СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...................................................5
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АНИЗОТРОПНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЕЕ РЕШЕНИЯ.. 16
1.1. Принципы построения приборов для измерения теплофизических коэффициентов.......................16
1.1.1. Адиабатическая калориметрия.................16
1.1.2. Дифференциальный термический анализ.........18
1.1.3. Динамическая калориметрия...................21
1.2. Методы исследования теплопроводности и температуропроводности полимеров....................27
1.2.1. Стационарные методы.........................28
1.2.2. Нестационарные методы.......................31
1.2.3. Методы определения анизотропии теплопроводности и температуропроводности...........................34
1.3. Основные проблемы, возникающие при измерении коэффициентов теплопроводности и температуропроводности 35
1.4. Выбор и обоснование направления исследований......36
ВЫВОДЫ....................................................38
2. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ АНИЗОТРОПНЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВ И МЕТОДИКИ ЕЁ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 39
2.1. Первоначальное приближение........................39
2.1.1. Определение пассивной границы...............42
2.2. Дифференциальное уравнение теплопроводности для анизотропных твердых тел............................44
2.3. Методы решения задач теплопроводности.............47
2.4. Структура установки...............................48
3
2.5. Измерительная ячейка................................49
2.5.1. Конструкция измерительной ячейки..............49
2.5.2. Расположение датчиков.........................51
2.5.3. Измерительная ячейка с шестнадцатью датчиками... 52
2.5.4. Выбор датчиков................................54
2.5.5. Оценка искажений сигнала, обусловленных тепловой инерционностью датчика................................60
2.5.6. Учет конечных размеров и времени нагрева образца в измерительной ячейке..................................61
2.6. Измерительно-управляющий блок.......................62
2.6.1. Цифровая фильтрация сигналов..................62
2.6.2. Измерение сопротивлений в термометрии.........65
2.6.3. Предварительный усилитель сигнала и аналого-цифровое преобразование...............................68
2.6.4. Микроконтроллер...............................71
2.6.5. Алгоритм работы...............................76
2.7. Градуировка установки...............................77
ВЫВОДЫ......................................................88
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ........................89
3.1. Выбор объектов исследования и их свойства...........89
3.2. Влияние внешней нагрузки на измеряемые параметры....90
3.3. Методика проведения эксперимента по исследованию теплофизических свойств материалов....................93
3.3.1. Отбор образцов................................93
3.3.2. Аппаратура, среда.............................93
3.3.3. Подготовка к испытаниям.......................93
3.3.4. Проведение испытаний..........................94
3.4. Определение параметров модели теплопроводности с помощью пакета FITTER.................................94
4
3.5. Методика автоматизированного экспресс-определения теплопроводности углепластиков в трансверсальном направлении армирования...........................103
3.5.1. Конструкция измерительной ячейки для экспресс-анализа .........................................103
3.5.2. Математическая модель ячейки для экспресс-анализа анизотропных материалов..........................106
3.6. Иллюстрация работоспособности предлагаемой методики измерения теплофизических коэффициентов анизотропных материалов........................................107
3.7. Работоспособность моделей теплопереноса: анализ
сходимости и адекватности...........................113
ВЫВОДЫ..................................................115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................116
БЛАГОДАРНОСТИ...........................................118
ЛИТЕРАТУРА..............................................119
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ПРИЛОЖЕНИЕ 2
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Процессы переноса тепла имеют большое практическое значение в авиации, космонавтике, стационарной и промышленной энергетике, в технологических процессах химической, строительной, легкой, тяжелой и других отраслях промышленности. Расчеты температурных полей и тепловых режимов аппаратов, машин и элементов конструкций, связаны с решением задач теплопроводности, синтезом материалов с заданными тепловыми параметрами, нахождением
теплофизических свойств материалов: теплопроводность - X,
температуропроводность - а, теплоемкость - с.
Полимерные материалы и покрытия из-за низких коэффициентов теплопроводности значительно снижают эффективность теплообмена, что совершенно необходимо, когда требуется обеспечить теплоизолирующие свойства, например, реактивного двигателя летательного аппарата от узлов и механизмов его окружающих, или, наоборот, внутренней части замкнутого пространства спускаемого аппарата от воздействия высокой внешней температуры. Коэффициент теплопроводности полимеров колеблется в пределах 0,1-0,4 Вт/(м К) [1], увеличиваясь с повышением степени кристалличности и ограничением сегментальной подвижности макромолекул полимера. Значения коэффициентов теплопроводности X для нержавеющей и углеродистой стали составляют 15 и 45 Вт/(м К), соответственно. В таблице приведены значения теплофизических коэффициентов некоторых полимерных композиционных материалов, металлов и веществ.
6
Теплофизические свойства материалов
Материал X Вт/(м К) а х 107 м2/с Ср кДж/(кг К)
Polyester VPS-24 0,29 1,7 1,1
Phenol-formaldehyde FFA 0,22 1,05 1,05
Ероху ST-69N 0,37 2,3 0,85
Organosilicon SK-9X 0,34 2,2 0,8
Polyimide STP-97S 0,35 2,26 0,85
Вода 0,59 143 4,18
Углерод 174 1530 0,67
Сталь марки 15 50,2 140 0,46
Медь 393 1129 0,39
Как видно из таблицы, по сравнению с другими материалами полимеры обладают очень низкими коэффициентами теплопроводности, что наряду с довольно высокой прочностью, химической стойкостью и низкой плотностью, не токсичностью при горении, делает их просто незаменимыми в авиационной и космической промышленности. Например, количество композитных материалов в пассажирских самолетах ТУ-204 и Ил-86 составляет 12-15 % от общего веса, причем этот процент постоянно увеличивается [2].
Однако часто требуются материалы не только с предельно низкими коэффициентами теплопроводности, но и с как можно более высокими. Одним из практических путей повышения коэффициента теплопроводности является наполнение полимера материалами, обладающими высокой теплопроводностью. Увеличение теплопроводности композиций при введении
7
наполнителей с большей теплопроводностью, чем теплопроводность полимерной матрицы, происходит как в результате заполнения части объема наполнителем, так и вследствие образования особой структуры в виде проводящих мостиков или тонких высокоориентированных пленок полимера между частицами при высоком содержании наполнителя. В качестве таких материалов могут использоваться металлические порошки, оксиды металлов, графит и др. [3, 4]. При этом меняется структура полимера и наблюдается изменение коэффициента теплопроводности и температуропроводности.
Существуют методы вычисления теплофизических коэффициентов наполненных полимерных систем, какими являются и углепластики. Среди наиболее часто используемых методов при расчетах коэффициента теплопроводности можно выделить: правило Курникова, аддитивно связывающего свойства смеси через их весовые концентрации; уравнение Нильсона, учитывающее отношение коэффициентов теплопроводности наполнителя и полимера, форму частиц наполнителя, коэффициент Пуассона полимерной матрицы; формулу Оделевского, учитывающую форму частиц наполнителя и характер их решетки, но они позволяют лишь приближенно оценить теплофизические коэффициенты материалов для систем с малыми объемными концентрациями наполнителя, к тому же анизотропия материала не учитывается, при том, что процент ошибки может достигать 30 и более процентов [5]. Более точные значения теплофизических коэффициентов материалов получают экспериментально.
Теплофизические коэффициенты материала можно получить косвенно, путем прямого измерения температуры. Измерения температуры можно осуществить различными способами, в числе
8
которых есть как подразумевающие обеспечение теплового контакта датчика и исследуемого образца, так и бесконтактные.
Для измерения температуры применяются: жидкостные,
манометрические, дилатометрические, биметаллические,
термоэлектрические, полупроводниковые, металлические, акустические, кварцевые, квадрупольные ядерные, магнитные, шумовые термометры, пирометры излучения и др. При выборе методов и средств измерения температуры для проведения экспериментов по определению теплофизических коэффициентов материала решающим фактором является диапазон измеряемых температур и требуемая точность [6, 7].
Оперативный контроль теплофизических параметров на этапах разработки и изготовления новых композиционных материалов возможен только с применением автоматизированных установок, требования к которым определяются исходя из конкретных задач. К настоящему времени создано большое количество разнообразных отечественных экспериментальных установок для измерения теплофизических коэффициентов материалов [8, 9]. Однако при их использовании экспериментаторы всегда сталкиваются с огромной трудоемкостью и большой длительностью экспериментов. Обычно за один рабочий день удается провести измерения не более чем для одного образца. При такой монотонной работе нередко возникают ошибки, связанные с невнимательностью оператора. Кроме того, эти установки не позволяют измерять теплофизические коэффициенты анизотропных материалов. Автору данной работы неизвестно о существовании отечественных экспериментальных установок, лишенных этих недостатков.
9
Таким образом, разработка установки и методики для исследования теплофизических свойств анизотропных материалов в реальном режиме времени, является актуальной темой.
Цель и задачи исследований
Целью работы является разработка и создание
автоматизированной установки и методики, позволяющих получать на примере углепластиков пространственное распределение
коэффициентов теплопроводности и температуропроводности анизотропных полимерных материалов.
В соответствии с целью работы сформулированы следующие задачи:
1. Проанализировать существующие методы измерения теплофизических коэффициентов материалов, выявить метод, наиболее подходящий для оперативных измерений и
определить структуру автоматизированной установки для теплофизических измерений анизотропных материалов.
2. Разработать аппаратную платформу для измерения теплофизических коэффициентов анизотропных материалов, программное обеспечение для проведения автоматизированных измерений, расчета теплофизических коэффициентов анизотропных материалов, алгоритмы автоматизированного проведения эксперимента, градуировки и обработки информации.
3. Исследовать погрешности, нелинейность и возможности экспериментальной установки и разработать методику измерения теплофизических коэффициентов анизотропных материалов.
10
4. Провести экспериментальные исследования теплофизических свойств серии анизотропных материалов (углепластиков) авиационного назначения и осуществить внедрение результатов работы.
Научная новизна:
1. Предложена структура автоматизированной установки для проведения неразрушающего контроля и измерения пространственного распределения теплофизических
коэффициентов анизотропных материалов, базирующаяся на многоточечном измерении температуры образца. Разработаны алгоритмы проведения градуировки измерительных каналов установки и проведения измерений в автоматическом режиме.
2. Экспериментально обоснована возможность определения коэффициентов температуропроводности гетерогенных полимерных композиционных материалов с помощью модели распространения теплового импульса нагревателя в квазигомогенной среде, позволяющей связать измеряемые изменения температуры с теплофизическими коэффициентами исследуемого материала.
3. Разработана методика определения теплофизических коэффициентов анизотропных полимерных композиционных материалов, основанная на измерении параметров теплового импульса.
4. Получены новые экспериментальные данные о коэффициентах температуропроводности анизотропных углепластиков авиационного назначения, в том числе углепластиков, модифицированных шунгитовыми структурами.
11
Практическая значимость работы
1. Разработана, изготовлена и внедрена автоматизированная установка для измерения коэффициента
температуропроводности полимеров и полимерных композиционных материалов нестационарным импульсным методом в диапазоне температур от +15 °С до +35 °С.
2. Создана измерительная ячейка и измерительно-управляющий блок, позволяющие отслеживать в реальном режиме времени пространственное распределение температуры в образце при импульсном нагреве.
3. Разработанная установка позволяет проводить контактные измерения температуры и может быть использована для измерения теплофизических характеристик других материалов, любых тепловых полей в диапазоне температур от +15 °С до +35 °С. Она также может быть использована в учебном процессе по физике твердого тела, по теплофизике, электронике и микропроцессорным системам.
Положения, выносимые на защиту:
1. Структура автоматизированной установки для измерений теплофизических коэффициентов полимерных материалов в реальном режиме времени.
2. Методика определения теплофизических коэффициентов анизотропных полимерных композиционных материалов, основанная на измерении параметров теплового импульса.
3. Результаты исследований углепластиков авиационного назначения, в том числе, углепластиков, модифицированных шунгитовыми структурами.
- Киев+380960830922