Способ определения температуропроводности материалов Советский патент 1990 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к тепловым испытаниям, а именно к области измерений теплофизических свойств материалов.

Цель изобретения - упрощение испытаний, в том числе в случае оптически прозрачных материалов.

Измер.ение температуропроводности основано на наблюдении за перемещением в теле образца фронта максимального градиента температур, обусловленного импульсным тепловым воздей- ствием на поверхность образца.

На чертеже приведена принципиальная схема устройства определения .температуропроводности материалов.

Схема содержит источник I монохроматического света, поляризатор 2, компенсатор 3 - кристаллическую пластинку толщиной в четверть длины волны, вырезанную из оптически одноосного кристалла параллельно его оптической оси, и анализатор 4. Оптически прозрачный образец 5, расположенный между поляризатором и компенсатором, освещают пучком параллельных монохроматических лучей поляризованного света. С помощью горизонтального микроскопа 6, содержащего окулярную .измерительную шкалу, образец наблюдают в проходящем свете. Обра- . зец размещен в микропечи 7 с окнами

СГ5

О 4

4

для прохождения светового пучка. утем подбора углов меноду оптичесими осями поляризатора, компенсатоа и анализатора относительно образ- г а, добиваются полного погасания проходящего через анализатор системы и попадающего в микроскоп света. Таким образом при настроенной системе поверхность образда, находяшаяся в ю поле зрения микроскопа, оказывается равномерно затемненной.

При .анализе образцов, изготовленных из оптически изотропных материалов, при комнатной температуре ука- 15 занное вьше требование затемненного поля достигается для ненапряженного образца при скрещенном полол ении оптических осей поляризатора и анализатора (т.е. при скрещенных нико- 20 лях). Использование компенсатора в устройстве при этом не обязательно. Оно необходимо при исследованиях изотропных образцов при повышенных температурах а также при анапи- 25 зе оптически анизотропных материалов.

При появлении в образце областей, находящихся в неоднородном напряженном состоянии, в соответствующих участках поля зрения возникают просвет- JQ ленные места. Таким образом образец, в объеме которого возбуждено неоднородное температурное поле и в котором распространяется соответствующий этому полю фронт термоупругой волны, 25 при наблюдении его с помошью предлагаемого устройства изображается в виде темного поля, по которому перемещается светлая полоса. Наблюдая за положением просветленной полосы Q в различные моменты времени, прошедшего с начала теплового возбуждения поверхности образца, можно определить температуропроводность материала-а.45

Микропечь 7 позволяет осуществлять проведение испытаний при повышенных температурах.

В случае использования плоского точечнрго или линейного теплового воздействия на. образец, полубесконечный в тепловом отношении, температуропроводность рассчитывают по сЬорму- ле:

а )-,55

где а - температуропроводность; Z - расстояние, измеренное по

нормали к поверхности образца

50

5

5

0

от места воздействия до точ- .ки местоположения фронта;

Т - время от момента теплового воздействия.

Пример 1.. Проводили определение теь пературопроводности оптического стекла мар1си ЛФ-6. Измерение проводили при комнатной температуре. Образец.представлял собой прямоугольную призму с линейными размерами 25 X 25 X 50 мм и имел одну из граней (рабочую) в виде полированной поверхности 12-14 класса шероховатости. Образец 5 помещался в микропечь 7. Путем подбора углов между оптическими осями поляризатора 2, компенсатора 3 и ангшизатора 4 относительно образца добивались полного погасания проходящего через систему света. Это достигалось при скрещенном положении осей анализатора и поляризатора и параллельности осей поляризатора и компенсатора. Компенсатор в данном случае использовали для создания оптимальных условий наблюдения термоупругих напряжений. Кроме того, с этой же целью образец устанавливали так, чтобы его оптическая ось была направлена вертикально и составляла угол ±45 с направле шем колебаний электрического вектора в световой волне,прошедшей через анализатор и поляризатор. В начальный момент времени на рабочей поверхности образца создавали мгновенный тепловой поток путем быстрого прикосновения к указанной поверхности массивной медной пластины, нагретой до 300°С. При этом в образце возникала плоская термоупругая волна, перемещавшаяся вглубь образца. Через определенные промежутки времени, фиксировавшиеся при помощи секундомера марки СДС пр-1, измеряли координату Z фронта термоупругой волны при помощи окулярной сетки горизонтального микроскопа типа I-IHP-1 с точностью до 0,1 мм.Затем по полученным данным строили зависимость Z (t). По наклону этой зависимости определяли, что . а (0,25±0,03). Значение а для данного материала составляет 0,16 .

П р и м е р 2. Проводили определение теьшературопроводности монокристаллов фтористого лития при температурах образца 20, 200, 350,

500°С. Образцы имели такие же геометрические размеры, как в примере 1, и были приготовлены выкалыванием по плоскостям спайности lOOll. При испытаниях при повышенных температурах образцы помещались в микропечь 7, тегчпература в печи измерялась при помощи хррмель-алюмелевой термопары и поддерживалась постоянной с помощью электронного автоматического потенциометра ЭПВ-11А, В начальный момент времени на поверхности образца осуществлялось импульсное тепловое воздействие при помоши сосредоточенного (точечного) источника, выполненного в виде искрового разрядника. Распространение сферического фронта термоупругой волны в образце фиксировали с помощью пьезооптичес- кого устройства так же, как в примере 1. По полученным экспериментальным данным строили графики зависимости Z f(t), соответствующие разным температурам, и определяли соответствующие им значения температуропроводности. Эти значения приведены в таблице;

Способ согласно изобретению обеспечивает упрощение измерений за счет

0

5

0

5

исключения локальных температур1п,1х излучений, требующих монтажа iishsepii- телей в теле образца. В случае оптг:- чески прозрачных материалов зто упрощение обеспечивается бесконтактными измере шями.

Способ может быть использован при получении кристаллов и стекол и при конт роле их характеристик после получения.

Фор м у л а и 3 о б р е т е п и я

Способ определения температуропроводности материалов, состоящи -: в том. что осуществляют импульсное те :ловое воздействие на поверхность образца и пс учают информацию об из- его температурного поля в зависимости от времени, на основании чего рассчитывают искомую величину, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью упрощення испытаний оптически прозрачных материалов, цизуализи- руют в образце поле термоупругих нап- , регистрируют нз eнeниe положения фронта максимальных термоупру- гих напряжений во времени, а искомую велич.чну рассчитывают по Лормуле а zVP-4

температуропроводность; расстояние, измеренное, по нормали к поверхности образца от места воздействия до точки местоположения фронта; время от момента теплового воздействия.

где а Z

/.

Сч1

OQ

Изобретение относится к области тепловых испытаний, а именно к измерению теплофизических свойств материалов. Цель изобретения - упрощение испытаний, в том числе в случае оптически прозрачных материалов. Измерение температуропроводности основано на наблюдении за перемещением в теле образца фронта максимального градиента температур, обусловленного импульсным тепловым воздействием на поверхность образца. В случае оптически прозрачных материалов перемещение фронта максимального градиента температур выявляется как перемещение фронта максимальных термоупругих напряжений - с использованием пьезооптического эффекта. По сравнению с известными способами достигается упрощение измерений вследствие исключения оснащения образца локальными измерителями температуры. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.