Способ определения коэффициента теплопроводности твердых тел Советский патент 1985 года по МПК G01N25/18 

11 Изобретение относится к теплофизическим испытаниям и может быть использовано для измерения коэффициента теплопроводности широкого кру 1га материалов, в том числе анизотройных,при высоких температурах. Известен способ измерения коэффициента теплопроводности, по которому образец в форме прямоугольного парал лелепипеда нагревают прямым пропусканием электрического тока при этом отношение ширины образца к его толщине может варьироваться в пределах 1:1-1:2. Температуру измеряют в центрах поверхностей большой и малой граней в стационарном режиме. Расчет коэффициента теплопроводности материала производят при известной интегральной полусферической степени черноты его поверхности 1 . Однако способ имеет два существен ных недостатка: он не применим к измерению коэффициента теплопроводности анизотропных материалов, а также не применим к материалам с неизвестной интегральной полусферической степенью черноты. Наиболее близким к изобретению является способ определения коэффициента теплопроводности твердых тел, состоящий в том, что образец по форме прямоугольного параллелепипеда нагревают пропусканием через него электрического тока, измеряют мощность, вьщеляемую в стационарном теп ловом режиме на изотермическом в осевом направлении участке образца и температуры в ряде точек образца на этом участке, по которым судят об искомом коэффициенте. Температурные измерения дают информацию о распределении температуры на поверхности образца по его Бшрокой грани 2 Недостатком известного способа является ограниченная точность и невозможность учета при исследовании специфики анизотропных материалов. Целью изобретения является повыию ние точности определения и расошрения круга исследуемых материалов за счет анизотропных. Указанная цель достигается тем, что согласно способу измерения коэф фициента теплопроводности, состояще му в том, что образец в форме прямо угольного параллелепипеда кагронают пропусканием через пего э,чркгричгч;к 0 о тока, измеряют мощность, вьделяеую в стационарном тепловом режиме а изотермическом в осевом направлеии участке образца и температуры в яде точек образца на этом участке, о которым судят об искомом коэффииенте, температуру измеряют в центе поперечного сечения образца и на сях симметрии этого сечения в точах, отстоящих от центра на расстояия 0,5-0,7 полутолщины образца, а оэффициенты теплопроводности А и Ка рассчитывают в двух ортогональных аправлениях по соотношениям е (0,0) - T(Xjp) у 8 е XoYoCTCo o) - N(O,YK)J, - мощность тепловыделения на изотермическом в осевом направлении участке образца длиной f, Т(О,О) - температура в центре сечения образца; T(XK,O), - температуры в T(0,Y) точках, удаленных от центра, на расстояния X J, и Y|, соответственно; - полутолщины образца в двух направлениях. На чертеже изображено расположение точек измерения температуры по сечению образца. Метод основан на том, что вьщеляемое в объеме изотермического в осевом направлении, участка образца джоулево тепло в вакууме полностью отводится с его поверхности излучением как с граней, перпендикулярных оси ОХ, так и с граней, перпендикулярных оси OY, При этом в образце возникают тепловые потоки как в направлении х, так и в направлении у, причем возникающие вследствие наличия тепловых потоков перепады температур между центром образца и какой-либо точкой в сечении образца вдоль координатных осей однозначно связаны с веочичиной теплового потока в данном направлении, расстоянием от центра образца до данной точки и коэффициентом теплопроводности материала в рассматриваемом направлении. Поэтому, например измерив непосредствентю па образце глубину пирометрических отнерстий и определив в процессе чкггкримента с гтомпщью оптического пирометра температуры . дна пирометрических отверстий., зная величины тепловых потоков в соответствующих направлениях, можно рас считывать коэффициенты теплопроводности материала. В эксперименте непосредственно измеряется только суммарный тепловой поток с поверхности центральной, изотермической в осевом направленип части образца, Выбор расстояний от центра образца до точек измерения температуры в пределах 0,5-0,7 от полутолщины образца обусловлены тем, что уменьшение этих расстояний ниже заданных пределов приводит к увеличению погрешностей измерения перепадов температур в сечении образца, а увеличение этого расстояния свыше 0,7 полутолщины образца приводит к неоп ределенности в определении степени черноты пирометрических отверстий,и как следствие этого,к погрешности опре деления истинных значений Т(Х),,0) и Т(0, YK). Предлагаемый способ отличается от известного тем, что температуры измеряют в центре образца, и в точках поперечного сечения образца, удаленных от центра на расстояния равные от 0,5 до 0,7 полутолщины образца в направлениях перпендикулярных боковы граням и из полученных значений рассчитывают коэффициенты теплопроводности материала в двух взаимно перпендикулярных направлениях, на черте же показано расположение точек, в ко торых измеряется температура. Пример. Образцы выбирают с формой прямоугольного параллелепипед с сечением 12 х 12 мм и длиной 120 м Нагрев образцов осуществляют пропусканием через них электрического тока. При этом мощность, излучаемую изотермическим в осевом направлении участком образца, определяли по току, проходящему через образец и падению напряжения на изотермическом участке. Температуру измеряют эталон ным оптическим пирометром ЭОП-66. В качестве измеряемых объектов были выбраны материалы: графит марки ГМЗ изотропный в направлениях ОХ и OY, и расширенный пирографит с коэфЛициентом анизотропии теплопроводности при комнатной температуре равным 100 в направлении ОХ и OY. 404 Измерения проводили в диапазоне температур 1200-2800 К. Определение коэффициентов теплопроводности по предлагаемому способу и по известному проводили на одних и тех же образцах для материала ГМЗ и только по предлагаемому способу для расширенного пирографита. Средние значения коэффциентов теплопроводности, а также их среднеквадратичные отклонения, полученные по результатам измерений на образцах из графита марки ГМЗ и анизотропно-расширенного пирографита А, ВТ/мк представлены в табл. 1. Из табл. 1 следует, что минимальные среднеквадратичные отклонения измеренных коэффициентов теплопроводности наблюдаются при измерении температур в центре образца и на расстояниях от центра, равных 0,5-0,7 полутолщины образца в заданном направлении. Эти среднеквадратичные отклонения существенно меньше, чем при измерениях по известному способу, особенно в области температур до 2000 К. При измерениях температуры по предлагаемому способу на расстояниях менее 0,5Хо, 0,5Yo возрастает среднеква,цратичное отклонение получаемых значений теплопроводности; особенно при температурах ниже 2000 К, за счет снижения абсолютного значения перепада температур. При увеличении расстояния от центра ,7Xo, YX 0,7Yo среднеквадратичное отклонение при прочих равных условиях возрастает за счет того, что при уменьшении глубин пирометрических отверстий их степень чертоны все более отличается от единицы. Предлагаемый способ измерения коэффициентов теплопроводности прост, не требует сложной аппаратуры и высокой квалификации оператора. По сравнению с известным предлагаемый способ измерения коэффициента теплопроводности анизотропных материалов, имеет меньшую относительную погрешность измерений, позволяет измерять коэффициенты теплопроводности на образцах в двух ортогональных плоскостях одновременно. Это повышает оперативность измерений коэффициентов теплопроводности материалов, время измерения при одном

фиксированном значении температуры не превышает 10 мин. Способ может найти применение для массового контроля теплофизических характеристик материалов при высоких температурах,

(О.УО)

{O.I/K)

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, состоящий в том, что образец в форме прямоугольнйго параллелепипеда нагревают пропусканием через него электрического тока, измеряют мощность, выделяемую в стационарном тепловом режиме на изотермическом в осевом направлении участке образца, и температуры в ряде точек образца на этом участке, по которым судят об искомом коэффициенте, о тличающийся тем, что, с целью повышения точности определения и расширения круга исследуемых материалов за счет анизотропных, температуру измеряют в центре поперечного сечения образца и на осях симметрии этого сечения в точках, отстоящих от центра на расстоянии 0,5-0,7 полутолцины образца, а коэффициенты теплопроводности .„ и Ti,, рассчитывают в двух ортогональных направлениях по соотношениям , 8 Е X,Y,LT

W

()

.O)