Koruyuculu Isı Akışı Ölçer ve Lazer Flaş Yöntemleri Kullanılarak TECAPEEK® Malzemelerinin Isıl İletkenliğinin Belirlenmesi

Giriş

Polieter eter keton (PEEK), mükemmel termal kararlılığı, mekanik mukavemeti ve kimyasal direnci sayesinde zorlu mühendislik uygulamalarında yaygın olarak kullanılan yüksek performanslı bir termoplastiktir. Ensinger tarafından üretilen TECAPEEK® natural ve cam elyaf takviyeli TECAPEEK® GF30 natural (Şekil 1) gibi ticari sınıflar, belirli uygulamalar için malzeme performansını özelleştirmek amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır.

TECAPEEK® natural, ~1,31 g/cm³ yoğunluğa sahip, dolgu maddesi içermeyen bir PEEK sınıfıdır; TECAPEEK® GF30 natural ise %30 cam elyaf içerir ve ~1,53 g/cm³ yoğunluğa sahiptir. Her iki malzeme de ~250 ila 260°C arasında uzun süreli çalışma sıcaklıklarına dayanır ve bildirilen ısı iletkenlikleri sırasıyla ~0,29 W/(m·K) (TECAPEEK® natural) ve ~0,30 W/(m·K) (TECAPEEK® GF30 natural) [2, 3].

Bu Uygulama Notunda, TECAPEEK® natural ve TECAPEEK® GF30 natural malzemelerinin termal iletkenliği, NETZSCH TCT 716 Lambda adresindeki korumalı ısı akışı ölçer (GHFM) ve NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® adresindeki lazer flaş analizörü (LFA) kullanılarak -10°C ile 250°C arasındaki sıcaklık aralığında değerlendirilmiştir. Test edilen malzemeler, gerçek dünya uygulamalarıyla doğrudan ilişkilendirilmesini sağlamak amacıyla Ensinger tarafından ticari stoktan temin edilmiştir. Bu sıcaklık aralığı, termal taşıma özelliklerinin ısı dağılımını ve bileşen güvenilirliğini etkilediği havacılık, otomotiv, elektrik mühendisliği ve kimyasal işleme gibi sektörlerdeki tipik çalışma koşullarını yansıtmaktadır. Bu uygulama notunda sunulan deneysel veriler, mühendislere piyasada bulunan malzemelerle ilgili bağımsız veriler sunarak, bu tür verilerin mevcut olmadığı durumlarda tasarım kararlarını desteklemektedir.

Deneysel

GHFM yöntemi, termal iletkenliğin doğrudan ve kararlı durum ölçümünü sağlayarak, denge koşulları altında ısı transferinin basit bir şekilde değerlendirilmesini mümkün kılar. Buna karşılık, LFA, ısının bir malzeme içinde yayılma hızını yansıtan termal difüziviteyi (α) ölçen geçici bir tekniktir. Bu teknik kullanılarak termal iletkenliği (λ) belirlemek için, ölçülen difüzivite, bağımsız olarak belirlenen 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}) ve YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk (ρ) ile birleştirilir. Bu ilişki şu şekilde ifade edilir:

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} · p

Bu birleşik yaklaşım, doğrudan ve hesaplanan ısı iletkenliği değerleri arasında çapraz doğrulama yapılmasına olanak tanıyarak ölçülen sonuçlara olan güveni artırır.

Öz ısı kapasitesi, NETZSCH DSC 300 Caliris^® diferansiyel tarama kalorimetresi (DSC) kullanılarak belirlenirken, sıcaklığa bağlı YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk ise NETZSCH 402 Expedis dilatometresi (DIL) aracılığıyla yapılan termal genleşme ölçümlerinden elde edilmiştir.

Ölçümler, camsı geçiş bölgesi de dahil olmak üzere tipik kullanım koşullarındaki davranışları tespit etmek amacıyla -10°C ile 250°C arasındaki sıcaklık aralığında gerçekleştirilmiştir.

Sonuçlar ve Tartışma

LFA tabanlı 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 hesaplamalarında kullanılmak üzere, TECAPEEK® natural ve TECAPEEK® GF30 natural malzemelerinin sıcaklığa bağlı 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}) ölçülmüştür (Şekil 2). Tüm sıcaklık aralığı boyunca, dolgu içermeyen malzeme, inorganik liflerin ısı kapasitesine katkısının daha düşük olması nedeniyle cam elyaf takviyeli malzemeden daha yüksek Cp değerleri sergilemiştir. Her iki malzeme de belirgin bir camsı geçiş sergiler; TECAPEEK® doğal malzemenin orta noktası yaklaşık 157°C iken, TECAPEEK® GF30 doğal malzemenin orta noktası 152°C ile biraz daha düşüktür. PEEK’in cam geçiş davranışı, sıcaklık modülasyonlu DSC kullanılarak da izlenebilir [4].

Difüzyon hesaplamalarında numune kalınlığını ve ısı iletkenliği tayinlerinde yoğunluğu düzeltmek amacıyla TECAPEEK® natural ve TECAPEEK® GF30 natural malzemelerinin sıcaklığa bağlı termal genleşmesi ölçülmüştür (Şekil 3); ancak bu verilerin daha ayrıntılı analizi, malzeme davranışı hakkında da değerli bilgiler sağlamaktadır. Cam geçiş sıcaklığı (_Tg) civarında, artan zincir hareketliliğinin daha yüksek bir termal genleşme katsayısına yol açtığı belirgin bir genleşme artışı gözlemlenir. Cam elyaf takviyeli malzemede, genleşme, elyaf yönelimi, mikroyapı ve işleme geçmişinden kaynaklanan anizotropiden güçlü bir şekilde etkilenir ve bu da elyaf yönüne bağlı bir davranışa yol açar [5].

GHFM ve LFA'dan elde edilen 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 ölçümleri, tüm sıcaklık aralığı boyunca güçlü bir uyum göstermektedir; her iki malzeme de sıcaklık arttıkça iletkenlikte artış sergilemektedir (Şekil 4). TECAPEEK® GF30 natural, TECAPEEK® natural’a kıyasla tutarlı bir şekilde daha yüksek ısı iletkenliği sergilemektedir; bu durum, cam elyaflarının sağladığı gelişmiş ısı transfer yollarına atfedilebilir.

Bu çalışmada elde edilen ısı iletkenliği sonuçları, özellikle hem mutlak değerler hem de sıcaklığa bağlı eğilimler açısından, NETZSCH Uygulama Notu 327 [5]’de bildirilen sonuçlarla iyi bir uyum göstermektedir. Uygulama Notu 327’de, uygun_{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} ve YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk girdileri kullanıldığında, doğrudan GHFM ölçümü ve dolaylı LFA hesaplamaları yoluyla belirlenen ısı iletkenliği değerleri arasında yakın bir korelasyon görülmektedir. Benzer şekilde, bu çalışma da tüm sıcaklık aralığı boyunca GHFM ve LFA sonuçları arasında mükemmel bir tutarlılık sergilemekte olup, sapmalar tipik deneysel belirsizlik sınırları içinde kalmaktadır. Genel olarak, bu çalışma ile önceki çalışmalar arasındaki yakın uyum, GHFM ve LFA yöntemlerinin güvenilirliğini teyit etmekte ve bu yöntemlerin hem dolgu içermeyen hem de cam elyaf takviyeli PEEK sistemlerine uygulanabilirliğini doğrulamaktadır.

Özet

TECAPEEK® doğal ve TECAPEEK® GF30 doğal malzemelerin ısı iletkenliği, korumalı ısı akış ölçer (GHFM) ve lazer flaş analizi (LFA) kullanılarak -10 °C ile 250 °C arasındaki sıcaklık aralığında değerlendirilmiştir. Sonuçlar, her iki malzeme için de termal iletkenliğin sıcaklıkla arttığını göstermektedir; TECAPEEK® GF30 doğal, cam elyaf takviyesi sayesinde gelişmiş ısı transferi sayesinde daha yüksek iletkenlik sergilemektedir. GHFM ve LFA sonuçları arasındaki güçlü uyum, önceki NETZSCH çalışmalarındaki tutarlılıkla birleştiğinde, bu yöntemlerin termal karakterizasyon açısından güvenilirliğini ortaya koymaktadır.