Giriş
Yüksek sıcaklık mühendisliği alanında, aşırı termal koşullar altında bile güvenilir bir şekilde performans gösterebilen malzemelere yönelik talep giderek artmaktadır. Uzun vadede yüksek sıcaklıklara ve güçlü sıcaklık değişimlerine dayanabilen malzemeler özellikle önemlidir. Seramik elyaf kompozitler bu bağlamda yüksek performanslı bir çözüm olarak kendini kanıtlamıştır. Öncelikle hassas ve ağır yüklü bileşenleri ısıdan korumak için kullanılırlar. Tipik uygulamalar arasında yanma odası kaplamaları ve proses endüstrisindeki yapısal bileşenler yer almaktadır.
Katmanlı yapıları nedeniyle, bu malzemeler yöne bağlı belirgin özelliklere sahiptir. Sonuç olarak, termal özellikleri elyaf yönüne bağlı olarak önemli ölçüde değişebilir. Bu nedenle, yüksek sıcaklık bileşenlerinin hassas tasarımı için, elyaf hizalamasının bir fonksiyonu olarak ısı taşınımının kesin olarak anlaşılması gereklidir.
Yöntem ve Ölçüm Koşulları
Lazer flaş analizi (LFA, Şekil 1'deki ölçüm prensibi) bir malzemenin termal difüzivitesini, α, belirlemek için kullanılır. YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. Yoğunluk, ρ ve bilinen özgül ısı kapasitesi, Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp ile birleştirildiğinde, Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik, λ, hesaplanabilir (λ = α - Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp - ρ).
Ölçüm sırasında numunenin alt kısmı kısa bir lazer darbesi ile ısıtılır ve karşı taraftaki sıcaklık artışı bir kızılötesi dedektör tarafından kaydedilir. Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar. Termal difüzivite daha sonra uygun matematiksel model kullanılarak zaman içindeki sıcaklık eğrisinden belirlenebilir.
Ölçümler, oda sıcaklığından 1100°C'ye kadar olan sıcaklık aralığında LFA 707 StratoFlash®Classic kullanılarak bir seramik fiber kompozit üzerinde gerçekleştirilmiştir, böylece malzemelerin gerçek çalışma koşulları yansıtılmıştır.
İki farklı numune tutucu kullanılmıştır: düzlem boyunca termal özellikleri belirlemek için standart bir tutucu (Şekil 2) ve düzlem içi özellikleri analiz etmek için lamelli bir numune tutucu.
Şekil 3, lamelli numune tutucu kullanıldığında numune hazırlama şemasını göstermektedir.
Düzlem boyunca ölçüm için kullanılan numunenin çapı 12,64 mm ve kalınlığı yaklaşık 2,03 mm iken, düzlem içi numuneler şeritler halinde kesilmiş ve kenar uzunluğu 10 mm ve kalınlığı yaklaşık 2,30 mm olan bir lamelli numune tutucuya yerleştirilmiştir. Ölçüm parametreleri tablo 1'de ayrıntılı olarak verilmiştir.
Tablo 1: LFA ölçüm koşulları
| Sıcaklık aralığı | RT ila 1100°C |
|---|---|
| Örnek tutucu |
|
| Örneklem büyüklüğü |
|
| Kaplama | Grafit |
| Atmosfer | Argon |
| Isıtma oranı | 10 ila 20 K/dk'ya kadar değişken |
| Enerji | 650 V; 600 μs |
Sonuçlar ve Tartışma
Şekil 4, incelenen elyaf takviyeli kompozitin açıkça belirgin bir anizotropik Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik profili sergilediğini göstermektedir. Oda sıcaklığında bile, elyaf yönü boyunca termal difüzivitenin elyafa dik olandan önemli ölçüde daha yüksek olduğu açıktır. Aradaki fark yaklaşık %16'dır ve bu da fiber yapı boyunca ısı iletiminin tercihli yönüne atfedilebilir. Bu yönde, kesintisiz fiber yolları daha verimli bir enerji taşınımı sağlar; ancak, fiber boyunca, arayüzler ve yapısal homojensizlikler ısı taşınımını daha önemli ölçüde engeller.
Sıcaklık arttıkça, bu anizotropik etki hafifçe azalır ve iki yön arasındaki fark yaklaşık %13'e düşer. Bu, gelişmiş fonon-fonon etkileşimleri gibi ek mekanizmaların, sıcaklık arttıkça fiber yöneliminin etkisini nispeten zayıflattığını göstermektedir.
Genel olarak, ölçüm sonuçları fiber yöneliminin termal taşıma davranışını önemli ölçüde etkilediğini göstermektedir. Bununla birlikte, bu etki daha yüksek sıcaklıklarda daha az belirgin hale gelmektedir. Bu nedenle elde edilen Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite verileri termo-mekanik simülasyonlar için önemli bir temel oluşturmaktadır. Bu anizotropik malzemelerin davranışının gerçekçi bir şekilde temsil edilmesini sağlarlar ve endüstriyel uygulamalarda yüksek performanslı malzemelerin güvenli ve verimli tasarımına ve uygulanmasına önemli ölçüde katkıda bulunurlar.
Özet
Lazer flaş analizi (LFA), yüksek çalışma sıcaklıkları da dahil olmak üzere geniş bir sıcaklık aralığında termal difüzivitenin hassas bir şekilde belirlenmesini sağlar. Özel numune tutucuların kullanılması, malzemelerin anistropisinin belirlenmesini sağlar.
Özellikle, lamelli numune tutucu, geleneksel düzlem içi ölçümü tamamlayarak düzlem içi yönde termal difüzivitenin araştırılmasını kolaylaştırır. Bu, yüksek sıcaklıklarda bile anizotropik termal özelliklerin deneysel olarak ölçülmesini mümkün kılar. Bu, yöne bağlı ısı iletim mekanizmalarını anlamak ve yüksek performanslı malzemelerin gerçekçi tasarımı için gereklidir.