Inledning
Polyetereterketon (PEEK) är en högpresterande termoplast som ofta används i krävande tekniska tillämpningar tack vare sin utmärkta termiska stabilitet, mekaniska hållfasthet och kemiska beständighet. Kommersiella kvaliteter som TECAPEEK® natural och den glasfiberförstärkta TECAPEEK® GF30 natural (figur 1), tillverkade av Ensinger, används ofta för att skräddarsy materialets prestanda för specifika tillämpningar.
TECAPEEK® natural är en ofylld PEEK-kvalitet med en TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet på ~1,31 g/cm³, medan TECAPEEK® GF30 natural innehåller 30 % glasfiber och har en TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet på ~1,53 g/cm³. Båda materialen tål långvariga driftstemperaturer på ~250 till 260 °C, och deras rapporterade 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 är ~0,29 W/(m·K) (TECAPEEK® natural) respektive ~0,30 W/(m·K) (TECAPEEK® GF30 natural) [2, 3].
I denna tillämpningsanvisning utvärderas värmeledningsförmågan hos TECAPEEK® natural och TECAPEEK® GF30 natural inom temperaturintervallet -10 °C till 250 °C med hjälp av en skyddad värmeflödesmätare (GHFM) från NETZSCH TCT 716 Lambda och en laserflashanalysator (LFA) från NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . De testade materialen levererades av Ensinger som kommersiellt tillgängliga standardmaterial, vilket säkerställer direkt relevans för praktiska tillämpningar. Detta temperaturintervall återspeglar typiska driftsförhållanden inom branscher såsom flyg- och rymdindustrin, fordonsindustrin, elektroteknik och kemisk bearbetning, där värmetransportegenskaper påverkar värmeavledningen och komponenternas tillförlitlighet. De experimentella data som presenteras i denna tillämpningsanvisning ger ingenjörer oberoende data om kommersiellt tillgängliga material som stöd för konstruktionsbeslut när sådana data inte finns tillgängliga.
Experimentell
GHFM-metoden möjliggör direkt mätning av värmeledningsförmågan i stationärt tillstånd, vilket ger en enkel utvärdering av värmetransporten under jämviktsförhållanden. LFA är däremot en transient teknik som mäter värmediffusionskoefficienten (α), vilken återspeglar den hastighet med vilken värme sprider sig genom ett material. För att bestämma värmeledningsförmågan (λ) med hjälp av denna teknik kombineras den uppmätta diffusionskoefficienten med 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) och densiteten (ρ), vilka bestäms separat. Detta samband uttrycks som:
Denna kombinerade metod möjliggör korsvalidering mellan direkta och beräknade värmeledningsförmågevärden, vilket ökar tillförlitligheten i mätresultaten.
Den specifika värmekapaciteten bestämdes med hjälp av en DSC 300 Caliris® differentialskanningskalorimeter (DSC) från NETZSCH, medan den temperaturberoende densiteten erhölls från mätningar av termisk expansion med hjälp av en 402 Expedis® dilatometer (DIL) från NETZSCH.
Mätningarna utfördes inom temperaturintervallet -10 °C till 250 °C för att kartlägga beteendet under typiska driftsförhållanden, inklusive glasövergångsområdet.
Resultat och diskussion
Den temperaturberoende 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) för TECAPEEK® natural och TECAPEEK® GF30 natural mättes för användning i LFA-baserade beräkningar av 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 (figur 2). Över hela temperaturområdet uppvisar det ofyllda materialet högre Cp-värden än det glasfiberförstärkta materialet på grund av det lägre värmekapacitetsbidraget från de oorganiska fibrerna. Båda materialen uppvisar en tydlig glasövergång, där TECAPEEK® natural uppvisar en mittpunkt runt 157 °C, medan TECAPEEK® GF30 natural uppvisar en något lägre mittpunkt vid 152 °C. Glasövergångsbeteendet hos PEEK kan också övervakas med hjälp av Temperaturmodulerad DSCTemperaturmodulerad DSC (TM-DSC) används för att separera flera termiska effekter som uppstår inom samma temperaturområde och överlappar varandra i DSC-kurvan.temperaturmodulerad DSC [4].
Den temperaturberoende termiska expansionen hos TECAPEEK® natural och TECAPEEK® GF30 natural mättes för att korrigera provtjockleken vid beräkningar av diffusivitet och densiteten vid bestämning av 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 (figur 3); en närmare analys av dessa data ger dock även värdefull insikt i materialets beteende. En markant ökning av expansionen observeras nära glasövergångstemperaturen (Tg), där ökad kedjemobilitet leder till en högre värmeutvidgningskoefficient. I det glasfiberförstärkta materialet påverkas expansionen starkt av anisotropi som beror på fiberorientering, mikrostruktur och bearbetningshistorik, vilket resulterar i ett beteende som är beroende av fiberriktningen [5].
Mätningar av värmeledningsförmågan för GHFM och LFA visar god överensstämmelse över hela temperaturområdet, där båda materialen uppvisar en ökande ledningsförmåga med stigande temperatur (figur 4). TECAPEEK® GF30 natural uppvisar genomgående högre 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 än TECAPEEK® natural, vilket tillskrivs de förbättrade värmeöverföringsvägarna som glasfibrerna ger.
De resultat för värmeledningsförmåga som erhållits i denna studie stämmer också väl överens med de som redovisas i NETZSCH Application Note 327 [5], särskilt vad gäller både de absoluta värdena och de temperaturberoende trenderna. I Application Note 327 visar värmeledningsförmågan, som bestämts genom direkt GHFM-mätning och indirekta LFA-beräkningar, en nära korrelation när korrekta ingångsvärdenför 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 och TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet används. På samma sätt visar den här studien utmärkt överensstämmelse mellan GHFM- och LFA-resultaten över hela temperaturområdet, där avvikelserna ligger inom den typiska experimentella osäkerheten. Sammantaget bekräftar den nära överensstämmelsen mellan denna studie och tidigare arbeten tillförlitligheten hos GHFM- och LFA-metoderna och validerar dessa metoders tillämplighet på både ofyllda och glasfiberförstärkta PEEK-system.
Sammanfattning
Värmeledningsförmågan hos TECAPEEK® natural och TECAPEEK® GF30 natural utvärderades inom temperaturintervallet -10 °C till 250 °C med hjälp av en skyddad värmeflödesmätare (GHFM) och laserflashanalys (LFA). Resultaten visar att värmeledningsförmågan ökar med temperaturen för båda materialen, där TECAPEEK® GF30 natural uppvisar högre värmeledningsförmåga tack vare förbättrad värmeöverföring genom glasfiberförstärkningen. Den goda överensstämmelsen mellan resultaten från GHFM och LFA, i kombination med överensstämmelsen med tidigare NETZSCH -studier, visar på tillförlitligheten hos dessa metoder för termisk karakterisering.