Устройство для определения теплопроводности твердых тел

Устройство для определения теплопроводности твердых тел

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (}9) (11) 3(5)) 6 01 " 25/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV GBMQETEJlbCTB Y

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3463573/18-25 ,(22) 06.07.82 (46) 07.11.83. Вюл. 9 41 (72) Т;Д. Оситинская, A.Ï. Подоба и B.Â. Миклушис

)71) Ордена Трудового Красного

Знамени инст )тут сверхтвердых материалов.AH УССР ((53) 536.6 (088.8) (56)1 ° Burgemeister Е.А, The thermal

conduct! vi ty of diamond heat sinks.

Industrial Diamond Reviev, 1975, June р. 242-244.

2. Оситинский Т.Д., Подоба А.П.

Применение метода стягивания теплового потока для определения коэффициента теплопроводнюсти твердых тел. — "Промышленная теплотехника", 1981, т. 3, Р 1, с. 43-48 (прототип ). (54 ) (57) УСТРОЙСТВО ДЛй ОПРЕДЕЛЕНИ (ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДь)Х ТЕЛ произ— вольной формы, например зерен сверхтвердых материалов, содержащее ,цилиндрическую вакуумную камеру с . микроскопом, по оси которой последовательно установлены теплосток с термопарой, образец и термозонд с наконечником из полупроводникового алмаза, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью, уменьшения погрешности определения теплопроводности и расширения функциональных возможностей устройства, в него дополнительно введены кинематически связанные микроскоп и механизм переме- д .щения образца по торцовой поверхнос- )9 ти теплостока, выполненного в виде

Т-образ ного цилиндра, по оси которого закреплена дифференциальная термопара. С

1052962

Изобретение относится к устройствам для измерения теплопроводности

i âåðäûõ тел преимущественно малых раэмерон неправильной геометрической формы, например, алмазных кристфллов и других сверхтвердых матерйалов.

Известно устройстно для определения теплопроводности алмазных стержней, основанное на стационарном методе продольного теплового потока, в котором использован его относительный вариант с применением радиационной термометрии.

-Устройство состоит из приспособления для крепления образцов между 15 нагревателем и охладителем, способного перемещаться н прямом и обратном направлении, приемника инфракрасного излучения, служащего термометром, и электронного преобра- 2п эователя с записывающим устройстном, регистрирующего зависимость температура-перемещение 1 ).

Алмазный кристалл в виде прямоугольного параллелепипеда размером 4-10 мм зажимается в приспособлении между двумя одинаковыми золотыми стержнями, служащими этало,ном. При этом площадь сечения стержней должна быть равна площади сечения алмаза. Верхняя поверхность алмаза и золотых стержней локрынается равномерно тонким слоем черной краски. Поток тепла, проходящий через эталон и образец, создается с помощью электронагренателя на одном конце и водяного охлаждения на другом. Инфракрасное излучение от образца фокусируется зеркальным объективом на приемник ИК-излучения и затем преобразуется (с помощью электронного преобразонателя ) в величину„ соответствующую линейной температуре по вертикальной оси записывающего Устройства. Объектив и детектив неподвижны, а система эталон-образец 45 перемещается под объективом. Постоянная скорость перемещения приводится н соответствии с временем проведения температурных измерений. Положение точки измерения„ соответствующей оп- 5О ределенной температуре, определяется с помощью приспособления с магнитной индукцией и.наносится на горизонтальную ось записывающего устройства. В результате получается кривая 7 (Х ),„ у пбзноляющая определить градиенты температуры на алмазе и золоте при одном и том же тепловом потоке. .Недостатками известного устройства для определения теплопронодности 6Î является невозможность абсолютных измерений на малых образцах материала неправильной формы и ограниченность температурного интервала измерений. 65

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройс-. но для определения теплопрсводности твердых тел произвольной формы размером 1 мм, например, зерен сверхтнердых материалов, содержащее цилиндрическую вакуумную камеру с микроскопом, по оси которого последонательно устанонлены теплосток с термопарой, образец и термозонд с наконечником из полупроводникового алмаза 2 ).

Однако недостатками устройства для определения теплопроводности твердых тел янляются невысокая точность и ограниченная функциональная

Bозможность °

Цель изобретения — уменьшение погрешности:определения теплопронодности и расширение функциональных воэможностей устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения теплопроводности твердых тел произвольной формы, например зерен снерхтвердых материалон, содержащее цилиндрическую вакуумную камеру с микроскопом„ по оси -которой последовательно установлены теплосток с термопарой, образец и термозонд с наконечником из полупроводникового алмаза, дополнительно введены кинематически связанные микроскоп и механизм перемещения образца по торцоной поверхности теплотока, выполненного н виде Т-образного цилиндра, по оси которого закреплена дифферен.циальная термопара.

На чертеже изображена схема устройства для определения -.åïëoïðoнодности твердых тел.

Устройство содержит вакуумную камеру 1, в которой размещен теплосток, выполненный н виде профилиронанного Т-образного цилиндра 2, в средней узкой части RoTopolQ длиной 1 закреплены спаи дифференциальной термопары. На верхнем торце профилиронанного цилиндра размещен образец 3 над спаем термопары 4.

Закрепленный над ним термозонд имеет наконечник 5 из полупроводникового алмаза, который прижимается к образцу нагрузкой Р заданной величины, образуя кругоную йлошадь контакта.

Микроскоп б служит для измерения диаметра этой площади, а микроской

7 — для выявления структуры образца и контроля перемещения его относительно наконечника термоэонда. (Объект исследования освещается лампочкой накаливания, которая на чертеже не показана ). Клапан 8 ведет к вакуумной системе для откачки камеры.

Нагреватель 9 термоэонда co=-дает тепловой поток. Электрические контакты 10 находятся на двух противополож1052962

Составитель В. Битюков

ТехредЖ.Кастелеви ggКорректор . Зимокосов

Редактор О. Сопко

Заказ 8860/40 Тираж 873 Подписное

BHHHflH Государственного комитета СССР по делам изобретений я открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д ° 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,- 4 ных гранях полупроводникового алмаза наконечника. Вывод всех проводов осуществляется через вакуумный разьем 11, Манипулятор 12 механизма перемещения смещает образец 3 в двух направленых по торцовой поверхности теплостока . Все узлы размещены на массивном металлическом основании 13.

Устройство работает следующим образом.

При открытой вакуумной камере на теплосток устанавливается образец неправильной формы с двумя небольшими плоскопараллельно отшлифованными площадками так, .чтобы нижняя площадка находилась над спаем термопары 4. !5

Затем камера закрывается и устанавливается нагрузка Р заданной величины. Микроскоп 6 фокусируется на область контакта таким образом, чтобы s окуляре была четко видна контактная зона, а микроскоп 7 фокусируется на элементы структуры образца. Открывается клапан 8 и камера откачивается до остаточного давления 5 . 10= мм рт.ст. Включается нагреватель 9, l н а гре в ающий о бра э ец до з ада н ной темпепатуры. При достижении стационарного теплового режима производится измерение необходимых. величин. Тепловой поток определяется по показаниям дифференциальной термопары.

Температура Т„ определяется по измеренной величийе электрического сопротивления полупроводникового алмаза из предварительно полученной зависимости его от температуры, а величина электросопротивления замеряется между контактами 10 измерителем электрического сопротивления. Темература Т измеряется с помощью термопары 4, Радиус площа-„ 40 ди ввода тепла, т.е. радиус контакта,измеряется с помощью микроскопа б или заранее известен.

Для неоднородного образца измерения производятся в тех его участках, которые выбираются при наблюдении структуры в микроскоп 7, в зави симости от количества различных фаз.

Чтобы выполнить измерение в другом участке кристалла необходимо снять нагрузку Р, при этом термоэонд с наконечником слегка приподнимается и затем желаемый участок подводится под наконечник с помощью манипулятора 12 механизма перемещения, при этом перемещение контролируется наблюдением в микроскоп 7 до приведения исследуемой зоны в его перекрестье, После этого снова устанавливается заданное усилие прижима

Р и при достижении стационарного режима производится измерение всех необходимых величин. После операции перемещения новое стационарное состояние наступает через несколько минут.

Предлагаемое устройство позволяет уменьшить погрешность определения теплопроводности образцов малых размеров (1 мм 1 неправильной формы в известном устройстве погешность измерения теплопроводности составляет . 12-15%, а в предлагаемом — 6-8% ), измерять абсолютную теплопроводность (что невозможно в прототипе, существенно упростить процесс измерения и расширить их температурный диапазон, а также измерять теплопроводность неоднородного материала (что невозможно в прототипе ).,