Введение
Полиэфирэфиркетон (PEEK) — это высокоэффективный термопласт, широко применяемый в сложных инженерных условиях благодаря своей превосходной термической стабильности, механической прочности и химической стойкости. Коммерческие марки, такие как TECAPEEK® natural и армированный стекловолокном TECAPEEK® GF30 natural (рис. 1), производимые компанией Ensinger, широко используются для адаптации характеристик материала к конкретным условиям эксплуатации.
TECAPEEK® natural — это ненаполненный сорт PEEK с плотностью ~1,31 г/см³, тогда как TECAPEEK® GF30 natural содержит 30 % стекловолокна и имеет плотность ~1,53 г/см³. Оба материала выдерживают длительную эксплуатацию при температурах от ~250 до 260 °C, а их заявленные значения теплопроводности составляют ~0,29 Вт/(м·К) (TECAPEEK® natural) и ~0,30 Вт/(м·К) (TECAPEEK® GF30 natural) [2, 3].
В данном приложении к руководству по применению оценивается теплопроводность материалов TECAPEEK® natural и TECAPEEK® GF30 natural в диапазоне температур от -10 °C до 250 °C с использованием защищенного теплового расходомера (GHFM) компании « NETZSCH » ( TCT 716 Lambda ) и лазерного вспышечного анализатора (LFA) компании « NETZSCH » ( LFA 717 HyperFlash® ). Испытуемые материалы были предоставлены компанией Ensinger в виде серийных образцов, что обеспечивает их непосредственную применимость к реальным условиям эксплуатации. Данный температурный диапазон отражает типичные условия эксплуатации в таких отраслях, как аэрокосмическая, автомобильная, электротехническая и химическая промышленность, где теплопередающие свойства влияют на отвод тепла и надежность компонентов. Экспериментальные данные, представленные в данном техническом описании, предоставляют инженерам независимые сведения о коммерчески доступных материалах, что помогает принимать проектные решения в случаях, когда такие данные отсутствуют.
Экспериментальный
Метод GHFM обеспечивает прямое измерение теплопроводности в стационарном режиме, позволяя без сложностей оценить теплоперенос в условиях равновесия. В отличие от этого, LFA представляет собой метод измерения переходных процессов, позволяющий определять коэффициент тепловой диффузии (α), который отражает скорость распространения тепла в материале. Для определения теплопроводности (λ) с помощью этого метода измеренный коэффициент диффузии сопоставляется с независимо определёнными значениями удельной теплоемкости (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) и плотности (ρ). Эта зависимость выражается следующим образом:
Такой комбинированный подход позволяет провести перекрестную проверку прямых и расчетных значений теплопроводности, что повышает достоверность результатов измерений.
Удельная теплоемкость определялась с помощью дифференциального сканирующего калориметра (DSC) NETZSCH DSC 300 Caliris®, а зависимость плотности от температуры получалась на основе измерений теплового расширения с помощью дилатометра (DIL) NETZSCH 402 Expedis.
Измерения проводились в диапазоне температур от -10 °C до 250 °C для фиксации поведения материала в типичных условиях эксплуатации, включая область стеклования.
Результаты и обсуждение
Для расчётов теплопроводности по методу LFA были измерены температурно-зависимые значения удельной теплоемкости (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) материалов TECAPEEK® natural и TECAPEEK® GF30 natural (рис. 2). Во всем диапазоне температур ненаполненный материал демонстрирует более высокие значения Cp, чем материал, армированный стекловолокном, что обусловлено меньшим вкладом неорганических волокон в теплоемкость. Оба материала демонстрируют четко выраженный стеклование: у материала TECAPEEK® natural средняя температура составляет около 157 °C, тогда как у материала TECAPEEK® GF30 natural она несколько ниже — 152 °C. Характеристики стеклования PEEK также можно отслеживать с помощью ДСК с температурной модуляцией [4].
Было измерено температурно-зависимое тепловое расширение материалов TECAPEEK® natural и TECAPEEK® GF30 natural с целью корректировки толщины образцов при расчетах коэффициента диффузии и плотности при определении теплопроводности (рис. 3); однако дальнейший анализ этих данных также дает ценную информацию о поведении материалов. Заметное увеличение теплового расширения наблюдается вблизи температуры стеклования (Tg), где повышенная подвижность цепей приводит к увеличению коэффициента теплового расширения. В материале, армированном стекловолокном, на тепловое расширение сильно влияет анизотропия, обусловленная ориентацией волокон, микроструктурой и историей обработки, что приводит к поведению, зависящему от направления волокон [5].
Результаты измерений теплопроводности, полученные с помощью методов GHFM и LFA, хорошо согласуются во всем диапазоне температур: для обоих материалов наблюдается рост теплопроводности с повышением температуры (рис. 4). TECAPEEK® GF30 natural стабильно демонстрирует более высокую теплопроводность, чем TECAPEEK® natural, что объясняется улучшенными путями теплопередачи, обеспечиваемыми стекловолокном.
Результаты измерений теплопроводности, полученные в данном исследовании, также хорошо согласуются с данными, приведенными в Примечании по применению № 327 компании « NETZSCH » [5], в частности как по абсолютным значениям, так и по температурным зависимостям. В Примечании по применению № 327 теплопроводность, определенная с помощью прямого измерения методом GHFM и косвенных расчетов методом LFA, демонстрирует тесную корреляцию при использовании правильных значенийкоэффициента проводимости (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) и плотности. Аналогичным образом, в настоящей работе продемонстрирована отличная согласованность результатов методов GHFM и LFA во всем диапазоне температур, причем отклонения остаются в пределах типичной экспериментальной погрешности. В целом, тесное совпадение результатов данного исследования с данными предыдущих работ подтверждает надежность методов GHFM и LFA и подтверждает применимость этих методов как к ненаполненным, так и к армированным стекловолокном системам из PEEK.
Резюме
Теплопроводность материалов TECAPEEK® natural и TECAPEEK® GF30 natural оценивалась в диапазоне температур от -10 °C до 250 °C с использованием защищенного теплового расходомера (GHFM) и лазерного вспышечного анализа (LFA). Результаты показывают, что теплопроводность обоих материалов увеличивается с ростом температуры, при этом материал TECAPEEK® GF30 natural демонстрирует более высокую теплопроводность благодаря улучшенной теплопередаче за счёт армирования стекловолокном. Высокая степень согласованности результатов GHFM и LFA в сочетании с соответствием предыдущим исследованиям, опубликованным в журнале « NETZSCH », свидетельствует о надёжности этих методов для определения тепловых характеристик.