Способ определения теплопроводности материалов Советский патент 1985 года по МПК G01N25/18 

1 1

Изобретение относится к технической физике.

Цель изобретения - расширение области применения способа за счет обеспечения возможности определения теплопроводности анизотропных материалов.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения теплопроводности материалов, включающему нагрев последовательно установленных эталонного образца с известной теплопроводностью и исследуемого образца подвижным точечным источником тепловой энергии, перемещаемым вдоль поверхности образцов с постоянной скоростью, и измерение датчиком температуры, перемещаемым со скоростью источника на фиксирован ном расстоянии от него, избыточной предельной температуры поверхности образцов по линии нагрева, исследуемый образец выполняют с двумя взаимно перпендикулярными плоскими поверхностями, перпендикулярными главным осям теплопроводности образца, устанавливают направление перемещения источника энергии и датчика температуры параллельным одной из главных осей теплопроводности, затем последовательно осуществляют сканирование по плоским поверхностям вдоль каждой из трех главньк осей теплопроводности образца, после чего осевые коэффициенты теплопроводности определяют по формулам:

.

б.гЭ

0 JT Э«

1 . , . л ,

L

т1;вГ мГ

де 7 ,Л2, я осевые коэффициенты теплопроводности образца соответственно вдоль первого, второго и третьего направлений перемещения источника энергии и датчика температуры; 1,1 ®2 I 3 избыточные предельные температуры поверхностей образца на линии нагрева вдоль первого, второго и третьего направлений перемещений источника энергии и датчика температуры;

91862

коэффициент теплопроводности эталонного образца, эт избыточная предель5ная температура поверхности эталонного образца на линии нагрева.

Изготовление на. исследуемом образце двух взаимно перпендикулярных

плоских поверхностей, перпендикулярных главным осям теплопроводности образца, установление первоначального направления перемещения источника 5 энергии и датчика температуры параллельным одной из главных осей теплопроводности, двукратное изменение направления перемещения источника энергии и датчика температуры относительно исследуемого образца и осуществление в процессе указанных перемещений операций нагрева и измерения избыточной предельной температуры двух взаимно перпендикулярных поверхностей 5 образца по линии нагрева вдоль трех взаимно перпендикулярных направлений (главныхосей теплопроводности) позволяют на основе полученных соотношений для температурного поля анизотропного тела, нагреваемого подвижным точечным источником энергии, определить осевые коэффициенты теплопроводности образца, т.е. решить задачу определения теплопроводности

анизотропных материалов.

На чертеже представлена схема осуществления предлагаемого .способа.

Точечный источник 1 тепловой энергии и датчик.2 температуры размещены над эталонным образцом 3 с известной теплопроводностью и исследуемым образцом 4. На эталонном и исследуемом образцах обозначена линия, вдоль

которой в процессе перемещения источника 1 энергии и датчика 2 температуры происходит нагрев образцов и измерение избыточной температуры их поверхностей. Направления перемещения

источника и датчика температуры обозначены стрелками. На представленном чертеже главные оси теплопроводности исследуемого образца обозначены буквами, X, Y и Z, а соответствующие им

осевые коэффициенты теплопроводности

Л, ftz 3Способ осуществляют следующим образом. На исследуемом образце 4 произвольной формы изготавливают две взаимно перпендикулярные плоские поверх ности, перпендикулярные любым двум главным осям теплопроводности образца. Эталонный образед 3 и исследуемый образец располагают последовател но. Выбирают направление перемещения точечного источника 1 энергии и датчика 2 температуры таким, чтобы оно было параллельным одной из главных осей теплопроводности исследуемого образца, например оси X. Затем точеч ный источник 1 энергии постоянной мощности и жестко связанный с ним датчик 2 температуры начинают перемещать с постоянной скоростью в выбранном, направлении вдоль поверхностей эталонного и исследуемого образцов. В процессе нагрева эталонного и исследуемого образцов измеряют датчиком температуры избыточную предельную температуру их поверхностей по линии нагрева вдоль указанного на правления. После нагрева и измерения избыточной предельной температуры на части поверхности исследуемого образ ца изменяют направление перемещения точечного источника энергии и датчика температуры на перпендикулярное первоначальному направлению. Осущест вляют нагрев образца источником энер гии и измеряют датчиком температуры избыточную предельную температуру по верхности исследуемого образца по линии нагрева вдоль указанного второ го направления (второй главной оси теплопроводности образца Y). Затем повторно измеряют направление переме щения источника энергии и датчика температуры на перпендикулярное пер воначальное нагреваемой поверхности исследуемого образца. Осуществляют нагрев точечным источником энергии второй поверхности образца, перпендикулярной первоначально нагреваемой и измеряют датчиком температуры избыточную предельную температуру этой поверхности по линии нагрева вдоль указанного третьего направления (тре тьей главной оси теплопроводности образца Z).

Известно что температурное поле бесконечного анизотропного твердого тела с осевыми коэффициентами теплопроводности А-,, 2 в направлении главных осей теплопроводности X, Y и Z, обусловленное действием мгно® У- )

jJe.p/.)

(

./ венного неподвижного точечного источника энергии, расположенного в начале координат, в момент времени определяете} соотношением 0ГхУ7)- Я)Д № tu;i7A // . Г СЯ / Х у2 1) {-i-i-j T Tj) где 9(x,y,z) - избыточная температура точки тела с координатами (х,у, q - мощность источника энергии} f - объемная теплоемкость образца; t - время, отсчитываемое с момента воздействий -источника нагрева} Л I Tlj ; АЗ осевые коэффициенты теплопроводности в направлении главных осей теплопроводности X, Y, Z. Соотношение для температурного поя в бесконечном анизотропном твердом теле за счет.действия подвижного точечного источника энергии, перемещающегося вдоль оси X с постоянной скоостью V (начиная с момента времени ) в системе координат совмещенной с источником энергии, может быть поучено на основе применения метода сточников путем интегриронания соотошения (1) по времени и представлеия координаты X, как функции време- . и. Таким образом, в рассматриваемом ежиме нагрева избыточная температуа произвольной точки анизотропного ела .Sl(x,y,z) определяется соотноением(Cp)V2 e(xyz)%Z (X V( (TTFt-Лз Я, оторое путем;замены переменных f 5p-f 2ft-t риводится к виду

где V - скорость перемещения точечного источника энергии. В нреде: ьном режиме нагрева, т.е. при t-foo , вьфажение (3) может быть представлено через- элементарные функ ции. Таким образом, избыточная предельная температура произвольной точ ки бесконечного анизотропного тела с осевыми коэффициентами теплопроводности Л , Д Дз направлении главных осей теплопроводности X, Y, Z, обусловленная действием подвижного точечного источника энергии, пере мещающегося вдоль оси X с постоянной скоростью, в подвижной системе координат, совмещенной с источником энер гии, будет определяться соотношением 9(х,у,г) /лг у z2 /V,2 3-V-r/-T/-Tr /J a для полубесконечного твердого тела с граничной поверхностью, совпадающе с плоскостью XY, по которой вдоль ос X перемещается точечный источник, поле избыточных предельных температу определяется соотношением 0(;,y;Z) ((.Л)1 I М . П-, а Из соотношения (5) следует, что, если полубесконечное анизотропное твердое тело с осевыми коэффициентами теплопроводности Д-, , A-j , ,з направлении главных осей теплопровод ности X, Y, Z и граничной поверхностью, совпадающей с плоскостью XY, нагревать подвижным точечным источником энергии, перемещающимся вдоль оси X с постоянной скоростью, и жестко связанным с источником энергии датчиком температуры измерять избыточную предельную температуру поверхности тела по линии нагрева на фиксированном расстоянии позади источника (т.е. в формуле (5) положить хсО, ), то измеряемая

температура : 9i будет определяться соотношением 27//х/УМ7 где 9 - избыточная предельная температура поверхности полубесконечного тела на линии нагрева при направлении перемещения источника энер.гии и датчика температуры вдоль оси х; ( X I - расстояние между точечным источником энергии и датчиком температуры. Аналогично можно получить, что при наличии направления перемещения источника энергии и датчика температуры вдоль оси Y, измеряемая избыточная предельная температура б на линии нагрева будет определяться соотношением (7) а для полубесконечного тела с граничной поверхностью, совпадающей с плоскостью XZ, при направлении перемещения источника и датчика вдоль оси Z, измеряемая избьпочная предельная температура 0J на линии нагрева будет определяться соотношением ®з Известно, что при нагреве полубесконечного изотропного тела подвшкным точечным источником энергии избыточная предельная температура . поверхности тела на линии нагрева, измеряемая датчикомтемпературы, перемещающимся на фиксированном расстоянии позади источника, определиется формулой где .& - избыточная предельная температура поверхности изотропного тела на линии нагрева;Л - теплопроводность изотропного тела. Для того, чтобы полученные для полубесконечных тел формулы (6)-(8) быпи справедливы для исследуемого анизотропного образца 4, а формула (9) - для эталонного изотропного образца 3, необходимо, чтобы размеры образцов превышали расстояние между точечным источником 1 энергии и датчиком 2 температуры 1х|, Поскольку величина q, остает ся постоянной в процессе нагрева и измерений как для эталонного, так и для исследуемого образцов, то имеют место следукщие формулы, по которым после измерения трех избыточных предельных температур по линии нагрева на двух поверхностях исследуемого об разца :в 02 6j . и избыточной предельной температуры поверхности эталона V 9эт определяют осевые коэффициенты теплопроводности исследуемого образца: ) эт Q Л - Л)т бэт вг 01 вг бэт 03 . 01 02 где ,2t 3 осевые коэффициенты теплопроводности ис следуемого образца соответственно вдол первого, второго и третьего направлени перемещения источни ка энергии и датчик температуры, совпадающих с главными осями теплопроводности X, Y, Z; АЭТ теплопроводность эталонного образца, 4 |®7 избыточные предельные температуры поверхности исследуемого образца на линии нагрева вдоль указанных направлеНИИ перемещзния точечного источника и датчика температуры}бэт избыточная предельная температура по,верхности эталонного образца на линии нагрева. Преимущество предлагаемого технического решения перед спосоОом-прототипом заключается в том, что предлагаемый способ обеспечивает определение осевых коэффициентов теплопроводности, анизотропных материалов и, следовательно, имеет более широкую область применения. В предлагаемом способе в качестве точечного источника энергии может быть использован, например, луч лазера типа ИЛГН-704 с длиной волны ilO,6 мкм и мощностью в пучке 5 Вт. Измерение избыточных предельньк температур может быть осуществлено, например, бесконтактным датчиком на основе пироэлектрического приемника МГ-30 путем регистрации теплового излучения нагреваемой поверхности. Способ характеризуется малой погрешностью, измерений теплопроводности, не превьшающей 2-3%, и высокой производительностью. Как показали лабораторные испытания, время, необходимое для определения осевых коэффициентов теплопроводности одного анизотропного образца (с учетом затрат времени на .изготовление у образца двух поверхностей путем алмазного пиления), не превышает 10 мин. Это позволяет проводить исследование 50 анизотропных образцов за смену.

Z,Aj

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ МАТЕРИАЛОВ, включающий нагрев последовательно установленных эталонного образца с известной теплопроводностью и исследуемого образца подвижным точечным источником тепловой энергии, перемещаемым вдоль поверхности образцов с постоянной скоростью, и измерение датчиком температуры, перемещаемым со скоростью источника на фиксированном расстоянии от него, избыточной предельной температуры поверхности образцов по линии нагрева, отличающийся , что, с целью расширения области применения способа за счет обеспечения возможности определения теплопроводности анизотропных материалов, исследуемый образец выполняют с двумя взаимно перпендикулярными плоскими поверхностями, перпендикулярными главным осям теплопроводности образца, устанавливают направление перемещения источника энергии и датчика i температуры параллельным одной из главных осей теплопроводности, затем последовательно-осуществляют сканирование по плоским поверхностям вдоль каждой из трех главных осей теплопроводности образца, после чего осевые коэффициенты теплопроводности определяют по формулам: бэт Q . , -, бэт 02 Af в, 03 / 02 03 , .. Ээтвз t где Л , Д.,1 jj - осевые коэффициенты теплопроводности об- i разца соответственно (Л вдоль первого, второго и третьего направлений перемещения источника энергии и датчика температуры; ч )®2 (9з избыточные предельные температуры поS4 верхностей образца СО на линии нагрева вдоль первого, вто00 О) рого и третьего на.правлений перемещений источника энергни и датчика температуры; коэффициент, теплопроводности эталонного образца; 6jT - избыточная предельная температура поверхности эталонного образца на линии нагрева.