Inledning
Fiberkompositer av kol/kol (C/C) och kol/kol-kiselkarbid (C/C-SiC) är ledande högpresterande material som är konstruerade för extrema termiska och mekaniska miljöer. De utmärkande egenskaperna är ett enastående förhållande mellan styrka och vikt och enastående stabilitet vid höga temperaturer. Materialklassen C/C används främst inom flyg- och rymdindustrin, t.ex. i värmesköldar för återinträde i atmosfären, medan C/C-SiC används i högpresterande bromssystem för flygplan, racerbilar och höghastighetståg [1]. C/C-kompositernas utmärkta biokompatibilitet och inertitet gör dem dessutom ovärderliga för medicinska nischområden som ortopediska implantat och hjärtklaffsproteser.
En viktig egenskap hos båda materialklasserna är deras Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga, som är betydligt högre än hos konventionella strukturkeramer och är avgörande för värmehanteringen. Höggrafitiserade C/C-kompositer kan uppvisa Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga i planet som är jämförbar med, eller till och med högre än, eldfasta metaller som volfram och tantal [2]. Även om C/C-SiC-kompositer i allmänhet har lägre konduktivitet på grund av SiC-matrisen, erbjuder de ändå betydande prestandafördelar jämfört med de flesta keramer. Denna mycket effektiva värmeavledning från termiskt belastade strukturer förhindrar lokal överhettning, termiska spänningar och potentiellt strukturfel. Den avgörande kombinationen av mekanisk stabilitet, låg termisk expansion och effektiv värmeavledning gör C/C- och C/C-SiC-kompositer särskilt lovande för krävande framtida energitillämpningar, t.ex. komponenter i Generation IV- och fusionsreaktorsystem [3].
Mätning av värmeledningsförmåga
Den exakta bestämningen av värmeledningsförmågan i högtemperaturområdet kan endast uppnås med hjälp av laserflashanalys (LFA) i kombination med differentiell svepkalorimetri (DSC) och dilatometri (DIL) eller termomekanisk analys (TMA). Alla dessa metoder bidrar till beräkningen av värmeledningsförmågan (λ) enligt följande ekvation (ekvation 1, [4]):
Den termiska diffusiviteten, α, bestäms med hjälp av LFA; den specifika värmekapaciteten, Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp, med hjälp av DSC; och den temperaturberoende densitetsförändringen, ρ, beräknas med hjälp av termisk expansion baserad på dilatometer- eller TMA-mätningar. Alla egenskaper är temperaturberoende (T) och måste karakteriseras över hela det aktuella temperaturintervallet för att värmeledningsförmågan ska kunna bestämmas korrekt. Detta är en stor utmaning, särskilt i högtemperaturområdet upp till 2000°C och däröver.
Experimentell
Prover av C/C och C/C-SiC undersöktes med hjälp av LFA 427 och DSC 500 Pegasus® i kombination med värmeutvidgningsdata upp till 1300°C respektive strax under 2000°C. Mätparametrarna för LFA- och DSC-mätningarna framgår av tabellerna 1 och 2.
Tabell 1: Parametrar för LFA-mätning
| LFA-modell | LFA 427 med 2000°C ugn |
|---|---|
| Provbitar | 1 x C/C, 1 x C/C-SiC |
Provbit dimensioner | Ø12,7 mm; tjocklek ca 3 mm |
| Hållare för provet | 12.7 mm grafit |
| Beläggning | Ingen |
| Atmosfär | Argon (120 ml/min) |
Temperatur punkter | C/C-SiC: RT/400/1000/1300 C/C: RT/400/1000/1300/1500/1700/1990 |
Tabell 2: Parametrar för DSC-mätning
DSC-modell och ugn | DSC 500 Pegasus® med Rhodium ugn |
|---|---|
Provbärare/ termoelement | DSC Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp / Typ S |
| Prover | 1 x C/C, 1 x C/C-SiC |
| Provets massa | C/C: 38.000 mg C/C-SiC: 59.713 mg |
| Smältdegel | Grafit med lock och Al2O3-bricka |
| Atmosfär | Argon (70 ml/min) |
Temperatur program | C/C: RT - 1400°C vid 20 K/min C/C-SiC: RT - 1300°C vid 20 K/min |
Kalibrering standard | C/C-SiC: RT/400/1000/1300 POCO grafit |
Resultat och diskussion
Figurerna 1 och 2 visar den specifika värmekapaciteten för C/C- och C/C-SiC-proverna vid temperaturer från rumstemperatur till ~1400°C i en argonatmosfär. I enlighet med Debyes teori ökar Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp-värdena med stigande temperatur. Efter mätningarna observerades en massförlust på cirka 0,15% för C/C-provet och cirka 0,06% för C/C-SiC-provet.
Det bör noteras att Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp-bestämningen teoretiskt sett också skulle kunna utföras med hjälp av LFA. Provernas anisotropiska struktur gör dock detta olämpligt.
2 DSC-mätningarna utfördes vid 1300°C respektive 1400°C. Grafitdeglar används i allmänhet när man undersöker kolprover. Dessutom är Al₂O₃-skivor placerade mellan grafitdegeln och Pt/Rh-provhållaren för att skydda sensorn och förhindra interaktioner mellan materialen vid höga temperaturer. Användningen av grafitdegeln är garanterad och tekniskt godkänd upp till 1400°C. Vid högre temperaturer kan man dock förvänta sig interaktioner mellan grafit och Al₂O₃. För att beräkna värmeledningsförmågan upp till 2000°C extrapolerades den specifika värmekapaciteten för C/C-provet från DSC-mätdata upp till 1400°C.
Figurerna 3 och 4 visar de termofysikaliska egenskaperna hos de två proverna.
Som förväntat för de flesta material på grund av den starkare fonon-fononinteraktionen vid högre temperaturer, minskar både temperaturen och värmeledningsförmågan med ökande temperatur i båda proverna.
Eftersom den termiska diffusiviteten, α, bland annat beror på provets tjocklek, d (se ekvation 2, [1]), korrigerades värdena med hjälp av data om termisk expansion.
Om den termiska expansionen inte korrigeras måste man räkna med ett ökat fel vid högre temperaturer.
För att beräkna värmeledningsförmågan togs hänsyn till den specifika värmekapaciteten från DSC-mätningarna (delvis extrapolerad) och den temperaturberoende densiteten via termisk expansion (förutsatt en isotropisk kropp). LFA-signalerna utvärderades med hjälp av standardmodellen Cape-Lehman för homogena och isotropa material.
Figur 5 visar en jämförelse av värmeledningsförmågan hos de två proverna. C/C-provet uppvisar betydligt högre värden än C/C-SiC-provet.
Sammanfattning
Exakt bestämning av värmeledningsförmågan i högtemperaturområdet innebär flera utmaningar och kräver val av lämpliga mätmetoder. Man måste också ta hänsyn till provernas struktur. Exemplet med de högpresterande materialen C/C och C/C-SiC visar att LFA 427 och DSC 500 Pegasus®, tillsammans med den termiska expansionen, är oumbärliga för att bestämma värmeledningsförmågan i högtemperaturområdet, liksom trion LFA, DSC och DIL/TMA.