СПОСОБ СОЗДАНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНОГО КОМПОЗИТА С ЗАДАННОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ
METHOD FOR CREATING TWO-COMPONENT COMPOSITE WITH GIVEN THERMAL CONDUCTIVITY

Изобретение относится к технологиям создания композиционных материалов с заранее заданными теплофизическими свойствами, а именно - к композитам в виде двухкомпонентной смеси, образованной путем механического смешения двух веществ. Изобретение предназначено для использования в приборостроении, авиационной и космической отраслях промышленности, в теплоэнергетике, а также - в метрологии для создания стандартных образцов теплопроводности твердых тел.
На современном уровне развития науки и техники известны и применяются следующие способы получения композиционных материалов с заранее заданным значением теплопроводности.
Известен способ получения рецептуры композиционного полимерного материала с эффективными теплофизическими и электрофизическими характеристиками в заданных интервалах, заключающийся в том, что по экспериментальным данным строят поверхности и соответствующие им изолинии эффективных характеристик, зависящие от управляющих параметров - степени наполнения, типа и среднего радиуса частиц наполнителя, и наложение изолиний определяет рецептуру - значения управляющих параметров, обеспечивающую попадание эффективных характеристик в заданные интервалы значений (патент на изобретение РФ №2668915, МПК C08J 3/00, опубл. 04.10.2018, БИ №10). Согласно данному способу состав и свойства композиционного полимерного материала определяются степенью наполнения и средним радиусом частиц наполнителя, который обладает известными теплофизическими и электрофизическими свойствами. Недостатки способа - низкая достоверность априорного задания теплопроводности композита, обусловленная ее сильной зависимостью от точности знания среднего радиуса частиц наполнителя, кроме того - температурный диапазон существования данного композиционного полимерного материала ограничен предельной рабочей температурой полимера, которая, как правило, не высока и не превышает 200°С. Другой недостаток способа - ограничение по номенклатуре материалов, применяемых для создания композита, т.к. один из материалов должен быть полимером.
Известен также способ получения композиционного материала на основе металлической матрицы и неметаллического волокна, заключающийся в том, что изготавливают преформу из неметаллического волокна, преформу помещают в пресс-форму с перфорированным дном, уплотняют с одновременным удалением воды через перфорированное дно, фиксируют, сушат, заливают матричным металлом и пропитывают матричным металлом под давлением. В другом варианте осуществления способа при пропитке преформы под давлением выполняют направленную кристаллизацию материала, а в качестве неметаллического волокна используют дискретные волокна углерода, оксида алюминия или карбида кремния, в качестве матричного металла используют алюминий, магний, цинк, олово, свинец или их сплавы (патент на изобретение РФ №2392090, МПК B22D 19/14, С22С 47/00, опубл. 20.06.2010, БИ №17). Недостаток способа заключается в ограниченной номенклатуре материалов, применяемых в качестве матрицы и наполнителя.
Известен способ получения композиционных материалов с заданными физико-химическими свойствами, в котором эти свойства, в первом приближении, определяются суммой свойств составляющих компонентов пропорционально их количеству (Гаврилин И.В. Композиционные материалы в машиностроении: Обзорная информация. М. - 1989, 40 с.). Указанный способ не применим для создания композиционных материалов с заданной теплопроводностью. Это обусловлено тем, что теплопроводность является интенсивной физической величиной, поэтому ее эффективное значение для смеси материалов не является суммой теплопроводностей составляющих смесь компонентов - в этом заключается недостаток способа.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ получения композиционного материала для реализации требуемого коэффициента теплопередачи (способ-прототип), заключающийся в том, что механически смешивают гранулированный или тонкодисперсный порошок полимера с порошком наполнителя до образования однородной смеси, нагревают полученную смесь до вязкотекучего состояния ниже температуры деструкции полимера, выполняют горячее прессование или горячее динамическое прессование или экструзию пасты и термообработку, при этом количество наполнителя задают исходя из величины коэффициента теплопроводности композиционного материала, которую, в свою очередь, определяют исходя из требуемого значения коэффициента теплопередачи от горячего теплоносителя к холодному теплоносителю через разделяющую их стенку, при этом используют полученные зависимости между теплопроводностью композиционного материала и количеством наполнителя, кроме того, в случае, если полимер не производится в виде порошка, то его расплавляют (патент на изобретение РФ №2232786, МПК G09K 5/14, C08L 83/04, C08L 27/24, опубл. 20.07.2004, БИ №20). Недостатки способа - температурный диапазон существования данного композиционного полимерного материала ограничен предельной рабочей температурой полимера, которая, как правило, не высока и не превышает 200°С, а также - имеется ограничение по номенклатуре применяемых для создания композита материалов, в частности - один из материалов должен быть полимером.
Технический результат изобретения - создание материала с заданной теплопроводностью в широком диапазоне ее изменения с одновременным расширением температурного диапазона и номенклатуры используемых для его создания веществ.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявленном способе создания двухкомпонентного композита с заданной теплопроводностью в заданной пропорции равномерно смешивают порошки двух веществ с заданными теплопроводностями, отличающимися друг от друга на заданную величину, спрессовывают порошки в заданную форму, измеряют теплопроводность полученного композита и присваивают ему измеренное значение теплопроводности, при этом пропорцию смешиваемых веществ находят расчетным путем исходя из задаваемого значения теплопроводности.
эфф
1
2
1
2
а
Сущность способа поясняется фиг. 1, 2, 3, 4. На фиг. 1 представлен общий вид зависимости эффективной теплопроводности λ создаваемого двухкомпонентного композита от объемного содержания Х первого вещества, т.е. - от пропорции смешивания веществ, где: Х - объемное содержание второго вещества; λ, λ - теплопроводность первого и второго вещества, соответственно. На фиг. 2 представлена элементарная ячейка, моделирующая структуру создаваемого двухкомпонентного композита, размеры ячейки 2Lx2Lx2L, ячейка образована 8-ю одинаковыми кубиками размерами LxLxL, в свою очередь, составленными из двух параллельно уложенных друг на друга слоев, моделирующих вещества 1,2. При этом, толщина слоя первого вещества 1 равна , толщина слоя второго вещества 2 равна b, высота и ширина каждого слоя 1,2 равна L. Стрелкой показано направление теплового потока q, входящего в элементарную ячейку. На фиг. 3 представлена электрическая схема замещения теплового сопротивления элементарной ячейки, составленная согласно электротепловой аналогии. На фиг. 4 представлена ориентация кубиков относительно проходящего через них теплового потока q. На фиг. 3, 4:  - тепловое сопротивление кубика размером LxLxL в направлении, параллельном тепловому потоку;  - тепловое сопротивление кубика размером LxLxL в направлении, перпендикулярном тепловому потоку.
а
эфф
эфф
эфф
эфф
Структурно создаваемый двухкомпонентный композит представляют в виде совокупности элементарных ячеек, представленных на фиг. 2, каждая из которых представляет собой куб, в свою очередь состоящий из 8-ми одинаковых специально ориентированных кубиков, каждый из которых образован параллельно-расположенными слоями, моделирующими слои веществ 1,2, как показано на фиг. 2. При этом размеры куба равны 2Lx2Lx2L, размеры каждого кубика равны LxLxL, слой вещества 1 имеет толщину , слой вещества 2 имеет толщину b, высота и ширина всех слоев 1,2 одинакова и равна L. Через элементарную ячейку проходит направленный тепловой поток q. Данная элементарная ячейка в виде такого куба из 8-ми кубиков обладает эффективной теплопроводностью, равной эффективной теплопроводности создаваемого двухкомпонентного композита λ. Эффективная теплопроводность λ данной элементарной ячейки, т.е. композита, может быть рассчитана через ее эффективное тепловое сопротивление R, которое, в свою очередь, рассчитывается исходя из схемы электрического замещения, составленной согласно электротепловой аналогии и представленной на фиг. 3. Согласно закону Кирхгофа эффективное тепловое сопротивление R схемы, представленной на фиг. 3, равно:
где
- тепловое сопротивление кубика размером LxLxL в направлении, параллельном тепловому потоку;
- тепловое сопротивление кубика размером LxLxL в направлении, перпендикулярном тепловому потоку.
эфф
С другой стороны, указанное эффективное тепловое сопротивление R схемы, представленной на фиг. 3, может быть рассчитано из общеизвестного определения для теплового сопротивления участка тепловой цепи:
где
l - длина участка тепловой цепи (в направлении передачи теплоты),
λ - теплопроводность участка цепи,
эфф
S - площадь сечения, в котором передается теплота на данном участке цепи. Применительно к эффективному тепловому сопротивлению R элементарной ячейки двухкомпонентного композита (фиг. 2) соотношение (2) имеет вид:
эфф
2
Решив (3) совместно с (1) относительно эффективной теплопроводности λ металлокомпозита с учетом, что S=4L, получаем:
При этом, приняв L=1 (кубики единичной длины) получаем более простое соотношение:
Значения эффективных тепловых сопротивлений кубиков ,  также рассчитывают исходя из общеизвестного определения теплового сопротивления участка тепловой цепи (2), соотношения для которых имеют вид (при L=1):
1
2
а
В соотношениях (6), (7) теплопроводности веществ 1,2 - λ и λ заранее известны. Неизвестными параметрами остаются толщины слоев , b. Указанные толщины (выраженные в относительных единицах) рассчитывают исходя из объемного содержания каждого вещества по следующим соотношениям:
где
1
Х - объемное содержание первого вещества,
2
Х - объемное содержание второго вещества.
1
2
эфф
1
2
эфф
i
При этом, объемные содержания металлов X,X измеряются также в относительных единицах. Далее, используя соотношения (5)-(9) выполняют расчет зависимости эффективной теплопроводности λ создаваемого двухкомпонентного композита от объемного содержания (пропорции смешивания) веществ 1 и 2, т.е. либо от Х, либо от Х. Полученную зависимость λ=ƒ(X), i=1,2 строят либо графически, либо аппроксимируют математически, например, полиномом n-ой степени. После этого, согласно найденной пропорции равномерно смешивают порошки указанных веществ, спрессовывают полученную смесь по одной из общеизвестных технологий в заданную форму, после прессования измеряют эффективную теплопроводность полученного из смеси двухкомпонентного композита и присваивают ему измеренное значение теплопроводности.
эфф
2
3
1
2
эфф
1
эфф
1
R
Пример осуществления способа. Пусть, например, требуется создать медно-алундовый двухкомпонентный композит, обладающий эффективной теплопроводностью λ=110 Вт/(м⋅К). В качестве первого вещества 1 взята чистая медь (Сu), в качестве второго вещества 2 - алунд (АlО). Теплопроводность чистой меди известна и равна λ=400 Вт/(м⋅К), теплопроводность алунда известна и равна λ=20 Вт/(м⋅К). Данные по теплопроводности приведены для комнатных температур. Для осуществления способа первоначально по соотношениям (5)-(9) выполняют расчет зависимости эффективной теплопроводности λ создаваемого двухкомпонентного композита от объемного содержания (пропорции смешивания) веществ, например, - от объемного содержания Х первого вещества, т.е. находят зависимость λ=ƒ(X) Полученную зависимость строят либо графически, либо аппроксимируют математически. Для конкретно взятого примера с указанными веществами зависимость аппроксимируется полиномом 6-ой степени с коэффициентом достоверности аппроксимации k=0,999:
эфф
1
1
1
1
1
1
6
5
4
3
2
λ=11860X-30359X+29599X-13324X+2715,5X-116,7X+22.
эфф
Исходя из данной зависимости, находят требуемые объемные содержания веществ, которые, как следует из расчетов, для λ=110 Вт/(м⋅К), равны:
1
2
эфф
а) при Х=0,74 и X=0,26→λ=110 Вт/(м⋅К),
эфф
Затем в установленной пропорции равномерно смешивают порошки указанных веществ (меди и алунда), полученную смесь прессуют в заданную форму, т.е. формируют образец нужного размера и формы. После операции прессования измеряют эффективную теплопроводность полученного двухкомпонентного композита любым, соответствующим по точности измерителем теплопроводности, например, с помощью измерителя теплопроводности «LFA 467 HyperFlash» фирмы NETZSCH-Gerätebau GmbH (Германия), обладающего погрешностью измерения не более 2% в диапазоне измеряемой теплопроводности от 0,1 до 4000 Вт/(м⋅К). Измеренное с помощью измерителя значение λ присваивают созданному двухкомпонентному композиту.
Оцениваемая достоверность задания эффективной теплопроводности согласно предлагаемому способу ≈90% (относительная неопределенность предсказания ≈10%).
Предложенный способ позволяет создавать двухкомпонентные композиты с заданной теплопроводностью, непрерывно изменяемой в широком диапазоне от нескольких единиц до нескольких сотен Вт/(м⋅К), при этом может использоваться практически неограниченная номенклатура веществ, находящихся в твердом порошкообразном состоянии. При этом не предъявляются какие-либо жесткие требования к гранулометрическому составу порошков используемых веществ. Кроме того, использование веществ, обладающих высокой температурой плавления, позволяет создавать композиты с высокой предельной рабочей температурой, вплоть до 2000-2500°С.