Способ измерения теплоемкости и температуропроводности твердых материалов в виде пластин

 

Союз Советсиив

Социалист ичесниа

Республик

О П И С А Н И Е (,979972

ИЗОБРЕТЕН Ия

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22)Заявлено 23.09.80 (21) 2984482/18-25 с присоединением заявки М— (28) П риорнгет (51)M. Кл.

G 01 N 25/18

Ьауаврстюкь»к кавпвт ь.ь.С.Р ю ш»аи вэааретакнв н апрь»твв

Опубликовано 07.12.82. Бюллетень № 45

Дата опубликования описания 07.12.82 (53) УДК 536.41 (088.8) 1

/.-,„, Е. С. Платунов и В. А. Рыков г

II

Ленинградский технологический институт холодильной промышленйост»г:-(72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОЕМКОСТИ И ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ

ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ В ВИДЕ ПЛАСТИН

Изобретение относится к измерению физико-технических свойств твердых материалов и предназначено для использования в материаловедении при изучении свойств полупроводниковых материалов (варисторов, 5 термисторов и т.п.), диэлектриков и металлов.

Известен способ по которому измерение температуропроводности и теплоемкости осуществляют следующим образом: световой импульс, генерируемый лазером, подают на передний торец плоского образца и измеряют температуру заднего торца в одной точке и по полученным данным рассчитывают температуропроводность. Для определения теплоемкости данного образца используют непрозрачный диск из стеклообразного графита, который проводят в непосредственный тепловой контакт с образцом со стороны воэдей эо ствия лазерного импульса, и измеряют максимальный подъем температуры заднего торца, который имеет место после подачи теплового импульса »»).

Недостатком данного способа является то, что он не позволяет учесть погрешность определения коэффициента температуропроводности, связанную с неравномерным нестабильным пространственным распределением энергии в лазерном импульсе, а также одновременно с измерением теплоемкостн определить и коэффициент температуропроводности (иэ-эа наличия непрозрачного диска).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ, в котором определение коэффициента температуропроводности и теплоемкости осуществляется путем подачи на торец образца теплового импульса и измерении температуры заднего торца в одной точке. По полученным данным, зная энергию светового импульса и коэффициент черноты поверхности перед него торца, определяют темлературопроводность и теплоемкость (2).

Недостатком известного способа является наличие погрешности определения коэффициента температуропроводности, связанном с

979972 неравномерным распределением энергии теплового импульса по поверхности образца.

Известный способ не позволяет в случае использования в качестве теплового импульса светового потока, генерируемого импульсным лазером типа 10C — 30 учесть погрешность определения теплоемкости, вызванную неточнътм определением количества поглощенной энергии на поверхности торца из-за нестабильного йространственного распределения энергии в лазерном импульсе.

Целью изобретения является повышение точности комплексных измерений теплоемкости и температуропроводности.

Поставленная цель достигается тем, что со-1 гласно способу, заключающемуся в том, что на торец образца подают тепловой импульс и измеряют температуру заднего торца в одной точке, дополнительно измеряют температуру торца в точке, расположенной с первой точкой измерения на одной прямой, перпендикулярной торцам образца, и по полученным данным рассчитывают теплоемкость и коэффициент температуропроводности по формуле 25 д ((ЬМйд -!3, ( ж „(Ic -t„/ коэффициент температуропроводности, м с 1 56

У теплоемкость образца, ДжК координата, м; полная энсргия теплового импульса, дж; коэффициент поглощения переднего торца; толщина образца., м; время, с; где а с

Х

Go где а — коэффициент температуропроводности; ЗΠ— время, отсчитываемое с момента подая теплового импульса;

t> и t — значения температуры в точках измерения в момент времени Ъ „;

d — толщина образца; 35

В; — критерий Ви0; 8(0,1, Из анализа температурного поля образца в виде пластины., ца передний торец Х=О которой подают тепловой импульс, энергия которого неравномерно распределена по пе- 4О реднему торцу, получим рассчетные формулы для коэффициента темцературопроводности и теплоемкости

d . (, 2.4-4)

2.Зо А

Ь„+Ь2 т(и т — подьем температуры заднего и переднего торцов, соответственно, в момент времени ф .( ( ит2 — подьем температуры заднего и передс(/> сО него торцов, соответственно, измеренный после того, как температур ное поле в образце выравняется, К.

Для того, чтобы учесть влияние теплообмена образца с окружающей средой, можно использовать следующую рассчетную формулу, которая имеет место при В(= 0,1 (3 (Z(ts+t g) (р (1-B il 2 1

2р З„.ф ((,))

rge Â(— безразмерный критерий Био.

Температуропроводность и теплоемкость рассчитываются по формуле (2) или (3), соответственно.

Дополнительное измерение температуры переднего торца в точке, расположенной на одной прямой, перпендикулярной торцам образца с точкой измерения, лежащей на заднем торце, позволяет, как это следует из формулы (1), исключить при определении а погрешность, обусловленную неравномерным распределением энергии теплового импульса по поверхности переднего торца образца, которая при реализации способа (2) могла составить 15 — 20% и тем самым повысив точность измерений. В свою очередь то, что формула (1) справедлива при произвольном пространственном распределении энергии, дает возможность подать на торцевую поверхность образца заведомо всю энергию светового импульса, генерируемого лазером, и, таким образом, позволяет исключить, согласно формулам (2) и (3), погрешность при определении теплоемкости, вызванную нестабильностью пространственного распределения энергии в лазерном импульсе, и тем самым повысить точность измерений теплоемкости. При изучении свойств полупроводниковых материалов (варисторов, термисторов и т.п,) в виде пластин, на торцевые поверхности которых нанесены электроды, толщина которых достигает нескольких микрон.

Предлагаемый способ вместе с температуропроводностью и теплоемкостью одновременно в одном эксперименте измерить еще один параметр — удельное сопротивление исследуемого образца. Для этого после измерения теплоемкости на термопары 3 и 4 подают напряжение Ч и измеряют силу тока I, протекающего через образец, и рассчитывают удельное сопротивление по следующей формуле

9= ——

U (Д

Составитель В. Зайченко

Техред T.Маточка Корректор Л, Бокшан

Редактор Г. Ус

Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открьггий

113035, Москва, Ж-35, Раушская на., д. 4/5

Заказ 9349/33

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

5 9799 где V — разность потенциалов между передним и задним., торцами, В;

I — сила тока, А;

p — удельное сопротивление, Ом м; — площадь поперечного сечения образ- 5 ца (которая практически равна площади переднего торца), м .

Предложенный способ может использоваться при лабораторных исследованиях физикотехнических свойств твердых материалов в виде пластин в интервале температур 80—

400 К, при этом значительно увеличивается точность определения теплоемкости и темпера туроп ров одности.

Формула изобретения

Способ измерения теплоемкости и температуропроводности твердых материалов в ви- 20 де пластин, заключающийся в подаче на торец образца теплового импульса и измерении температуры друтого торца в одной точке, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений 2S

1 теплоемкости и температуропроводности, дополнительно измеряют температуру торца, на который подают тепловой импульс в точке, расположенной с первоначальной точкой измерения на одной прямой, перпендикулярной торцам образца, и по полученным данным рассчитывают теплоемкость и коэффициент температуропроводности по формуле () 2 Дg+6p) 3- В. и 1

Ж 1 /4g tq J " 9" 12 Ъ ) 1 где а — коэффициент температуропроводности; Ю вЂ” время, отсчитываемое, с момента

1 подачи теплового импульса;

tq u tz — значения температуры в точках измерения в момент времени

d — толщина образца

В; —; В а0,1.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Филиппов Л. П. Измерение тепловых свойств твердых и жидких металлов при высоких температурах. М., МГУ, 19б7, с. 98-99.

2. Парцхаладзе К. Г. Методы определения коэффициента температуропроводности и теплоемкости. Сборник исследования в области тепловых измерений. М., Изд-во. Стандартов, 1971, с. 38 — 40 (прототип).