СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
DETERMINING METHOD OF THERMAL AND PHYSICAL PROPERTIES OF CONDUCTING SOLID MATERIALS

Способ определения теплофизических свойств электропроводящих твердых материалов относится к области теплотехники и может быть использован для расчета тепловых полей деталей и узлов конструкций при их эксплуатации при высоких температурах.
Известен способ определения теплопроводности и полусферической степени черноты, заключающийся в нагреве электрическим током образца в виде параллелепипеда, измерении температур в процессе нагрева образца на его изотермическом участке в двух взаимно перпендикулярных гранях и на расстоянии от его ребра, равном радиусу площадки визирования оптическим пирометром, и по измеренным параметрам рассчитывают характеристики. Недостатками этого способа являются следующие. Во-первых, в этом способе определяются только две характеристики - теплопроводность и полусферическая степень черноты, в то время как существенно более информативным и экономически целесообразным является определение на одном образце комплекса теплофизических характеристик, особенно когда исследуются дорогостоящие материалы. Во-вторых, для определения теплофизических характеристик этим способом необходим массивный образец, что затрудняет его нагрев до высоких (выше 2000°С) температур (см. А.С. СССР № 1168840, G01 25/18, 1983 г.).
Известен способ определения истинной теплоемкости твердых тел, заключающий в нагреве образца пропусканием через него электрического тока, охлаждении образца и регистрации при нагреве и при охлаждении кривых изменения температуры и мощности источника нагрева (см. Е.С.Платунов. Теплофизические измерения в монотонном режиме, Ленинградское отделение: Энергия, 1973 г., с.43).
Недостатком этого способа является то, что скорости нагрева и охлаждения должны выбираться удобными для измерений. Это существенно усложняет эксперимент, поскольку теплофизические характеристики материалов зависят от температуры и на разных участках нагрева и или охлаждения это сказывается на трудно учитываемых погрешностях измерений.
Кроме того, этот способ применим только для определения теплоемкости.
Задачей авторов настоящего изобретения было создание комплексного, экономичного с широкой областью применения способа определения комплекса теплофизических свойств (эектросопротивления, степени черноты, теплопроводности и теплоемкости) электропроводящего твердого материала при высоких (выше 2000°С) температурах на одном образце в одном эксперименте.
Поставленная задача решается измерением геометрических размеров образца, закреплением концов образца выполненного в виде фольги исследуемого материала на гибких элементах, размещением электрода (анода) рядом с образцом параллельно его поверхности, нагревом образца пропусканием электрического тока, для нескольких значений тока нагрева определением величин тока и падения напряжения, тока эмиссии в трех или более точках на изотермическом участке образца и на участке с градиентом температур, затем в процессе охлаждения определением тока эмиссии в зависимости от времени охлаждения и расчете по измеренным параметрам теплофизических характеристик из соответствующих соотношений.
Электросопротивление рассчитывается по измеренным значениям тока нагрева, напряжения и размеров образца из соотношения:
ρ - удельное электросопротивление;
U - падение напряжения на рабочем участка образца;
I - сила тока, пропускаемого через образец;
сеч
S - площадь поперечного сечения образца;
l - длина изотермического участка образца.
Температуру рассчитывают по результатам определения тока эмиссии.
j - ток эмиссии;
0
А - термоэмиссионная постоянная Зоммерфельда;
еφ - работа выхода электронов (справочные данные).
Степень черноты рассчитывается по измеренным значениям размеров образца, тока нагрева и напряжения, рассчитанным значениям температуры из соотношения:
N=I·U
ε - степень черноты, Т - температура;
бок
S - площадь излучающей поверхности рабочего участка;
σ - константа Больцмана.
Теплопроводность рассчитывается по измеренным значениям тока нагрева, напряжения, рассчитанным значениям температуры, электросопротивления и размеров образца из соотношения:
где:
λ - коэффициент теплопроводности;
h - ширина образца;
m - толщина образца.
Теплоемкость рассчитывается по измеренным значениям тока нагрева, результатам определения изменения температуры во времени, электросопротивления, степени черноты и размеров образца из соотношения:
с - коэффициент теплоемкости;
а - плотность материала образца.
Все измеренные параметры взаимосвязаны при расчете искомых теплофизических характеристик. Так, значения тока нагрева используются для расчета электросопротивления, степени черноты, теплопроводности и теплоемкости; значения напряжения используются для расчета электросопротивления и степени черноты; значения температуры используются для расчета степени черноты, теплопроводности, теплоемкости; значения тока эмиссии используются при расчете температуры, определении теплоемкости при регистрации изменения температуры во времени. Кроме того, полученные результаты по определению электросопротивления и степени черноты используются при расчете теплопроводности и теплоемкости.
Изобретение иллюстрируется фиг.1-4. На фиг.1 представлена схема проведения испытаний образцов, где
1 - Образец;
2 - Анод;
3 - Потенциальные концы;
4 - V-образные концевые элементы;
5 - Температурное поле образца.
На фиг.2 представлено температурное поле образца в области градиента температур и расчетные кривые температурного поля, где
1 - Экспериментальные значения;
2 - Расчетные значения для теплопроводности 10 Вт/(мК)
3 - Расчетные значения для теплопроводности 50 Вт/(мК)
4 - Расчетные значения для теплопроводности 90 Вт/(мК)
5 - Расчетные значения для теплопроводности 100 Вт/(мК)
6 - Расчетные значения для теплопроводности 150 Вт/(мК)
На фиг.3 представлена схема измерения теплоемкости, где
А - зависимость эмиссионного тока от температуры;
Б - зависимость эмиссионного тока от времени;
В- зависимость температуры от времени.
На фиг.4 представлены зависимости удельного электросопротивления (а); степени черноты (б), коэффициента теплопроводности (в); теплоемкости (г) от температуры, где
1 - Экспериментальные данные для вольфрама;
2 - Справочные данные для вольфрама.
Пример осуществления.
Образец (1), выполненный в виде фольги из вольфрама толщиной 200 мкм и длиной 60 мм с прикрепленными потенциальными концами (3), установили в измерительный узел на гибких V-образных концевых элементах (4), выполненных из фольги молибдена толщиной 50 микрон, параллельно дополнительному электроду аноду (2), что обеспечивало требуемое температурное поле образца (5) (фиг.1). После обезгаживания образца нагревом до 2300°С и выдержкой при этой температуре в течении 3 часов его нагрели пропусканием тока до Т=2000°С, измерили величину тока 65А, на изотермическом участке в пяти точках измерили температуру, падение напряжения, затем на участке с градиентом температур измерили величину температуры в 5 точках. Результаты измерений приведены в таблице. Результаты измерений температур нанесли на предварительно расчетным путем (из уравнения 4) полученные зависимости температур по длине образца для разных значений теплопроводности. Теплопроводность исследуемого материала принимается равной теплопроводности, соответствующей той кривой, с которой совпадают экспериментально полученные результаты измерения температуры (фиг.2).
Теплоемкость определяется в два этапа. На первом этапе определяют зависимость тока эмиссии от тока нагрева (фиг.3А), а на втором зависимость тока эмиссии от времени (фиг.3Б). По полученным данным определяют зависимость температуры от времени (фиг.3В) и определяют теплоемкость из уравнения теплопроводности (5).
Результаты расчетов искомых теплофизических характеристик по измеренным параметрам в сравнении с известными данными из технической литературы представлены на фиг.4.
Из графиков видны хорошие совпадения литературных данных и полученных с использованием описанного способа. То есть результаты, полученные на одном образце в одном эксперименте, совпадают в пределах погрешности с результатами, полученными для каждой характеристики специальными метрологически обоснованными методами и на специальных образцах. Это свидетельствует о надежности результатов, полученных предлагаемым способом.
Таблица
X, мм
Т, °С
0
1715
5
1901
10
1982
15
1997
20
2000