RU2593650C1

RU2593650C1 - Method for measuring thermal conductivity of coatings

Info

Publication number: RU2593650C1
Application number: RU2015121735/28A
Authority: RU
Inventors: Махач Хайрудинович Гаджиев; Вячеслав Михайлович Гусев; Виталий Брониславович Мордынский; Нина Ойзеровна Спектор; Ольга Витальевна Титова
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "АГНИ-К"
Priority date: 2015-06-08
Filing date: 2015-06-08
Publication date: 2016-08-10

Abstract

FIELD: test equipment.

SUBSTANCE: invention relates to thermal tests and can be used when measuring thermophysical properties of substances. Invention relates to a method for determining heat conductivity of materials by simultaneously heating two cylindrical samples of identical dimensions at identical conditions of heat exchange on their surfaces, one of samples is completely made from material with known properties and the other is composite, its part is made of material of the first sample, and the other from the analyzed material.

EFFECT: technical result - increased reliability of results when determining heat capacity of materials.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к тепловым испытаниям, а именно к измерениям теплофизических свойств веществ.The invention relates to thermal tests, namely to measurements of thermophysical properties of substances.

Одним из основных свойств износостойких покрытий любого назначения является их теплопроводность, определяющая эффективность и ресурс их работы. Известно, что в точках контакта трущихся поверхностей температура поверхности может достигать нескольких сотен градусов, что приводит к увеличению коэффициента трения и повышению износа. Отведение тепла из зоны контакта может снизить градиент температур как в самих покрытиях, так и на границе их с основным материалом детали. Благодаря этому уменьшаются механические напряжения, возникающие при напылении и эксплуатации изделий, и можно снизить уровень претензий к адгезионным и когезионным свойствам покрытий и существенно увеличить их ресурс работы.One of the main properties of wear-resistant coatings for any purpose is their thermal conductivity, which determines the efficiency and resource of their work. It is known that at the contact points of rubbing surfaces, the surface temperature can reach several hundred degrees, which leads to an increase in the coefficient of friction and increased wear. Heat removal from the contact zone can reduce the temperature gradient both in the coatings themselves and at their interface with the main material of the part. Due to this, mechanical stresses arising during the deposition and operation of products are reduced, and it is possible to reduce the level of claims to the adhesive and cohesive properties of coatings and significantly increase their service life.

Покрытия, получаемые напылением металлокерамических композиций, в зависимости от соотношения компонентов и их распределения в слое с успехом могут использоваться как в качестве теплозащитных, так и износостойких материалов.Coatings obtained by spraying metal-ceramic compositions, depending on the ratio of components and their distribution in the layer, can be successfully used both as heat-shielding and wear-resistant materials.

Известно устройство для скоростного измерения теплопроводности материалов в диапазоне температур от -150 до +4000°С, содержащее разъемный теплоизолированный кожух, металлическое основание с охранным колпаком, нагревателями и системой каналов для охлаждающей жидкости, термопары и термостолбик, которое с целью ускорения процесса измерения теплового потока, текущего через испытуемый образец, снабжено малоинерционным металлическим тепломером [А.С. №168500 от 19.11.1965].A device for high-speed measurement of thermal conductivity of materials in the temperature range from -150 to + 4000 ° C, containing a detachable thermally insulated casing, a metal base with a protective cap, heaters and a system of channels for coolant, thermocouples and a thermobolt, which in order to accelerate the process of measuring heat flux flowing through the test sample is equipped with a low-inertia metal heat meter [A.S. No. 168500 dated 11/19/1965].

Недостатком данного устройства является то, что испытуемый образец и тепломер имеют малые размеры, что определяет малую разницу тепловых потоков и, как следствие невысокую точность измерения. Увеличение габаритов тепломера неизбежно приведет к возрастанию потерь тепла с его боковых поверхностей, которые трудно определить.The disadvantage of this device is that the test sample and the heat meter are small in size, which determines a small difference in heat fluxes and, as a consequence, low measurement accuracy. An increase in the dimensions of the heat meter will inevitably lead to an increase in heat loss from its side surfaces, which are difficult to determine.

Известен способ определения теплоемкости материалов путем параллельного нагрева исследуемого и эталонного цилиндрических образцов при идентичных условиях теплообмена на их поверхностях [А.С. №463050 от 04.05.1975]. Способ заключается в том, что к торцу одного из образцов подводится постоянный по времени тепловой поток, поддерживают при этом попарно равенство температур торцов испытуемого и эталонного образцов, а после установления стационарного теплового режима определяют разность мощностей, выделенных на поверхностях образцов.A known method for determining the heat capacity of materials by parallel heating of the investigated and reference cylindrical samples under identical heat transfer conditions on their surfaces [A.S. No. 463050 dated 05/04/1975]. The method consists in the fact that a constant heat flow is applied to the end face of one of the samples, the temperature of the ends of the test and reference samples being equal in pairs at the same time, and after the establishment of the stationary thermal regime, the difference in powers allocated on the surfaces of the samples is determined.

Недостатком этого способа является необходимость точного определения и температуры поверхности образцов, и мощности, потребляемой на их нагрев. Погрешности, возникающие в процессе измерений этих двух показателей, суммируются, что отрицательно сказываются на точности способа.The disadvantage of this method is the need for accurate determination of both the surface temperature of the samples and the power consumed for their heating. Errors arising in the process of measuring these two indicators are added up, which negatively affects the accuracy of the method.

Задача изобретения - устранение отмеченных недостатков.The objective of the invention is the elimination of these drawbacks.

Положительный эффект от предлагаемого способа достигается за счет повышения достоверности результатов определения теплоемкости материалов.A positive effect of the proposed method is achieved by increasing the reliability of the results of determining the heat capacity of materials.

Предметом изобретения является способ определения теплопроводности материалов методом параллельного нагрева двух цилиндрических образцов одинаковых размеров при идентичных условиях теплообмена на поверхности, в котором один из образцов выполнен полностью из материала с известными свойствами, а другой - составной, одна часть его выполнена из материала первого образца, а другая - из исследуемого материала.The subject of the invention is a method for determining the thermal conductivity of materials by parallel heating of two cylindrical samples of the same size under identical heat transfer conditions on a surface in which one of the samples is made entirely of material with known properties, and the other is composite, one part is made of the material of the first sample, and the other is from the test material.

Предложенный способ основан на использовании метода электротепловой аналогии. В основу способа положен метод измерения электрического сопротивления при помощи мостиковой схемы.The proposed method is based on the use of the method of electrothermal analogy. The method is based on the method of measuring electrical resistance using a bridge circuit.

Сущность предложенного способа поясняется фиг. 1The essence of the proposed method is illustrated in FIG. one

В способе используются два образца, один из которых 1 выполнен из материала с известной теплопроводностью, второй 2 - составной, одна часть его 3 выполнена из материала первого образца, а другая 4 - из исследуемого материала. Суммарная длина элементов 3 и 4 образца 2 равна длине образца 1. Оба образца расположены между нагревателем 5 и холодильником 6 и имеют одинаковую площадь поперечного сечения. Повышение температуры нагревателя происходит при включении в электросеть нихромовой спирали 7 нагревателя 5, а отвод тепла от холодильника 6 производится проточной водой или потоком сжатого воздуха (на рисунке не указано). Контакт образцов с нагревателем обеспечивается их прижимом с помощью шпильки 8 через шарнирные опоры 9. Использование шарнирных опор позволяет добиться контакта по всей площади соприкасающихся поверхностей между нагревателем и обоими образцами установки.The method uses two samples, one of which 1 is made of a material with known thermal conductivity, the second 2 is composite, one part 3 of it is made of the material of the first sample, and the other 4 is of the studied material. The total length of the elements 3 and 4 of sample 2 is equal to the length of sample 1. Both samples are located between the heater 5 and the refrigerator 6 and have the same cross-sectional area. The temperature of the heater rises when the nichrome spiral 7 of heater 5 is turned on and the heat is removed from the refrigerator 6 by running water or a stream of compressed air (not shown in the figure). The contact of the samples with the heater is ensured by their clamping with the help of a pin 8 through the hinge supports 9. The use of the hinge supports allows contact over the entire area of contacting surfaces between the heater and both installation samples.

В процессе нагрева в образцах возникает разница в тепловых потоках и градиентов температур по длине образцов, соотношение которых обратно пропорционально тепловому сопротивлению каждого образца. Перепад температур в образце 1 фиксируется при помощи термопар 10 и 11, а в образце 2 - термопарами 12 и 13. Расстояние между термопарами в обоих образцах одинаковое и, с целью повышения точности измерения, составляет не менее 10 диаметров образцов.During heating, a difference arises in the heat fluxes and temperature gradients along the length of the samples, the ratio of which is inversely proportional to the thermal resistance of each sample. The temperature difference in sample 1 is recorded with thermocouples 10 and 11, and in sample 2 with thermocouples 12 and 13. The distance between the thermocouples in both samples is the same and, in order to increase the measurement accuracy, is at least 10 sample diameters.

После установления стационарного теплового режима определяют градиенты температур в каждом образце и производят расчет теплопроводности испытуемого образца с учетом известной теплопроводности образца 1:After establishing the stationary thermal regime, the temperature gradients in each sample are determined and the thermal conductivity of the test sample is calculated taking into account the known thermal conductivity of sample 1:

Тепловое сопротивление образца 1:Thermal resistance of sample 1:

Тепловое сопротивление образца 2:Thermal resistance of sample 2:

где λ_х - теплопроводность исследуемого материала;where λ _x is the thermal conductivity of the investigated material;

λ_м - теплопроводность известного материала образца 1;λ _m - thermal conductivity of the known material of sample 1;

L_x - длина исследуемого материала,L _x - the length of the test material,

L_м - длина образца 1.L _m - the length of the sample 1.

С учетом того, что отношение перепадов температур на образцах обратно пропорционально их тепловому сопротивлению, получим:Given the fact that the ratio of temperature differences on the samples is inversely proportional to their thermal resistance, we obtain:

где

Where

ΔT₁ и ΔТ₂ - перепады температур на 1 и 2 образцах соответственно.ΔT ₁ and ΔT ₂ - temperature differences in 1 and 2 samples, respectively.

Корректировка конструкции установки и ее тарирование проводилось по измерениям теплопроводности слюды. В качестве материала для изготовления образцов с известной теплопроводностью была выбрана медь марки M1, а база измерения градиента температур равной 150 мм.Correction of the design of the installation and its calibration was carried out by measuring the thermal conductivity of mica. As a material for the manufacture of samples with known thermal conductivity, M1 grade copper was chosen, and the temperature gradient measurement base was 150 mm.

При оценке погрешности измерений были рассмотрены вопросы обеспечения надежного контакта между медной частью 3 и исследуемой частью 4 образца 2. Теоретические расчеты и экспериментальные данные показали, что площадь фактического контакта сопрягаемых деталей находится на уровне 5% от площади образцов. Уменьшения теплового сопротивления стыка можно достигнуть за счет усилия прижима измеряемого образца и стержня измерительного плеча. В процессе нагрева стержней пластичность меди увеличивается и в результате деформации микронеровностей площадь контакта в стыке увеличивается. В результате обработки данных, полученных при измерении теплопроводности слюды и образца, изготовленного так же, как и стержни, из меди M1, было установлено, что тепловое сопротивление стыка эквивалентно тепловому сопротивлению медного стержня длиной 15 мм.When assessing the measurement error, the issues of ensuring reliable contact between the copper part 3 and the investigated part 4 of sample 2 were considered. Theoretical calculations and experimental data showed that the actual contact area of the mating parts is at the level of 5% of the sample area. Reducing the thermal resistance of the joint can be achieved due to the clamping force of the measured sample and the rod of the measuring arm. In the process of heating the rods, the ductility of copper increases and, as a result of deformation of microroughnesses, the contact area at the junction increases. As a result of processing the data obtained by measuring the thermal conductivity of the mica and the sample made in the same way as the rods from M1 copper, it was found that the thermal resistance of the joint is equivalent to the thermal resistance of a copper rod 15 mm long.

Предлагаемый способ позволяет определять теплопроводность компактных материалов и теплоизолирующих покрытий с точностью менее 5%, в диапазоне температур от 20 до 500°С. При этом определение производится на образцах с исследуемым материалом диаметром 10-20 мм и высотой от 0,1 до 5,0 мм, что позволят работать с теплозащитными покрытиями, создаваемыми методами газотермического напыления, толщина которых, как правило, не превышает 0,5 мм.The proposed method allows to determine the thermal conductivity of compact materials and insulating coatings with an accuracy of less than 5%, in the temperature range from 20 to 500 ° C. In this case, the determination is made on samples with the studied material with a diameter of 10-20 mm and a height of 0.1 to 5.0 mm, which will allow you to work with heat-resistant coatings created by gas thermal spraying methods, the thickness of which, as a rule, does not exceed 0.5 mm .

Claims

A method for determining the thermal conductivity of materials by parallel heating of two cylindrical samples of the same size under identical heat transfer conditions on the surface, characterized in that one of the samples is made entirely of material with known properties, and the other is composite, one part is made of the material of the first sample, and the other - from the studied material.