Способ определения коэффициента теплопроводности наноструктурированного поверхностного слоя конструкционных материалов

Авторы патента:

G01N25/18 - путем определения коэффициента теплопроводности (с помощью калориметрических измерений G01N 25/20; путем измерения сопротивления электрически нагреваемого тела G01N 27/18)

B82B3/00 - Изготовление или обработка наноструктур

Владельцы патента RU 2521139:

ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "ПРЕДПРИЯТИЕ "СЕНСОР" (RU)

Изобретение относится к области исследования изменения теплофизических свойств конструкционных материалов при нанообработке нестационарным методом неразрушающего контроля. Способ состоит в воздействии тепловым импульсом на поверхность образца, регистрации температуры и временного интервала от начала теплового воздействия до достижения температурой в точке регистрации заранее заданного значения. На контактную зону воздействуют тепловым импульсом через индентор, закрытый термоизолятором и имеющий встроенные датчик температуры, нагреватель, и сферическую рабочую часть индентора, выполненную из природного алмаза, которую вдавливают в обработанный поверхностный слой с силой, обеспечивающей заданную длину пятна контакта, нагревают до определенного фиксированного значения температуры, выключают нагреватель и регистрируют время, за которое температура уменьшится до заданного уровня, и по формуле определяют коэффициент теплопроводности. Технический результат - повышение точности определения коэффициента теплопроводности. 1 ил.

Изобретение относится к области исследования изменения теплофизических свойств конструкционных материалов при наноструктурирующей обработке нестационарным методом неразрушающего контроля.

Теплопроводность поверхностного слоя является важной технологической характеристикой материала при назначении параметров режима обработки деталей из различных материалов. В диапазоне температур, соответствующих наноструктурирующей обработке, теплопроводность поверхности обрабатываемого материала зависит от химического состава, структуры и имеет максимальное значение после многократного отпуска. Теплопроводность поверхностного слоя уменьшается с увеличением накопленной степени деформации. Зависимость теплопроводности от степени деформации обусловлена видом, интенсивностью механической обработки и кратностью приложения нагрузки. Зависимость теплопроводности от вида и состояния материала может быть получена по измерениям данных, характеризующих индивидуальные свойства материала после его механической или термической обработки.

Известен способ определения теплопроводности твердых тел путем подвода к торцам образца равных по величине и противоположных по знаку мощностей, измерения разности температур, поддержания температуры средней точки образца равной его начальной температуре изменением мощности нагревателя и расчета по известной формуле коэффициента теплопроводности (а.с. №267131).

Известен способ определения теплофизических характеристик материалов, заключающийся в несимметричном разогреве образца, измерении тепловых потоков и температуры на двух изометрических поверхностях образца и в центре и расчете по известным формулам теплофизических характеристик (а.с. №219259).

Известен способ определения теплофизических свойств материалов, заключающийся в использовании нагревателя, воздействующего на испытуемый образец, и измерении температур в двух точках контроля в течение времени, равному одному периоду повторения тепловых импульсов, после чего находят временной сдвиг между максимумами первых гармоник сигналов, полученных от первого и второго датчиков, а искомые теплофизические свойства вычисляют по формуле (RU №2349908).

Известные способы имеют недостатки: невозможность определения теплопроводности тонкого поверхностного слоя, большие размеры измерительного устройства.

Наиболее близким является способ определения теплофизических характеристик материалов, состоящий в воздействии тепловым импульсом на поверхность образца и регистрации температуры на заданном расстоянии от места воздействия, регистрации временного интервала от начала теплового воздействия до достижения температурой в точке регистрации своего заранее заданного интегрального значения, определяемого тарировкой по материалу с известной теплопроводностью (RU №2436078).

Недостатком способа является невозможность измерения теплопроводности тонкого поверхностного слоя. Измерительный прибор и регистратор температуры расположить в контактной зоне, имеющей глубину 1-2 мкм и длину пятна контакта Lпк=200 мкм, неосуществимо. Существенная погрешность измерения из-за влияния температуры окружающей атмосферы на передаваемую по материалу испытательного образца температуру, т.к. воздействуют тепловым ударом на значительном расстоянии от регистратора.

Для реализации возможности измерения теплопроводности тонкого поверхностного слоя, исключения погрешности измерения предлагается способ определения коэффициента теплопроводности наноструктурированного поверхностного слоя конструкционных материалов, включающий воздействие тепловым импульсом на поверхность образца, регистрацию температуры и временного интервала. На контактную зону воздействуют тепловым импульсом через индентор, закрытый термоизолятором и имеющий встроенные датчик температуры и нагреватель. Сферическую рабочую часть индентора, выполненную из природного алмаза с силой, обеспечивающей заданную длину пятна контакта, вдавливают в обработанный поверхностный слой, нагревают до определенного фиксированного значения температуры, выключают нагреватель, регистрируют время, за которое температура уменьшится до заданного уровня, и определяют коэффициент теплопроводности λ по формуле:

где С - теплоемкость индентора;

m - масса индентора;

Lпк - длина пятна контакта;

t - время охлаждения индентора.

Отличительные признаки.

В прототипе: источник теплового импульса и датчик температуры расположены на исследуемом материале образца на расстоянии друг от друга. Тепловой импульс распространяется по всему объему материала. Фиксируют повышение температуры через заданный промежуток времени. Коэффициент теплопроводности определяют тарировкой по материалу с известной теплопроводностью.

В предлагаемом способе: источник теплового импульса и датчик температуры расположены в инденторе, который рабочей частью - алмазом, вдавлен в исследуемую поверхность. Фиксируют время от начала снижения температуры индентора до заданного значения. Коэффициент теплопроводности λ вычисляют по формуле:

где С - теплоемкость индентора;

m - масса индентора;

Lпк - длина пятна контакта;

t - время охлаждения индентора.

На фиг.1 изображена схема осуществления способа определения коэффициента теплопроводности тонкого поверхностного слоя конструкционных материалов после механической обработки.

Интентор 1 содержит рабочую часть 2, нагреватель 3, встроенную термопару 4, соединенную с компьютером 5, позволяющую регистрировать температуру в пятне контакта, термоизолятор 6. В качестве термоизолятора применялся фторопласт. Предварительно обработанная точением и выглаживанием деталь 7 имеет тонкий наноструктурированный поверхностный слой 8 с измененными свойствами.

Способ осуществляется следующим образом.

Для проведения исследований берут индентор, в который встраивают датчик температуры (термопара) 4 и нагреватель 3, после чего закрывают индентор термоизолятором 6. Рабочая часть 2 индентора - природный алмаз сферической формы R=1 мм, коэффициент теплопроводности которого λ≥1500 Вт/м*К. Устанавливают инструмент и вдавливают в обработанный поверхностный слой 8 детали 7 с силой Р=50Н, обеспечивающей длину пятна контакта Lпк=200 мкм. Включают нагреватель 3 и в течение 10 секунд в массе индентора накапливается тепло. Температура индентора составляет 120°С. Выключают нагреватель 3. Тепло переходит в деталь 7 со скоростью, зависящей от теплопроводности λ Вт/м*К поверхностного слоя материала обрабатываемой детали. Фиксируют время от начала снижения температуры и до достижении температуры 60°С, т.е. время (t) процесса перехода тепла в исследуемый материал. По формуле определяют коэффициент теплопроводности.

На основании проведенных исследований установлено, что при длине пятна контакта Lпк=200 мкм, диаметре обрабатываемого образца 0>50 мм, теплопроводности алмаза λ=1500 Вт/м*К и теплопроводности поверхностного слоя λ=2…20 Вт/м*К определяющим является контактное сопротивление поверхностного слоя, которое на несколько порядков больше термических сопротивлений индентора и материала образца. Для заданных значений параметров индентора С, m и пятна контакта Lпк теплопроводность поверхностного слоя зависит только от времени охлаждения индентора.

Применение предлагаемого способа позволяет определить теплопроводность наноструктурированного поверхностного слоя и исключить погрешность измерения коэффициента теплопроводности.

Способ определения коэффициента теплопроводности наноструктурированного поверхностного слоя конструкционных материалов, состоящий в воздействии тепловым импульсом на поверхность образца, регистрации температуры и временного интервала от начала теплового воздействия до достижения температурой в точке регистрации заранее заданного значения, отличающийся тем, что воздействуют на контактную зону тепловым импульсом через индентор, закрытый термоизолятором и имеющий встроенные датчик температуры, нагреватель, и сферическую рабочую часть индентора, выполненную из природного алмаза, которую вдавливают в обработанный поверхностный слой с силой, обеспечивающей заданную длину пятна контакта, нагревают до определенного фиксированного значения температуры, выключают нагреватель и регистрируют время, за которое температура уменьшится до заданного уровня, и по формуле определяют коэффициент теплопроводности

где с - теплоемкость индентора;
m - масса индентора;
Lпк - длина пятна контакта;
t - время охлаждения индентора до заданной температуры.

Изобретение относится к области тепловых измерений и может быть при изучении особенностей нестационарного теплового режима, нахождении теплового баланса и определении теплофизических показателей твердых материалов различного предназначения.

Способ интеллектуального энергосбережения на основе инструментального многопараметрового мониторингового энергетического аудита и устройство для его осуществления // 2516203

Группа изобретений относится к измерительной технике и может быть использована при решении задач энергетического аудита. Заявлен способ и устройство интеллектуального энергосбережения, согласно которым измеряют температуру теплоносителя на входе и выходе энергопотребляющего объекта, измеряют массу теплоносителя за определенный промежуток времени, определяют количество энергии, потребляемой объектом.

Устройство определения сопротивления теплопередачи многослойной конструкции в реальных условиях эксплуатации // 2512663

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для технической диагностики неоднородных конструкций. Устройство для определения сопротивления теплопередачи многослойной конструкции включает датчики температуры и теплового потока и тепловизионное устройство.

Способ определения теплопроводности керна // 2503956

Использование: для определения теплопроводности керна. Сущность: заключается в том, что подготавливают образец керна и рентгеновский микрокомпьютерный томограф для сканирования указанного образца керна и получения изображения для каждого сканирования, сканируют указанный образец керна, передают для обработки трехмерное сканированное изображение с томографа на компьютер, предназначенный для анализа изображений, задают толщину слоя внутри полученного трехмерного сканированного изображения для анализа, определяют слой с максимальной теплостойкостью внутри полученного трехмерного сканированного изображения и определяют эффективную теплопроводность образца керна.

Способ определения температуропроводности твердого тела при нестационарном тепловом режиме // 2502989

Изобретение относится к нестационарным способам определения температуропроводности твердых тел и может применяться в строительстве и теплоэнергетике при проведении тепловых испытаний однородных строительных объектов, теплопроводных и теплоизоляционных материалов.

Способ определения теплопроводности сыпучих материалов при нестационарном тепловом режиме // 2502988

Изобретение относится к нестационарным способам определения теплопроводности сыпучих материалов и может применяться при изучении термических свойств почв, рыхлых горных пород, сыпучих строительных и прочих дисперсных материалов.

Газоизмерительное устройство и способ его работы // 2502066

Изобретение относится к газоизмерительному устройство для измерения присутствия заданного газа в текучей среде. Устройство содержит датчик, имеющий чувствительный элемент и нагревательный элемент, сконфигурированный для нагрева чувствительного элемента до предварительно заданной рабочей температуры, причем чувствительный элемент является восприимчивым к заданному газу таким образом, что, по меньшей мере, одно электрическое свойство чувствительного элемента изменяется в зависимости от присутствия заданного газа, причем электрическое свойство чувствительного элемента измеряется газоизмерительным устройством; и цепь управления, имеющую контроллер нагревательного элемента, связанный с нагревательным элементом и измеряющий его электрическое свойство, причем цепь управления имеет источник энергии подогрева, подающий энергию к нагревательному элементу, причем контроллер нагревательного элемента связан с источником энергии подогрева и регулирует его работу в зависимости от измерения электрического свойства нагревательного элемента; средство импульсной модуляции, соединенное с контроллером нагревательного элемента, источником энергии подогрева для управления величиной энергии, подаваемому к нагревательному элементу.

Способ определения коэффициента теплопроводности частично прозрачных материалов // 2501002

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для определения коэффициента теплопроводности частично прозрачных керамических и стеклообразных материалов с учетом их прозрачности.

Способ неразрушающего контроля теплотехнических качеств ограждающих конструкций зданий // 2497106

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам определения физических свойств материалов путем тепловых и электрических измерений, и может быть использовано для оперативного контроля теплотехнических качеств ограждающих конструкций зданий и сооружений в натурных условиях.

Способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий // 2497105

Использование: для неразрушающего контроля теплофизических характеристик строительных материалов и изделий. Сущность: заключается в том, что перпендикулярно поверхности исследуемого изделия воздействуют импульсом высокочастотного электромагнитного поля СВЧ-диапазона по линии заданной длины, осуществляя нагрев исследуемого полуограниченного в тепловом отношении тела по плоскости, перпендикулярной плоскости внешней поверхности исследуемого объекта и уходящей внутрь него, причем для организации такого воздействия электромагнитное излучение рупорной антенны СВЧ-генератора фокусируют с использованием рупорно-линзовой антенны в линию заданной длины, измеряют в заданный момент времени после воздействия импульса СВЧ-излучения избыточную температуру на теплоизолированной от окружающей среды поверхности исследуемого изделия в двух точках, находящихся, соответственно, на расстояниях x1 и x2 от плоскости высокочастотного электромагнитного воздействия, длину волны и мощность электромагнитного СВЧ-излучения задают такими, чтобы глубина проникновения электромагнитного поля была не менее, чем на порядок больше заданных расстояний x1 и x2 до точек контроля температуры, имея информацию о мощности теплового воздействия на исследуемое изделие в плоскости СВЧ-нагрева и измеренных в заданный момент времени значений избыточных температур в точках контроля, искомые теплофизические характеристики определяют на основе полученных математических соотношений.

Способ диспергирования наночастиц // 2520477

Изобретение относится к способу диспергирования синтетических или натуральных наночастиц и нанокомпозитных материалов, способу получения иерархических структур и их применению в различных отраслях, включая керамические материалы, покрытия, полимеры, строительство, краски, катализаторы, лекарственные средства и порошковые материалы в целом.

Полимерная композиция на основе органического наполнителя для изготовления изделий // 2520462

Изобретение относится к производству органонаполненных полимерных композиций и может быть использовано в производстве строительных материалов, автомобилестроении и мебельной промышленности.

Клеевая композиция с наномодификатором для древесностружечных плит // 2520449

Клеевая композиция с наномодификатором для древесно-стружечных плит содержит связующее на основе термореактивной смолы, отвердитель и наномодификатор в виде нанодисперсного порошка шунгита в количестве от 1% до 20% от массы связующего.

Полимерный нанокомпозит с управляемой анизотропией углеродных нанотрубок и способ его получения // 2520435

Изобретение относится к области полимерного материаловедения и может быть использовано в авиационной, аэрокосмической, автотранспортной и электронной промышленности.

Способ очистки немодифицированного бентонита на основе монтмориллонита // 2520434

Изобретение относится к способу очистки немодифицированного бентонита, пригодного для получения нанокомпозиционных материалов на его основе. Способ очистки немодифицированного бентонита на основе монтмориллонита включает первичную подготовку исходного сырья, включающую просев полученного с карьера бентонитового порошка, состоящего преимущественно из монтмориллонита, от крупных механических включений, диспергирование бентонитового порошка в водной среде с использованием высокоскоростной коллоидной мельницы, дополнительную химическую обработку в емкостях с верхнеприводными смесителями, обработку в системе гидроциклонных установок и вибросит, обработку в высокоскоростной центрифуге барабанного типа, обработку в модулях сушки и помола готовой продукции - немодифицированного очищенного бентонита на основе монтмориллонита или обработку в модулях сушки и помола готовой продукции с предварительной дополнительной химической обработкой очищенного бентонита в смесителе Z-образного типа, снабженного модулем вакуумирования.

Способ получения тонкопленочных полимерных нанокомпозиций для сверхплотной магнитной записи информации // 2520239

Изобретение относится к области магнитной записи информации, конкретно к способу получения пленок для магнитной записи информации. Способ получения полимерных нанокомпозиций в виде тонких пленок для сверхплотной записи информации включает получение прекурсора, состоящего из поливинилового спирта, воды и смеси водорастворимых солей трех- и двухвалентного железа, с последующей обработкой по крайне мере одним водорастворимым диальдегидом при pH от 0 до 3 в присутствии кислоты в качестве подкисляющего агента, получение тонкой пленки на диэлектрической немагнитной подложке путем нанесения прекурсора на вращающуюся на центрифуге подложку с образованием пленки геля, обработку полученной пленки геля щелочью, при введении щелочи в количестве, обеспечивающем полное протекание реакции щелочного гидролиза смеси солей железа с образованием смеси магнетита и маггемита, при этом обработку щелочью полученной пленки геля осуществляют в парах аммиака, образующегося из водного раствора аммиака (NH4OH) или гидразин-гидрата (N2H4·H2O) в течение 5,0-15,0 часов.

Способ получения оптически активной стеклокерамики на основе фторидных стекол, допированных соединениями рзэ // 2520114

Изобретение относится к области получения оптически активной стеклокерамики на основе фторидных стекол и может быть использовано на предприятиях стекольной и оптической промышленности для получения материалов, проводящих лазерное излучение.

Способ получения структурированной поверхности полупроводников // 2519865

Изобретение относится к области полупроводниковой технологии и может быть использовано при изготовлении наноструктур. Способ получения структурированной поверхности полупроводников, заключающийся в том, что на поверхности полупроводниковой пластины выращивают защитный слой, на который наносят маску со вскрытыми окнами заданного размера, затем проводят облучение поверхности полупроводниковой пластины потоком ионов через маску и защитный слой, что приводит к получению аморфного слоя в полупроводниковой пластине во вскрытых окнах маски.

Антипсихотическое средство и способ его получения // 2519761

Изобретение относится к области медицины, в частности к фармакологии и фармацевтике, и касается антипсихотического средства, представляющего собой аминокислоту глицин, иммобилизованную на частицах детонационного наноалмаза размером 2-10 нм, обладающего повышенной эффективностью, и способа его получения.

Антиоксидант и способ его получения // 2519760

Изобретение относится к области медицины, в частности к фармакологии и фармацевтике, и касается антиоксиданта, представляющего собой аминокислоту глицин, иммобилизованную на частицах детонационного наноалмаза размером 2-10 нм, обладающего повышенной эффективностью, и способа его получения.

Средство, обладающее противоинсулитным действием, и способ его получения // 2521404

Изобретение относится к области медицины, в частности к фармакологии и фармацевтике, и касается средства, обладающего противоинсультным действием и представляющего собой аминокислоту глицин, иммобилизованную на частицах детонационного наноалмаза размером 2-10 нм, и способа его получения. Средство обладает повышенной эффективностью. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил., 12 табл., 3 пр.