СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛА
TEST METHOD AND DEVICE OF MATERIAL THERMAL CONDUCTIVITY

Группа изобретений относится к области экспериментальной физики и испытательной техники, а более точно касается способа для исследования температуропроводности материалов и устройства для его осуществления.
Известен способ исследования коэффициента температуропроводности материалов с помощью тепловизора (А.Б. Власов «Исследование коэффициента температуропроводности электроизоляционных материалов с помощью тепловизора», журнал «Известия РГПУ им. А.И. Герцена», 2004 г., том 4, вып.8, стр.134-143). Суть методики заключается в том, что образец в форме удлиненного параллелепипеда разогревается плоским нагревательным элементом, располагающимся на переднем торце образца. В процессе распространения теплового потока q в объеме материала от переднего к противоположному торцу происходит непрерывное наблюдение за температурным полем поверхности с помощью тепловизора, сохранение и обработка информации на ЭВМ с расчетом коэффициента температуропроводности.
Известен способ комплексного определения теплофизических характеристик материалов (патент РФ №2243543), который включает в себя измерение толщины исследуемого образца, подведение теплоты к двум идентичным образцам, поддерживание температуры на внешних поверхностях образцов, равной заданной температуре. При этом регистрируют удельную мощность источника теплоты и измеряют с постоянным шагом во времени температуру в течение всего эксперимента. После прекращения подвода мощности к объемному источнику теплоты определяют искомую температуропроводность.
Известен метод мгновенного импульса (лазерной вспышки), подробно рассмотренный в работах (Cowan R.D. «Pulse method of measuring thermal diffusivity at high temperature», Journal of Application Physic, 1963, V.34, №4, p.926-927).
Сущность метода заключается в том, что образец в форме шайбы помещается в держатель, который с помощью подъемной системы располагается в печи. После установления заданной температуры измерения фронтальная сторона образца поглощает импульс энергии излучения лазера. После поглощения энергии образцом в нем происходит выравнивание температуры. При этом с помощью ИК-детектора или термопары регистрируется относительное изменение температуры на обратной стороне образца. Математический анализ этого изменения температуры позволяет определить температуроводность α. Так, при адиабатических условиях:
<mrow><mtext>a</mtext><mo>=</mo><mn>0,1388</mn><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msup><mi>l</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mn>0.5</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext>                              </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0.5
где l - толщина пробы (мм), t - время (с) достижения 50% значения от максимальной температуры на конце образца.
Наиболее близким техническим решением является способ и устройство определения температуропроводности (патент РФ №2415408). Образец, представляющий собой металлическую основу с нанесенным теплозащитным покрытием (ТЗП), помещают в вакуумную камеру и нагревают до высоких температур электрическим током, пропускаемым через металлическую основу. Изменение температуры регистрируют при помощи термопары и пирометра, а измеренные данные используют для определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий, таких как температуропроводность теплозащитных покрытий.
Известные технические решения исследуют температуропроводность материала и по полученным данным определяют коэффициент температуропроводности и другие теплофизические характеристики материала как постоянные величины материала, определяемые выровненной тепловой нагрузкой.
Однако экспериментально отмечается, что при эксплуатации деталей, подвергающихся воздействию высоких температур, ускорений и нагрузок, наблюдается существенное расхождение между реальными температурными полями и моделируемыми, рассчитываемыми на базе постоянной величины температуропроводности, полученной известными исследовательскими методами по тепловой нагрузке.
В основу изобретения положена задача - создать способ и устройство, позволяющех повысить достоверность определения теплофизических характеристик материалов при воздействии высоких температур и нагрузок и тем самым улучшить сходимость моделируемых температурных полей с реальными.
Техническим результатом является повышение достоверности за счет определения температуропроводности как переменной величины, зависящей от тепловой нагрузки, механических нагрузок растяжения и углового отклонения вектора температурного градиента от вектора силы тяжести, совпадающей с вектором ускорения свободного падения (g).
Поставленная задача решается тем, что в способе исследования температуропроводности материала, включающем регулируемый электронагрев образца в вакууме и регистрацию текущих значений температуры в контрольных точках для последующего расчетного определения теплофизических характеристик материала, подготовленный для исследования образец подвергают воздействию тепловой и механической нагрузке, например, осевому одноосному механическому растяжению, и/или угловому отклонению вектора температурного градиента от вектора ускорения свободного падения (g), совпадающего с вектором силы тяжести, регистрируют во времени температуру по длине образца и полученные данные используют для определения динамических теплофизических характеристик материала, например скорости изменения температуры, скорости распространения теплового фронта
Целесообразно, если при подготовке на образец в виде термоизолированного провода из исследуемого материала, длиной не менее 100 его диаметров, наматывают электронагреватель в средней части, приваривают термопары в контрольных точках, причем, по меньшей мере, одну термопару - под нагревателем и по термопаре по краям, при этом расстояния последних до нагревателя одинаковое, приготовленный образец размещают в камере, при этом один конец образца закрепляют в ней неподвижно, а другой - крепят к подвижной тяге, затем камеру вакуумирируют, нагружают образец заданной растягивающей нагрузкой посредством перемещения тяги и/или заданным угловым отклонением вектора температурного градиента от ускорения свободного падения g поворотом камеры, включают электронагрев с возможностью быстрого разогрева среднего сечения образца и регистрируют динамику температуропроводности как время прихода теплового фронта на концы проводника, динамику изменения температуры и ее максимальные значения и далее используют зарегистрированные значения для определения теплофизических параметров материала для заданных условий
Поставленная задача решается тем, что установка для исследования температуропроводности материала, содержащая вакуумную камеру, в которой размещен подготовленный для исследования образец, снабженный электронагревателем, систему вакуумирования, соединенную с камерой, измерительную систему для мониторинга и регистрации температуры, дополнительно содержит регулируемую тягу для механического нагружения образца, например осевым растяжением посредством перемещения тяги, патрубок, на котором установлен регулируемый фиксатор для фиксированного углового поворота камеры, при этом патрубок расположен в центральной части перпендикулярно корпусу камеры, что создает поперечную ось вращения, позволяющую расположить камеру под необходимым углом к направлению действия силы тяжести, а измерительная система соединена с термопарами, которые размещены на образце, по меньшей мере, по концам и в центре под электронагревателем.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием и фигурами, где:
на фиг.1 изображена принципиальная схема установки для исследования температуропроводности, согласно изобретению,
на фиг.2 (а, б, в) показаны варианты положения камеры установки при проведении испытаний,
на фиг.3 изображен график изменения температуры на концах проводника в зависимости от времени.
Способ согласно изобретению осуществляют с помощью установки.
Установка (фиг.1) для исследования температуропроводности материала содержит вакуумную камеру 4, в которой размещен подготовленный образец 1, систему вакуумирования 7, соединенную с камерой 4, измерительную систему 10 для мониторинга и регистрации температуры. Измерительная система 10 связана с выходами термопар 3, расположенными в контрольных точках подготовленного образца 1 через гермовыводы 11.
Внутренняя полость камеры 4 соединена с системой вакуумирования 7 патрубком через вентиль 8.
В установке камера 4 снабжена устройством механического нагружения образца 1 в виде подвижной тяги 5. Посредством перемещения этой тяги образец нагружают осевым одноосным механическим растяжением.
Однако установка может иметь другие устройства нагружения, позволяющие осуществлять механическое нагружение, например, кручением.
В установке камера 4 снабжена также регулируемым фиксатором 13 для поворота камеры. Фиксатор 13 размещен на патрубке по центральной оси перпендикулярно корпусу камеры 4, создающем поперечную ось вращения, позволяющую расположить камеру 4, и соответственно образец 1 под необходимым углом к направлению действия вектора силы тяжести, совпадающей с вектором ускорения свободного падения g.
Камера 4 изнутри окружена тепло- и электроизоляцией 14, снабжена по обоим концам теплоизолирующими керамическими втулками 6 и фланцами 14 и имеет длину достаточную для размещения и крепления образца 1, который оборудован изолированным электронагревателем 2, намотанным в центральной части. Электронагреватель 2 через гермовывода 11 соединен с источником питания 9. Термопары 3 размещены в контрольных точках, по меньшей мере, под нагревателем 2 и на обоих концах образца 1.
На фиг.1 показана размещенная с одного конца камеры 4 подвижная тяга 5, на которой закреплен один конец образца 1. Для осевого одноосного механического растяжения другой конец образца 1 закреплен неподвижно втулкой 6 и фланцем 14. Подвижная тяга камеры содержит шток и силовозбудитель, который для обеспечения герметичности подвижного штока соединен с корпусом камеры с помощью сильфона 16.
Однако возможно и другое конструктивное выполнение.
Таким образом, установка выполнена с возможностью исследования образца при воздействии тепловой нагрузки (от нагревателя 2), механической нагрузки (от тяги 5), углового отклонения образца от направления вектора ускорения свободного падения g) (от поворота в фиксаторе 13).
Способ осуществляют с использованием установки (фиг.1) следующим образом.
Предварительно для исследования готовят образец.
Для этого выбирают образец в виде термоизолированного провода из исследуемого материала, длина которого не менее 100 его диаметра d.
В среднем сечении образца 1 наматывают изолированный нагреватель 2.
Длина провода должна быть достаточной для исследования распространения температуры от середины к концам образца.
Указанная длина позволяет исследовать динамику изменения температуры распространением от середины к концам образца.
Физические и геометрические параметры нагревателя выбирают с учетом характеристик образца для его быстрого разогрева.
К образцу 1 приваривают термопары в контрольных точках по меньшей мере, одну термопару - под нагревателем и по термопаре по краям, при этом расстояния последних до нагревателя одинаковое.
В результате приготовленный образец 1 размещают в камере 4.
Образец 1 закрепляют в камере 4 с помощью теплоизолирующих керамических втулок 6 и фланцев 14, при этом один конец образца закрепляют неподвижно на фланце вакуумной камеры, а другой крепят к подвижной тяге 5 для возможности нагружения образца растягивающей нагрузкой.
С помощью гермовыводов 11 обеспечивают соединение проводов термопар 3 с измерительной системой 10, а также подвод питания от источника 9 к нагревателю 2.
Далее воздух из камеры откачивают системой вакуумирования 7.
Нагружают образец растягивающей нагрузкой посредством перемещения тяги и/или осуществляют угловое отклонение температурного градиента от вектора силы тяжести, совпадающей с вектором ускорения свободного падения g посредством поворота в фиксаторе 13.
Затем на нагреватель 2 от источника 9 подают напряжение, создающее быстрый разогрев центральной (средней) части образца 1. Тепло распространяется по проводникам ОА и ОБ (Фиг.2) в противоположные стороны от точки О. Градиенты температур соответственно направлены в сторону увеличения температуры, т.е. от точек А и Б в точку О.
С помощью термопар 3 и измерительной системы 10 измеряют температурное состояние образца в центре под нагревателем (точка О) и на противоположных концах проводников (точки А и Б).
Сигнал термопар 3 записывается измерительной системой 10, которая регистрирует время прихода теплового фронта на концы проводника, динамику изменения температуры и ее максимальные значения.
Далее используют зарегистрированные значения для определения теплофизических параметров материала, например коэффициента температуропроводности для заданных условий в эксперименте.
По полученным данным строят график зависимости изменения температуры на концах проводников ОА и ОБ от значения времени для интерпретации полученных данных.
р
В качестве конкретного примера рассмотрим исследование температуропроводности при нагрузке от углового отклонения температурного градиента от вектора силы тяжести и растягивающем напряжении σ, равным 0.
При осуществлении исследования после откачки воздуха перекрывают вентиль 8, ослабляют фиксатор 13, поворачивают камеру на требуемый угол относительно вектора g и затягивают фиксатор. Углы Y и Х между вектором g и образцом являются одновременно углами между вектором «g» и градиентами температур проводников ОА и ОБ соответственно.
На Фиг.2 показаны различные положения испытательной камеры 4, иллюстрирующие нагрузку вследствие углового отклонения температурного градиента от вектора g, при этом 2(а) соответствует вертикальному расположению образца (углы Х и Y 180° и 0°), 2(б) соответствует промежуточному расположению образца, где углы Х и Y между 0° и 180°, 2(в) - горизонтальному расположению образца (углы Х и Y равны соответственно 90° и -90°).
На Фиг.3 показан график изменения температуры нагревателя и проводников от времени.
Буквой В обозначена кривая изменения температуры нагревателя (т.О), угол наклона которой может регулироваться путем изменения характеристик нагревателя и питающего напряжения.
1
2
1
2
max1
max2
Кривые Г и Д отражают динамику изменения температуры и ее максимальные значения характеризуют время прихода теплового фронта в точки А и Б (соответственно t и t), скорость изменения температуры во времени (соответственно ΔT/Δt и ΔT/Δt) и максимальную температуру T и T.
Результаты экспериментельных исследований образца из хромеля представлены в таблице.
Скорость изменения температуры Q рассчитана по формуле:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mtext>                             </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
2
1
где (T-T) - приращение температуры, °С; Δt - приращение времени, сек. Скорость распространения теплового фронта U рассчитана по формуле:
<mrow><mi>U</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>L</mi><mrow><msub><mi>t</mi><mi>k</mi></msub></mrow></mfrac><mtext>                                     </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
k
где L - длина проводника между нагревателем и термопарой на периферии, мм; t - время прихода теплового фронта, сек.
В таблице приведены результаты эксперимента для горизонтального (углы Х и Y равны соответственно 90° и -90°) и вертикального расположения образца (180° и 0°), а Q и U определены по формулам (1) и (2).
№ пров.
σ<sub>р</sub>, кг/мм<sup>2</sup>
Угол, °
t<sub>k</sub>
Q, °C/сек
U, мм/сек
1
0
90
10,2
0,01
4,901
2
0
-90
3
0
0
8,5
0,0017
5,882
4
0
180
11,7
0,09
4,385
Результаты экспериментов показывают, что при горизонтальном расположении образца (углы Х и Y равны соответственно 90° и -90°) скорость изменения температуры и скорость распространения теплового фронта на концах проводника одинаковы, при расположении образца вертикально, температуропроводность проводника ОА (0°) выросла примерно на 20%, а проводника ОБ (180°) снизилась примерно на 11%.
Это свидетельствует о существенном влиянии углового отклонения вектора температурного градиента от вектора силы тяжести, совпадающей с вектором ускорения свободного падения g, что ранее не было известно и не учитывалось, и очевидно приводило к расхождениям между реальными температурными полями и расчетными, полученными известными методами.
Возможно, что полученный эффект связан с зависимостью ускорения от процесса образования парных электронов («куперовских пар»), обладающих большой плотностью и проникающей способностью, которые значительно увеличивают теплопередачу.
При осуществлении исследования согласно способу совокупно при нагреве, повороте камеры 4 относительно оси патрубка на фиксированный угол А, прикладывают растягивающее напряжение Ср перемещением подвижной тяги 5.
Способ и установка, согласно изобретению, позволяют исследовать скорость изменения температуры, изменяя динамику тепловой нагрузки в различных сочетаниях регулированием напряжения, подаваемого на нагреватель, и изменением характеристик самого нагревателя, изменением механической нагрузки осевого одноосного растяжения образца подвижной тягой, изменением углового отклонения температурного градиента от вектора силы тяжести, совпадающей с вектором ускорения свободного падения g.
Изобретение может быть использовано для определения теплофизических свойств металлов в сложных условиях одновременного нагрева, действия внешних ускорений и растягивающих напряжений. Получаемые данные могут быть использованы в различных областях техники для построения достоверных моделей процессов теплопередачи в деталях, подвергающихся воздействию высоких температур, ускорений и нагрузок.