Способ быстрого определения температурной зависимости вязкости и характеристических температур стекол и устройство для его реализации
METHOD FOR FAST DETERMINATION OF TEMPERATURE DEPENDENCE OF VISCOSITY AND CHARACTERISTIC GLASS TEMPERATURES AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к устройствам для контроля температурной зависимости вязкости и характеристических температур стекол.
Известны способы определения температурной зависимости вязкости [1] и характеристических температур [2, 3] методом удлинения волокна. Метод удлинения волокна основан на измерении скорости удлинения волокна при заданных температуре и механическом нагружении и расчете вязкости по законам вязкого течения.
Из литературы [5-8] известно, что термическая предыстория стекла влияет на значения его характеристических температур. Поэтому процедура изготовления образца, включающая его плавление, может исказить измеряемые значения. Также следует отметить, что некоторые технологии получения чистого стекла, например из газовой фазы, дают на выходе заготовки стекла в форме полых труб [6, 9], которые далее могут использоваться в технологии изготовления керамики без плавления. Примером такого использования кварцевого стекла может служить технология изготовления кварцевой керамики [10], спекание, которой происходит за счет вязкого течения при температурах сильно меньших точки плавления.
Наиболее близким техническим решением является способ и установка для его реализации, описанные в работе [4]. Особенностями данного способа является то, что значение вязкости при заданной постоянной температуре определяется методом удлинения волокна при постоянном механическом нагружении и выдержке при постоянной температуре. В качестве образца используют тонкое волокно стекла, изготавливаемое в специальной печи. Измерения производятся в ходе выдержек при постоянной температуре.
Недостатками данного способа и устройства являются:
1) длительность проведения измерений (до нескольких часов на одну точку), так как требуется равномерно прогреть массивную печь;
2) необходимость изготовления образца заданных геометрических размеров, при этом процедура изготовления образца не только трудоемка и занимает длительное время, но и включает его плавление (например, как в случае использования образца в виде волокна);
3) неточность измеряемых значений из-за этапа плавления в ходе изготовления образца.
Целью изобретения является уменьшение длительности процедуры определения вязкости до 10-15 минут на одну температурную точку у образца в форме полой трубки, а также повышение достоверности данных по характеристическим температурам и вязкости стекол за счет исключения этапа плавления.
Цель достигается тем, что предложен способ быстрого определения температурной зависимости вязкости и характеристических температур стекол, включающий измерение скорости удлинения образца при постоянной механической нагрузке и при постоянной температуре, отличающийся тем, что нагрев образца в форме полой трубки производится индукционным способом при помощи промежуточного нагревательного элемента из проводящего высокотемпературного материала, помещаемого внутрь образца.
Для достижения цели изобретения предложено устройство для быстрого определения температурной зависимости вязкости и характеристических температур стекол, включающее печь, датчики измерения удлинения и температуры, систему механического нагружения постоянным весом, отличающийся тем, что нагрев образца производится за счет промежуточного нагревательного элемента из высокотемпературного проводящего материала, нагреваемого индукционным способом, а в качестве датчика температуры используется пирометр, работающий в спектральной области непрозрачности стекла.
Авторы установили, что за счет использования индукционного нагрева образца в форме полой трубки при помощи помещаемого внутрь промежуточного нагревательного элемента из проводящего высокотемпературного материала и измерении скорости удлинения образца при стационарной температуре уменьшается длительность процедуры определения вязкости. Благодаря индукционному нагреву скорость подъема температуры между стационарными участками может достигать 10 К/с или более. Увеличение достоверности получаемых данных температурной зависимости вязкости при заданных значениях температуры достигается за счет использования образцов в форме полой трубки без предварительной механической и термической обработки.
На фиг. 1 представлен эскиз устройства для определения вязкости.
Устройство содержит основание 1, на которое крепится установка индукционного нагрева 2, пирометр 3, датчик перемещения 4. Точное позиционирование измерительных приборов после установки образца осуществляется с помощью 3-х координатных подвижек 5 или котировочных винтов. С помощью специальных зажимов 6 закрепляется испытываемый образец 7 в форме полой трубки. Внутрь образца помещают нагревательную сборку, состоящую из промежуточного нагревательного элемента, центрирующих элементов из стойких к высокой температуре теплоизоляционных материалов. Сверху и снизу трубки ставятся заглушки, которые препятствуют проникновению воздуха во внутреннюю полость трубки. Нагревательный элемент располагается внутри трубки таким образом, чтобы оставался зазор между его поверхностью и поверхностью трубки. Набор грузов 8, имеет оконечный груз в виде полусферы с радиусом равным расстоянию от центра нагревателя до внешней поверхности нижнего груза. В данной конфигурации грузов при небольшой боковой деформации нагретой трубки (из-за неравномерного сечения) осевое расстояние от лазерного датчика до плоскости груза остается неизменным, что повышает точность измерений. При помощи индукционного аппарата 2 осуществляется нагрев образца до температуры, при которой требуется определить вязкость. Контроль и измерение температуры образца осуществляется с помощью пирометра 3, работающего в спектральной области непрозрачности стекла или термопарой. Равномерность температурного поля в зоне нагрева осуществляется за счет использования теплоизоляции 9. Затем производится выдержка при заданной температуре с одновременной регистрацией скорости удлинения трубки. Выдержка производится до установления постоянной скорости удлинения. По полученным данным производится вычисление характеристических температур и температурной зависимости вязкости кварцевого стекла по формуле:
0
0
где η - вязкость; Т - температура стационарного участка; р - плотность стекла;  - ускорение свободного падения; L - длина нагреваемой части образца; L' - длина не нагреваемой части образца на момент начала участка постоянной скорости удлинения; ΔL - удлинение на стационарном участке; М - масса нагрузки; V - первоначальный объем нагреваемой части образца; γ - поверхностное натяжение материала стекла при температуре измерения; h - толщина стенки трубки;  - скорость удлинения образца для текущей температуры; R - внешний радиус образца.
Если выполняется условие малости относительного удлинения нагреваемой части образца  и сила поверхностного натяжения мала по сравнению с внешней нагрузкой выражение (1) может быть переписано в виде:
Для определения характеристических температур, измеренная температурная зависимость вязкости аппроксимируется аррениусовской зависимостью. Конкретная форма зависимости и количество параметров, для аппроксимации выбирается в соответствии с литературными данными для данного состава стекла. Характеристические температуры рассчитываются интерполяцией аррениусовской кривой.
Изобретение поясняется конкретным примером выполнения способа и устройства для определения температурной зависимости вязкости и характеристических температур кварцевого стекла на трубках. Кварцевое стекло в форме трубок используется для производства кварцевой керамики. Параметры спекания керамики существенным образом зависят от температурной зависимости вязкости использованного стекла. Так как вязкость кварцевого стекла существенным образом зависит от содержания в нем примесей, доля которых может варьироваться от партии к партии, была разработана лабораторная установка для рутинного контроля кварцевого стекла на кварцевых трубках по параметру вязкости и характеристическим температурам.
Перед созданием установки была проведена расчетная проверка распределения температуры в образце в нагреваемой области. Расчет производился в программе ANSYS FLUENT. При расчете учитывались теплофизические свойства материалов теплоизоляции и кварцевого стекла. Перенос тепла за счет излучения учитывался методом дискретных ординат. Оптические свойства кварцевого стекла учитывались. Результаты расчета представлены на фиг. 2, где показано распределение температуры по сечению сборки. Расчетный перепад температур по толщине стенки трубки не превышает 3°С.
В качестве нагревателя использовался индукционный нагреватель ВЧ 40 АВ. Для регистрации удлинения использовался лазерный триангуляционный датчик РФ603 (RIFTEK). Температура контролировалась при помощи пирометра частичного излучения Modline 5. В качестве промежуточного нагревателя использовался цилиндр из графита марки ГМЗ. Была исследована партия трубок (16 шт.) кварцевого стекла диаметров 25-28 мм, используемых для получения кварцевой керамики. На фиг. 3 показана зависимость логарифма вязкости в пуазах от обратной температуры. Точками с различными маркерами показаны экспериментальные результаты полученные на установке, линиями - литературные данные [6] для кварцевого стекла с различным содержанием примесей (в аннотации к фиг. 3 помечены звездочками).
Для определения характеристических температур экспериментальные данные аппроксимировались аррениусовской зависимостью вида:
где ℜ - газовая постоянная, Т - температура, а ΔH - энергия активации вязкости. Характеристические температуры, рассчитанные для нескольких значений вязкости, приведены в таблице 1. Содержание гидроксильных групп, влияющих на энергию активации вязкости оценивалось по данным ИК-спектроскопии в соответствии с [11].
Полученные результаты лежат в пределах допустимых значений для кварцевого стекла, так энергия активации вязкости согласно [6] лежит в интервале 120-150 ккал/моль.
ЛИТЕРАТУРА
[1] ISO: 7884-3, Determination of the Viscocity by Fiber Alongation Viscometer, in.
[2] ASTM: C338-93(2008), Standart Test Method for Softening Point of Glass, in, 2008.
[3] ASTM: C336-71(2010), Standart Test Method for Annealing Point and Strain Point of Glass by Fiber Alongation, in, 2010.
[4] J.P. Poole, Improved Apparatus for Measuring Viscosity of Glasses in Annealing Range of Temperature, Journal of American Ceramic Society, 32(7) (1949) 215-220.
[5] H. Scholze, Glass. Nature, Structure, and Properties, Springer-Verlag, 1991.
[6] A.K. Varshneya, Fundamentals of Inorganic Glasses, Academic Press, New York State College of Ceramics, 1994.
[7] О.В. Мазурин, А.С. Тотеш, М.В. Стрельцина, Т.П. Швайко-Швайковская, Тепловое расширение стекла, "Наука", Ленинград, 1969.
[8] H.R. Lillie, Viscosity-Time-Temperature Relations in Glass at Annealing Temperatures, Journal of American Ceramic Society, 16 (1933) 619-631.
[9] L. Cognolato, Chemical Vapour Deposition for Optical Fibre Technology Journal de Physique IV Colloque, 05(C5) (1995) 975-987.
[10] A.G. Romashin, M.Yu. Rusin, F.Ya. Borodai, Structural ceramic and fibrous materials based on quartz glass, Refractories and Industrial Ceramics, 45(6) (2004) 387-391.
[11] K.M. Devis, A. Agarwal, M. Tomozawa, K. Hirao, Quantitative Infrared Spectroscopic Measurement of Hydroxyl Concentrations in Silica Glass, Journal of Non-Crystalline Solids, 203 (1996) 27-36.