Патент на изобретение №2319950
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
(57) Реферат:
Изобретение относится к измерительной технике. В способе, заключающемся в измерении разницы температур, однонаправленный композиционный и эталонный образцы выполнены одновременно в виде монолитного твердого материала матрицы. Эталонным образцом служит часть твердого материала матрицы, ограниченная парой термопар, а соединениями между элементами служит часть, ограниченная самими соосно расположенными элементами. Технический результат – повышение точности определения теплофизических характеристик материала. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к физике, а именно к измерительной технике, и может быть использовано в технологии изготовления новых композиционных материалов, в том числе материалов техники СВЧ. При разработке указанных выше материалов и их использовании необходимо прогнозирование их эксплуатационных характеристик, в том числе теплофизических, одними из них являются коэффициенты теплопроводности и температуропроводности. Один из известных способов определения теплофизических характеристик основан на измерении разницы температур при прохождении теплового потока вдоль исследуемого образца. Известен способ определения коэффициента теплопроводности материалов, заключающийся в расположении измеряемого образца по обе стороны от нагревателя, расположении термопар на концах измеряемых образцов, расположении всего этого в камере, заполненной теплоизоляционным материалом, пропускании тока через нагреватель, измерении температур на концах измеряемых образцов и расчете коэффициента теплопроводности по формуле
где I – ток, пропускаемый через нагреватель;
Qтп – тепловые потери с боковых сторон образцов; s1 и s2 – площади поперечного сечения первого и второго образцов;
Т2 и T1 – температуры на концах первого образца соответственно; Т4 и Т3 – температуры на концах второго образца соответственно [1, стр.21]. Известен способ определения теплофизических характеристик материалов, заключающийся в импульсном тепловом воздействии на теплоизолированную поверхность исследуемого материала от двух точечных источников тепла, выделяющих энергию Q и 2Q соответственно, и измерении температуры поверхности исследуемого материала в двух заданных точках с помощью двух термопреобразователей, расположенных на определенных расстояниях R от первого и второго точечных источников тепла, регистрации времени достижения равенства температур в упомянутых точках и расчете коэффициентов тепло- и температуропроводности по формулам
где а – коэффициент температуропроводности, Q – количество тепла, выделяемое точечным источником тепла, R – расстояние между первым термопреобразователем и источником тепла энергии Q,
Т( Как первый, так и второй способ трудно применимы к тонким пластинам толщиной менее 1,0 мм, более того, выполненных из твердого материала, например алмаза, так как практически невозможно присоединить к исследуемым материалам указанной толщины и размера термопары и осуществить плотный контакт с нагревателем. Более того, второй способ достаточно сложен. Известен способ определения теплофизических характеристик материала на основе исследуемого образца в виде тонких пластин либо волокон в продольном направлении, в котором с целью возможности и удобства проведения операций исследуемый образец ввиду его малости размещают в некой форме из материала матрицы. В целом способ заключается в: – изготовлении однонаправленного композиционного образца заданного сечения на основе исследуемого образца заданной длины и материала матрицы посредством соосного расположения исследуемого образца в съемной форме параллельно продольной ее оси, – нагреве съемной формы до температуры, близкой к температуре плавления материала матрицы, – заливке материала матрицы в съемную форму, при этом нагрев и заливку проводят в среде защитного газа, – охлаждении заливки материала матрицы с целью ее отвердения со скоростью, предотвращающей образование трещин, – изготовлении собственно однонаправленного композиционного образца необходимой формы – цилиндр, пластина и т.д. механической обработкой, например, резкой алмазным кругом с последующим шлифованием торцевых поверхностей, – изготовлении эталонного образца необходимой формы – цилиндр, пластина и т.д. механической обработкой, например, резкой алмазным кругом с последующим шлифованием торцевых поверхностей, – соосном расположении всех элементов и соединении их посредством сжатия, – измерении разницы температур при прохождении теплового потока вдоль исследуемого и эталонного образцов, – расчете теплофизических характеристик – прототип [3]. Этот способ дает возможность работать с измеряемыми образцами малых размеров и выполненных из твердых материалов, в том числе алмаза. Однако, как и предыдущие, он: во-первых, имеет низкую точность из-за наличия физической границы раздела между элементами, во-вторых, очень сложен в исполнении. Каждый элемент выполняется отдельно, проходя процедуру вырезки, необходимость пришлифовки взаимно контактирующих поверхностей элементов, обеспечение их точного взаимного соосного расположения, необходимость контроля сжатия в процессе их соединения. Устройство для осуществления этого способа представляет собой последовательно и соосно расположенные нагреватель, однонаправленный композиционный образец заданного сечения на основе исследуемого образца заданной длины и материала матрицы, эталонный образец заданной длины и радиатор, соединенные между собой, четыре термопары, при этом первая и вторая термопары расположены на однонаправленном композиционном образце – исследуемом образце, а третья и четвертая – на эталонном образце. Все это расположено в вакуумной камере, стенки которой имеют водяное охлаждение. При соединении элементов предусмотрено специальное устройство для сжатия. Как видно, данное устройство – достаточно сложно и с точки зрения самой конструкции, так и ее реализации, что естественно вносит погрешность в измерения. Таким образом, как способ определения теплофизических характеристик материала, так и устройство для его осуществления отличаются сложностью и относительно невысокой точностью. Техническим результатом изобретений является повышение точности и упрощение как способа определения теплофизических характеристик материала, так и устройства для его осуществления. Указанный технический результат достигается: Как способом, в котором однонаправленный композиционный и эталонный образцы изготавливают одновременно в процессе заливки материала матрицы в съемную форму без торцевых поверхностей, с отверстиями для расположения термопар и длиной L, равной L=Lиссл+Lэт+L1+L2+L3, где Lиссл – длина исследуемого образца, Lэт – длина эталонного образца, L1, L2, L3 – длины соединений между нагревателем и однонаправленным композиционным образцом и эталонным образцом и радиатором соответственно и постоянным сечением, равным заданному сечению Sок однонаправленного композиционного образца, при этом длину каждого соединения между указанными элементами определяют из соотношения
где Sок – сечение однонаправленного композиционного образца, при этом одновременно с расположением исследуемого образца в упомянутой съемной форме в ней располагают четыре термопары – первую и вторую на расстоянии L4 от концов исследуемого образца, определяемом из соотношения
где Sок – сечение однонаправленного композиционного образца, а третью и четвертую – на концах области расположения эталонного образца, которую они и ограничивают, а расчет коэффициента теплопроводности ведут по формуле
где
Sиссл – сечение исследуемого образца, Sок – сечение однонаправленного композиционного образца, Lиссл – длина исследуемого образца, Lэт – длина эталонного образца, T1, Т2 – температура на концах исследуемого образца, Т3, Т4 – температура на концах эталонного образца, при этом сечение однонаправленного композиционного образца, длину исследуемого и эталонного образцов задают типом материала исследуемого образца, а в качестве материала матрицы может быть взят любой материал, не взаимодействующий с материалом исследуемого образца, а торцевыми поверхностями съемной формы служат нагреватель и радиатор соответственно. Так и устройством, в котором однонаправленный композиционный и эталонный образцы и соединения между элементами выполнены одновременно в виде монолитного твердого материала матрицы, при этом эталонный образец и соединения между элементами выполнены из материала матрицы, эталонный образец ограничен третьей и четвертой термопарами, а соединения между элементами – самими соответственно последовательно соосно расположенными элементами, при этом монолитный твердый материал матрицы выполнен длиной L, равной L=Lиссл+Lэт+L1+L2+L3, где Lиссл – длина исследуемого образца, Lэт – длина эталонного образца, L1, L2, L3, – длины соединений между нагревателем и однонаправленным композиционным образцом и эталонным образцом и радиатором соответственно и постоянным сечением, равным сечению Sок однонаправленного композиционного образца, при этом длина каждого соединения между указанными элементами соответствует соотношению
где Sок – сечение однонаправленного композиционного образца, при этом первая и вторая термопары расположены каждая на расстоянии L4 от концов исследуемого образца, определяемом соотношением
где Sок – сечение однонаправленного композиционного образца. Предложенный способ определения теплофизических характеристик материала, как и устройство для его осуществления, в которых однонаправленный композиционный и эталонный образцы и соединения между элементами выполнены одновременно в процессе заливки материала матрицы в съемную форму без торцевых поверхностей и с отверстиями для расположения термопар на заданном расстоянии и с указанными размерами элементов позволит: Во-первых, повысить точность измерения за счет: – выполнения материала матрицы однонаправленного композиционного образца, эталонного образца и соединений между элементами из одного материала и тем самым исключения паразитных тепловых сопротивлений между ними, – возможности осуществления более точного соосного расположения элементов, – исключения контактных поверхностей соединения элементов. Во-вторых, упростить как способ изготовления, так и устройство за счет: – исключения необходимости механической обработки при изготовлении однонаправленного композиционного и эталонного образцов, – исключения необходимости изготовления контактных поверхностей соединений элементов, – исключения специального устройства для сжатия при соединении элементов между собой. Выполнение каждого соединения между элементами длиной, соответствующей указанному соотношению, обеспечит их минимизацию и тем самым снижение погрешности при измерении температуры. Расположением первой и второй термопар на указанном расстоянии от концов исследуемого образца практически исключаются части исследуемого образца, в которых имеют место переходные процессы, искажающие достоверность и точность измерений. Приведенные выше преимущества в полной мере реализуются предложенными, как способом, так и устройством. Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен общий вид устройства в разрезе, где нагреватель – 1, однонаправленный композиционный образец – 2 на основе исследуемого образца – 3 и твердого материала матрицы – 4 эталонный образец – 5, радиатор – 6, соединения между элементами устройства – 7, 8, 9 соответственно, четыре термопары – четвертая – 10, третья – 11, вторая – 12, первая – 13. Пример 1. Проведены определения коэффициента теплопроводности материала на основе исследуемого образца в виде тонкой пластины, выполненной из CVD алмаза толщиной 0,0003 м, шириной 0,0022 м и длиной Lиссл, равной 0,02 м, следующим образом: – изготавливают однонаправленный композиционный образец 2 на основе указанного выше исследуемого образца 3 и материала матрицы 4, эталонный образец 5 и соединения между элементами – 7, 8, 9, для чего – располагают исследуемый образец 3 в съемной форме, выполненной без торцевых поверхностей и с четырьмя отверстиями для расположения термопар на заданном расстоянии постоянного сечения, равного 0,000009 м2, длиной L, равной 0,045 м, параллельно продольной ее оси, – при этом одновременно с расположением исследуемого образца 3 в съемной форме через отверстия располагают четыре термопары – первую 10 и вторую 11 на исследуемом образце 3 на расстоянии L4, равном 0,0015 м от его концов, а третью 12 и четвертую 13 – на концах области расположения эталонного образца 5 длиной Lэт, равной 0,016 м, которую они и ограничивают, – располагают плотно и соосно нагреватель 1 и радиатор 6 на торцах съемной формы, при этом нагреватель 1 со стороны исследуемого образца 3, а радиатор 6 – эталонного образца 5, – нагревают съемную форму до температуры, близкой к температуре плавления материала матрицы 4, – заливают материал матрицы 4, ПОС-61 в съемную форму, – охлаждают материал матрицы 4 с целью ее отвердения со скоростью, предотвращающей образование трещин, – снимают съемную форму, – подают тепло от нагревателя 1 на твердый материал матрицы 4, – измеряют разницу температур при прохождении теплового потока вдоль исследуемого и эталонного образцов на указанном выше расстоянии от концов исследуемого и на концах эталонного образцов, при средней температуре исследуемого образца, равной 353К, – производят расчет коэффициента теплопроводности по указанной формуле. Примеры 2-3. Аналогично примеру 1 проведены определения коэффициента теплопроводности указанного материала, но при других значениях L1, L2, L3 – длины соединений между нагревателем и однонаправленным композиционным образцом и эталонным образцом и радиатором соответственно и других значениях L4 – расстояние, на котором расположены каждая первая и вторая термопары от концов исследуемого образца согласно указанным в формуле изобретения соотношениям. Аналогично примерам 1-3 проведены определения коэффициента теплопроводности, но на основе исследуемых образцов, выполненных в виде тонкой пластины из меди и серебра в виде жгута соответственно. Проведены определения коэффициента теплопроводности на основе исследуемых образцов, выполненных в виде тонкой пластины из меди и серебра в виде жгута способом, описанным в прототипе. Определение коэффициента теплопроводности по способу прототипа исследуемого образца, выполненного из алмаза, не проводили ввиду его сложности. Данные сведены в таблицу. Как видно из таблицы, точность определения коэффициента теплопроводности материала указанных исследуемых образцов (примеры 1-3 для каждого типа материала) относительно данных коэффициента теплопроводности аналогичных материалов, приведенных в справочнике, составляет 4-6 процента в отличие от прототипа (примеры 2-3), где точность определения коэффициента теплопроводности составляет 8-18 процентов относительно тех же данных [1, стр.85; 4, стр.73]. Таким образом, предложенные способ определения теплофизических характеристик и устройство для его осуществления позволят по сравнению с прототипом: во-первых, обеспечить точность определения теплофизических характеристик 4-6 процента относительно данных коэффициента теплопроводности аналогичных материалов, приведенных в справочнике, в отличие от прототипа 8-18 процентов относительно тех же данных. во-вторых, упростить как способ, так и устройство, в-третьих, обеспечить возможность работать достаточно просто с исследуемыми образцами в виде тонких пластин толщиной менее 1,0 мм, более того, выполненных из твердого материала, в том числе алмаза, который на сегодня является одним из перспективных материалов как в качестве теплоотвода и активного полупроводникового материала в изделиях техники СВЧ различного назначения, так в изделиях силовой электроники. Источники информации 1. Теплопроводность твердых тел. Справочник. Охотин А.С., Боровикова Р.П., Нечаева Т.В., Пушкарский А.С. Под ред. Охотина А.С., М.: Энергоатомиздат, 1984, стр.21, 85. 2. Патент РФ №2149388 МПК G01N 25/18, приоритет 1996.10.08, опубл. 2000.05.20. 3. Патент РФ №2084880 МПК G01N 25/18, приоритет 1994.02.24, опубл. 1997.07.20. 4. Справочник по элементарной физике. – 8-е изд., перераб. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. – М.:Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980, стр.73.
Формула изобретения
1. Способ определения теплофизических характеристик материала на основе исследуемого образца в виде тонких пластин либо волокон в продольном направлении, включающий изготовление однонаправленного композиционного образца заданного сечения на основе исследуемого образца заданной длины и материала матрицы посредством расположения исследуемого образца в съемной форме параллельно продольной ее оси, нагрева съемной формы до температуры, близкой к температуре плавления материала матрицы, заливки материала матрицы в съемную форму, охлаждения материала матрицы с целью ее отвердения со скоростью, предотвращающей образование трещин, изготовление эталонного образца заданной длины, измерение разницы температур на однонаправленном композиционном и эталонном образцах и расчет теплофизических характеристик, отличающийся тем, что однонаправленный композиционный и эталонный образцы изготавливают одновременно в процессе заливки материала матрицы в съемную форму без торцевых поверхностей, с отверстиями для расположения термопар и длиной L, равной L=Lиссл+Lэт+L1+L2+L3, где Lиссл – длина исследуемого образца, Lэт – длина эталонного образца, L1, L2, L3 – длины соединений между нагревателем и однонаправленным композиционным образцом и эталонным образцом и радиатором соответственно, и постоянным сечением, равным заданному сечению Sок однонаправленного композиционного образца, при этом длину каждого соединения между указанными элементами определяют из соотношения
где Sок – сечение однонаправленного композиционного образца, при этом одновременно с расположением исследуемого образца в упомянутой съемной форме в ней располагают четыре термопары, первую и вторую на расстоянии L4 от концов исследуемого образца, определяемом из соотношения
где Sок – сечение однонаправленного композиционного образца, а третью и четвертую – на концах области расположения эталонного образца, которую они и ограничивают, а расчет коэффициента теплопроводности ведут по формуле
где
Sиссл – сечение исследуемого образца, Sок – сечение однонаправленного композиционного образца, Lиссл – длина исследуемого образца, Lэт – длина эталонного образца, T1, T2 – температура на концах исследуемого образца, Т3, Т4 – температура на концах эталонного образца. 2. Способ определения теплофизических характеристик материала по п.1, отличающийся тем, что торцевыми поверхностями съемной формы служат нагреватель и радиатор соответственно. 3. Способ определения теплофизических характеристик материала по п.1, отличающийся тем, что сечение однонаправленного композиционного образца, длину исследуемого и эталонного образцов задают типом материала исследуемого образца. 4. Способ определения теплофизических характеристик материала по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала матрицы может быть взят любой материал, не взаимодействующий с материалом исследуемого образца. 5. Устройство для определения теплофизических характеристик материала, содержащее последовательно соосно расположенные нагреватель, однонаправленный композиционный образец заданного сечения на основе исследуемого образца заданной длины и материала матрицы, эталонный образец заданной длины и радиатор, соединенные между собой, четыре термопары, при этом первая и вторая термопары расположены в области расположения однонаправленного композиционного образца, а третья и четвертая – на концах эталонного образца, отличающееся тем, что однонаправленный композиционный и эталонный образцы и соединения между элементами выполнены одновременно в виде монолитного твердого материала матрицы, при этом эталонный образец и соединения между элементами выполнены из материала матрицы, эталонный образец ограничен третьей и четвертой термопарами, а соединения между элементами – самими соответственно последовательно соосно расположенными элементами, при этом монолитный твердый материал матрицы выполнен длиной L, равной L=Lиссл+Iэт+L1+L2+L3, где Lиссл – длина исследуемого образца, Lэт – длина эталонного образца, L1, L2, L3 – длины соединений между нагревателем и однонаправленным композиционным образцом и эталонным образцом и радиатором соответственно, и постоянным сечением, равным сечению Sок однонаправленного композиционного образца, при этом длина каждого соединения между указанными элементами соответствует соотношению
где Sок – сечение однонаправленного композиционного образца при этом первая и вторая термопары расположены каждая на расстоянии L4 от концов исследуемого образца, определяемом соотношением
где Sок – сечение однонаправленного композиционного образца.
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
U – напряжение на нагревателе;
1 и 
– коэффициент теплопроводности,
0 – время достижения равенства температур в двух заданных точках на поверхности исследуемого материала,
