения IV и термоядерных реакторов [3].
Измерения теплопроводности
Точное определение теплопроводности в высокотемпературном диапазоне возможно только с помощью лазерного анализа вспышки (LFA) в сочетании с дифференциальной сканирующей калориметрией (DSC) и дилатометрией (DIL) или термомеханическим анализом (TMA). Все эти методы позволяют рассчитать теплопроводность (λ) в соответствии со следующим уравнением (уравнение 1, [4]):
Теплопроводность, α, определяется с помощью LFA; удельная теплоемкость, Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp, - с помощью DSC; а изменение плотности в зависимости от температуры, ρ, рассчитывается с помощью теплового расширения на основе измерений дилатометром или TMA. Все свойства зависят от температуры (T), и для точного определения теплопроводности необходимо охарактеризовать их во всем интересующем диапазоне температур. Это представляет собой серьезную проблему, особенно в высокотемпературном диапазоне до 2000°C и выше.
Экспериментальный
Образцы C/C и C/C-SiC были исследованы с помощью LFA 427 и DSC 500 Pegasus® в сочетании с данными о тепловом расширении до 1300°C и чуть менее 2000°C, соответственно. Параметры измерений LFA и DSC подробно описаны в таблицах 1 и 2.
Таблица 1: Параметры измерения LFA
| Модель LFA | LFA 427 с печью 2000°C |
|---|---|
| Образец | 1 x C/C, 1 x C/C-SiC |
Образец размеры | Ø12,7 мм; толщина около 3 мм |
| Держатель образца | 12.7 мм графит |
| Покрытие | Нет |
| Атмосфера | Аргон (120 мл/мин) |
Температура точки | C/C-SiC: RT/400/1000/1300 C/C: RT/400/1000/1300/1500/1700/1990 |
Таблица 2: Параметры измерения ДСК
Модель ДСК и печь | DSC 500 Pegasus® с родием печь |
|---|---|
Держатель образца термопара | DSC Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp / Typ S |
| Образцы | 1 x C/C, 1 x C/C-SiC |
| Масса образца | C/C: 38.000 мг C/C-SiC: 59,713 мг |
| Тигель | Графит с крышкой и шайбой из Al2O3 |
| Атмосфера | Аргон (70 мл/мин) |
Температура программа | C/C: RT - 1400°C при 20 K/мин C/C-SiC: RT - 1300°C при 20 К/мин |
Калибровка стандарт | C/C-SiC: RT/400/1000/1300 Графит POCO |
Результаты и обсуждение
На рис. 1 и 2 показаны удельные теплоемкости образцов C/C и C/C-SiC при температурах от комнатной до ~1400°C в атмосфере аргона. В соответствии с теорией Дебая, значения удельной теплоемкости увеличиваются с ростом температуры. После измерений наблюдалась потеря массы около 0,15 % для образца C/C и около 0,06 % для образца C/C-SiC.
Следует отметить, что определение Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp теоретически может быть проведено и с помощью LFA. Однако анизотропная структура образцов делает это неприемлемым.
2Измерения ДСК проводились при 1300°C и 1400°C, соответственно. При исследовании образцов углерода обычно используются графитовые тигли. Кроме того, между графитовым тиглем и держателем образца Pt/Rh помещаются диски из Al₂O₃ для защиты датчика и предотвращения взаимодействия между материалами при высоких температурах. Использование графитового тигля гарантировано и технически одобрено при температуре до 1400°C. Однако при более высоких температурах следует ожидать взаимодействия между графитом и Al₂O₃. Для расчета теплопроводности до 2000°C удельная теплоемкость образца C/C была экстраполирована из данных измерений ДСК до 1400°C.
На рисунках 3 и 4 представлены теплофизические свойства двух образцов.
Как и ожидалось для большинства материалов из-за более сильного фонон-фононного взаимодействия при высоких температурах, температура и теплопроводность уменьшаются с ростом температуры в обоих образцах.
Поскольку теплопроводность, α, зависит, помимо прочего, от толщины образца, d (см. уравнение 2, [1]), значения были скорректированы с учетом данных о тепловом расширении.
Если не корректировать тепловое расширение, то при более высоких температурах следует ожидать увеличения погрешности.
Для расчета теплопроводности учитывались удельная теплоемкость из измерений ДСК (частично экстраполированная) и зависящая от температуры плотность через тепловое расширение (в предположении изотропного тела). Сигналы LFA оценивались с помощью стандартной модели Кейпа-Лехмана для однородных и изотропных материалов.
На рисунке 5 показано сравнение теплопроводности двух образцов. Образец C/C демонстрирует значительно более высокие значения, чем образец C/C-SiC.
Резюме
Точное определение теплопроводности в высокотемпературном диапазоне сопряжено с рядом трудностей и требует выбора соответствующих методов измерения. Необходимо также учитывать структуру образцов. На примере высокоэффективных материалов C/C и C/C-SiC показано, что для определения теплопроводности в высокотемпературном диапазоне незаменимы LFA 427 и DSC 500 Pegasus®, а также тепловое расширение, и трио LFA, DSC и DIL/TMA.