Способ определения теплопроводности материалов

СООЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 1 Н 25/1 твенноеосударствкий инсти 82.ОБА олученными ия, а такж радиусом контаразцом, 2 ил. Цель изобретеможностей спосомых материаловпени анизотропиориентированных лоф н врем лов с одср явл по а,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬЗТИЯПРИ ГННТ СССР(56) Авторское свидетельство С Р1057830, кл, С 01 Б 25/18, 19 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПР НОСТИ МАТЕРИАЛОВ(57) Изобретение относится к тепло-. физическим измерениям. Цель изобретения - расширение возможностей способа и класса исследуемых материалов путем определения степени анизотропии теплопроводности ориентированных тонкослойных материалов с одновременным определением среднеобъемной теплопроводности, а также нормальной и тангенциальной ее составляющих. Для этого градуировку и определение градуировочИзобретение относится к теп изическим измерениям, может быть использовано в тех отраслях, где требуетсяопределение степени анизотропии теплопроводности ориентированных тонкослойных материалов с одновремен ным определением среднеобъемной теплопроводности, а также нормальной и тангенциальной ее составляющих, ияется усовершенствованием способа авт.св.1057830. 801644013 А 2 2ной зависимости осуществляют с гомощью адекватных по;упространству в теплопом отношении иэотропных стандартных образцов геплопроводности, а последующие измерения проводят на одном образце дважды. Для этого при первом измерении тонкослойный образец размещают па поверхности теплопзолирующей подложки, теплопроводность которой. много меньше теплопроводности образца, а при втором измерении образец наклеивают на поверхность массивной (адекватной полупространству) изотропной подложки, теплопроведность которой много больше теплоправодности образца, Искомые степень анизотропии теплопроводности тонкослойного .образца, среднеобъемную теплопроводность, нормальную и тангенциальную ее составляющие находят из системы соотношений, связывающих искомые параметры с льтатами зондироваолщиной образца иирования зондов с о ия - расширение воз а и класса исследуеутем определения сте теплопроводности тонкослойных матерна ным определением еднеобъемной теплопроводности,кже нормальной и тангенциальнойставляющих. г.1 изображена схема устройст.изующего способ, в режиме нс. - .следования теплопроводности анизотропных тонкослойных.материалов в условиях низкотеплопроводной. подложки;на фиг.2 - исследуемый образец навысокотеплопроводной подложке.5Устройство содержит два стержнеобразных зонда 1, у которых одни концы специальными наконечниками 2 контактируют с поверхностью исследуемо.го образца 3, Другие концы зондовустановлены в медные пластинки 4 иприкреплены к холодной и горячей поверхностям термоэлектрической батареи 5, включенной в цепь нагрузки автоматического регулятора 6, На входпоследнего включена дифференциальнаятермопара 7, рабочие спаи которойрасположены на концах зондов, контактирующих с образцом, В разрыв цепиэтои термопары включен встречно задатчик 8 постоянного компенсирующегснапряжения так, что на вход регулятора 6 поступает нулевой разностныйсигнал. Другая дифференциальная термопара 9 со спаями на медных пластинках 4, измеряющая разность температур, создаваемую термобатареей на концах зондов, подключена к измерителю10 термоЭДС.Согласно известному способу градуировку и определение градуировочной зависимости осуществляют с помощью объемных (адекватных полупространств) и изотропных стандартных образцов теплопроводности, а после 35 дующие измерения проводят на анизотропных тонкослочных образцах, причем на каждом образце измерения выполняют дважды так, что при первом измерении образец размещают на поверхности теплоизолирующей подложки, теплопроводность которой много меньше теплопроводности образца, а при втором измерении образец наклеивают с низким45 термическим сопротивлением контакта на поверхность массивной (имитирующей полупространство) и изотропной подложки, теплопроводность которой много больше теплопроводности образца. Искомые же степень анизотропии теплопроводности %О /фО, среднеобъемную тепо фолопРОВОДность ЯноРмальнУюо и тангенциальную 9 " составляющие теплопроводности тонкослойного образца находят с помощью системы следующих соотношений:ИИ 1 ЙГ лу 1 п(1 ) 1 (1)о И 1 оо -(о)1111 ф (2) где Ч 1, М- величины, полученныепо результатам зондирования поверхности образца соответственно вусловиях теплоизолирую.шей подложки и в условиях высокотеплопроводной подложки с использованием в. обоихслучаях градуировочнойзависимости, найденнойс помощью изотропныхобъемных стандартных образцов, Вт/(м К);толщина исследуемогообразца, м;Б, - радиус контактированиязондов с поверхностью;л оЯо, Яо, до - .тангенциальная, нормальная и среднеобъемнаятеплопроводности,Вт/(м К).Ироцесс измерения предлагаемым способом включает двухточечное зондирование поверхности образца 3 сначала в условиях теплоизолирующей подложки, реализуемых, например,подвешиванием его в воздухе с помощью опор 11 (фиг.1) или размещением на поверхности какого-либо теплоизоляционного материала с теплопроводностью, много меньшей теплопроводности образца, а затем повторное двухточеч ное зондирование поверхности этого же образца, но в условиях высокотеплопроводной подложки 12, теплопроводность которой много больше теплопроводности образца. На фиг.2 это изображено стрелкой, указывающей на поверхность образца, наклеенного на поверхность высокотеплопроводной подлож 4ки 12. Величины М 1 и И в этих двух независимых опытах определяются по показаниям измерителя 10 с использованием зависимости величины термо- ЭДС от теплопроводности, найденной ап.". проксимацией результатов градуировочных опытов на наборе изотропных объемных стандартных образцов.Величины И 1 и Ипо физическому смыслу могут рассматриваться как некоторые эффективные значения коэффициента теплопроводности составного полупространства (образец + подложка) в задаче с локальным источником. теплана поверхности в.случаях соответствен 5 164401но с теплоизолирующей и высокотепло-проводной подложками,Предлагаемый способ опробован измерениями на тонкослойных образцахиз дерева, как наиболее изученного ма 5териала, обладающего анизотропиейтеплопроводности. Дпя измерений ис -пользовалось известное устройство, реализующее способ. Полученные результаты, в том числе по степени анизотропии,подтверждают эффективностьпредлагаемого способа в том случае,когда исследуемые образцы имеют толщину 3 меньше некоторой критической от.е. когда образцы неадекватны полупространству в тепловомотношении. Эта критическая толщина независит от среднеобъемной теплопроводности образца и определяется радиусом К контакта зондов с образцом,а также степенью анизотропии теплопроводиости образца, При слабо выраженной анизотропии критическаятолщина оприблизительно равна 4 К, 25Разрешающая способность предлагаемого способа по мере уменьшения толщины образца, особенно по отношению кстепени анизотропии и к отдельнымсоставляющим теплопроводности, растет,Технико-экономическая эффектив-ность предлагаемого способа заключается в возможности получения с помощьюизвестного устройства практически35всей информации о теплопроводностиориентированных анизотропных тонкослойных материалов, а также в повышении производительности измерений и ввозможности их осуществления непосредственно на тонкослойных изделиях безнарушения их целостности. Формула изобретения45Способ определения теплопроводности материалов по авт.св. У 1057830, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, гДе М 1, И -величины, полученные в результате зондирования поверхности тонкослойного образца в условиях соответственно теплоизолирующей и высокотеплопроводной подложек и с использованием в обоих случаях градуировочной зависимости, найденной с помощью объемных и изотропных стандартных образцов, Вт/(мК); толщина исследуемого образца, м;радиус контактирования зондов с поверхностью образца, м;тангенциальная, нормальная и среднеобъемная теплопроводности соответственно, Вт/(м К)36с целью расширения возможностей способа и классаисследуемых материалов путем определения степени анизотропии теплопроводности ориентированных тонкослойных материалов с одновременным определением среднеобъемной теплопроводности, а также нормальной и тангенциальной ее составляющих, тонкослойный образец, при первом измерении размещают на теплоизолирующую подложку, теплопроводность которой много меньше теплопроводности образца, а при втором измерении - наклеивают с низким термическим сопротивлением контакта на поверхность массивной и изотропной подложки, теплопроводность которой много больше теплопроводности образца, искомые же характеристики находят с помощью системы следующих соотношений;0- т 21644013 ставнтель Н.Грищенкохред Д.Олийнык Корректор О,Ципл Редактор эаренко 3 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгор агарина Заказ 1236 Ти ВНИИПИ Государственного комите 113035, Москвапо изобрете -35, Раушск Подписноеиям и открытиям при ГКНТ ССС я наб., д. 4/5