Способ определения теплофизических характеристик полимерных материалов

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

CQIo3 Советсиик

Социвиистичосиик

Республик

934335 (Sl ) Дополнительное к авт. свиа-ву(51)М. Кл.

G 01 N 25/18 (22) Заявлено 09. 10 . 79 (2) ) 2826064/18-25 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Ркударстэеквй квинтет

СССР ао делен иэебретений к открытки

Опубликовано 07.06.82. бюллетень ¹21 (53) УДК 6ß6.27 (088. 8) Дата опубликования описания 07.06 .82 (72) Автор изобретения

Р. И.Чудакова J

I

Всесоюзный научно-исследовательский ийет мэтт. гидротехники им. Б.E.Âåäåíååâà вел (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к области теплометрии и может быть использовано при измерении таких характеристик полимерных композиционных материалов как коэффициенты теплопроводности и

5 теплоотдачи.

Известен способ, в котором для измерения коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи какого-либо материала необходимо создать тепловой о поток через исследуемый образец и измерить в определенных точках температуру образца, а также окружающей среды (1j.

Основными недостатками известного

t5 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 теплофизических характеристик полимерных ма" териалов, 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 теплофиэические характеристики (2).

Однако и этот способ обладает недостатком, так как обработка результатов измерений и расчет теплофизических параметров вещества по этому способу весьма трудоемки и требуют построения градуировочных графиков для каждого исследуемого вещества.

Цель изобретения - упрощение и повышение точности определения за счет исключения потерь тепла через контактные сопротивления при создании стационарного теплового потока через о6разец.

При проведении теплофизических ис пытаний используют образец в виде стержня прямоугольного сечения. Для измерения параметров деформирования измеряют перемещения закрепленного (U ) и пригруженного концов стержня (U1), сдвиг фаз между ниии Q no. максимуму отношения R = ueJuр и по сдвигу фаэ $ 90 определяют первую резонансную „частоту fp, после чего рассчитывают упругую составляю-, щую E комплексного модуля упругости Е+= Е (1 + 1 1) и тангенс угла потерь Ц

P (« m

3 9343

Поставленная цель достигается тем. что в способе определения теплофиэических характеристик полимерных материалов, заключающемся в нагреве образца, выдержке при нагреве до установле .ния стационарного теплового потока через образец, измерении перепада температур в образце, по которым определя" ют теплофизические характеристики, образец выполняют в виде призмы прямо 9 угольного сечения с теплоизолированными поверхностями граней, кроме одной или двух противоположных, нагрев

) проводят путем возбуждения в образце вынужденных гармонических колебаний, ts сначала с непрерывным повышением амплитуды до значения, при котором происходит изменение резонансной частоты во времени, затем постепенно уменьшают амплитуду до -значения, при 2о котором прекращается изменение резонансной частоты, что свидетельствует об установлении стационарного теплового потока через образец 3, измеряют параметры деформирования об- 25 раэца и по полученным данным, по перепаду температур, s образце и по температуре окружающей среды определяют коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи полимерного материала. зе

Предлагаемый способ измерения теплофизических параметров полимерных материалов, особенно композиционных, основан на использовании явления саморазогрева при вибрационном воздействии на материал и может быть осуществлен эа короткий промежуток времени порядка 15 мин. В образце полимерного 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 противополож ных грани, то образуемое в процессе деформирования тепло выделяется в окружающую среду только через свободные поверхности, т.е. создается одномерный тепловой поток .через образец. При возбуждении в таком образце M колебаний большой амплитуды тепловыделение в образце заметно больше теплоотдачи, что достаточно точно фиксируется путем измерения первой резонансной частоты образца, однозначно связанной с динамическим модулем упругости материала и уменьшающейся во времени вследствие, разогрева образца. Если сначала возбуждать 8 образце колебания большой амплитуды, а затем постепенно уменьшать ее, то измеряя резонансную частоту образца в процессе такого деформирования можно точно установить момент, с которого все выделяемое в образце тепло через свободные поверхности выделяется s окружающую среду, т.е. прекращается дальнейший разогрев материала образца, что соответствует прекращению изменения резонансной частоты образца во времени.

Установившийся таким образом стацио» нарный тепловой поток легко определяется по 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 гра. нью - противоположная теплоизолированная грань), определяют коэффициенты теплоотдачи и теплопроводности исследуемого материала.

Способ осуществляют следующим образом. где ) - плотность материала;"

Qp(p) u Cz(p) - табилированные параметры, Эти же величины необходимы для определения количества тепла Q, выде3 934335 ляющегося в образце объемом V в про- где Ц цессе деформирования в единицу времени

Я Ч Е- о РЕо51Ио,:

1 "Е Ур ЕО 1 "

g ьТ., + у-а8-г

Х ЕоУр Eö61 Ис

Х= т

6 аТ<

6 ьТ„ где Е = / Е ф)- абсолютное значение комплексного модуля упругоСти „

Ое,рст амплитуда деформа0 сии лри рееоиаисмои возбуждении фид - сдвиг фазы между напряжением и деформацией в образце.

Выделяемое тепло Q приводит к нагреванию образца и частично рассеивается в окружающую среду в процессе теплоотдачи, Поэтому, если деформируемый образец-стержень теппоиэолирован по торцовым и двум противоположным боковым граням,то процесс теплообмена образца с окружающей средой происходит только через две оставшие- 5 ся свободными от теплоизоляции грани, что приводит к созданию 8 направлении ,нормали к этим граням одномерного тбп пового потока плотностью ч =

Р 5з . где S - площадь свободных стенок.

Если учесть, что разогрев образца в процессе деформирования приводит к уменьшению модуля упругости его материала, однозначно связанного с величиной fp . То деф р ируя образец на резонансной частоте сначала при большой амплитуде входного сигнала U, при которой наблюдается эа0Ä метный разогрев и необходимо соответствующее ему заметное уменьшение т затеи медленно снижая амплитуду входа U до величины, при которой fp о уменьшается во времени мало, через некоторое время (порядка 7" 10 мин) отмечаем момент прекращения изменения f . Это значит, что выделяемое при /эком деформировании тепло полностью расходуется в теплообмене с окружающей средой и не приводит к дальнейшему разогреву образца, т.е. в образце устанавливается стационарный тепловой поток.

В режиме стационарного теплового потока коэффициент теплоотдачи мате5S риала по определению равен

6 стационарный тепловой поток через поверхность площадью S;, йТ - разность температур между окружающей средой и по« верхностbe, через которую происходит теплоотдача.

Для нашего случая где все параметры деформирования измерены в режиме постоянной fp . Коэффициент теплопроводности при таких условиях ойределяется иэ уравнения где q — вектор плотности стационарного теплового потока, gradT - градиент температуры в деформируемом образце, т.е. изменение температуры на единицу длины в направлении теплового потока в обдта разце. В нашем случае gradT где Ь Т - разйост ь: температур, измеряемая в среднем сечении образца (где начинается тепловой поток) и на его свободной поверхности, т.е. на расстоянии d, и таким образом

Предлагаемым способом проводятся измерения коэффициентов теплоотдачи и теплопроводности полимерных материалов.

Пример. В образце с пригруэкой 500 г в виде стержня прямоугольного сечения 2а2 см, длиной 1 = 15 см возбуждаются резонансные колебания, сначала при входном сигнале О, 60 мкм, при котором заметно уменьшается fp во времени, затем при входном сигнале 0 35 мкм через 10 мин о полностью прекращается изменение резонансной частоты во времени, т.е. устанавливается стационарный тепловой режим. Ему соответствует fp = 78 Гц, Fo = 5 10 н/м, Е„= 5 10

s1ng= 0,146, что приводит к выделению в образце объемом Ч = 6 10 м

-$ в единицу времени количества теп8

Формула изобретения

Составитель Г. Винокурова

Редактор Ю.Середа Техред Т. Иаточка Корректор Н.Стец

Заказ 3925/38 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", r.Óæãîðîä, ул.Проектная, 7 9343 ла Q mvfo2p Е .nd 3,14 ° 6 10" х х 5 10т.- 78 5 10 0,146 = 0,53 Вт).

Термопары, расположенные по центральной оси образца и у его свободной поверхности, т.е. на расстоянии 1 см друг от друга, показывают разность температур bT = О, 15ОС.

Разность температур между свободной поверхностью и окружающим воздухом составляете = 4ОС. С учетом площа- 1в ди поверхности образца S 0,006 м, через которую происходит теплообмен с окружающей средой (воздухом), величина коэффициента теплоотдачи Ы исследуемого материала составляет 15

O f Ъ

Уьт, Ооаь.4 (и рдд) и коэффициент теплопроводности 5 соответственно

or> o,o t Вт

-6д

SЬТа оОО6 ог L м.град

В данном эксперименте продолжительностью менее 15 мин определяются два теплофизических параметра с точностью не менее 104. Для измерения коэффициента теплопроводности такого материала с помощью эталонного образца необходимо 1-1,5 ч времени и сложная эв система для создания и контроля стационарного теплового потока.

Измерение в одном эксперименте динамических и теплофизических характеристик материала, эксплуатируемого в условиях вибрационной нагрузки, т. е. испытывающего вибрационный саморазогрев, представляется не только удобным, но и практически важным о6стоятельством, так как позволяет быстро и надежно определить допустимые параметры внешних воздействий, при .которых сохраняется работоспособность материала.

Способ определения теплофизическях характеристик полимерных материалов, 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 тл и ч а ю шийся тем, что, с целью упрощения и повышения точности определения теплофиэических характеристик полимерных материалов, образец выполняют в виде призмы прямоугольного сечения с теплоиэолированными поверхностями граней, кроме одной или двух противоположных, нагрев проводят путем возбуждения 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 исследования процессов теплообмена.

И.-Л., "Энергия", 1969, с.20-31,65.

2. Авторское свидетельство СССР

N 458753, кл. 6 01 и 25/18, 1970 (прототип ) .