Inledning
Inom området för högtemperaturteknik ökar efterfrågan på material som kan fungera tillförlitligt även under extrema termiska förhållanden. Särskilt viktigt är det med material som klarar höga temperaturer och kraftiga temperaturgradienter under lång tid. Keramiska fiberkompositer har etablerat sig som en högpresterande lösning i detta sammanhang. De används främst för att skydda känsliga och tungt belastade komponenter från värme. Typiska tillämpningar är bland annat förbränningskammarfoder och strukturella komponenter inom processindustrin.
På grund av sin skiktade struktur har dessa material utpräglat riktningsberoende egenskaper. Följaktligen kan deras termiska egenskaper variera avsevärt beroende på fiberorienteringen. För exakt design av högtemperaturkomponenter är det därför viktigt med en exakt förståelse av värmetransporten som en funktion av fiberinriktningen.
Metod och mätförhållanden
Laser flash analysis (LFA, mätprincip i figur 1) används för att bestämma den termiska diffusiviteten, α, hos ett material. I kombination med densiteten, ρ, och den kända 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, kan värmeledningsförmågan, λ, beräknas (λ = α - 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 - ρ).
Under mätningen värms provets undersida upp med en kort laserpuls och temperaturökningen på motsatt sida registreras av en infraröd detektor. Den termiska diffusiviteten kan sedan bestämmas från temperaturkurvan över tid med hjälp av lämplig matematisk modell.
Mätningarna utfördes på en keramisk fiberkomposit med hjälp av LFA 707 StratoFlash®Classic i temperaturområdet från rumstemperatur till 1100°C, vilket återspeglar materialens faktiska driftsförhållanden.
Två olika provhållare användes: en standardhållare (figur 2) för att bestämma de termiska egenskaperna i riktning genom planet och en lamellär provhållare för att analysera egenskaperna i planet.
Figur 3 visar schemat för provberedning vid användning av den lamellära provhållaren.
Den provkropp som användes för mätning genom planet hade en diameter på 12,64 mm och en tjocklek på cirka 2,03 mm, medan provkropparna i planet skars i remsor och placerades på en lamellformad provhållare med en kantlängd på 10 mm och en tjocklek på cirka 2,30 mm. Mätparametrarna beskrivs i detalj i tabell 1.
Tabell 1: Mätförhållanden för LFA
| Temperaturområde | RT till 1100°C |
|---|---|
| Hållare för prov |
|
| Provets storlek |
|
| Beläggning | Grafit |
| Atmosfär | Argon |
| Uppvärmningshastighet | Variabel upp till 10 till 20 K/min |
| Energi | 650 V; 600 μs |
Resultat och diskussion
Figur 4 visar att den undersökta fiberförstärkta kompositen uppvisar en tydligt uttalad anisotropisk 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. Även vid rumstemperatur är det uppenbart att den termiska diffusiviteten längs fiberriktningen är betydligt högre än den vinkelrätt mot fibern. Skillnaden är cirka 16%, vilket kan hänföras till den föredragna riktningen för värmeledningen längs fiberstrukturen. I denna riktning möjliggör kontinuerliga fiberbanor en effektivare energitransport; över fibern hindrar dock gränssnitt och strukturella inhomogeniteter värmetransporten mer markant.
När temperaturen stiger minskar denna anisotropiska effekt något, och skillnaden mellan de två riktningarna minskar till cirka 13%. Detta tyder på att ytterligare mekanismer, t.ex. förbättrade fonon-fonon-interaktioner, relativt sett försvagar fiberorienteringens inverkan när temperaturen ökar.
Sammantaget visar mätresultaten att fiberorienteringen har en betydande inverkan på det termiska transportbeteendet. Detta inflytande blir dock mindre uttalat vid högre temperaturer. De erhållna uppgifterna om Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheten mm2/s) är en materialspecifik egenskap för att karakterisera instationär värmeledning. Detta värde beskriver hur snabbt ett material reagerar på en temperaturförändring.termisk diffusivitet utgör därför en viktig grund för termomekaniska simuleringar. De möjliggör en realistisk representation av beteendet hos dessa anisotropa material och bidrar väsentligt till en säker och effektiv design och implementering av högpresterande material i industriella applikationer.
Sammanfattning
Laser flash analysis (LFA) möjliggör exakt bestämning av den termiska diffusiviteten över ett brett temperaturområde, inklusive höga drifttemperaturer. Med hjälp av speciella provhållare kan materialens anistropi bestämmas.
Den lamellära provhållaren underlättar undersökningen av den termiska diffusiviteten i planets riktning, som komplement till den traditionella mätningen genom planet. Detta gör det möjligt att mäta anisotropa termiska egenskaper experimentellt, även vid förhöjda temperaturer. Detta är viktigt för att förstå riktningsberoende värmeledningsmekanismer och för en realistisk design av högpresterande material.