RU2415408C1 - Способ определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий - Google Patents
Способ определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий Download PDFInfo
- Publication number
- RU2415408C1 RU2415408C1 RU2009140913/28A RU2009140913A RU2415408C1 RU 2415408 C1 RU2415408 C1 RU 2415408C1 RU 2009140913/28 A RU2009140913/28 A RU 2009140913/28A RU 2009140913 A RU2009140913 A RU 2009140913A RU 2415408 C1 RU2415408 C1 RU 2415408C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- heat
- sample
- thermal
- heatproof
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к определению теплофизических характеристик. В способе теплозащитное покрытие определенной толщины наносят на одну из поверхностей металлического носителя в виде плоской прямоугольной пластины или трубы электронно-лучевым методом. Полученный образец помещают в вакуумную камеру, затем вакуумируют из нее газ и нагревают образец до рабочих температур. Нагрев образца осуществляют электрическим током, пропускаемым через металлический носитель, изменение температуры которого регистрируют термопарой, расположенной на его поверхности. Изменение температуры теплозащитного покрытия регистрируют дистанционно регистратором, например пирометром, расположенным со стороны теплозащитного покрытия. Измеренные температуры используют для определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий, таких как температуропроводность, теплоемкость и теплопроводность. Технический результат - уменьшение ошибки определения изменения температуры структурированного теплозащитного покрытия. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к области теплофизических измерений, а более точно касается определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий. Изобретение может быть использовано для определения теплофизических характеристик структурированных теплозащитных покрытий (ТЗП) из высокотемпературных нетокопроводящих керамических материалов.
Долговечность и ресурс деталей, подверженных воздействию высоких температур, во многом определяется правильным выбором того или иного теплозащитного покрытия, которое позволяет снизить температуру основного материала на 50…100°С и более. Одной из основных характеристик высокотемпературного теплозащитного покрытия является теплопроводность, высокая точность измерения которой особенно необходима для правильного выбора теплозащитного покрытия.
Известен способ определения теплофизических свойств электропроводящих твердых материалов (патент RU №2359258, МПК G01N 25/18, 20.06.2009). В известном способе исследуемый электропроводящий образец помещают в вакуумной камере. Рядом с образцом параллельно его поверхности размещают электрод. Концы образца закрепляют на гибких элементах. Образец нагревают пропусканием электрического тока. Для нескольких значений тока нагрева определяют величину тока и падения напряжения, ток эмиссии, по которому рассчитывают температуру образца, не менее чем в 3 точках на изотермическом участке образца и на участке с градиентом температур. В процессе охлаждения определяют ток эмиссии в зависимости от времени охлаждения и по полученным значениям параметров определяют теплофизические свойства материала, в частности теплопроводность.
Данный способ позволяет определить теплопроводность только электропроводящих материалов и не может быть использован для измерения теплопроводности нетокопроводящих теплозащитных покрытий. Кроме того, в данном способе не производится прямого измерения температуры, что отрицательно сказывается на точности полученных результатов.
Известен способ определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий («Новые технологические процессы и надежность ГТД», выпуск 7. М., ЦИАМ, 2008, с.171), который по совокупности признаков является наиболее близким аналогом заявляемого изобретения.
Указанный способ заключается в том, что исследуемый образец, представляющий собой плоский диск с теплозащитным покрытием из высокотемпературного нетокопроводящего керамического материала, нанесенным на одну боковую грань по электронно-лучевой технологии, поверх которого нанесен тонкий слой интерметаллида, помещают в вакуумную камеру, вакуумируют из нее газ и облучают с помощью лазера коротким импульсом лучистой энергии со стороны слоя интерметаллида. Возрастание температуры на обратной стороне образца измеряется при помощи термопары или инфракрасного детектора. Экспериментально определяют температуропроводность и теплоемкость, затем по этим характеристикам рассчитывается теплопроводность.
Недостатком указанного способа является то, что данный способ не эффективен для исследования структурированных ТЗП, например наносимых электронно-лучевым методом. Это связано с тем, что нанесенное таким образом ТЗП состоит из несвязных столбчатых волокон, и тепловой поток при лучистом нагреве передается не только теплопроводностью по волокнам покрытия, но и излучением, часть которого проникает между волокон. Интерметаллидное покрытие, которое применяют для исключения рассматриваемого лучистого потока, при нагреве само становится источником лучевой энергии, что приводит к недостоверным результатам, ошибка в которых может достигать 30%.
В основу изобретения положена задача создания способа определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий из высокотемпературных нетокопроводящих керамических материалов, повышающего достоверность определения теплофизических характеристик структурированных теплозащитных покрытий.
Техническим результатом является уменьшение ошибки определения изменения температуры структурированного ТЗП.
Поставленная задача решается тем, что при определении теплофизических характеристик теплозащитных покрытий из высокотемпературных нетокопроводящих керамических материалов теплозащитное покрытие определенной толщины наносят на одну из поверхностей металлического носителя электронно-лучевым методом, полученный образец помещают в вакуумную камеру, вакуумируют из нее газ и нагревают образец до рабочих температур, причем нагрев образца осуществляют электрическим током, пропускаемым через металлический носитель, изменение температуры которого регистрируют термопарой, расположенной на его поверхности, изменение температуры теплозащитного покрытия, нагреваемого металлическим носителем, регистрируют дистанционно регистратором, например пирометром, расположенным со стороны теплозащитного покрытия, а измеренные температуры используют для определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий, таких как температуропроводность, теплоемкость и теплопроводность.
Целесообразно использование носителя в виде плоской прямоугольной пластины или трубчатого носителя.
Теплозащитное покрытие из высокотемпературных нетокопроводящих керамических материалов, относящееся к данному изобретению, обладает свойствами, которые позволяют наносить его только электронно-лучевым методом на какую-либо поверхность, обычно из металлического материала, имеет специфическую столбчатую структуру с кристаллитами, ориентированными перпендикулярно поверхности образца (фиг.2). При нагреве образца с теплозащитным покрытием происходит расширение металлического материала, что приводит к увеличению расстояния между столбиками покрытия. При нагреве образца коротким импульсом лучистой энергии со стороны теплозащитного покрытия часть излучения проникает между столбиками покрытия, внося существенную ошибку в результаты измерения. В связи с увеличением расстояния между столбиками теплозащитного покрытия при нагреве металлического образца происходит увеличение излучения, проникающего между волокнами теплозащитного покрытия, а следовательно, и ошибки измерения. В предлагаемом же способе нагрев осуществляется электрическим током, пропускаемым через металлический носитель, что исключает описанный выше эффект и повышает точность измерения температуры.
Непрерывное измерение температур теплозащитного покрытия и металлического носителя осуществляется пирометром и термопарой соответственно, и по полученным разностям температур металлического носителя и теплозащитного покрытия в различные моменты времени строится график относительной температуры от времени ln(θ)=f(τ) (Фиг.3) и определяется величина темпа охлаждения m=tgφ. При наступлении регулярного режима темп нагрева не зависит ни от координат, ни от времени и является величиной постоянной для всех точек тела. Темп нагрева характеризует относительную скорость изменения температуры в теле и зависит только от физических свойств тела, процесса нагрева на его поверхности, геометрической формы и размеров тела.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием и чертежами, на которых на фиг.1 изображена принципиальная схема установки для осуществления заявляемого способа, фиг.2 иллюстрирует изменение структуры ТЗП с изменением температуры, фиг.3 иллюстрирует пример осуществления способа.
Способ осуществляют с использованием установки (фиг.1) следующим образом.
На одну из поверхностей металлического носителя 1 наносят высокотемпературное нетокопроводящее керамическое теплозащитное покрытие 2 определенной толщины электронно-лучевым методом. В качестве такого покрытия может быть использована керамика, например, с составом ZrO2-7÷8%Y2O3.
Металлический носитель 1 может быть в виде плоской прямоугольной пластины или иметь трубчатую форму.
Полученный образец подсоединяют к источнику 5 постоянного электрического тока с помощью шины 7 и потенциальных концов 6 и помещают в вакуумную камеру 8.
На поверхности металлического носителя закрепляют термопару 3, со стороны теплозащитного покрытия устанавливают пирометр 4.
Вакуумируют из камеры 8 газ и включают источник 5 постоянного тока. Электрический ток, пропускаемый через металлический носитель 1, нагревает его до рабочей температуры, примерно до 2000 К, изменение которой регистрируется термопарой 3.
Тепловая энергия от поверхности металлического носителя передается внутренней поверхности ТЗП и вызывает возмущение температуры на его наружной поверхности, которое регистрируется пирометром 4.
Использование вакуумной камеры позволяет повысить точность экспериментально измеряемых величин.
Измеренные температуры используют для определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий, таких как температуропроводность, теплоемкость и теплопроводность следующим образом.
Теплопроводность теплозащитного покрытия рассчитывается по следующей формуле:
где a - температуропроводность, (см2/с)
ρ - плотность, (г/см3)
Сp - теплоемкость, (Дж/г·К).
Коэффициент температуропроводности находится из выражения
где K - коэффициент формы, зависящий от формы и размеров образца.
m=tgφ - темп нагрева образца определяется из графика изменения относительной температуры от времени (фиг.3).
Удельная теплоемкость высокотемпературного теплозащитного покрытия определяется из следующего выражения:
где i - сила тока, А;
R20 - активное сопротивление металлического образца при температуре 20°С, Ом·м;
T - температура металлического образца, °С;
ΔT - температура, на которую нагрели теплозащитное покрытие, °С;
t - время, с.
Представленный способ определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий позволяет снизить ошибку измерения до 5%.
Claims (3)
1. Способ определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий из высокотемпературных нетокопроводящих керамических материалов, заключающийся в том, что теплозащитное покрытие определенной толщины наносят на одну из поверхностей металлического носителя электронно-лучевым методом, полученный образец помещают в вакуумную камеру, вакуумируют из нее газ и нагревают образец до рабочих температур, причем нагрев образца осуществляют электрическим током, пропускаемым через металлический носитель, изменение температуры которого регистрируют термопарой, расположенной на его поверхности, изменение температуры теплозащитного покрытия, нагреваемого металлическим носителем, регистрируют дистанционно регистратором, например пирометром, расположенным со стороны теплозащитного покрытия, а измеренные температуры используют для определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий, таких как температуропроводность, теплоемкость и теплопроводность.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют носитель в виде плоской прямоугольной пластины.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют трубчатый носитель.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009140913/28A RU2415408C1 (ru) | 2009-11-06 | 2009-11-06 | Способ определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009140913/28A RU2415408C1 (ru) | 2009-11-06 | 2009-11-06 | Способ определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2415408C1 true RU2415408C1 (ru) | 2011-03-27 |
Family
ID=44052960
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009140913/28A RU2415408C1 (ru) | 2009-11-06 | 2009-11-06 | Способ определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2415408C1 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2486497C1 (ru) * | 2011-12-27 | 2013-06-27 | Открытое акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" | Установка для испытаний теплозащиты летательного аппарата |
RU2532609C2 (ru) * | 2013-02-19 | 2014-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Способ и устройство для исследования температуропроводности материала |
RU2533338C2 (ru) * | 2013-01-25 | 2014-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" | Способ нагрева и определения температуры образцов |
RU2587524C1 (ru) * | 2015-05-08 | 2016-06-20 | Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Установка для определения коэффициента теплопроводности и ресурсных характеристик теплозащитных покрытий |
-
2009
- 2009-11-06 RU RU2009140913/28A patent/RU2415408C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2486497C1 (ru) * | 2011-12-27 | 2013-06-27 | Открытое акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" | Установка для испытаний теплозащиты летательного аппарата |
RU2533338C2 (ru) * | 2013-01-25 | 2014-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" | Способ нагрева и определения температуры образцов |
RU2532609C2 (ru) * | 2013-02-19 | 2014-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Способ и устройство для исследования температуропроводности материала |
RU2587524C1 (ru) * | 2015-05-08 | 2016-06-20 | Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Установка для определения коэффициента теплопроводности и ресурсных характеристик теплозащитных покрытий |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4195935B2 (ja) | 熱物性測定方法及び装置 | |
Slifka et al. | Thermal conductivity of a zirconia thermal barrier coating | |
RU2415408C1 (ru) | Способ определения теплофизических характеристик теплозащитных покрытий | |
Huang et al. | Non-destructive evaluation of uneven coating thickness based on active long pulse thermography | |
Jayaraj et al. | Electrochemical impedance spectroscopy of thermal barrier coatings as a function of isothermal and cyclic thermal exposure | |
Tan et al. | A steady-state Bi-substrate technique for measurement of the thermal conductivity of ceramic coatings | |
Filla | A steady-state high-temperature apparatus for measuring thermal conductivity of ceramics | |
CN109470772B (zh) | 一种基于超声的内部热源强度大小和位置的无损测量方法 | |
Lin et al. | One-dimensional thermal characterization at the micro/nanoscale: review of the TET technique | |
Wojciechowski et al. | Application of DLC layers in 3-omega thermal conductivity method | |
Zeodinov et al. | Electrical Contact Resistance of Graphite | |
RU2510491C2 (ru) | Способ измерения степени черноты | |
RU158476U1 (ru) | Устройство для определения температурного коэффициента линейного расширения теплозащитных пленочных покрытий | |
RU2551389C1 (ru) | Способ определения теплопроводности теплозащитных покрытий высокотеплопроводных материалов | |
RU2625599C9 (ru) | Способ определения теплопроводности твердых тел | |
RU2287807C1 (ru) | Способ определения теплофизических свойств многослойных строительных конструкций и изделий | |
RU2478939C1 (ru) | Способ измерения коэффициента температуропроводности теплоизоляционных материалов методом регулярного режима третьего рода | |
RU2424506C1 (ru) | Способ определения термомеханических напряжений в охлаждаемых деталях с теплозащитными высокотемпературными покрытиями | |
RU2792255C1 (ru) | Способ определения каталитической активности материалов и покрытий | |
Babak et al. | Hardware-Software System for Measuring Thermophysical Characteristics of the Materials and Products. | |
Schmon et al. | Thermophysical properties of Manganin (Cu86Mn12Ni2) in the solid and liquid state | |
US20220283105A1 (en) | Measurement of coating thermal properties by induction radiometry | |
RU2261437C1 (ru) | Способ теплового неразрушающего контроля многослойных объектов | |
Hay et al. | A new reference material for high-temperature thermal transport properties--LNE participation in the certification process of Pyroceram 9606. | |
Bovesecchi et al. | High temperature (till 1500 C) contemporary thermal conductivity and thermal diffusivity measurements with the step flat heat source |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171107 |