I
Изобретение относится к области теплометрии и может быть использова-, но при измерении таких характеристик полимерных композиционных материалов как коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи.
Известен способ, в котором для измерения коэффициентов теплопроводности -и теплоотдачи какого-либо материала необходимо создать тепловой поток через исследуемый образец и измерить в определенных точках температуру образца, а также окружающей среды l.
Основными недостатками известного способа являются потери тепла через контактные сопротивления при установлении стационарного (или нестационарного) потока через образец, продолжительность эксперимента и сложное аппаратурное оснащение для поддержания одномерного теплового потока через образец при исследовании стационарным методом.
Наиболее близким к предлагаемому является способ определения теплофи зических характеристик полимерных материалов, заключающийся в нагреве образца, выдержке при нагреве до установления стационарного теплового потока через образец и измерении перепада температур в образце и окружающей среде, по которым определяют теплофизические характеристики f2J.
10
Однако и этот способ обладает недостатком, так как обработка результатов измерений и расчет теплофизических параметров вещества по этому спо(5 собу весьма трудоемки и требуют построения градуировочных графиков для каждого исследуемого вещества.
Цель изобретения - упрощение и повышение точности определения за счёт
20 исключения потерь тепла через контактные сопротивления при создании стационарного теплового потока через образец. Поставленная цель достигается тем, что в способе определения теплофизических характеристик полимерных материалов, заключающемся в нагреве образца, выдержке при нагреве до установлед ния стационарного теплового потока через образец, измерении перепада температур в образце, по которым определяют теплофизические характеристики. образец выполняют в виде призмы прямо 10 угольнрго сечения с теплоизолированными поверхностями граней, кроме одной или двух противоположных, нагрев проводят путём возбуждения в образце вынужденных гармонических колебаний, сначала с непрерывным повышением амп литуды до значения, при котором происходит измене ние резонансной частоты во времени, затем постепенно уменьшают амплитуду до-значения, при котором прекращается изменение резонансной частоты, что свидетельствует об установлении стационарного теплового потока через образец 3, измеряют параметры деформирования об разца и по полученным дан)м, по перепаду температур в образце и по температуре окружающей среды определяют коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи полимерного материала. Предлагаемый способ измере 1ния теп лофизических параметров полимерных материалов, особенно композиционных, основан на использовании явления саморазогрева при вибрационном воздействии на материал и может быть осуществлен за короткий промежуток времени порядка 15 мин. В образце по лимерного материала, подвергаемого циклическому деформированию, часть энергии деформирования рассеивается в виде тепла за счет работы сил внутреннего трения, при этом чем выше амплитуда деформирования, тем больше тепловыделение в образце. Если же образец выполнить в виде стержня прямоугольного сечения и частично теплоизолировать, оставив свободной одну или две противоположных грани, то образуемое в процессе деформирования тепло выделяется в окружающую среду только через свобод ные поверхности, т.е. создается одно мерный тепловой поток .через образец. При возбуждении в таком образце колебаний большой амплитуды тепловыделение в образце заметно больше теплоотдачи, что достаточно точно 4)иксируется путем измерения первой резонансной частоты образца, однозначно связанной с динамическим модулем упругости материала и уменьшающейся во времени вследствие .разогрева образца. Если сначала возбуждать в образце колебания большой амплитуды, а затем постепенно уменьшать ее, то измеряя резонансную частоту образца в процессе такого деформирования можно точно установить момент, с которого асе выделяемое в образце тепло через свободные поверхности выделяется в окружающую среду, т.е. прекращается дальнейший разогрев MaTeplnana образца, что соответствует прекращению изменения резонансной частоты образца во времени. Установившийся таким образом стацио нарный тепловой поток легко определяется гю параметрам деформирования образца. Измеряя температуру окружающей среды, свободной поверхности образца и сечения, в котором начинается тепловой поток (среднее сечение для образца с двумя противоположными свободными от тепла изоляции гранями, для образца с одной свободной гранью - противоположная теплоизолированная грань), определяют коэффициенты теплоотдачи и теплопроводности исследуемого материала. Способ осуществляют следующим образом. При проведении теплофизических испытаний используют образец в виде стержня прямоугольного сечения. Для измерения параметров деформирования измеряют перемещения закрепленного (Up) и пригруженного концов стержня (U1), сдвиг фаз между ними f , по. максимуму отношения Rvy, UE/Uo и по сдвигу фаз f oi 90 определяют первую резонансную частоту fp , после чего рассчитывают упругую составляю-, щую Е комплексного модуля упругости Е (1 + У1) и тангенс угла потерь У1 . , pe c fTfpj Оо( oCSC/ f - ПЛОТНОСТЬ материала;о(я) и Збилированные параметры. Эти же величины необходимы для определения количества тепла Q, выделяющегося в образце объемом V в процессе деформирования в единицу време , абсолютное значегде Е ние комплексного модуля упругосУй ; амплитуда деформации при резонансно возбуждении , 51ИсГ сдвиг фазы между на ряжением и деформа цией в образце. Выделяемое тепло Q приводит к Hai- реванию образца и частично рассеивается в окружающую среду в процессе теплоотдачи. Поэтому, если деформируемый образец-стержень теплоизолиро ван по торцовым и двум противоположным боковым граням,то процесс теплообмена образца с окружающей средой происходит только через две оставшие ся свободными от теплоизоляции грани что приводит к созданию s направлени ,10рмали к этим граням одномерного тё InoBoro потока плотностью с г -3- , где S - площадь свободных станок. Если учесть, что разогрев образца в процессе деформирования приводит к уменьшению модуля упругости его материала, однозначно связанного с величиной fp , то деформируя образец на резонансной частоте сначал при большой амплитуде входного сигнала Ujj, при которой наблюдается заметный разогрев и необходимо соответ ствующее ему заметное уменьшение fp , затем медленно снижая амплитуду входа и до величины, при которой fp уменьшается во времени мало, через некоторое время (порядка 7-10 мин) отмечаем момент прекрацения изменения fp. Это значит, что выделяемое при таком деформировании тепло полностью расходуется в теплообмене с окружа|6щей средой и не приводит к дальнейшему разогреву образца, т.е. в образце устанавливается стационарный тепловой поток. В режиме стационарного теплового потока коэффициент теплоотдачи материала по определению равен , Q стационарный тепловой по ток через поверхность площадью S, М, разность температур между окружающей средой и поверхностью, через которую происходит теплоотдача, нашего случая EofpefsiW где все параметры деформирования измерены в режиме постоянной fp. Коэффициент теплопроводности при таких условиях оНределяется из уравнения gVotdT вектор плотности стационарного теплового потока; градиент температуры в деформируемом образце, т.е. изменение температуры на единицу длины в направлении теплового потока в,образце. В нашем случае gradT где ДТ - разность температур, и меряемая в среднем сечении образца (где начинается тепловой поток) и на его свободной поверхности, т.е. на расстоянии d, и таким образом 1 Предлагаемым способом проводят.ся змерения коэффициентов теплоотдачи теплопроводности полимерных материаов . П р и м е р. В образце с пригрузой 500 г в виде стержня прямоуголь-. ого сечения 2x2 см, длиной 1 15 см озбуждаются резонансные колебания, начала при входном сигнале U 60 мкм, при котором заметно уменьшатся fp во времени, затем при входом сигнале U 35 мкм через 10 мин олностью прекращается изменение реонансной частоты во времени, т.е. . станавливается стационарный тепловой ежим. Ему соответствует fp 78 Гц, O 510н/м, ЕО 0,, что приводит к выделеию в образце объемом V 6-10 м единицу времени количества теп79ла Q irvfofp Ee eiKicf 3 1«6 X 5- lOT. 78-5-10- 0,Й6 0,53 СВт. Термопары, расположенные по центральной оси образца и у его свобод ной поверхности, т.е. на расстоя.нии 1 см друг от друга, показывают разность температур 0,. Разность температур между свободной поверхностью и окружающим воздухом составляетйТ. С. С учетом площадй поверхности образца S 0,006 м , через которую происходит теплообмен с окружающей средой (воздухом), величина коэффициента теплоотдачи о ис следуемого материала составляет Q0,5 Ь- «т -, Ы 291 -21-Т I. qoo6-4 M«-rpaAJ и коэффициент теплопроводности Л соответственно;С- Qd - 0,5)-0,o-fГ Вт 1 S йТг. 0,006- oi 5 L м -гроА J «- - , 8 данном эксперименте продолжительностью менее 15 мин определяются два теплофизических параметра с точностью не менее 10%. Для измерения коэф фициента теплопроводности такого материала с помощью эталонного образца необходимо 1-1,5 ч времени и сложная система для создания и контроля стационарного теплового потока. Измерение в одном эксперименте ди намических и теплофизических характе ристик материала, эксплуатируемого в условиях вибрационной нагрузки, т. е. испытывающего вибрационный саморазогрев, представляется не только удобным, но и практически важным обс
тоятельством, так как позволяет быст- ...исследования процессов теплообмена,
ро и надежно определить допустимыеМ.-Л., Энергия, 19б9| с.20-31,65. параметры внешних воздействий, при 2. Авторское свидетельство СССР
которых сохраняется работоспособность№ J58753, кл. G 01. N 25/18, 1970
материала.(прототип ) . 8 Формула изобретения Способ определения теплофизическнх характеристик полимерных мaтepиaлof, заключающийся в нагреве образца, выдержке при нагреве до установления стационарного теплового потока через образец, измерения перепада температур в образце, по которым определяют теплофизические характеристики, о тличающиися тем, что, с целью упрощения и повышения точности определения теплофизических характеристик полимерных материалов, образец выполняют в виде призмы прямоугольного сечения с теплоизолированными поверхностями граней, кроме одной или двух противоположных, нагрев проводят путём вЬзбуждения в образце вынужденных гармонических колебаний, сначала с непрерывным повышением амплитуды до значения, при котором происходит изменение резонансной частоты во времени, затем постепенно уменьшают амплитуду до значения, при котором прекращается изменение резонансной частоты, что свидетельствует об установлении стационарного теплового потока через образец, измеряют параметры деформирования образца и по полученным данным, по перепаду температур в образце и по температуре окружающей среды определяют коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи полимерного материала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Осипова В.А. Экспериментальные
