Feltro a base viscosa nel forno di riscaldamento a induzione

L'idoneità difibra di carbonio a base viscosa per sistemi di isolamentonegli ambienti di riscaldamento a induzione ad alta temperatura è principalmente dovuto alle sue proprietà chiave, tra cui bassa conduttività termica, elevata stabilità termica, eccellente resistenza allo shock termico, elevata purezza e basso contenuto di impurità e lavorabilità leggera. Queste proprietà lavorano insieme per renderlo un materiale isolante altamente efficiente, pulito e affidabile per ambienti a temperature estreme, con un valore strategico insostituibile, soprattutto in campi di fascia alta come quello aerospaziale e della produzione di semiconduttori.

I. Bassa conduttività termica

La conduttività termica della base viscosafibra di carbonioa temperatura ambiente è di circa 1,26 W/m·K, di gran lunga inferiore a quello dei materiali metallici (come l'acciaio inossidabile, circa 15 W/(m·K)) e di molti materiali ceramici. Questa caratteristica deriva dalla sua "struttura disordinata della grafite" e dalla "struttura porosa sviluppata". Nei sistemi di riscaldamento a induzione ad alta temperatura, una bassa conduttività termica significa che il calore viene perso meno facilmente dalla zona di riscaldamento verso l'ambiente esterno, ottenendo così un isolamento efficiente.

La conduttività termica della fibra di carbonio a base di viscosa rimane bassa anche a temperature elevate. La sua microstruttura contiene numerosi pori su scala nanometrica e microscala, che formano "canali a basso trasferimento di calore" a temperature superiori a 2000 ℃, ostacolando efficacemente la conduzione del calore. Allo stesso tempo, i materiali di carbonio trasferiscono il calore attraverso le onde reticolari, mentre la disposizione reticolare delle fibre di carbonio a base di viscosa è più disordinata (struttura non grafitizzata), allungando il percorso di conduzione del calore e riducendo ulteriormente la conduttività termica. Nelle apparecchiature ad alta temperatura come i forni in silicio monocristallino, i feltri isolanti o i pannelli isolanti termici realizzati con fibre di carbonio a base di viscosa possono ridurre significativamente la perdita di calore e migliorare l'efficienza energetica.

II. Resistenza alle alte temperature e stabilità termica

Le fibre di carbonio a base di viscosa possono funzionare stabilmente fino a "oltre 2800 ℃" in ambienti inerti o sotto vuoto, rendendole un materiale isolante ideale per aree ad alta temperatura nei sistemi di riscaldamento a induzione. A temperature estreme superiori a 2000 ℃, la maggior parte dei materiali subisce cambiamenti fisico-chimici significativi, mentre le fibre di carbonio a base di viscosa mantengono la loro struttura e proprietà di base.

L'elevata stabilità termica delle fibre di carbonio a base di viscosa deriva dalle loro proprietà "difficili da grafitizzare". Rispetto alle fibre di carbonio a base PAN o a base di pece, le fibre di carbonio a base di viscosa hanno meno probabilità di formare una struttura di grafite altamente ordinata alle alte temperature. Tuttavia, ciò significa anche che sono meno inclini a drastiche transizioni di fase strutturale alle alte temperature. Gli esperimenti dimostrano che le fibre di carbonio a base di viscosa trattate a 2200℃ mantengono ancora una struttura non grafitizzata con una densità di soli 1,39 g/cm³ e un contenuto di carbonio superiore al 98,5%. Questa stabile struttura in carbonio impedisce loro di sciogliersi o decomporsi alle alte temperature, consentendo loro di mantenere le loro proprietà di isolamento termico per un lungo periodo.

Vale la pena notare che le fibre di carbonio a base di viscosa sono soggette a ossidazione in ambienti ossidanti (significativamente accelerati sopra i 400 ℃). Tuttavia, nei sistemi di riscaldamento a induzione, l’uso di un’atmosfera protettiva (come argon o azoto) o di una camera a vuoto evita efficacemente questo problema di ossidazione, sfruttando appieno la resistenza alle alte temperature.

III. Eccellente resistenza agli shock termici

I sistemi di riscaldamento a induzione richiedono in genere frequenti avviamenti e arresti, portando a drastici cambiamenti di temperatura. L'elevato allungamento a rottura (>2%) e la bassa densità (1,39-1,7 g/cm³) delle fibre di carbonio a base di viscosa conferiscono loro un'eccellente resistenza agli shock termici, consentendo loro di sopportare rapide fluttuazioni di temperatura senza rompersi facilmente.

La resistenza allo shock termico si riferisce alla capacità di un materiale di resistere alle fessurazioni sotto drastici cambiamenti di temperatura. Il coefficiente di espansione lineare positivo delle fibre di carbonio a base di viscosa (2.184 × 10⁻⁶/K a 800℃) garantisce un elevato grado di corrispondenza tra il loro comportamento di espansione e quello della matrice resinosa durante il riscaldamento, riducendo significativamente la concentrazione dello stress termico. Inoltre, la loro struttura flessibile e l'elevato allungamento a rottura consentono l'assorbimento dell'energia dello shock termico attraverso la deformazione flessibile, prevenendo le fessurazioni causate dallo stress termico.

Negli studi sui compositi 2D-C/C, è stato riscontrato che la deformazione termica libera delle fibre di carbonio a base di viscosa a 800 ℃ è 1/8 di quella dei materiali rinforzati a base PAN e lo stress termico simulato durante la carbonizzazione è 1/60 di quello dei materiali rinforzati a base PAN. Questo livello estremamente basso di stress termico gli conferisce un'eccellente stabilità in caso di frequenti sbalzi di temperatura nei sistemi di riscaldamento a induzione, prolungando significativamente la durata del sistema di isolamento.

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