СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПОКРЫТИЙ
METHOD FOR MEASURING THERMAL CONDUCTIVITY OF COATINGS

Изобретение относится к тепловым испытаниям, а именно к измерениям теплофизических свойств веществ.
Одним из основных свойств износостойких покрытий любого назначения является их теплопроводность, определяющая эффективность и ресурс их работы. Известно, что в точках контакта трущихся поверхностей температура поверхности может достигать нескольких сотен градусов, что приводит к увеличению коэффициента трения и повышению износа. Отведение тепла из зоны контакта может снизить градиент температур как в самих покрытиях, так и на границе их с основным материалом детали. Благодаря этому уменьшаются механические напряжения, возникающие при напылении и эксплуатации изделий, и можно снизить уровень претензий к адгезионным и когезионным свойствам покрытий и существенно увеличить их ресурс работы.
Покрытия, получаемые напылением металлокерамических композиций, в зависимости от соотношения компонентов и их распределения в слое с успехом могут использоваться как в качестве теплозащитных, так и износостойких материалов.
Известно устройство для скоростного измерения теплопроводности материалов в диапазоне температур от -150 до +4000°С, содержащее разъемный теплоизолированный кожух, металлическое основание с охранным колпаком, нагревателями и системой каналов для охлаждающей жидкости, термопары и термостолбик, которое с целью ускорения процесса измерения теплового потока, текущего через испытуемый образец, снабжено малоинерционным металлическим тепломером [А.С. №168500 от 19.11.1965].
Недостатком данного устройства является то, что испытуемый образец и тепломер имеют малые размеры, что определяет малую разницу тепловых потоков и, как следствие невысокую точность измерения. Увеличение габаритов тепломера неизбежно приведет к возрастанию потерь тепла с его боковых поверхностей, которые трудно определить.
Известен способ определения теплоемкости материалов путем параллельного нагрева исследуемого и эталонного цилиндрических образцов при идентичных условиях теплообмена на их поверхностях [А.С. №463050 от 04.05.1975]. Способ заключается в том, что к торцу одного из образцов подводится постоянный по времени тепловой поток, поддерживают при этом попарно равенство температур торцов испытуемого и эталонного образцов, а после установления стационарного теплового режима определяют разность мощностей, выделенных на поверхностях образцов.
Недостатком этого способа является необходимость точного определения и температуры поверхности образцов, и мощности, потребляемой на их нагрев. Погрешности, возникающие в процессе измерений этих двух показателей, суммируются, что отрицательно сказываются на точности способа.
Задача изобретения - устранение отмеченных недостатков.
Положительный эффект от предлагаемого способа достигается за счет повышения достоверности результатов определения теплоемкости материалов.
Предметом изобретения является способ определения теплопроводности материалов методом параллельного нагрева двух цилиндрических образцов одинаковых размеров при идентичных условиях теплообмена на поверхности, в котором один из образцов выполнен полностью из материала с известными свойствами, а другой - составной, одна часть его выполнена из материала первого образца, а другая - из исследуемого материала.
Предложенный способ основан на использовании метода электротепловой аналогии. В основу способа положен метод измерения электрического сопротивления при помощи мостиковой схемы.
Сущность предложенного способа поясняется фиг. 1
В способе используются два образца, один из которых 1 выполнен из материала с известной теплопроводностью, второй 2 - составной, одна часть его 3 выполнена из материала первого образца, а другая 4 - из исследуемого материала. Суммарная длина элементов 3 и 4 образца 2 равна длине образца 1. Оба образца расположены между нагревателем 5 и холодильником 6 и имеют одинаковую площадь поперечного сечения. Повышение температуры нагревателя происходит при включении в электросеть нихромовой спирали 7 нагревателя 5, а отвод тепла от холодильника 6 производится проточной водой или потоком сжатого воздуха (на рисунке не указано). Контакт образцов с нагревателем обеспечивается их прижимом с помощью шпильки 8 через шарнирные опоры 9. Использование шарнирных опор позволяет добиться контакта по всей площади соприкасающихся поверхностей между нагревателем и обоими образцами установки.
В процессе нагрева в образцах возникает разница в тепловых потоках и градиентов температур по длине образцов, соотношение которых обратно пропорционально тепловому сопротивлению каждого образца. Перепад температур в образце 1 фиксируется при помощи термопар 10 и 11, а в образце 2 - термопарами 12 и 13. Расстояние между термопарами в обоих образцах одинаковое и, с целью повышения точности измерения, составляет не менее 10 диаметров образцов.
После установления стационарного теплового режима определяют градиенты температур в каждом образце и производят расчет теплопроводности испытуемого образца с учетом известной теплопроводности образца 1:
Тепловое сопротивление образца 1:
Тепловое сопротивление образца 2:
х
где λ - теплопроводность исследуемого материала;
м
λ - теплопроводность известного материала образца 1;
x
L - длина исследуемого материала,
м
L - длина образца 1.
С учетом того, что отношение перепадов температур на образцах обратно пропорционально их тепловому сопротивлению, получим:
где
1
2
ΔT и ΔТ - перепады температур на 1 и 2 образцах соответственно.
Корректировка конструкции установки и ее тарирование проводилось по измерениям теплопроводности слюды. В качестве материала для изготовления образцов с известной теплопроводностью была выбрана медь марки M1, а база измерения градиента температур равной 150 мм.
При оценке погрешности измерений были рассмотрены вопросы обеспечения надежного контакта между медной частью 3 и исследуемой частью 4 образца 2. Теоретические расчеты и экспериментальные данные показали, что площадь фактического контакта сопрягаемых деталей находится на уровне 5% от площади образцов. Уменьшения теплового сопротивления стыка можно достигнуть за счет усилия прижима измеряемого образца и стержня измерительного плеча. В процессе нагрева стержней пластичность меди увеличивается и в результате деформации микронеровностей площадь контакта в стыке увеличивается. В результате обработки данных, полученных при измерении теплопроводности слюды и образца, изготовленного так же, как и стержни, из меди M1, было установлено, что тепловое сопротивление стыка эквивалентно тепловому сопротивлению медного стержня длиной 15 мм.
Предлагаемый способ позволяет определять теплопроводность компактных материалов и теплоизолирующих покрытий с точностью менее 5%, в диапазоне температур от 20 до 500°С. При этом определение производится на образцах с исследуемым материалом диаметром 10-20 мм и высотой от 0,1 до 5,0 мм, что позволят работать с теплозащитными покрытиями, создаваемыми методами газотермического напыления, толщина которых, как правило, не превышает 0,5 мм.