Введение
В области высокотемпературной техники растет спрос на материалы, которые могут надежно работать даже в экстремальных температурных условиях. Особое значение имеют материалы, способные выдерживать высокие температуры и сильные температурные градиенты в течение длительного времени. Композиты на основе керамического волокна зарекомендовали себя как высокоэффективное решение в этом контексте. В первую очередь они используются для защиты чувствительных и высоконагруженных компонентов от нагрева. Типичные области применения включают футеровку камер сгорания и структурные компоненты в обрабатывающей промышленности.
Благодаря своей слоистой структуре эти материалы обладают ярко выраженными свойствами, зависящими от направления. Следовательно, их тепловые свойства могут значительно отличаться в зависимости от ориентации волокон. Поэтому для точного проектирования высокотемпературных компонентов необходимо точное понимание переноса тепла в зависимости от ориентации волокон.
Метод и условия измерения
Анализ лазерной вспышки (LFA, принцип измерения показан на рис. 1) используется для определения теплопроводности, α, материала. В сочетании с плотностью, ρ, и известной удельной теплоемкостью, 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, можно рассчитать теплопроводность, λ (λ = α - 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 - ρ).
Во время измерения нижняя часть образца нагревается коротким лазерным импульсом, а повышение температуры на противоположной стороне регистрируется инфракрасным детектором. Тепловая диффузия может быть определена по кривой изменения температуры во времени с помощью соответствующей математической модели.
Измерения проводились на композите из керамического волокна с помощью прибора LFA 707 StratoFlash®Classic в диапазоне температур от комнатной до 1100°C, что отражает реальные условия эксплуатации материалов.
Использовались два различных держателя образцов: стандартный держатель (рис. 2) для определения тепловых свойств в направлении сквозной плоскости и пластинчатый держатель образцов для анализа свойств в плоскости.
На рисунке 3 показана схема подготовки образцов при использовании пластинчатого держателя образцов.
Образец, использованный для измерения в сквозной плоскости, имел диаметр 12,64 мм и толщину около 2,03 мм, в то время как образцы для измерения в плоскости были разрезаны на полоски и помещены на пластинчатый держатель образцов с длиной края 10 мм и толщиной около 2,30 мм. Параметры измерений приведены в таблице 1.
Таблица 1: Условия измерения LFA
| Диапазон температур | От RT до 1100°C |
|---|---|
| Держатель образца |
|
| Размер образца |
|
| Покрытие | Графит |
| Атмосфера | Аргон |
| Скорость нагрева | Переменная до 10-20 К/мин |
| Энергия | 650 В; 600 мкс |
Результаты и обсуждение
На рисунке 4 показано, что исследуемый композит, армированный волокном, демонстрирует ярко выраженный анизотропный профиль теплопроводности. Даже при комнатной температуре видно, что теплопроводность вдоль направления волокна заметно выше, чем перпендикулярно волокну. Разница составляет примерно 16 %, что можно объяснить преимущественным направлением теплопроводности вдоль волоконной структуры. В этом направлении непрерывные пути волокна обеспечивают более эффективный перенос энергии, однако поперек волокна интерфейсы и структурные неоднородности препятствуют переносу тепла в большей степени.
С повышением температуры этот анизотропный эффект несколько уменьшается, а разница между двумя направлениями снижается примерно до 13%. Это говорит о том, что дополнительные механизмы, такие как усиление фонон-фононных взаимодействий, относительно ослабляют влияние ориентации волокна при повышении температуры.
В целом, результаты измерений показывают, что ориентация волокна существенно влияет на поведение теплового транспорта. Однако это влияние становится менее выраженным при более высоких температурах. Таким образом, полученные данные по теплопроводности являются важной основой для термомеханического моделирования. Они позволяют реалистично представить поведение этих анизотропных материалов и вносят значительный вклад в безопасное и эффективное проектирование и применение высокоэффективных материалов в промышленности.
Резюме
Анализ лазерной вспышки (LFA) позволяет точно определить температуропроводность в широком диапазоне температур, включая высокие рабочие температуры. Использование специальных держателей образцов позволяет определить анистропию материалов.
В частности, пластинчатый держатель образца позволяет исследовать температуропроводность в плоскостном направлении, дополняя традиционное измерение в сквозной плоскости. Это позволяет экспериментально измерять анизотропные тепловые свойства даже при повышенных температурах. Это важно для понимания механизмов теплопроводности, зависящих от направления, и для реалистичного проектирования высокоэффективных материалов.