Способ определения теплоемкости полимерных материалов Советский патент 1982 года по МПК G01N25/20 

Изобретение относится к теплометрии и может ыть использовано при измерении таких характеристик полимерных материалов как теплоемкость.

Известен способ определения теплоемкости материала, при котором испытуемому образцу передают некоторое количество теплоты и измеряют соответствующее ему повышение температуры. При этом количество переданного i тепла определяют либо непосредственными измерениями мощности, выделяемой нагревателем, либо по эталонному образ раэцу с известными характеристиками С 1.

Недостатками данного способа являются потери тепла через контактные сопротивления и необходимость нарушения сплошности образца для измерения температуры при определении теплоемкости полимерного материала.

Известен также способ определения теплофизических свойств полимерных материалов, заключающийся в нагревании исследуемого образца и измерении количества тепла, подводимого к образцу, и повышения температуры образца, по которым судят о теплоемкое «1.2.

Однако обработка результатов измерений и расчет теплофизических параметров вещества трудоемки и требуют построения градуировоиных графиков для каждого исследуемого вещества.

Целью изобретения яв ляется упрощение процесса измерения теплоемкости при сохранении сплошности исследуемо-го образца материала и исключение потерь тепла в процессе измерения.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения теплоемкости полимерных материалов, заключающемуся в нагреве исследуемого образца и измерении количества тепла, подводимого, к образцу, повышения температуры образца, по которым судят о теплоемкости материала, нагрев исследуемого образца проводят путем возбуждения в теплоизолированном образце вынужденных интенсивных колебаний в резонансном режиме и измеряют изменение первой резонансной частоты как функцию времени и параметров деформирования, по изменению первой резонансной частоты определяют изменение модуля упругости при нагреве образца во времени, по которому затем определяют повышение температуры образца, а по параметрам дефори ировання определяют количество тепла, подводимого к образцу. Известно, что динамический модул упругости полимерного материала мож быть изменен с высокой точностью методом вынужденных гармонических колебаний. Если образец, в котором для измерения модуля упругости возбуждаются интенсивные вынужденные резонансные колебания, полностью заключен к теплоизоляционную оболоч ку, то в нем происходит заметное накопление тепла за счет работы сил внутреннего трения, т.е. заметный разогрев. Это приводит к уменьшению динамического модуля упругости во времени, что проявляется в изменени резонансной частоты колебаний образ ца. Таким образом, возбуждая в тепл изолированном образце интенсивные вынужденные колебания и измеряя пер вую резонансную частоту как функцию времени, по заранее известной темпе турной зависимости модуля упругости можно вычислить разность температур на которую Нагрелся образец в проце се деформирования. А по параметрам деформирования можно определить количество теплоты, вьщелившееся в образце в отмеченный период времени. По этим данным определяют теплоемкость материала образца, не прибе гая к измерениям температуры испытуемого материала, как это требуется при теплофизических измерениях. Способ осуществляется следующим образом. Предлагаемый способ предназначен для определения теплоемкости полимерных материалов, относящихся к классу композиционных, т.е. содержа щих дисперсный наполнитель в полимерной матрице, и эксплуатируемых в условиях динамических воздействий Для определения динамических свойст таких материалов методом вынужденных колебаний используют образцы в виде стержня .прямоугольного сечения 2x2 см, длиной 15 см, по измерению перемещений закрепленного и пригруженного концов стержня Uoи (Jg соответственно) определяют первую резонансную частоту стержня fp и рассчитывают упругую .составляющую Е комплексного модуля упругости E tt--i4) и тангенс угла потерь Этот же образец и эта же аппаратура используются для определения теплоемкости такого полимерного материала. Образец заключают в эласти ную теплоизоляционную оболочку (не влияющую на деформативное поведение стержняJ и подвергают вынужденным резонансным колебаниям большой инте сивности. Это значит, что если для определения величин t и 1 достаточн(3 возбуждать в образце колебания перемещением закрепленного конца стержня на 4-5 мк (т.е. при входном сигнале UQ 4-5 мкм), то для определения теплоемкости величина входного сигнала Uoдолжна быть на порядок выше, т.е. U(,« 50-60 мкм. Величины перемещений Uo и Ug измеряются с точностью до 1 мкм, разность фаз между ними Ч с точностью до 2°, а резонансная частота, определяемая по максимуму отношения Ug/DO и сдвигу фаз У«-9СР, измеряется с точностью до 0,2 Гц. Лоля механической энергии, превращаемой в тепло Q в деформируемом с частотой fg образце объемом Y за отрезок времени , в случае теплоизоляции образца целиком расходуемой на его нагревание, составляет Q-rCYEo-Cfe incf, где (Г угол сдвига фаз, так называемый угол потерь ;ЕО|Е | абсолютное значение комплексного модуля упругости материала, 8о амплитуда деформации, равная при резонансе где ё - длина стержня. Нагревание образца при деформировании на резонансной частоте приводит к заметному уменьшению его модуля Е , однозначно связанного с первой резонансной частотой стержня fр. Поэтому для поддержания деформирования в резонансном режиме, т.е. при , необходимо постоянно изменять (уменьшать частоту деформирования ). Таким образом, для определения теплоемкости полимерного материала предлагаемым способом необходимо измерить р в начальный момент деформирования (fo)и через отрезок времени Т(fp ;определить соответствующие им значения ЕО и Ef по средним за период временит значениям UQ ; Ug и Fp определить ЕО , g и рассчитать неличину Q , Зная зависимость от температуры, по значениям ЕО и Е определяем разность температур, на которую нагревается образец, т.е.лТ, и окончательно, по известным 0,лТ и массе образца уи рассчитываем г Q ршлт D соответствии с изложенным проводят измерения на образце композиционного материала. Стержень объемом 6 и массой 67 г теплоизолирован стеклянной ватой, деформируется в продольном напра-влении при амплитуде перемещений закрепленного конца ( мкм. В начальный момент деформирования резонансная частота стержня (с пригруженной массой 500 г-) ,4 Гц, через 15 мин деформирования, т.е. с, резонансная частота уменьшается до fn- 74,2 Гц, Средние значения модуля упругости ЕО амплитудьт деформации бд и резонансной частоты |д за указанный отрезок времени составляет 4,6-10 н/м 3 1510 и 76 Гц соответственно. Величина SincT , соответствующая замеренному значению тангенса угла потерь V) , равна 0,14. Температурный коэффициент модуля упругости Е для данного образца оказывается равным ,011 1/град.

Таким образом, удельная теплоемкость данного образца равна

3,44-6 -fO -O--fO -f,1 )-to-1.10-5 76 -0,14

(7(-0,90)

--14- 1

градЛ , I

Максимальная ошибка измерений данным способом не превосходит 8-9%.

В приведенном примере в течение мин величина |р замеряется также каждые 5 мин, и величины Ср, определенные за 5,10 и 15 мин деформирования образца, совпгщают с точностью до 5%.

Для данного материала также проводят измерения теплоемкости по известному способу путем нагревания образца в виде цилиндра высотой 1 см и сечением 1,2 см в теплоизолированном стаканчике от спирального электронагревателя и измерения повышения температуры материала в центре образца. При длительности опыта порядка 15-20 мин точность таких измерений не превьшает 10-12%, хотя значения теплоемкостей, полученных по этому способу и предлагаемому, практически совпали.

Поскольку для определения теплоемкости известным способом обычно используют небольшие количества материала, а по предлагаемому спосооу применяется тот же образец большого объема, что и для определения динамических характеристик, то для композиционных материалов со значительной степенью гетерогенности получаемое значение теплоемкости характеризует весь объем образца, т.е. является интегральной характеристикой материала. Кроме того, для материалов, работающих в условиях вибрационной нагрузки, представляется удачным решением измерение в одном эксперименте практически всех характеристик материала, определяющих границы его

работоспособности.

Формула изобретения

Способ определения теплоемкости

20 полимерных материалов, заключающий, ся в нагреве исследуемого образца и измерении количества тепла, подводимого к образцу, и повышения температуры образца, по которым судят о теплоемкости материала, отличающийся, тем, что, с целью упрощения процесса измерения при сохранении сплошности исследуемого образца материала и исключения по30терь тепла, нагрев исследуемого образца проводят путем возбуждения в теплоизолированном образце вынужденных интенсивных колебаний в резонансном режиме и измеряют изменение

35 первой резонансной частоты как функцию времени и параметров деформирования, по изменению первой резонансной частоты определяют изменение модля упругости из-за нагрева образца

40 во времени, по которому затем опре. деляют повьлиение температуры образца а по параметрам деформирования определяют количество тепла, подводимого к образцу.

Источники информации,

45 принятые во внимание при экспертизе

1.Осипова В.А. Экспериментальные исследования процессов теплообмена, п., Энергия, 1959, с.201-207.

2.Авторское свидетельство СССР

50 № 458753, кл. GOl N 25/20, 1973 (прототип).