RU2084880C1 - Способ определения теплофизических характеристик тонкослойных материалов и волокон в продольном направлении - Google Patents
Способ определения теплофизических характеристик тонкослойных материалов и волокон в продольном направлении Download PDFInfo
- Publication number
- RU2084880C1 RU2084880C1 RU94006913A RU94006913A RU2084880C1 RU 2084880 C1 RU2084880 C1 RU 2084880C1 RU 94006913 A RU94006913 A RU 94006913A RU 94006913 A RU94006913 A RU 94006913A RU 2084880 C1 RU2084880 C1 RU 2084880C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- melt
- sample
- thin
- dish
- temperature
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Использование изобретения предполагается в технологии производства новых композиционных материалов при определении теплофизических характеристик (теплопроводность, температуропроводность) тонкослойных материалов, жгутов, волокон и т.п. в продольном направлении.
Сущность изобретения заключается в том, что композиционный образец изготавливают путем заливки в керамическую или графитовую кювету расплава, образующего при затвердевании твердую матрицу, в которой параллельно ее оси расположены тонкослойные пластины и/или волокна, жгуты и т.п. армирующие элементы. Кювета предварительно разогрета до температуры, близкой к температуре расплава, при этом нагрев кюветы и заливка расплава проводятся в среде защитного газа. После охлаждения кюветы со скоростью, предотвращающей образование трещин в образце, из полученного материала изготавливают образец требуемой геометрической формы и определяют его теплофизические характеристики одним из известных методов. При выборе вещества матрицы исходят из термической совместимости расплава с исследуемым материалом в процессе изготовления образца и его испытания. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Description
Изобретение относится к области определения теплофизических характеристик (ТФХ) материалов. Возможные области применения: технология композиционных материалов (КМ), машиностроение, энергетика, транспорт и др.
КМ широко применяются в различных областях современной техники. В качестве армирующих элементов обычно применяются тонкослойные материалы, покрытия, фольга, различные волокна. При разработке КМ и их использовании важно прогнозировать их эксплуатационные характеристики, в том числе ТФХ, важнейшим из которых являются коэффициенты теплопроводности и температуропроводности, которые будучи структурно-чувствительными характеристиками, в общем случае сильно зависят от направления теплового потока относительно направления предпочтительной ориентации кристаллов (анизотропия тепловых свойств). Так, у тонких слоев пирографита, а также в случае нитевидных кристаллов (усы карбида кремния) коэффициенты теплопроводности вдоль плоскости осаждения (у пирографита) или вдоль оси (у карбида кремния) и в перпендикулярном направлении могут различаться на 2 4 порядка.
При этом методы определения ТФХ тонкослойных материалов в поперечном направлении (вектор теплового потока перпендикулярен слою материала) в настоящее время хорошо освоены в широком диапазоне температур [1]
Известен способ определения ТФХ (в частности, коэффициента теплопроводности) тонкопленочных материалов [2] включающий измерение теплового потока через пленки и перепада температур на них и последующее вычисление характеристик по известным формулам, в котором пленки собирают в пакет, а тепловой поток направляют вдоль пакета.
Известен способ определения ТФХ (в частности, коэффициента теплопроводности) тонкопленочных материалов [2] включающий измерение теплового потока через пленки и перепада температур на них и последующее вычисление характеристик по известным формулам, в котором пленки собирают в пакет, а тепловой поток направляют вдоль пакета.
Недостатком способа-аналога применительно к измерению ряда современных высокоанизотропных высокотемпературных материалов (пиролитический графит, углеродные высокомодульные волокна, усы карбида кремния и пр.) является весьма малая величина перепада температур и, как следствие этого, недостаточная точность его определения, в конечном счете приводящая к большой погрешности измерения ТФХ, недостаточной для практического использования.
Этот недостаток преодолен в другом способе, выбранном за прототип [3] включающем изготовление модельного однонаправленного композиционного образца известного процентного состава, в котором армирующий элемент является исследуемым материалом, с последующим или предварительным определением ТФХ материала матрицы по известным методикам. Недостатком прототипа является использование органических связующих (например, эпоксидной смолы), подвергающихся отверждению (полимеризации). Вследствие этого невозможно определить ТФХ при температуре выше температуры термодеструкции органического связующего. Поскольку в общем случае характер термодеструкции зависит от особенностей контакта связующего с наполнителем, а также от их химической природы, то предел определения ТФХ по способу-прототипу ограничивается уровнем температур 500 600 К. Результат определения ТФХ в общем случае зависит также от степени отверждения связующего, что усложняет эксперимент и снижает точность определения ТФХ.
Задачей настоящего изобретения является повышение температуры определения ТФХ до уровня 100 1400 К и повышение точности определения.
Поставленная задача решается тем, что композиционный образец (КО) изготавливают путем заливки в керамическую или графитовую кювету расплава, образующего при затвердевании твердую матрицу, в которой параллельно ее оси расположены пластины и(или) волокна, жгуты и тому подобные армирующие элементы, причем кювета предварительно нагревается до температуры, близкой к температуре расплава, при этом нагрев кюветы и заливка расплава проводятся в среде защитного газа, после чего кювету охлаждают со скоростью, предотвращающей образование трещин в КО, затем механической обработкой изготавливают образец правильной геометрической формы (цилиндр, пластина) и определяют его ТФХ одним из известных способов, после чего, исходя из процентного состава образца и используя ТФХ матрицы, рассчитывают ТФХ исследуемого материала (армирующего элемента) в продольном направлении. Выбор вещества матрицы производят, исходя из твердой совместимости расплава этого вещества с исследуемым материалом в процессе изготовления образца и его испытания.
В примерах 1 3 приведены результаты определения коэффициента теплопроводности углеродного волокна вдоль его оси при различных температурах.
Для изготовления композиционного образца использовалась камерная лабораторная электропечь с температурой рабочего пространства до 1200oC (примерно 1500 К), нагреватели из железохромалюминиевого сплава, мощность 5 кВт, автоматическое регулирование температуры с точностью 1o). Приготовление расплава проводилось в графитовом стакане, который помещался внутри рабочего пространства печи. Так же устанавливалась форма (внутренний диаметр 20 мм, высота 50 мм), в которой были помещены углеродные волокна. Заливка осуществлялась дистанционно с помощью специальных щипцов, снабженных захватами из термостойкого материала. В рабочее пространство печи подавался защитный газ (аргон) в режиме продувки при атмосферном давлении. Измерения температуры формы и стакана с расплавом осуществлялись с помощью хромель-алюминиевых термопар (диам. термоэлектродов 0,2 мм) и электронного самопишущего потенциометра КСП-4 (верхний предел измерения 1300oC). После заливки формы производилось ее охлаждение со скоростью 0,2 град/с. Визуальный осмотр композиционного образца показал отсутствие трещин. Боковая поверхность КО соответствовала внутренней поверхности формы (цилиндрическая поверхность диаметром 20 мм). Для получения цилиндрического КО высотой 30 35 мм применялась механическая обработка (резка алмазным кругом и шлифование торцовых поверхностей). Для определения коэффициента теплопроводности использовали стационарный относительный метод (нагреватель из нихрома, эталон из нержавеющей стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72 или из технического молибдена, диаметр эталона 20 мм, высота 25 мм). Температура в двух точках эталона и образца измерялись цифровым ампервольтомметром Ф 30. Измерительная ячейка помещалась внутри вакуумной камеры, стенки которой имели водяное охлаждение. Для уменьшения влияния на результаты измерений радиальных (боковых) потерь применялась волокнистая теплоизоляция. При монтаже ячейки предусмотрено устройство для поджатия (нагреватель, намотанный на молибденовый сердечник, эталон, КО, нижний блок для отвода тепла).
Коэффициент теплопроводности КО, определяемый в условиях стационарного теплового режима, рассчитывали по формуле:
где λко, λэ коэффициенты теплопроводности КО и эталона соответственно,
ΔTэ, ΔTко перепады температур в эталоне и образце,
hэ, hко расстояния между термопарами в эталоне и образце.
где λко, λэ коэффициенты теплопроводности КО и эталона соответственно,
ΔTэ, ΔTко перепады температур в эталоне и образце,
hэ, hко расстояния между термопарами в эталоне и образце.
По полученному значению λко и объемному содержанию волокна V6 рассчитывали продольный коэффициент теплопроводности λв по следующей формуле:
где λм коэффициент теплопроводности матрицы КО.
где λм коэффициент теплопроводности матрицы КО.
Результаты определения приведены в таблице.
Таким образом, предложенный способ повышает температуру определения ТФХ в продольном (осевом) направлении тонкослойных материалов до 1000 1400 К и одновременно повышает точность их определения при температурах, при которых еще возможно применение способа-прототипа.
Claims (2)
1. Способ определения теплофизических характеристик (ТФХ) тонкослойных материалов и волокон в продольном направлении, включающий изготовление однонаправленного композиционного образца КО известного процентного состава, в котором армирующий элемент является исследуемым материалом, с последующим или предварительным определением ТФХ материала матрицы, отличающийся тем, что КО изготавливают путем заливки в керамическую или графитовую кювету расплава, образующего при затвердевании твердую матрицу, в которой параллельно ее оси расположены тонкослойные пластины и/или волокна, жгуты и тому подобные армирующие элементы, причем кювета предварительно нагревается до температуры, близкой к температуре расплава, при этом нагрев кюветы и заливка расплава проводятся в среде защитного газа, после чего кювету охлаждают со скоростью, предотвращающей образование трещин в КО, затем изготавливают образец требуемой геометрической формы и определяют его ТФХ одним из известных методов.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выбор вещества матрицы производят, исходя из термической совместимости расплава вещества с исследуемым материалом в процессе изготовления образца и его испытания.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU94006913A RU2084880C1 (ru) | 1994-02-24 | 1994-02-24 | Способ определения теплофизических характеристик тонкослойных материалов и волокон в продольном направлении |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU94006913A RU2084880C1 (ru) | 1994-02-24 | 1994-02-24 | Способ определения теплофизических характеристик тонкослойных материалов и волокон в продольном направлении |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU94006913A RU94006913A (ru) | 1995-10-20 |
RU2084880C1 true RU2084880C1 (ru) | 1997-07-20 |
Family
ID=20152956
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU94006913A RU2084880C1 (ru) | 1994-02-24 | 1994-02-24 | Способ определения теплофизических характеристик тонкослойных материалов и волокон в продольном направлении |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2084880C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105716997A (zh) * | 2016-02-03 | 2016-06-29 | 重庆大学 | 一种高温熔体物性测量装置 |
-
1994
- 1994-02-24 RU RU94006913A patent/RU2084880C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Абрамович В.Г., Карташев В.Ф. Цветовые индикаторы температуры. - М.: Энергия, 1978, с. 47 - 69. Авторское свидетельство СССР N 218487, кл. G 01 N 25/18, 1968. 3. Lee H.L. and Taylor R.L. Thermoplysical properties of Carbon/graphite fibres and MOD-3 fibre-reinforced graphite. Carbon. 1975. v.13, p. p. 521 - 527. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105716997A (zh) * | 2016-02-03 | 2016-06-29 | 重庆大学 | 一种高温熔体物性测量装置 |
CN105716997B (zh) * | 2016-02-03 | 2018-04-13 | 重庆大学 | 一种高温熔体物性测量装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Pilling et al. | The thermal conductivity of carbon fibre-reinforced composites | |
Reid et al. | Temperature dependence of fiber optic Bragg gratings at low temperatures | |
Panda et al. | Thermal shock and thermal fatigue study of ceramic materials on a newly developed ascending thermal shock test equipment | |
CN107884086A (zh) | 一种测温用模壳及其制造方法 | |
RU2084880C1 (ru) | Способ определения теплофизических характеристик тонкослойных материалов и волокон в продольном направлении | |
Cornolti et al. | Microwave heating controlled reactive melt infiltration for graphite‐Si‐SiC ceramics manufacturing | |
Ronchi et al. | Graphite melting under laser pulse heating | |
Yamane et al. | Thermal diffusivity measurement of single fibers by an ac calorimetric method | |
CN107014699A (zh) | 用于测量材料高温压缩性能的外辅热装置及测试装置 | |
Birnie et al. | Quenching of solid samples for high temperature equilibrium measurement | |
Zuev et al. | Calculational and experimental investigation into the thermal conductivity of materials of ceramic casting molds. I. Experiment | |
Masur et al. | Pressure Casting of Fiber‐Reinforced Metals | |
Maki | Heat transfer characteristics of zircaloy-2 oxide film | |
Fisher et al. | A new process for the production of long glassy polymeric carbon hollow ware with uniform wall thickness using a spray technique | |
Loshchinin et al. | Thermophysical properties of ceramic materials of molds and cores for casting the heat-resistant alloy-based blades of gas-turbine engines | |
Frolov et al. | Failure parameters of heat-shielding materials in the nonstationary heating regime | |
Masuda et al. | An improved transient calorimetric technique for measuring the total hemispherical emittance of nonconducting materials (emittance evaluation of glass sheets) | |
Kato et al. | Experimental study on fiber orientation in injection moulding of fiber re-inforced ceramics | |
SU842533A1 (ru) | Устройство дл определени внутреннегоКОэффициЕНТА ТЕплООТдАчи пОРиСТОй ТРубы | |
Adams | Cast Hafnium Carbide-carbon Alloys: Preparation, Evaluation, and Properties | |
Isaev | Determination of the thermal conductivity coefficient of superhard materials | |
Sharma et al. | Thermal Properties Measurement of Particulate Fouling Samples of Air-Cooled Heat Exchangers Using Laser Flash Method | |
Lee et al. | Fiber optic Fabry-Perot sensors embedded in metal and in a composite | |
Tittmann et al. | Sensors for material process monitoring and control | |
Deem et al. | Thermophysical and chemical characterization of charring ablative materials Final report |