Способ определения коэффициента теплопроводности материалов

(51)4 С 01 И 25/18 БРЕТЕН ТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ(56) Дульнев Г.Н.,Заричняк 10,П.Теплопроводность смесей и композиционных материалов, Л,: Энергия,1974, с. 69,Литовский Е.Я., Платунов Е.СПучкелевич Н.А. Методы определениятеплопроводности огнеупорных материалов в широком интервале температур:Известия ВУЗов. Приборостроение,1969, Р 11, с. 124-128.Патент Франции Р 2245247,кл. С 01 И 25/18, 1975.(54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ,ЯО 11 5204 заключающийся в воздействии на исследуемый образец потоком энергиии регистрации поглощения энергии вобразце, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью упрощения и повышения точности способа определениякоэффициента теплопроводности материалов,а также получения возможчости исследований низкопрочных и рыхлых структур, на поверхность образца воздействуют энергией звуковыхчастот, осуществляют сканированиечастоты звуковой волны в диапазоне10-10000 кГц, фиксируют экстремальное значение поглощения прошедшейэнергии, по которому при помощикалибровочной зависимости судят овеличине коэффициента теплопроводности.1185204 40 Изобретение относится к определению теплофизических свойств материа-лов, а именно к способам определенияэффективного коэффициента теплопроводности материалов, и может бытьиспользовано, в частности, для опре"деления коэффициента теплопровоцности гетерогенных структур, напримеркоксов композиционных полимерных материалов (КПМ) . ОЦелью изобретения является упрощение и повышение точности способаопределения коэффициента теплопроводности материалов, а также получениевозможности исследования низкопрочных н рыхлых структур.На фиг. 1 представлена зависимость поглощения энергии ЛЕ различными материалами от частоты 1 приложенных колебаний; на фиг, 2 - калибровочная кривая (зависимость коэффициента теплопроводности от относительной поглощенной энергии д Е/Е).Суть способа состоит в следующем.По одну сторону образца размещают 25генератор звуковых колебаний с перестраиваеиой частотой звуковых волнв пределах 10-10000 кГц, С противоположной стороны образца помещаютприемник звуковых частот. Включают 30генератор и сканируют вдоль всейшкалы указанных частот. Находятзначение частоты, соответствующееэкстремальному (максимальному или,минимальному) поглощению звуковыхколебании, и по этому значению,учитывая толщину поглощающего слоя(относительное поглощение звуковойэнергии), с помощью калибровочнойзависимости судят об эффективномкоэффициенте теплопроводности исследуемого образцаМеханизм взаимодействия звуковыхи ультразвуковых колебаний с материалом заключается в следующем, 45Как известно, теплопроводностьматериала в любом агрегатном состоянии непосредственно коррелирует(нередко линейным образом) со скоростью распространения продольных 50звуковых волн, а также с параметрами фононов, возникающих при взаимодействии теплового импульса. Учитывая многокомпонентность дисперсныхматериалов и гетерогенность их 55структуры со сложной геометриейповерхностей раздела, вероятностный характер распределения неоднородностей по размерам и в объеме материала, вышеуказанные параметры - скорость распространения продольных звуковых волн и характеристики фононов - являются весьма условными и не определяемыми прямым экспериментом.По этой причине целесообразна реализация эмпирического подхода, который в данном случае заключается в экспериментальном определении степени поглощения материалом звуковых (ультразвуковых) колебаний, и установление корреляции (коэффициента пропорциональности) между этими поглощениями и эффективной теплопроводностью. Зависимость между поглощением материалом звуковых (ультразвуковых) колебаний и частотой последних не является монотонной, а имеет экстремум в области, где длины волн колебаний совпадают с размерами неоднородностей (например, газовых пор), т.е. в условиях воз-. никновения эффективного резонанса. А поскольку размеры неоднородностей имеют рассеяние, то йэкстремум имеет размытый характер, средняя часть которого соответствует наиболее вероятному значению искомой характеристики. Полярность экстремума, т,е. наличие максимума или минимума обусловлена поведением границ раздела или самих неоднородностей при воздействии на них звуковых (ультразву" ковых) колебаний. Например, в случае пористых материалов (пенопластов, поропластов, коксов и т.д.) определяющим является жидкость каркаса, разделяющего газонаполненные поры или ячей" ки. В одном случае стенки каркаса практически не препятствуют прохождению (распространению) колебания, а в другом - являются как бы демпферами, значительно поглощающими энергию. Вышесказанное проиллюстрировано кривыми на фиг.1, где представлены зависимости поглощения энергии раз . личными материалами (пенопласт ППУ-ЗФ, поролон, кокс резины "2135" и кокс композиции ВОЗП) от частоты приложенных колебаний. (ППУ-ЗФ-пенополиуретан с фосфорсодержащим антипиреном; резина "2135" на основе этиленпропиленового каучука; ВОЗЛ- вспенивающееся огнезащитное покрытие на основе ЭЛ)40 45 50 55 Из этих кривых видно, что присканировании частоты для исследованных коксов имеет место довольновысокий максимум. Для пенопластаэтот максимум менее выражен (чтовполне согласуется с менее жесткими стенками между порами последнего), а для поролона, имеющего эластичные стенки между порами, наблюдается отчетливо выраженный минимумпоглощения на шкале частот.Граничные значения диапазоначастот звуковых (ультразвуковых)волн (10-10000 кГц) определены экспериментальным путем и обусловленытем, что при взаимодействии звуковой(ультразвуковой) энергии данногодиапазона с материалами, имеющимиФгетерогенную структуру с размераминеоднородностей от 3 см до 30 мкм,на кривой йЕ/Е = Е наблюдаетсяэкстремум. Появление этого экстремума связано с возникновением эффективного резонанса между длиной волны падающей энергии и среднеинтегральными размерами неоднородностейструктуры.Конкретная реализация предлагаемого способа представлена в примерах1-5.П р и м е р 1. В качестве источника звуковой частоты используется.генератор сигналов ГЗА, приемником звуковой энергии является точный импульсный шумометр "00 023" свыносными задатчиком и приемникомэнергии,Объектом исследования являетсяпенопласт марки ППУ-ЗФ.При сканировании в диапазоне1-2000 кГц наблюдается пологий максимум (см.фиг. 1) примерно при00 кГц, поглощение энергии в котором составляет 517 В соответствии с .калибровочной зависимостью(см.фиг.2) данное поглощение энергиисоответствует коэффициенту теплопроводности, равном 0,09 Вт (м.К).П р и м е р 2. Аппаратура та же,что и в примере 1. Объект исследования - кокс после высокотемпературной обработки резины "2135" при873 К в течение 2 ч в инертной среде. Максимум достаточно выражен (накривой: поглощение энергии - частотазвуковых колебаний) и поглощение в, нем составляет 4 13, что соответству 5 1 О 15 20 25 30 35 ет коэффициенту:теплопроводности (фиг.2) порядка 0,15 Вт (м,К).П р и м е р 3. В качестве источника звуковых частот используется генератор сигналов низкочастотный марки ГЗ/ 1, приемник звуковой энергии, - измеритель шума и вибраций типа ИШВс выносным приемником энергии. Объект исследования - кокс ВОЗП, полученный на воздухе при 673 К в течение 30 мин. При сканировании по шкале частот имеет резко выраженный максимум, относительное поглощение в котором составляет 633. По калибровочной кривой(фиг.2) это соответствует коэффициенту теплопроводности 0,04 Вт (м.К).П р и м е р 4. Аппаратура та же, что и в примере 3. Объект исследования - стеклопластик на основе вязально-прошивного материала ВПР, пропитанного эпоксидной смолой ЭД-б. Поглощение в экстремуме на кривой: поглощение энергии - частота звуковых колебаний составляет 217 В соответствии с калибровочной кривой это поглощение соответствует коэффициенту теплопроводности примерно 0,33 Вт (м.к).П р и м е р 5. Аппаратура та же, что и в примере 1. Объект исследования - белый поролон. При сканировании вдоль шкалы частот наблюдается хорошо выраженный минимум, поглощение энергии звуковых колебаний в котором составляет 567, что соответствует (фиг.2) коэффициенту теплопроводности примерно 0,07 Вт (м.К). Конкретные данные, полученные по предложенному способу и способу- прототипу, приведены в таблице, 1Таким образом, приведенные примеры подтверждают значительную точность способа определения коэффициента теплопроводности, поскольку полученные результаты для ППУ-ЗФУ поролона и стеклопластика соответствуют результатам, полученным другими традиционными методами. А результаты определения коэффициента теплопроводности коксов свидетельствуют о возможности использования способа для исследования низкопрочных и рыхлых структур, что практически не осуществимо посредствомсуществующих методов,1185204 КоэфФициент теплопроводности, Вт/м.К по способу Образец прототипу предлагаемому Кокс резины "2135" 0,13 О, 15 10 0,07 13 0,09 О, 19 0,14 0,12 0,07 35 0,04 14 Измерение невозможнообразеи разрушался 0,035 18 ВПИИПИ Заказ 6355/38 Тираж 896 Подписное Филиал ППП "Патенч", г.ужгород, ул,Проектная, 4 Поролон белый ВОЗП(вспен.покр, и нагруженноекг/см) То же, но в "первозданном виде" Кокс ВО 1 П 1 (поднагр 1 кг/см Тс же, но впервозданном виде Среднеезначение Относительная погрешность,Е Среднеезначение Относительная погрешность,7