Способ определения коэффициента теплопроводности материалов

Способ определения коэффициента теплопроводности материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ. КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ, заключающийся в воздействии на исследуемый образец потоком энергии и регистрации поглощения энергии в образце, отличающийся тем, что, с целью упрощения и повышения точности способа определения коэффициента теплопроводности материалов , а также получения возможирсти исследований низкопрочных и рыхлых структур, на поверхность образца воздействуют энергией звуковых частот, осуществляют сканирование частоты звуковой волны в диапазоне 10-10000 кГц, фиксируют экстремальное значение поглощения прошедшей € энергии, по которому при помощи СЛ калибровочной зависимости судят о величине коэффициента теплопроводности . 00 СП to О 4ib

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИ.Х

РЕСПУБЛИН 0»11 5204 (51)4 G 01 N 25/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ

1 /.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВМ ««»

« у

10 (21) 3745597/24-25 (22) 04.04.84 (46) 15. 10.85. Бюл. N - 38 (72) С.В.Мельников и Г.Н.Ященко (53) 536.6 (088.8) (56) Дульнев Г.Н.,Заричняк IO,П.

Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Л.: Энергия, 1974, с. 69.

Литовский Е.Я., Платунов Е.С., Пучкелевич Н.А. Методы определения теплопроводности огнеупорных материалов в широком интервале температур:

Известия ВУЗов. Приборостроение, 1969, N - 11, с. 124-128.

Патент Франции Р 2245247, кл. G 01 N 25/18, 1975. (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ, заключающийся в воздействии на исследуемый образец потоком энергии и регистрации поглощения энергии в образце, отличающийся тем, что, с целью упрощения и повышения точности способа определения коэффициента теплопроводности матеI риалов,а также получения возможности исследований низкопрочных и рыхлых структур, на поверхность образца воздействуют энергией звуковых частот, осуществляют сканирование частоты звуковой волны в диапазоне

10 †100 кГц, фиксируют экстремальное значение поглощения прошедшей энергии, по которому при помощи калибровочной зависимости судят о величине коэффициента теплопроводности.

1185204

Изобретение относится к определению тенлофизических свойств материа- лов, а именно к способам определения эффективного коэффициента теплопроводности материалов, и может быть использовано, в частности, для определения коэффициента теплопровоцности гетерогенных структур, например коксов композиционных полимерных материалов (KIIN) . 10

Целью изобретения является упрощение и повышение точности способа определения коэффициента теплопроводности материалов, а также получение возможности исследования низкопроч- 15 ных и рыхлых структур.

На фиг. 1 представлена зависимость поглощения энергии 4Е различ ными материалами от частоты 1 приложенных колебаний; на фиг, 2 — калиб- 20 ровочная кривая (зависимость коэффициента теплопроводности от относительной поглощенной энергии д Е/Е).

Суть способа состоит в следующем.

По одну сторону образца размещают 25 генератор звуковых колебаний с перестраиваеиой частотой звуковых волн в пределах 10-10000 кГц. С противоположной стороны образца помещают приемник звуковых частот. Включают 30 генератор и сканируют вдоль всей шкалы указанных частот. Находят значение частоты, соответствующее экстремальному (максимальному или, минимальному) поглощению звуковых колебании, и по этому значению, учитывая толщину поглощающего слоя (относительное поглощение звуковой энергии), с помощью калибровочной зависимости судят об эффективном коэффициенте теплопроводности исследуемого образца °

Механизм взаимодействия звуковых и ультразвуковых колебаний с материалом заключается в следующем. 45

Как известно, теплопроводность материала в любом агрегатном состоянии непосредственно коррелирует (нередко линейным образом) со скоростью распространения продольных 50 звуковых волн, а также с параметрами фононов, возникающих при взаимодействии теплового импульса . Учитывая многокомпонентность дисперсных материалов и гетерогенность их 55 структуры со сложной геометрией поверхностей раздела, вероятностный характер распределения неоднородностей по размерам и в объеме материала, вьпн параметры— скорость распространения продольных звуковых волн и характеристики фононов — являются весьма условными и не определяемыми прямым экспериментом.

По этой причине целесообразна реализация эмпирического подхода, который в данном случае заключается в экспериментальном определении степени погпощения материалом звуковых (ультразвуковых) колебаний, и установление корреляции (коэффициента пропорциональности) между этими поглощениями и эффективной теплопроводностью. Зависимость между поглощением материалом звуковых (ультразвуковых) колебаний и частотой последних не является монотонной, а имеет экстремум в области, где длины волн колебаний совпадают с размерами неоднородностей (например, газовых пор), т.е. в условиях воз-. никновения эффективного резонанса.

А поскольку размеры неоднородностей имеют рассеяние, то йэкстремум имеет размытый характер, средняя часть которого соответствует наиболее вероятному значению искомой характеристики. Полярность экстремума, т.е. наличие максимума или минимума обусI ловлена поведением границ раздела или самих неоднородностей при воздействии на них звуковых (ультразвуковых) колебаний. Например, в случае пористых материалов (пенопластов, поропластов, коксов и т.д.) определяющим является жидкость каркаса, разделяющего газонаполненные поры или ячей" ки. В одном случае стенки каркаса практически не препятствуют прохождению (распространению) колебания, а в другом — являются как бы демпферами, значительно поглощающими энергию.

Вышесказанное проиллюстрировано кривыми на фиг.1, где представлены зависимости поглощения энергии различными материалами (пенопласт

ППУ-ЗФ, поролон, кокс резины "2135" и кокс композиции ВОЗП-1) от частоты приложенных колебаний. (ППУ-ЗФ-пенополиуретан с фосфорсодержащим антипиреном; резина "2135" на основе этиленпропиленового каучука; ВОЗЛ-1вспенивающееся огнезащитное покрытие на основе ЭД-6).

1185204 4

Из этих кривых видно, что при сканировании частоты для исследованных коксов имеет место довольно высокий максимум. Для пенопласта этот максимум менее выражен (что вполне согласуется с менее жесткими стенками между порами последнего), а для поролона, имеющего эластичные стенки между порами, наблюдается отчетливо выраженный минимум поглощения на шкале частот.

Граничные значения диапазона частот звуковых (ультразвуковых) волн (10-10000 кГц) определены экспериментальным путем и обусловлены тем, что при взаимодействии звуковой (ультразвуковой) энергии данного диапазона с материалами, имеющими гетерогенную структуру с размерами неоднородностей от 3 см до 30 мкм, на кривой йЕ/F.,= f(4) наблюдается экстремум. Появление этого экстремума связано с возникновением эффективного резонанса между длиной волны падающей энергии и среднеинтегральными размерами неоднородностей структуры.

Конкретная реализация предлагаемого способа представлена в примерах

1-5.

Пример 1. В качестве источника звуковой частоты используется .генератор сигналов ГЗ-36А, приемником звуковой энергии является точный импульсный шумометр "00 023" с выносными задатчиком и приемником энергии.

Объектом исследования является пенопласт марки ППУ-ЗФ.

При сканировании в диапазоне

1-2000 кГц наблюдается пологий максимум (см.фиг. 1) примерно при

700 кГц, поглощение энергии в котором составляет 51Х. В соответствии с .калибровочной зависимостью (см.фиг.2) данное поглощение энергии соответствует коэффициенту теплопроводности, равном 0,09 Вт (м.К).

Пример 2. Аппаратура та же, .что и в примере 1. Объект исследования — кокс после высокотемпературной обработки резины "2135" при

873 К в течение 2 ч в инертной среде. Максимум достаточно выражен (на кривой: поглощение энергии — частота звуковых колебаний) и поглощение в, нем составляет 4 1Х, что соответству5

35 ет коэффициенту:теплопроводности (фиг.2) rорядка 0,15 Вт (м.К).

Пример 3. В качестве источника звуковых частот используется генератор сигналов низкочастотный марки ГЗ-56/ 1, приемник звуковой энергии, — измеритель шума и вибраций типа ИШВ-1 с выносным приемником энергии. Объект исследования— кокс ВОЗП-1, полученный на воздухе при 673 К в течение 30 мин. При сканировании по шкале частот имеет резко выраженный максимум, относительное поглощение в котором составляет

63Х. По калибровочной кривой (фиг.2) это соответствует коэффициенту теплопроводности 0,04 Вт (м.K).

Пример 4. Аппаратура та же, что и в примере 3. Объект исследования — стеклопластик на основе вязально-прошивного материала ВПР-10, пропитанного эпоксидной смолой ЭД-б.

Поглощение в экстремуме на кривой: поглощение энергии — частота звуковых колебаний составляет 21Х. B соответствии с калибровочной кривой это поглощение соответствует коэффициенту теплопроводности примерно

0,33 Вт (м.к).

Пример 5. Аппаратура та же, что и в примере 1. Объект исследования — белый поролон. При сканировании вдоль шкалы частот наблюдается хорошо выраженный минимум, поглощение энергии звуковых колебаний в котором составляет 56Х, что соответствует (фиг.2) коэффициенту теплопроводности примерно 0,07 Вт (м.К).

Конкретные данные, полученные по предложенному способу и способупрототипу, приведены в таблице.

Таким образом, приведенные примеры подтверждают значительную точность способа определения коэффициента теплопроводности, поскольку полученные результаты для ППУ-ЗФ

У поролона и стеклопластика соответствуют результатам, полученным другими традиционными методами. А результаты определения коэффициента теплопроводности коксов свидетельствуют о возможности использования способа для исследования низкопрочных и рыхлых структур, что практически не осуществимо посредством существующих методов.

1185204

Коэффициент теплопроводности, Вт/м. К по способу

Образец прототипу предлагаемому

Кокс резины "2135"

0,13

О, 15

0,07

0,09

0,21

О, 19

0,14

0,12

0,07

0,04

Измер ение невозможно образеп разрушался

0,035

18 аю

В11ИИПИ Заказ 6355/38 Тираж 896 Подписное

<1 ляпал ППП "Патенч ", г. Ужгород, ул, Проектная, 4

Поролон белый ВОЗП-1 (вспен.покр. и нагруженное I кг/см ) То же, но в "первозданном виде"

Кокс ВО ЗП-1 (под нагр „1 кг/см

Тс же, но в первозданном виде

Среднее значение

Относительная погрешность,Е

Среднее значение

Относительная погрешность,X