СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКОСЛОЙНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1999 года по МПК G01N25/18 

Описание патента на изобретение RU2132549C1

Изобретение относится к области высокотемпературных измерений теплофизических характеристик /ТФХ/ тонкослойных электропроводных материалов, применяемых в энергетике, машиностроении, космической технике и других областях.

Известен принятый за аналог способ определения ТФХ тонкослойных материалов, включающий стационарный электрический нагрев трубки из тугоплавкого металла с нанесенным на ее поверхность исследуемым покрытием, измерение мощности, выделяемой на центральном участке образца, и температуры внутренней и внешней поверхностей [1] . По этим данным рассчитывают коэффициент теплопроводности λ, интегральную степень черноты εt и удельное электросопротивление ρ. Недостатками способа являются: 1/ ограниченное количество одновременно определяемых ТФХ, 2/ применимость метода ограничена толщинами исследуемого материала в пределах 100 - 300 мкм, 3/ диапазон температур исследования ограничен величинами около 2000 К, поскольку при более высоких температурах происходит взаимодействие между исследуемым материалом и материалом подложки.

Частично эти недостатки преодолены в другом, выбранном за прототип, способе [2, 3, 4], включающем нагрев плоского образца до заданной фоновой температуры, последующее импульсное тепловое воздействие на одну из сторон образца и одновременную регистрацию температуры противоположной стороны образца и расчет с использованием этих данных ТФХ материала образца /коэффициента температуропроводности α коэффициента теплопроводности λ удельной теплоемкости Cр/. Недостатками способа-прототипа являются: 1/ ограниченность набора ТФХ, определяемых в эксперименте, 2/ сравнительно высокая погрешность измерений, связанная с температурой отнесения, за счет неконтролируемого изменения оптических свойств поверхности образца /испарение, структурные превращения/, поскольку излучательные характеристики образца /интегральная и спектральная степень черноты/ в ходе эксперимента не контролируются, что существенно для малоизученных материалов 3/ сложность реализации способа в области температур выше 2500 К вследствие технологических трудностей при создании длительно и надежно работающих высокотемпературных печей.

Задачей настоящего изобретения является повышение температуры определения, снижение погрешности измерений и расширение количества определяемых ТФХ.

Поставленная задача решается тем, что осуществляют нагрев до заданной температуры модели абсолютно черного тела /АЧТ/, образованной двумя идентичными параллельно расположенными плоскими образцами совместно с боковыми и внутренними секционированными экранами, путем пропускания через образцы одинаковых электрических токов, измеряют силу этих токов и падения напряжения в центральной зоне каждого из образцов, температуры внешней поверхности одного образца и внутренней поверхности второго образца, производят импульсное тепловое воздействие на внешнюю поверхность одного из образцов, одновременно регистрируя температуру противоположной поверхности этого же образца, и, используя эти данные, рассчитывают набор ТФХ - коэффициенты теплопроводности и температуропроводности, удельную теплоемкость, интегральную и монохроматическую степень черноты, удельное электросопротивление и число Лоренца.

Предложенный способ реализуется с помощью устройства, схематически представленного на чертеже и состоящего из герметичной камеры 1 с кварцевым окном 4 и токоподводами 9, в которых установлены два идентичных /по толщине и плотности/ параллельно расположенных образца 3, верхние торцы которых жестко закреплены с помощью зажима 2, выполненного из электропроводной керамики, причем в каждом образце предусмотрены два отверстия 6, одно из которых обеспечивает тепловую и электрическую симметрию системы, а второе обеспечивает измерение температуры внутренней поверхности образца. В пространстве между образцами и по бокам установлены секционированные экраны 10, 11, образующие совместно с образцом модель АЧТ. Вне камеры на ее оптической оси предусмотрено зеркало 7, перемещаемое по вертикали /вручную или с помощью электромагнита/ и обеспечивающее измерение температуры внутренней и наружной поверхности образцов фотопирометрами 5 /быстродействующие автоматические/ и 8 /эталонный/. В состав устройства входят также импульсный источник теплового воздействия 13 /лазер с энергией излучения 5 - 30 Дж/, полупрозрачное зеркало 12 /коэффициент пропускания 50%/, измеритель энергии импульса 14.

Определение ТФХ проводится следующим образом. Образцы доводят до заданной фоновой температуры, контролируемой эталонным оптическим пирометром. Измеряют силу тока в цепи образцов и падение напряжения в центральной зоне образцов, а также яркостную температуру внутренней поверхности одного из образцов. Затем подвижное зеркало перемещают по вертикали и измеряют яркостную температуру внешней поверхности второго образца. Воздействуют лазерным импульсом на внешнюю поверхность первого образца и одновременно измеряют энергию импульса и подъем температуры внутренней поверхности этого же образца с помощью быстродействующего автоматического пирометра. По полученным данным измерений рассчитывают ТФХ.

Последовательно изменяя уровень фоновой температуры, получают температурные зависимости определяемых ТФХ.

В таблице (см. в конце описания) приведено сопоставление существенных признаков предложенного способа и способа-прототипа для трех температурных уровней. При этом определение ТФХ по способу-прототипу осуществлялось с помощью электрической печи сопротивления /фоновый нагрев образца/ и рубинового лазера мощностью 20 Дж, осуществляющего импульсное воздействие на образец в виде диска диаметром 10 мм, толщиной 0,8 - 2,5 мм. Температура отнесения ТФХ в ходе измерений не контролировалась.

Таким образом, предложенный способ позволяет повысить температуру определения ТФХ тонкослойных материалов, одновременно снижается погрешность их определения при температурах, допускающих применение способа-прототипа, и расширяется количество определяемых ТФХ.

Литература
1. Жоров Г.А. и др. Теплофизика высоких температур. 1966, т.4, N 5, с. 643-648.

2. Патент Японии N 59-22172, кл. G 01 N 25/18, публ. 24.05.84.

3. Cowan R.D. Journ. of Applied Phys. 1963, v.34, N 4/1/, p. 926-930.

4. Morrison B. D., Sturgess L.L. Revue Intern. Hautes Temper. Refract. 1970, t. 7, N 4, p.p.351-354.

Похожие патенты RU2132549C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКОСЛОЙНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ВОЛОКОН В ПРОДОЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ 1994
  • Бронников В.А.
  • Волга В.И.
RU2084880C1
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ 2012
  • Лаповок Евгений Владимирович
  • Пеньков Максим Михайлович
  • Слинченко Дмитрий Анатольевич
  • Уртминцев Игорь Александрович
  • Ханков Сергей Иванович
RU2521131C2
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ 2012
  • Лаповок Евгений Владимирович
  • Пеньков Максим Михайлович
  • Слинченко Дмитрий Анатольевич
  • Уртминцев Игорь Александрович
  • Ханков Сергей Иванович
RU2510491C2
Способ измерения теплофизических характеристик материалов 1990
  • Шведов Леонид Константинович
  • Золотухин Александр Витальевич
SU1721491A1
СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ 2014
  • Жарикова Мария Валерьевна
  • Чернышов Алексей Владимирович
  • Чернышов Владимир Николаевич
RU2574229C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АНИЗОТРОПНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ 2020
  • Головин Юрий Иванович
  • Самодуров Александр Алексеевич
  • Тюрин Александр Иванович
  • Головин Дмитрий Юрьевич
RU2753620C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕНОПОЛИУРЕТАНОВ 2005
  • Обухов Владимир Васильевич
  • Обухова Людмила Васильевна
RU2295720C2
Устройство для определения теплофизических характеристик материалов 1989
  • Сысоев Виктор Григорьевич
  • Харченко Валерий Михайлович
  • Тлевцежев Владимир Алиевич
  • Миков Виктор Леонидович
SU1721490A1
СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛОВ 2010
  • Исаев Вадим Николаевич
  • Федосов Сергей Викторович
  • Сливченко Евгений Сергеевич
  • Чайка Алексей Юрьевич
RU2439543C1
СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ 2012
  • Чернышов Алексей Владимирович
  • Голиков Дмитрий Олегович
  • Чернышов Владимир Николаевич
  • Полухин Вадим Иванович
  • Рожнова Лидия Ивановна
RU2497105C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 132 549 C1

Реферат патента 1999 года СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКОСЛОЙНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Использование изобретения предполагается в технологии производства новых материалов, применяемых в энергетике, машиностроении, космической технике и др., при определении их теплофизических характеристик. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют предварительный нагрев до заданной температуры модели абсолютно черного тела, образованного двумя идентичными параллельно расположенными плоскими образцами совместно с боковыми и внутренними секционированными экранами, путем пропускания через образцы одинаковых электрических токов, измеряют силу токов и падения напряжения в центральной зоне каждого из образцов, температуры внешней поверхности одного образца и внутренней поверхности второго образца, производят импульсное тепловое воздействие на внешнюю поверхность одного из образцов, одновременно регистрируя температуру противоположной поверхности этого же образца и, используя эти данные, рассчитывают набор искомых теплофизических характеристик - коэффициенты температуропроводности и теплопроводности, удельную теплоемкость, спектральную и интегральную степень черноты, удельное электросопротивление. Предложено также устройство для определения теплофизических характеристик по заявленному способу. Техническим результатом изобретения является снижение погрешности и повышение температуры, при которой определяются теплофизические характеристики. 2 с.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Формула изобретения RU 2 132 549 C1

1. Способ определения теплофизических характеристик (ТФХ) тонкослойных электропроводных материалов, включающий предварительный нагрев образца до заданной фоновой температуры, последующее импульсное тепловое воздействие на одну из его поверхностей и регистрацию температуры противоположной поверхности, отличающийся тем, что осуществляют нагрев до заданной температуры модели абсолютно черного тела (АЧТ), образованной двумя идентичными параллельно расположенными плоскими образцами совместно с боковыми и внутренними секционированными экранами, путем пропускания через образцы одинаковых электрических токов, измеряют силу этих токов и падения напряжения в центральной зоне каждого из образцов, температуры внешней поверхности одного образца и внутренней поверхности второго образца, производят импульсное тепловое воздействие на внешнюю поверхность одного из образцов, одновременно регистрируя температуру противоположной поверхности этого же образца, и, используя эти данные, рассчитывают набор ТФХ - коэффициенты теплопроводности и температуропроводности, удельную теплоемкость, интегральную и монохроматическую степень черноты, удельное электросопротивление. 2. Устройство для определения ТФХ, включающее в себя герметичную камеру с кварцевыми окнами и токоподводами к образцам, источник импульсного нагрева полупрозрачное зеркало, расположенное на оптической оси камеры, измеритель энергии импульса, отличающееся тем, что в камере установлены два идентичных параллельно расположенных образца, верхние концы которых жестко закреплены с помощью зажима, выполненного из электропроводной керамики, совместимой с образцом при высоких температурах, причем в каждом образце предусмотрены два отверстия, одно из которых служит для температурных измерений, а второе обеспечивает тепловую и электрическую симметрию системы, в пространстве между образцами и по бокам установлены экраны, образующие совместно с образцами модель АЧТ, вне камеры на ее оптической оси дополнительно предусмотрено подвижное зеркало, перемещаемое по вертикали вручную или с помощью электромагнита, обеспечивающее измерение температуры внешней и внутренней поверхностей образцов фотопирометрами.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1999 года RU2132549C1

Устройство для охлаждения водою паров жидкостей, кипящих выше воды, в применении к разделению смесей жидкостей при перегонке с дефлегматором 1915
  • Круповес М.О.
SU59A1
Способ комплексного измерения температуропроводности и теплоемкости твердых материалов 1991
  • Курепин Виталий Васильевич
  • Козин Владимир Макарьевич
  • Частый Виктор Леонидович
  • Ясюков Владимир Борисович
SU1817846A3
Устройство для прецизионного определения характеристик материала 1990
  • Троицкий Олег Юрьевич
  • Чухланцев Сергей Михайлович
SU1755150A1
Способ измерения термического сопротивления тонкослойных покрытий 1985
  • Гладков Владимир Егорович
  • Гладкова Виктория Константиновна
SU1312462A1
US 5168161 А, 01.12.92
US 5688049 А, 18.11.97.

RU 2 132 549 C1

Авторы

Бронников В.А.

Волга В.И.

Даты

1999-06-27Публикация

1998-01-20Подача