PEEK/SiC와 PEEK/CF 복합재료의 열확산도에 대한 연구

Thermal Diffusivity of PEEK/SiC and PEEK/CF Composites

열전도도가 유사한 입자형 필러인 silicon carbide (SiC)와 섬유형 필러인 carbon fiber (CF)를 polyetheretherketone (PEEK) 고분자에 첨가하여 복합재료의 열확산도에 미치는 영향을 연구하였다. 전자현미경을 통해 얻은 단면사진으로부터 SiC와 CF가 PEEK 매트릭스 안에 균일하게 분산되어 있고 필러들이 부분적으로 서로 네트워크를 형성한 것을 관찰하였다. 레이저 섬광법을 이용하여 상온에서 $200^{\circ}C$까지 PEEK/SiC와 PEEK/CF 복합재료의 열확산도를 측정하였으며, 열확산도는 온도가 상승함에 따라 PEEK-필러와 필러-필러 계면에서의 포논산란 증가에 의하여 감소하였다. 필러함량이 증가함에 따라 복합재료의 열확산도가 증가하였으며, 2상계에 대하여 유도된 Maxwell 및 Nielson 예측식을 실험값과 비교함으로써 매트릭스 내의 필러 분포, 방향성, 종횡비 및 필러간의 상호작용 등을 유추할 수 있었다. Nielson 예측식은 PEEK/SiC 복합재료에 대하여 열전도도를 잘 예측하였다. 입자형 필러인 SiC에 비하여 섬유형 필러인 탄소섬유가 동일한 함량에서 열확산에 기여하는 필러 네트워크를 효과적으로 형성하여 높은 열확산도를 가지는 것으로 추정된다.

The particulate type silicon carbide (SiC) and fiber type carbon fiber (CF) filler, of similar thermal conductivities, were mixed with polyetheretherketone (PEEK) to investigate the filler effects on the thermal diffusivity. The SiC and CF fillers had a good and uniform dispersion in PEEK matrix. Thermal diffusivities of PEEK composites were measured from ambient temperature up to $200^{\circ}C$ by laser flash method. The diffusivities were decreased as increasing temperature due to the phonon scattering between PEEK-filler and filler-filler interfaces. Thermal diffusivity of PEEK composites was increased with increasing filler content and the thermal conductivities of two-phase system were compared to the experimental results and it gave ideas on the filler dispersion, orientation, aspect ratio, and filler-filler interactions. Nielson equation gave a good prediction to the experimental results of PEEK/SiC. The easy network formation by CF was found to be substantially more effective than SiC and it gave a higher thermal diffusivities of PEEK/CF than PEEK/SiC.