Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von PEEK

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1 Referenzmaterialien für das Vergleichsverfahren Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von PEEK Tagung des AK-Thermophysik am 18. und 19. März 2013 Frank Hemberger, Johannes Wachtel, Stephan Vidi

2 Outline 1. Vergleichsverfahren Warum? 2. PEEK Materialeigenschaften Probekörper 3. Thermische Charakterisierung Eingesetzte Messverfahren Ergebnisse 4. Fazit

3 Motivation Effektive Wärmeleitfähigkeit von Systemen: Simulieren & Messen Bild: Rainer Knäpper, License: artlibre Bild: Rainer Knäpper, License: artlibre

4 Vergleichsverfahren Schutzheizer oben Vakuum _Rezipient λ ( T ) = λ ( T ) S R T T R S d d S R Obere Heizung Referenz oben T R Schutzring Probe T S Stärken: Vermessung von inhomogenen Proben Referenz unten Untere Heizung T R Bestimmung von thermischen Kontaktwiderständen Folien Oberflächen Rauigkeit Belastungsdruckabhängig Extrapolation der Oberflächentemperaturen Schutzheizer unten

5 Stabapparatur Eckdaten -190 C < T < 500 C m²k/w < R Th < 0.02 m²k/w 0.1 bar < p ext < 5.0 bar Stackdurchmesser 30 mm oder 50 mm Schutzheizung (Höhe anpassbar) Referenzmaterialien Mechanische Bearbeitbarkeit Temperatur und Belastungsdruck beständig Wärmeleitfähigkeit

6 Polyetheretherketon - PEEK Thermoplastischer Kunststoff - Elektrisch isolierend - Beständigkeit gegen Chemikalien und Dampf - Schmelzpunkt oberhalb 300 o C - Glasübergang bei ca. 140 o C - Wärmeleitfähigkeit 0.25 W(m K) -1 - Dichte 1320 kg m -3 - Mechanische Bearbeitbarkeit - Physikalische Eigenschaften durch Füllstoffe modifizierbar Gewählter Werkstoff: PEEK - PVX PEEK- Monomereinheit - PEEK mitzusätzenvon je 10% Kohlefasern, PTFE und Grafit - Wärmeleitfähigkeit 0.82 W(m K) -1 - Spezifische Wärmekapazität 1.1 J(g K) -1 - Dichte 1440 kg m -3 - Dauereinsatztemperatur 260 o C

7 Probekörper Referenzkörper, Durchmesser 50 mm Probenhälften für das Hitzdrahtverfahren Proben für das Laserflashverfahren Bearbeitungsrückstände, Späne

8 PEEK PVX - Probenoberfläche

9 Hitzdrahtverfahren K onstantleistun gsqu elle S pann ung U Strom I=U s /R s P robe Shuntw iderstand R s Temperaturhub [K] 2 1 durchfeuchtete Bodenprobe: λ = 1.19 W(mK) -1 Langzeitnäherung: q 4 a t T ( t) ln 2 4 π λ r C Mit: q Längenbezogener Leistung, λ Wärmeleitfähigkeit, a Temperaturleitfähigkeit, r Drahtradius und C = eγ, (Eulerkonstante γ = ) Zeit [s]

10 Laserflashverfahren Bestimmungsgröße: Temperaturleitfähigkeit a Laser Sample Detector Bei bekannter spezifischer Wärmekapazität und Dichte kann die Wärmeleitfähigkeit der Probe bestimmt werden: λ = a ρ c p

11 DSC (Differential Scanning Calorimetry) - lineare Heizraten - moduliertes Heizen - quasi stationäre Messungen - Umwandlungstemperaturen - Enthalpie - Spezifische Wärmekapazität

12 PEEK PVX - Zyklenstabilität

13 PEEK PVX - Spezifische Wärmekapazität

14 PEEK PVX Temperaturleitfähigkeit Laserflashmessung Temperaturleitfähigkeit / mm 2 s Temperatur / C

15 PEEK PVX Wärmeleitfähigkeit Berechnet aus Laserflashmessung und DSC 1.10 Wärmeleitfähigkeit / W(m m K) Temperatur / C

16 PEEK PVX Wärmeleitfähigkeit Hitzdrahtmessung 1.0 Wärmeleitfähigkeit / W(m m K) Hitzdraht axial, Wärmestrom radial orientiert Temperatur T / C

17 PEEK PVX Wärmeleitfähigkeit Hitzdrahtmessung 1.0 Wärmeleitfähigkeit / W(m m K) Hitzdraht axial, Wärmestrom radial orientiert 1 Hitzdraht radial, Wärmestromrichtung gemischt orientiert Temperatur T / C

18 PEEK PVX Wärmeleitfähigkeit Hitzdrahtmessung 1.0 Wärmeleitfähigkeit / W(m K) Hitzdraht axial, Wärmestrom radial orientiert 1 Hitzdraht radial, Wärmestromrichtung gemischt orientiert 1 Hitzdraht radial, Wärmestromrichtung gemischt orientiert, Nachmessung Temperatur T / C

19 PEEK PVX Wärmeleitfähigkeit Messergebnisse im ausgeheizten Zustand im Vergleich Wärmeleitfähigkeit / W(m K) Hitzdraht, Wärmestromrichtung gemischt Hitzdraht, Wärmestromrichtung radial Spezifische Wärmekapazität / J(g g K) Heizen Kühlen Temperatur T / C

20 PEEK PVX Wärmeleitfähigkeit Messergebnisse im ausgeheizten Zustand im Vergleich Wärmeleitfähigkeit / W(m K) Hitzdraht, Wärmestromrichtung gemischt Hitzdraht, Wärmestromrichtung radial Ergebnisse aus LF und DSC, Wärmestromrichtung axial Spezifische Wärmekapazität / J(g g K) Heizen Kühlen Temperatur T / C

21 Fazit PEEK - PVX als Referenzmaterial für das Vergleichsverfahren - Wärmeleitfähigkeit zeigt signifikante Anisotropie - Vor Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit muss das Material auf der vorgesehenen maximalen Einsatztemperatur ausgeheizt werden - Zyklen-Stabilität im Temperaturbereich von -30 bis 240 o C gegeben This work is public founded by Federal Ministry of Economics and Technology Support code: BMWi G