Графит ранее находил сравнительно ограниченное
реклама
На правах рукописи Зеодинов Марат Гарифович ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ, УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ГРАФИТА В ОБЛАСТИ ТЕМПЕРАТУР 2300-3300 К Специальность 01.04.14 «Теплофизика и теоретическая теплотехника» АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2011 Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Объединенный институт высоких температур РАН Научный руководитель: доктор технических наук Костановский Александр Викторович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Рощупкин Владимир Владимирович кандидат технических наук Токарев Юрий Николаевич Ведущая организация: ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» С.-Петербург. Защита состоится __________________ 2011 г. в аудитории ______________ в___ час.___мин. на заседании Диссертационного совета Д 002.110.02 Учреждения Российской академии наук Объединенный институт высоких температур РАН по адресу: Москва, ул. Ижорская, д.13, стр.2. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН. Автореферат разослан «___»___________2011 г. Ученый секретарь Диссертационного совета доктор физико-математических наук Хомкин А.Л. Учреждение Российской академии наук Объединенный институт высоких температур РАН, 2011. 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В середине ХХ века графит находил сравнительно ограниченное применение в качестве материала для электродов, анодов контактных щеток и т.д. Использование графита в атомной промышленности и ракетной технике существенно повысило требования к повышению прочности и термической стойкости, а главное к воспроизводимости его свойств. Современное развитие технологий привело к появлению принципиально новых марок графита, таких как изостатический изотропный графит. Указанные графиты находят применение при создании новой высокотемпературной техники: в электротехнике для электродов ртутных и электровакуумных ламп, в метрологии для создания излучателей высокотемпературных моделей АЧТ, работающих при температуре ~ 3000 К, а также в качестве материала для нагревателей. Широкое внедрение графита в современной технике стимулирует экспериментальные исследования его теплофизических свойств. Основной вклад в изучение свойств графита в твердой фазе в Советском Союзе и в России внесли НИИГрафит и ИВТАН. Анализ имеющихся данных теплопроводности отечественных марок графита (МПГ, АРВ, ВПП) показал, что ее значения известны при определяющей температуре, не превышающей 3000 К. Данные теплопроводности при температуре выше 3000 К приводятся для импортных марок графитов («POCO», «Speer Carbon Company», «National Carbon Company», «Union Carbide Corporation»). Радиационные свойства, а именно интегральная полусферическая и спектральная нормальная излучательная способность отечественных и зарубежных марок графита, известны при максимальных значениях определяющей температура ~3200 К (стационарные методы) и ~3850 К (нестационарные методы). Удельное электрическое сопротивление графита измерено при определяющей температурой ~3000-3200 К. Для развития современных технологий необходимо совершенствовать методы исследования и расширять диапазон экспериментальных данных для указанных свойств в область температур выше 3000 К. Применение графита, как конструкционного материала, предопределило приоритет изучения его свойств в стационарном тепловом режиме. Анализ стационарных методов исследования теплопроводности графита показал, что имеют место следующие недостатки: использование толстостенных экспериментальных образцов, определение действительной температуры внешней поверхности исследуемых образцов косвенным методом с измерением яркостной температуры и привлечением литературных данных по излучательной способности, отсутствие учета температурной зависимости свойств. Метод двух полых цилиндров с различной толщиной стенки позволяет определять действительную температуру внешней поверхности непосредственно, 3 однако данный метод никогда не использовался при изучении теплопроводности графита. Радиационные свойства и удельное электрическое сопротивление можно определить, используя метод двух цилиндров. Данный метод позволяет использовать тонкостенные образцы, что повышает точность определения искомых свойств. При температурах порядка 3000 К возникают большие перепады температуры по толщине стенки экспериментального образца, что требует разработки новых методов исследования, в которых учитывается зависимость свойств от температуры. Данная работа своей направленностью совпадает с современными научными тенденциями по следующим аспектам: комплексное изучение свойств методом двух полых тонкостенных цилиндров с различной толщиной стенки; уровень определяющей температуры выше 2300 К; бесконтактное одновременное измерение температуры внутренней и внешней поверхностей, а также определение электрических величин в режиме реального времени; учет зависимости свойств материала на интервале изменения температуры по толщине стенки образца; сочетание экспериментальных и численных методов исследования. Выбор в качестве основного исследуемого материала изостатического изотропного графита марки DE-24, свойства которого изучены только температуре, также определяют актуальность данной работы. при комнатной Цель работы: экспериментальная реализация метода двух полых цилиндров с различной толщиной стенки в температурном интервале 2300-3300 К и разработка метода определения изучаемого комплекса свойств с учетом зависимости теплопроводности и удельного электрического сопротивления от температуры для получения экспериментальных данных по теплопроводности, удельному электрическому сопротивлению и излучательной способности графита в области температур 2300-3300 К в стационарном тепловом режиме. Задачи и этапы исследования. Цель работы определила основные задачи и этапы исследования: 1. На основе проведенного анализа методик определения теплопроводности выбрать метод, характеризующийся точностью и высокой температурной чувствительностью. Было показано, что метод радиального теплового потока при применении двух тонкостенных полых цилиндров позволяет определять действительную температуру внешней поверхности непосредственно. 2. Создание экспериментальной установки для реализации метода двух полых цилиндров с различной толщиной стенки. Тестирование метода и возможности 4 установки на графите с известными свойствами – изотропном графите марки МПГ-6 в температурном диапазоне 2300-3100 К. Проверка методики проводится без применения потенциальных зондов – плотность теплового потока рассчитывается с привлечением справочных данных по излучательной способности материала. 3. Экспериментальное исследование теплопроводности и спектральной нормальной излучательной способности изотропного графита МПГ-7 в температурном интервале 2300-3100 К (без применения потенциальных зондов). 4. Экспериментальное исследование комплекса свойств: теплопроводности, удельного электрического сопротивления, излучательной способности изостатического графита DE-24 в температурном диапазоне 2300-3300 К в предположении, что теплопроводность и удельное электрическое сопротивление являются постоянными. Плотность теплового потока измеряется потенциальными зондами. 5. Разработка метода с целью изучения указанного комплекса свойств изостатического графита DE-24 с учетом температурной зависимости теплопроводности и удельного электрического сопротивления на интервале изменения температуры по толщине стенки и определение нижней температурной границы его применения (3000 К). 6. Определить верхнюю температурную границу измерения теплопроводности графита DE-24 в стационарном тепловом режиме при применении электрического тока в качестве источника нагрева (3300 К). Объект и предмет исследования. Изотропный графит марки МПГ-6 является объектом тест-эксперимента, изотропный графит марки МПГ-7 и изостатический изотропный графит марки DЕ-24 выбраны в качестве объектов исследования. Предметом исследования является комплекс свойств: теплопроводность, удельное электрическое сопротивление, интегральная полусферическая излучательная способность и спектральная нормальная излучательная способность при температуре выше 2300 переменных свойств. К, выполненные в предположении постоянных и Методы и устройства. Выбран известный ранее метод двух полых цилиндров, который впервые был применен для исследования комплекса указанных свойств графита при температурах выше 2300 К. В качестве рабочей камеры установки была использована камера модели абсолютно черного тела (АЧТ), спроектированная в ОКБ ИВТАН. Разработаны новые конструкция выходного окна камеры и система крепления экспериментального образца. Нагрев экспериментального образца осуществлялся 5 пропусканием постоянного электрического тока. Температуру измеряли яркостными монохроматическими (λ=0,65 мкм) электронно-оптическими пирометрами. Источник постоянного тока мощностью 15 кВт и система температурной диагностики, включающая два монохроматических пирометра с чувствительностью 1 К и пятном визирования диаметром 0,3 мм, были специально созданы для решения поставленной задачи. Система сбора данных состояла из 12-разрядного 4канального АЦП марки L-Card L-780 с быстродействием 10 мкс и ЭВМ. Научная новизна. 1. Впервые реализован высокотемпературный (2300-3300 К) вариант метода радиального теплового потока - двух полых цилиндров с разной толщиной стенки для определения теплопроводности, удельного электрического сопротивления, интегральной полусферической и спектральной нормальной излучательной способности графита. 2. Использование тонкостенных (толщина стенки ~1 мм) полых цилиндров позволило уменьшить перепад температуры и как следствие повысить точность определения исследуемых теплофизических свойств материала. 3. Впервые представлены результаты экспериментального исследования комплекса свойств: теплопроводности и спектральной нормальной излучательной способности изотропного графита МПГ-7 в области температур 2500-3100 К. 4. Впервые в предположении постоянных свойств получены значения теплопроводности, удельного электрического сопротивления, интегральной полусферической и спектральной (λ=0,65 мкм) нормальной излучательной способности изостатического графита DE-24 в области температур 2300-3300 К. 5. Для области температур 3000-3300 К разработан и реализован новый метод определения теплопроводности, интегральной полусферической и спектральной нормальной излучательной способности с учетом температурной зависимости теплопроводности и удельного электрического сопротивления на интервале изменения температуры по толщине стенки. На предложенный метод получен патент №2419782: «Способ определения температурной зависимости коэффициента теплопроводности твердых, изотропных электропроводящих материалов». Авторы: Костановский А.В., Костановская М.Е., Зеодинов М.Г. 6. На примере графита DE-24 экспериментально показано существование верхней температурной границы, при которой возможно измерение теплопроводности в стационарном тепловом режиме при использовании электрического тока в качестве источника нагрева. 6 Положения, выносимые на защиту: 1. Экспериментальная реализация метода двух полых цилиндров с различной толщиной стенки для исследования комплекса теплофизических свойств графита в области Т=2300-3300 К. 2. Результаты экспериментального исследования теплопроводности и спектральной нормальной (λ=0,65 мкм) излучательной способности изотропного графита МПГ-7 в температурном диапазоне 2300-3100 К. 3. Методика определения теплопроводности твердых изотропных электропроводящих материалов с учетом температурной зависимости теплопроводности и удельного электрического сопротивления материала на интервале изменения температуры по толщине стенки. 4. Результаты экспериментального исследования теплопроводности, удельного электрического сопротивления, интегральной полусферической и спектральной нормальной (λ=0,65 мкм) излучательной способности изостатического изотропного графита марки DЕ-24 в температурном диапазоне 2300-3300 К. Практическое значение. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы для анализа и расширения базы справочных данных по графитам: - теплопроводность, интегральная полусферическая и спектральная нормальная излучательная способности изотропного графита марок МПГ- 6, МПГ-7 в диапазоне температур 2300-3100 К; - теплопроводность, удельное электрическое сопротивление, интегральная полусферическая и спектральная нормальная излучательная способности изостатический изотропный графит DE-24 в диапазоне температур 2300-3300 К. Экспериментальная реализация метода двух полых цилиндров, дополненная предложенным методом учета температурной зависимости свойств, может быть использована для исследования теплофизических свойств других твердых изотропных электропроводящих материалов. Полученные данные комплекса теплофизических свойств изостатического изотропного графита DE-24 были использованы при разработке и создании сертифицированной модели АЧТ 30/900/2500 ТУ 4276-083-02566540-2007. Акт о внедрении в ОАО НПП «Эталон» г. Омск от 21.12.2010г. Достоверность результатов. Достоверность результатов измерения теплопроводности, спектральной (λ=0,65 мкм) нормальной излучательной способности графита МПГ-6 проверялась сопоставлением их с известными литературными данными. Достоверность исследуемых свойств изостатического изотропного графита DE-24 подтверждается серией экспериментов по изучению воспроизводимости температурных (действительная 7 температура внутренней поверхности и яркостная температура наружной поверхности) и электрических величин (сила тока и падение напряжения на участке между зондами) на образцах с различной толщиной стенки 1,1-1,3 мм. Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 16-я Европейская конференция по теплофизическим свойствам. Лондон (Великобритания). 2002; 17-я Европейская конференция по теплофизическим свойствам. Братислава (Словакия). 2005; 3-я Российская конференция по проблемам термометрии. Обнинск. 2007; 7-я Международная конференция «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технологии. Конструкционные и функциональные материалы (в том числе наноматериалы) и технологии их производства». Суздаль. 2010; Юбилейная научная конференция, посвященная 50-летию создания Учреждения Российской академии наук Объединенного института высоких температур РАН. Москва. 2010; 4-я Всероссийская и стран-участниц КООМЕТ конференция по проблемам термометрии «Температура-2011». С.-Петербург. 2011. Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах, 6 из которых изданы в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК. Личный вклад автора. Автором проведен анализ известных методов исследования теплопроводности, удельного электрического сопротивления, интегральной полусферической и спектральной нормальной излучательной способности графитов разных марок при температуре выше 2300 К. Автором была создана экспериментальная установка, в которой впервые реализован высокотемпературный (2300-3300 К) вариант метода радиального теплового потока - двух полых цилиндров с разной толщиной стенки. Метод позволяет определять действительную температуру наружной поверхности, исключая измерение яркостной температуры и использование справочных данных по излучательной способности. Автор разработал и создал источник нагрева постоянного тока мощностью 15 кВт и два быстродействующих (30 мкс) монохроматических (λ=0,65 мкм) микропирометра с температурной чувствительностью 1 К и диаметром пятна визирования 0,3 мм. Личный вклад автора также состоял в проведении экспериментов, обработке и анализе экспериментальных данных, разработке метода определения изучаемого комплекса свойств с учетом температурной зависимости теплопроводности и удельного электрического сопротивления на интервале изменения температуры по толщине стенки образца и подготовке статей для публикации в рецензируемых журналах. 8 Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Объем работы составляет 144 страницы, включая 65 рисунков, 15 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 70 наименований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы и практическая значимость диссертации. Сформулированы цель и основные задачи, выбраны объект и предмет исследований, перечислены положения, выносимые на защиту. Первая глава диссертации посвящена обзору методов исследования и анализу экспериментальных данных изучаемого комплекса свойств графита, измеренных в стационарном и нестационарном тепловых режимах при температурах выше 2300 К. Рассмотрение экспериментальных методов показало, что применялся один образец цилиндрической формы. Действительная температура внутренней поверхности полого цилиндра или на оси цилиндрического стержня измерялась с помощью модели АЧТ достаточно точно. Действительная температура наружной поверхности определялась косвенно, с привлечением литературных данных по излучательной способности материала. Поэтому для изучаемого комплекса теплофизических свойств точность определения температуры отнесения непосредственно зависит от точности нахождения действительной температуры наружной поверхности. Основное внимание уделено анализу метода радиального теплового потока и экспериментальным данным теплопроводности, измеренным в стационарном тепловом режиме. Анализ рассмотренных работ позволил выделить следующие недостатки определения теплопроводности графитов: - принципиальным моментом является то, что действительная температура наружной поверхности определялась косвенно. Использование одного образца при существовании двух неизвестных величин: теплопроводности и действительной температуры наружной поверхности, приводило к методической погрешности при определении теплопроводности и температуры отнесения; - характерные размеры экспериментального образца (толщина стенки, на которой измерялся градиент температуры 4,5-19 мм) определили перепад температуры в сотни градусов. Это оказывало влияние на корректность нахождения температуры отнесения, выполнение исходного предположения о независимости свойств от температуры, что в конечном итоге формировало низкую температурную чувствительность метода определения теплопроводности; - используется нагрев прямым пропусканием электрического тока. В ряде работ отмечается необходимость учитывать влияние температурной зависимости удельного электрического сопротивления на распределение мощности внутренних 9 источников теплоты по толщине стенки, что не проводилось. Отсутствовало обоснование выбора расстояния между зондами, что могло повлиять на выполнение изотермического условия и одномерного по радиусу поля температуры. - переотражение между исследуемым образцом и охранным нагревателем или внутренней поверхностью рабочей камеры не учитывали, что оказывало влияние на потерю точности температурных измерений. Анализ стационарных методов изучения радиационных характеристик показал, что точность определения непосредственно связана с корректностью определения действительной температуры наружной поверхности образца. Большой разброс экспериментальных данных интегральной полусферической и спектральной нормальной излучательной способности графитов различных марок предопределил использование соответствующих осредненных значений. Обзор методов исследований изучаемого комплекса теплофизических свойств позволил сделать вывод о целесообразности использовании метода двух полых цилиндров с различной толщиной стенки, так как данный метод позволяет измерять непосредственно теплопроводность и действительную температуру наружной поверхности. Более точное определение градиента температуры по толщине стенки понизит методическую погрешность определения теплопроводности и ее температуры отнесения. Данный метод позволяет измерять излучательные характеристики и удельное электрическое сопротивление материала при более точном нахождении температуры отнесения. Обзор методов исследования сформировал позицию о необходимости использования тонкостенных образцов с целью уменьшить перепад температуры по толщине стенки, что позволит более точно выполнять предположение о постоянных свойствах материала и таким образом повысить точность определения изучаемого комплекса свойств. Ориентация на применение тонкостенных образцов для сохранения их целостности при высоких температурах требует разработки соответствующих конструктивных решений. Во второй главе представлена методика, которая включает в себя определение комплекса свойств: теплопроводность, удельное электрическое сопротивление и излучательная способность. Приводится описание установки и аппаратуры, созданной для реализации методики. Метод радиального теплового потока, в котором используются два полых тонкостенных цилиндра с различной толщиной стенки, является одним из перспективных методов изучения теплофизических свойств материалов при высоких температурах. Экспериментальная реализация метода предполагает, что подводимая теплота снимается с внешней поверхности излучением. Методика может быть реализована разными способами. В первом способе для определения теплового потока с 10 внешней поверхности qs используется формула закона Стефана-Больцмана: qs ht TR4 и литературные данные для интегральной полусферической t излучательной способности исследуемого вещества h . Измерения действительной температуры внутренней поверхности каждого цилиндра позволяют численно определить действительную температуру на внешней поверхности цилиндров TR. Значение плотности теплового потока и величина перепада температуры по толщине стенки дают возможность рассчитать теплопроводность материала. Данный способ имеет недостаток, так как значения интегральной полусферической излучательной способности исследуемого материала могут отсутствовать или определены в других условиях, что влечет снижение точности определения теплопроводности. Во втором способе предлагается использовать дополнительно к температурным измерениям потенциальные зонды. На основе измерений силы тока и падения напряжения на участке между зондами рассчитывается плотность теплового потока. Как следствие, точность измерения теплопроводности должна возрастать по сравнению с первым способом. Рассматриваемая модификация метода ранее не была реализована экспериментально для графита. При этом теплопроводность и интегральная полусферическая излучательная способность материала определяются одновременно. Метод основан на решении стационарного одномерного уравнения теплопроводности с внутренними источниками теплоты, записанного для случая постоянных свойств материала. Дифференциальное уравнение теплопроводности, записанное в цилиндрической системе координат, в одномерном приближении и в предположении, что свойства материала и объемная мощность внутренних 2T 1 T ) qv 0 , источников теплоты qv являются постоянными, имеет вид: k ( 2 r r r где qv q s 2R , R r2 2 k-теплопроводность, Т-температура, r-текущий Аналитическое решение данного уравнения имеет вид: Т r TR радиус. qs A , где r - радиус k внутренней поверхности образца. В данном уравнении имеются две неизвестных величины: TR – действительная температура наружной поверхности и k – теплопроводность, так как геометрический коэффициент: Tr и A qs определяются экспериментально. A – r r r R3 [1 ( ) 2 2( ) 2 ln( )] . 2 2 2( R r ) R R R Распределение температурного поля по радиусу имеет сложную зависимость – присутствуют логарифмическое и параболическое слагаемые. Использование двух полых цилиндра с одинаковым наружным радиусом, но разной толщиной стенки 11 позволяет решить систему двух уравнений и определить две искомые величины: TR и k. Предполагается, что температура наружной поверхности и плотность теплового потока, снимаемая с внешней поверхности, для двух образцов равны. Обработка экспериментальных данных сводится к построению кривых qs=f(Tri) для двух образцов. При одинаковом значении плотности теплового потока q1=q2=qs определяются действительные температуры внутренней поверхности Tr1 и Tr2, и рассчитываются теплопроводность и действительная температура наружной поверхности ТR. Удельное электрическое сопротивление экспериментально определяется с учетом термического расширения образца. Для определения интегральной полусферической излучательной способности ht используется калориметрический метод. В методе двух цилиндров предполагается, что вся подведенная электрическая мощность выделяется с внешней поверхности цилиндра в виде радиационного потока теплоты qs. Определив действительную температуру внешней поверхности, из условия выполнения теплового баланса для случая (площадь поверхности рабочей камеры значительно больше площади поверхности образца), можно определить интегральную полусферическую излучательную способность ht t материала по формуле: h IU , где I-сила тока через экспериментальный T 2 RL 4 R образец, U-падение напряжения на участке между зондами, L-расстояние между зондами. Спектральная нормальная излучательная способность может быть найдена на основании закона Вина при измерении яркостной температуры внешней поверхности Тярк и рассчитанной по методу двух цилиндров действительной температуры TR: ln n0.65 мкм 14388 1 1 [ ]. 0.65 TR Tярк Для реализации данного метода при высоких температурах была создана экспериментальная установка. Ее основными элементами являются: рабочая камера с экспериментальным образцом, системы электрического нагрева постоянным током, газо-вакуумная и температурных измерений. Источник постоянного тока мощностью 15 кВт и система температурной диагностики, включающая два монохроматических пирометра, были специально созданы для решения поставленной задачи. В качестве рабочей камеры созданной установки была использована конструкция газо-вакуумной водоохлаждаемой камеры модели АЧТ, разработанная в ОКБ ИВТАН. Основными конструктивными элементами камеры (рис.1) являются медные водоохлаждаемые пружинные токоподводы, которые обеспечивают надежный электрический контакт и сводят к минимуму 12 термические нагрузки, возникающие в образце. Заново разработана конструкция выходного окна, которое было дополнено системой обдува буферным газом, что минимизировало его загрязнение. Стекло смотрового окна было установлено под небольшим углом ~2-3о от условного перпендикуляра к оси экспериментального образца. Это позволяло исключать влияние взаимного отражения светового потока между образцом и окном камеры на результаты измерения температуры. Конструкция фланца бокового смотрового окна, через которое осуществлялись температурные измерения, была дополнена системой водяного охлаждения. Кроме того, внутренняя поверхность камеры и токоподводы были покрыты аквадагом с целью создания диффузного характера отражения и уменьшения переотражения светового потока от элементов экспериментальный образец. внутренней поверхности камеры на Рис.1. Конструкция рабочей камеры. Фотография образца и схема соединения образца и конусной втулки: 1 - корпус рабочей камеры, 2 - водоохлаждаемый токоподвод, 3 - покрытие (аквадаг), 4 экспериментальный образец, 5 - водоохлаждаемый корпус смотрового окна, 6- кварцевое стекло, 7 - прижимная втулка, 8 - конусная втулка, 9 - цанговая частично разрезная конусная втулка Экспериментальный образец фиксировали двумя конусными втулками, каждая из которых была установлена в водоохлаждаемых токоподводах. Образец был закреплен в конусных втулках при помощи цанговых частично разрезных зажимов и прижимных втулок, изготовленных также из графита. Такое соединение обеспечивало хороший электрический контакт соприкасающихся поверхностей и допускало перемещение исследуемого образца по длине и диаметру при его термическом расширении в процессе нагрева. В сочетании с пружинными токоподводами данная конструкция позволила проводить эксперименты с образцами, толщина стенки которых составляла ~1 мм и при этом достигать температуру ~3500 К, сохраняя целостность образцов. Образцы представляли собой полые цилиндрические трубки длиной 80 мм и внешним диаметром 8,1 мм. 13 Отношение внутреннего диаметра камеры к внешнему диаметру экспериментального образца составляло 120 мм / 8,1 мм >10. Трубки отличались внутренним диаметром и имели размеры 4,9 мм, 5,5 мм и 5,9 мм. Для измерения истинной температуры внутренней поверхности на центральной образующей высверливалось отверстие диаметром 1 мм. Данное отверстие и внутренняя полость экспериментального участка имитировали модель АЧТ, степень совершенства которой рассчитана по методике Б.А. Хрусталева. Ось отверстия для определения температуры была совмещена с осью смотрового окна. Потенциальные зонды крепились на нижней образующей и отстояли на равном расстоянии от отверстия для измерения температуры. Нагрев образца осуществляли постоянным электрическим током, который формировался из переменного тока сети напряжением 220 В. Для получения постоянного тока была использована схема выпрямления, которая состояла из диодного моста, собранного из диодов марки В200, фильтра с суммарной электроемкостью 1,4 Ф и силового трансформатора ОСУ-40. Падение напряжения на токоподводах регулировали с помощью блока ВРТ-2 и усилителя марки У-252. Величину постоянного тока измеряли бесконтактным способом, используя токовые клещи марки Aktakom ATA-2502. Падение напряжения на участке между зондами L измеряли мультиметром марки В7-38. Система температурной диагностики состояла из двух автоматических быстродействующих микропирометров, 12-разрядного 4-канального АЦП L-Card марки L-780 с быстродействием 30 мкс и персонального компьютера. Работа была ориентирована на исследования в области высоких температур и на использование оптического метода измерения температуры. Изготовление двух специализированных пирометров было продиктовано необходимостью применения независимых малогабаритных приборов для измерения температуры с поверхности диаметром 0,3 мм и 0,9 мм. Был проведен цикл предварительных экспериментов. Основные задачи данного цикла включали: измерение поправки на ослабление интенсивности сигнала температуры в стекле выходного окна; выбор расстояния между зондами; определение поправки на линейное термическое расширение расстояния между зондами; оценка воспроизводимости температурных и электрических измерений; определение поправки на отражение от стенок камеры при определении спектральной нормальной излучательной способности. Реализация метода двух полых цилиндров включает в себя два самостоятельных эксперимента на образцах с различной толщиной стенки. Для каждого эксперимента предварительно вакуумировали рабочую камеру, затем заполняли ее буферным газом (аргон высокой чистоты) до давления Р=0,15 МРа. Перед экспериментом 14 проводили предварительный отжиг образца при температуре 2300 К длительностью не менее 10 минут. Специальная серия экспериментов на изотропном графите с известными свойствами МПГ-6 была проведена с целью тестирования данного метода и возможностей установки. При этом метод двух цилиндров использовался без потенциальных зондов. Поэтому плотность теплового потока рассчитывалась: qs thTR4 , и использовались справочные данные по излучательной способности графита МПГ-6. Результаты сравнения теплопроводности и спектральной (λ=0,65 мкм) нормальной излучательной способности показали хорошее соответствие с литературными данными для графита МПГ-6. Кроме того, погрешность определения указанных величин с ростом температуры уменьшалась, что позволило считать выбранный метод и возможности созданной установки приемлемыми для дальнейших исследований именно при высоких температурах. В том же варианте метода была проведена серия экспериментов на графите марки МПГ-7 и получены значения теплопроводности и излучательной способности в температурном диапазоне 2500-3100 К. Верхнее значение температуры было h ограничено рекомендуемыми данными по t для графита. Данные для графита МПГ-7 при температуре выше 2000 К были получены впервые. Значения теплопроводности оказалась несколько выше литературных данных для графитов МПГ-6 и МПГ-8, что может быть следствием отличия свойств разных марок. Сравнение результатов спектральной нормальной излучательной способности n0,65 мкм графитов МПГ-6 и МПГ-7 с обобщенной рекомендованной зависимостью показало хорошее соответствие. Основной эксперимент, посвященный изучению комплекса свойств графита DE24, осуществляли в режиме пошагового подъема подводимой к образцу электрической мощности и выдержкой во времени до момента наступления стационарного режима. Излучательные характеристики данной марки графита неизвестны, что поставило задачу применения потенциальных зондов. Перед каждым измерением температуры проводилась продувка аргоном с целью очистки поверхности стекла и оптического тракта от возможных продуктов испарения графита. Выполнение условия Т/ t=0, определяли на основании измеряемых во времени (t) двух локальных значений: действительной температуры внутренней поверхности образца и яркостной температуры внешней поверхности. Для каждого стационарного режима фиксировали ток и падение напряжения, и измеряли две указанные температуры. Последовательное применение метода при различных тепловых нагрузках позволяет построить зависимость теплопроводности, удельного электрического сопротивления и излучательной способности от температуры. Изотопные графиты марки МПГ-7 и DE-24 ранее не исследовались, поэтому полученные экспериментальные результаты, являются новыми на интервале 15 температур 2300-3100 К. На рис.2 приведены результаты определения теплопроводности методом двух полых цилиндров в приближении постоянных свойств для изотропных графитов марки МПГ-6, МПГ-7 и DE-24 и дано сравнение с литературными данными для изотропных графитов близкой плотности. Численные значения теплопроводности отдельных работ существенно отличаются друг от друга. Среди факторов, определяющих разброс численных значений теплопроводности, можно отметить, что действительная температура внешней поверхности определялась косвенно, и применялись толстостенные образцы. Использование в настоящей работе метода, который позволяет определять действительную температуру наружной поверхности непосредственно (по двум температурам, которые фиксировали в модели АЧТ) и применение образцов с толщиной стенки ~1 мм, позволяет повысить точность определения значений теплопроводности и температуры отнесения. Погрешность определения теплопроводности уменьшается с ростом температуры. Кроме того, реализованный подход позволил выявить более сильную температурную зависимость теплопроводности по сравнению с результатами работ других авторов. Рис.2. Сравнение экспериментальных результатов с литературными данными для теплопроводности изотропных графитов при Т= 2300-3000К: ∆ - графит POCO AXF-Q1, ▲ – графит Speer 3474D , ● – ачесонский графит, □ – APB, ◊ МПГ-6, ○ – графит ATJ, - - графит исследуемый H.E. Strauss Фононная модель теплопроводности графита предсказывает гиперболическую зависимость от температуры. Применение тонкостенных образцов позволило 16 уменьшить величину перепада температуры по толщине стенки, улучшить одномерное приближение для поля температуры и реализовать предположение о постоянных свойствах исследуемого материала. Кроме того, тонкостенные образцы оказались более чувствительным инструментом для исследования температурной зависимости теплопроводности, и выявить зависимость, соответствующую фононной модели. В третьей главе представлены результаты изучения теплопроводности изотропного графита DE-24 при температуре 3000-3300 К. Как показали эксперименты, в области температур выше 3000 К величина перепада температуры по толщине стенки превышает 100 К/мм. Это означает, что предположение о постоянных свойствах материала может оказаться не вполне корректным. Кроме того, результаты измерения удельного электрического сопротивления рис.3. показывают резкое изменение его значений с ростом температуры. На этом же рисунке приведено сравнение с литературными данными, полученными в стационарном тепловом режиме. Рис.3. Температурная зависимость удельного электрического сопротивления Резкий рост значений удельного электрического сопротивления может приводить к неравномерному распределению мощности внутренних источников теплоты по радиусу и оказывать влияние на поле температуры. Необходимо отметить еще одно обстоятельство: температурная зависимость теплопроводности при Т=3000-3300 К, измеренная методом двух цилиндров, оказалась слабо выраженной, и характеризуется линейной функцией, а не гиперболической, которую предсказывает фононная модель. Перечисленные факторы стимулировали разработку нового метода определения теплопроводности, с целью учесть влияние температурного 17 зависимости свойств на интервале изменения температуры по толщине стенки образца. В указанной применяется области метод температур для последовательных определения приближений. теплопроводности В качестве k первого приближения используются результаты к(Т) в виде линейной функции и эл(Т) в виде полинома пятой степени, полученные методом двух полых цилиндров (постоянные свойства материала). стационарного одномерного теплопроводности: qv (Т ) U2 . эл (Т ) L2 Вторым приближением нелинейного является численное дифференциального 2T 1 T T k (Т )( 2 ) k (Т )' ( ) 2 qv (T ) 0 , r r r r где решение уравнения k k (Т ) , T Задача решается при граничных условиях второго рода: qs (r ) 0 qs ( R) IU /( 2RL) TR4 . Для расчета распределения температуры по толщине стенки достаточно использовать один образец, значение действительной температуры, измеренной внутренней на поверхности и соответствующего ей падения напряжения между зондами. Результаты расчета поля температуры по радиусу цилиндра, полученные в предположении постоянных и переменных свойств, показали, что при температуре внутренней поверхности ~3000 К действительные температуры наружной поверхности имеют различные значения, однако найденное отличие не превышает погрешности температурных измерений. Это позволило считать температуру ~3000 К нижней границей, при которой необходимо учитывать зависимость свойств от температуры. При температуре внутренней поверхности 3300 К оказалось, что учет температурной зависимости только теплопроводности незначительно влияет на профиль температуры, а при одновременном учете температурной зависимости теплопроводности и удельного электрического сопротивления, перепад температуры по радиусу значительно возрастает. На рис.4 приведено сравнение значений теплопроводности, найденные методом двух полых цилиндров и предложенным методом с учетом зависимости свойств от температуры. Из графика следует, что учет влияния температурной зависимости свойств позволяет выявить более сильную зависимость к(Т). Фононная модель теплопроводности графита предсказывает гиперболическую зависимость от температуры. На вложенном графике представлены экспериментальные данные 18 к(Т), обработанные в соответствии с указанной функцией. Из данного графика следует, что учет температурной зависимости свойств на интервале изменения температуры по толщине стенки образца в сочетании с результатами исследований, полученных методом двух цилиндров, и применение тонкостенных образцов позволяет сделать вывод, что теплопроводность графита DE-24 в области температур 3000-3300 К подчиняется фононной модели. Фундаментальное значение полученных результатов заключается в том, что предположение, введенное S.G. Bapat и H. Nickel об увеличении электронной составляющей теплопроводности графита с ростом температуры, является следствием некорректных температурных измерений, использования толстостенных образцов и пренебрежения влияния эл (Т ) . Рис.4. Теплопроводность графита DE-24, найденная методом двух полых цилиндров в приближении постоянных свойств материала и методом численного моделирования с учетом температурной зависимости теплопроводности k(Т) и удельного электрического сопротивления ρэл(Т) Экспериментальные результаты интегральной полусферической и нормальной спектральной (λ=0,65 мкм) излучательной способности графита DE-24 представлены на рис.5а и рис.5б. Сравнение показало хорошее соответствие с рекомендуемыми данными справочника под ред. академика А.Е. Шейдлина. Результаты расчета интегральной полусферической способности графита DЕ-24, в приближении переменных свойств, при температуре более 3000 К выявили температурный ход кривой лучше соответствующий рекомендуемой зависимости. 19 Рис.5а. Температурная зависимость интегральной полусферической излучательной способности: графит DE-24, - - - графит ВПП, обобщенная рекомендованная зависимость Рис.5б. Температурная зависимость нормальной спектральной излучательной способности на длине волны 0,65 мкм: ♦ - графит DE-24, ◊ - графит МПГ-7, - - - графит ГМЗ, обобщенная рекомендованная зависимость В главе 4 обосновано существование верхней температурной границы определения теплопроводности графита DE-24 в стационарном тепловом режиме при использовании электрического тока в качестве источника нагрева. Результаты измерения во времени действительной температуры внутренней поверхности Tr и яркостной температуры внешней поверхности Тярк образца показали, что при значении ~ 3300 К температура Tr начинает непрерывно возрастать, в то время как Тярк остается величиной постоянной некоторое время. Выявление физических 20 причин указанного эффекта не являлось задачей данной работы, поэтому рассматриваются только экспериментальные проявления данного эффекта. Явление, так называемого «саморазогрева», ранее фиксировалось на графитах различных марок, при нагреве как постоянным, так и переменным электрическим током. Из рис.3 следует, что при значениях определяющей температуры ~3300 К резко изменяется производная dρэл/dT. В условиях, когда сила электрического тока становится функцией времени, что показал эксперимент при Tr 3300 К, мощность внутренних источников теплоты определяется дифференциальным законом ДжоуляЛенца: qv (T (t )) 1 эл I 2 (t ) j (t ) эл (T (t )) 2 , где λэл-электропроводность, j-плотность S 2 электрического тока, S-площадь поперечного сечения экспериментального образца, и зависит прямо пропорционально от удельного электрического сопротивления и соответственно от температуры. Высокотемпературный участок, а именно область, прилегающая к внутренней поверхности, характеризуется большим эл (T (t )) и, следовательно, большим тепловыделением, что может стимулировать дальнейший рост температуры в рассматриваемой области. Указанный рост температуры требует энергообеспечения. В данной работе впервые удалось зафиксировать повышение тепловыделения на участке между зондами и связать его с повышением температуры, благодаря применению тонкостенного образца, потенциальных зондов и двух быстродействующих автоматических пирометров. Дополнительное тепловыделение на участке между зондами могло возникнуть в результате меньшего тепловыделения на низкотемпературных участках образца, так как эксперимент показал, что сила тока уменьшается. Прикладное значение данной части работы состоит в том, что было показано существование ограничения на применение электрического тока в качестве источника нагрева при исследовании свойств графита в стационарном тепловом режиме. Данное свойство графита необходимо учитывать при проектировании изделий из графита, ориентированных на использование при использовании выше 3000 К, в том числе моделей АЧТ. Пятая глава посвящена оценке точности результатов исследования теплофизических свойств. Методическую погрешность определения искомых свойств и температуры отнесения удалось понизить в результате прямого определения действительной температуры наружной поверхности, использования тонкостенных образцов (диапазон Т=2300-3300 К), а также дополнительного учета влияния температурной зависимости свойств (интервал Т=3000-3000 К). На 21 основании бюджета неопределенности рассчитаны результирующие ошибки определения изучаемого комплекса свойств для температуры: теплопроводность МПГ-6 и МПГ-7 стандартное отклонение 28% при Топр~2550 К, 10% при Топр~3000 К (без зондовый способ определения плотности теплового потока), графит DE-24 14% при Топр~2350 К , 8,8% при Топр~3000 К; удельное электрическое сопротивление DE-24 11,5% при Топр~2300 К, 8% при Топр~3000 К; интегральная полусферическая излучательная способность DE-24 14% при Топр~2400 К, 9% при Топр~3000 К и спектральная нормальная излучательная способность DE-24 14% при Топр~2600 К, 7% при Топр~3000 К. Кроме того, анализ бюджета неопределенности показал, что применение дополнительной стабилизации электрических величин может понизить найденные значения стандартного отклонения. Оценка неопределенности результатов исследования показал, что стандартное отклонение изучаемых свойств уменьшается с ростом температуры. Следовательно, предложенный метод исследования ориентирован именно на область высоких температур. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1 - Анализ вариантов реализации метода радиального теплового потока и экспериментальных данных теплопроводности и излучательной способности графитов разных марок при температуре выше 2300 К показал, что основной недостаток рассмотренных работ заключается в том, что действительная температура наружной поверхности определялась косвенно. 2 - Разработана и создана экспериментальная установка для исследования комплекса теплофизических свойств графита в температурном интервале 23003300К. 3 - Впервые реализован высокотемпературный (2300-3300 К) вариант метода радиального теплового потока при использовании двух полых цилиндров с разной толщиной стенки для определения комплекса свойств графита. Результаты тестэкспериментов подтвердили работоспособность метода двух полых цилиндров и созданной установки. Действительная температура наружной поверхности цилиндра определяется прямым способом. Использование тонкостенных (толщина стенки ~1 мм) полых цилиндров позволило уменьшить перепад температуры и как следствие повысить точность определения свойств материала. 4 - Впервые получены значения теплопроводности и спектральной нормальной излучательной способности изотропного графита МПГ-7 в области температур 25003100 К. 5 - Впервые получены значения теплопроводности, удельного электрического сопротивления, интегральной полусферической 22 и спектральной нормальной излучательной способности изостатического графита DE-24 в области температур 2300-3000 К (предположение о постоянных свойствах материала). 6 - Для области температур 3000-3300 К разработан и реализован новый метод определения теплопроводности, интегральной полусферической и спектральной нормальной излучательной способности с учетом температурной зависимости теплопроводности и удельного электрического сопротивления на интервале изменения температуры по толщине стенки образца. На предложенный метод определения теплопроводности графита с учетом зависимости свойств от температуры получен патент №2419782: «Способ определения температурной зависимости коэффициента теплопроводности твердых, изотропных электропроводящих материалов». Авторы: Костановский А.В., Костановская М.Е., Зеодинов М.Г. 7 - В температурном диапазоне 2300-3300 К для графита DE-24 показано, что теплопроводность зависит от температуры в соответствии с фононной моделью, и предложено уравнение k=117671/T-26,5. 8 - Экспериментально обнаружено существование верхней температурной границы определения теплопроводности в стационарном тепловом режиме при использовании электрического тока в качестве источника нагрева. 9 - Экспериментальные данные теплопроводности, удельного электрического сопротивления, интегральной полусферической излучательной способности и спектральной нормальной излучательной способности изостатического графита DE24 в диапазоне температур 2300-3300 К были использованы при разработке и создании сертифицированной модели АЧТ 30/900/2500 ТУ 4276-083-02566540-2007. Акт о внедрении в ОАО НПП «Эталон» г. Омск. По теме диссертации опубликованы следующие печатные работы: 1. Зеодинов M. Г., Костановский А.В., Лапин В.И., Рогатнев Н.Т. Портативный пирометр для измерения температуры движущихся объектов. В кн: Высокоскоростная фотография и фотоника. М., Изд-во ВНИИОФИ, 1997, с.37. 2. Костановский А.В., Зеодинов M. Г. Малогабаритная модель абсолютно черного тела вместо температурной лампы СИ-10-300. // Приборы, 2004, №12, с. 32. 3. Костановский А.В., Зеодинов М.Г., Костановская М.Е. Экспериментальное определение излучательной способности изотропного графита при температурах выше 2300 К. // ТВТ, 2001, Т. 39, № 1, c.163. 4. Костановский, А.В., Зеодинов М.Г., Костановская М.Е. Определение теплопроводности и излучательной способности графита при высоких температурах. // ТВТ, 2005, V.43, №5, c.791. 23 5. Костановский, А.В., Зеодинов М.Г., Костановская М.Е. Определение фиксированной температуры при использовании эвтектик металл-углерод. // Измерительная техника, 2007, №6, c.55. 6. Костановский, А.В., Зеодинов М.Г., Костановская М.Е. Теплопроводность и излучательная способность графита DE-24 при температурах 2300-3000 К. // Измерительная техника, 2010, №12, с.38. 7. Костановский А.В., Костановская М.Е., Зеодинов М.Г. Особенности определения теплопроводности графита при температурах 3000–3300 К. // Измерительная техника, 2011, №5, с.37. Зеодинов Марат Гарифович ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ, УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ГРАФИТА В ОБЛАСТИ ТЕМПЕРАТУР 2300-3300 К. Автореферат Подписано в печать 16.06.2011 Печать офсетная Тираж 100 экз. Уч.-изд.л. 1,5 Заказ №137 Формат 60х84/16 Усл.-печ.л. 1,39 Бесплатно ОИВТ РАН. 125412, Москва, Ижорская ул., 13, стр.2 24