RU2758414C1 - Apparatus for determining complex of thermophysical characteristics of composite materials - Google Patents
Apparatus for determining complex of thermophysical characteristics of composite materials Download PDFInfo
- Publication number
- RU2758414C1 RU2758414C1 RU2020140785A RU2020140785A RU2758414C1 RU 2758414 C1 RU2758414 C1 RU 2758414C1 RU 2020140785 A RU2020140785 A RU 2020140785A RU 2020140785 A RU2020140785 A RU 2020140785A RU 2758414 C1 RU2758414 C1 RU 2758414C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heating element
- sample
- heat
- cylinder
- samples
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
Abstract
Description
Изобретение относится к области теплофизических исследований и может быть использовано для определения комплекса теплофизических характеристик композиционных конструкционных и теплотехнических материалов на образцах полуцилиндрической формы, а именно коэффициента теплопроводности и теплоемкости в широком диапазоне температур по результатам единичного эксперимента с использованием методов обратных задач теплообмена [1, 2].The invention relates to the field of thermophysical research and can be used to determine the complex of thermophysical characteristics of composite structural and thermal engineering materials on semi-cylindrical samples, namely the coefficient of thermal conductivity and heat capacity in a wide temperature range according to the results of a single experiment using methods of inverse heat transfer problems [1, 2] ...
Методы определения теплофизических свойств материалов, основанные на решении коэффициентных обратных задач теплообмена получили широкое распространение [1, 3]. Данные методы имеют ряд преимуществ перед традиционными методами определения теплофизических характеристик, особенно для материалов используемых в широком диапазоне температур (в том числе экстремальных температур), в условиях нестационарного нагрева, при больших скоростях и градиентах изменения температуры, а часто, и при наличии фазовых превращений в материале. Такие условия нагрева характерны для конструкционных, теплоизоляционных и теплозащитных материалов используемых в конструкциях аэрокосмической техники, ядерной энергетики и металлургии.Methods for determining the thermophysical properties of materials based on the solution of coefficient inverse problems of heat transfer have become widespread [1, 3]. These methods have a number of advantages over traditional methods for determining thermophysical characteristics, especially for materials used in a wide range of temperatures (including extreme temperatures), under conditions of unsteady heating, at high rates and gradients of temperature change, and often in the presence of phase transformations in material. Such heating conditions are typical for structural, heat-insulating and heat-shielding materials used in the structures of aerospace engineering, nuclear power engineering and metallurgy.
Широкое применение в этих отраслях находят композиционные материалы на основе каркаса из специальным образом ориентированных волокон в связывающей их матрице, например, такие как углерод-углерод, карбид кремния - углерод, карбид кремния - карбид кремния, керамико-матричные материалы и др. [4], а также перспективные градиентные материалы, механические и физические свойства которых изменяются, например, по толщине материала. Структура таких материалов, в частности их объемный каркас, как правило формируется с учетом условий их работы в составе конкретной, разрабатываемой композиционной конструкции. При этом регулярная структура материала искажается. Можно предположить, что теплофизические свойства таких материалов зависят, в частности, от формы композиционной конструкции. В связи с этим, возникает задача определения теплофизических характеристик композиционным конструкционных и теплотехнических материалов на образцах сложной формы, сходной с формой исследуемого элемента конструкции.Composite materials based on a framework made of specially oriented fibers in a matrix connecting them are widely used in these industries, for example, such as carbon-carbon, silicon carbide-carbon, silicon carbide-silicon carbide, ceramic-matrix materials, etc. [4] , as well as promising gradient materials, the mechanical and physical properties of which change, for example, over the thickness of the material. The structure of such materials, in particular their volumetric frame, is usually formed taking into account the conditions of their operation as part of a specific, developed composite structure. In this case, the regular structure of the material is distorted. It can be assumed that the thermophysical properties of such materials depend, in particular, on the shape of the composite structure. In this regard, the problem arises of determining the thermophysical characteristics of composite structural and thermal engineering materials on samples of complex shape, similar to the shape of the investigated structural element.
Экспериментальные образцы полуцилиндрической формы достаточно хорошо моделируют форму реальных элементов композиционных конструкций, например, таких как передние кромки затуплений аэродинамических поверхностей летательных аппаратов, включая кромки воздухозаборных устройств, крыльев, рулей и других аэродинамических поверхностей. При этом образцы такой формы позволяют использовать в теплофизических исследованиях более простые одномерные модели теплообмена в цилиндрической системе координат [1, 3].Experimental samples of a semi-cylindrical shape sufficiently well model the shape of real elements of composite structures, for example, such as the leading edges of the bluntness of the aerodynamic surfaces of aircraft, including the edges of air intakes, wings, rudders and other aerodynamic surfaces. At the same time, samples of this shape make it possible to use in thermophysical studies simpler one-dimensional models of heat transfer in a cylindrical coordinate system [1, 3].
Известно устройство [5] реализующее стационарный метод определения коэффициента теплопроводности материалов, устанавливаемое в газовакуумную рабочую камеру, состоящее из плоского тонкого ленточного нагревательного элемента, размещенного горизонтально, к обеим сторонам которого с контролируемым усилием прижимаются два одинаковых плоских образца исследуемого материала, на обратных поверхностях которых размещаются плоские теплосъемники (неподвижный нижний и подвижный верхний). На нижних и верхних (по отношению к нагревательному элементу) поверхностях образцов устанавливаются термопары. Боковые поверхности образцов защищаются охранными теплоизолирующими элементами, что обеспечивает в центральной части нагревательного элемента реализацию достаточно равномерного поля температур. Симметричная схема размещения образцов обеспечивает возможность определения плотности теплового потока на его поверхности по электрической мощности, выделяемой на расчетной площади рабочей зоны нагревательного элемента.Known device [5] realizing a stationary method for determining the coefficient of thermal conductivity of materials, installed in a gas-vacuum working chamber, consisting of a flat thin tape heating element placed horizontally, to both sides of which with a controlled force are pressed two identical flat samples of the material under study, on the reverse surfaces of which are placed flat heat collectors (fixed bottom and movable top). Thermocouples are installed on the lower and upper (in relation to the heating element) surfaces of the samples. The lateral surfaces of the samples are protected by protective heat-insulating elements, which ensures a fairly uniform temperature field in the central part of the heating element. The symmetrical arrangement of the samples makes it possible to determine the density of the heat flux on its surface by the electric power released in the calculated area of the working zone of the heating element.
Недостатками данного устройства являются: отсутствие возможности исследования образцов материалов с формой отличной от плоской пластины, отсутствие компенсации термической деформации нагревательного элемента в продольном и поперечном направлениях, что может приводить к его деформации и вызывать искажение равномерного температурного поля в рабочей зоне нагревательного элемента, и как следствие к снижению точности определения коэффициента теплопроводности; размещение вне газовакуумной рабочей камеры пневматического устройства, создающего контролируемую сжимающую нагрузку на образцы для уменьшения тепловых сопротивлений и компенсации возможной усадки материала, значительно усложняет конструкцию устройства в связи с необходимостью передачи сжимающего усилия в камеру с обеспечением герметичного ввода силового штока.The disadvantages of this device are: the inability to study samples of materials with a shape other than a flat plate, the lack of compensation for thermal deformation of the heating element in the longitudinal and transverse directions, which can lead to its deformation and cause distortion of the uniform temperature field in the working area of the heating element, and as a consequence to a decrease in the accuracy of determining the coefficient of thermal conductivity; the placement of a pneumatic device outside the gas-vacuum working chamber, which creates a controlled compressive load on the samples to reduce thermal resistance and compensate for possible shrinkage of the material, significantly complicates the design of the device due to the need to transfer the compressive force into the chamber with the provision of a sealed input of the power rod.
Известно устройство [2, 6], реализующее нестационарные методы определения комплекса теплофизических характеристик материалов (коэффициента теплопроводности и теплоемкости) на основе решения обратных задач теплообмена в широком диапазоне температур по данным единичного эксперимента, устанавливаемое в газовакуумную рабочую камеру теплового стенда и состоящее из основания, на котором установлены водоохлаждаемые подвижная и неподвижная прижимные планки, снабженные электроизолирующими пластинами из текстолита и креплениями гибких токоподводов и выполняющие роль контактов плоского тонкого ленточного электрического нагревательного элемента прямоугольной формы из термостойкого металла или сплава, узлов натяжения, обеспечивающих контролируемое натяжение нагревательного элемента в продольном направлении, двух одинаковых плоских образцов исследуемого материала, которые установлены симметрично на верхней и нижней поверхностях нагревательного элемента вплотную к поверхности или с контролируемым зазором относительно поверхности нагревательного элемента, двух датчиков нестационарного теплового потока, установленных на обратных поверхностях образцов, управляющей термопары, установленной в центральной части нагревательного элемента, термопар, установленных на поверхности и внутри образцов в их центральной части (в точках измерений, соответствующих принятой схеме измерений для используемой постановки обратной задачи теплообмена), термопар, установленных в датчике нестационарного теплового потока, двух проводников, установленных на нагревательном элементе для измерения напряжения на границах рабочей зоны нагревательного элемента для определения плотности теплового потока на поверхности нагревательного элемента по его электрическим параметрам, защитных теплоизолирующих элементов боковых поверхностей образцов, защитных теплоизолирующих элементов обратных поверхностей образцов, нижнего и верхнего узлов подвеса для фиксации образцов в устройстве и их прижатия к нагревательному элементу.Known device [2, 6], realizing non-stationary methods for determining the complex of thermophysical characteristics of materials (thermal conductivity coefficient and heat capacity) based on the solution of inverse problems of heat transfer in a wide temperature range according to a single experiment, installed in the gas-vacuum working chamber of the thermal stand and consisting of a base, on which is equipped with water-cooled movable and fixed clamping strips, equipped with electrical insulating plates made of textolite and fasteners of flexible current leads and acting as contacts of a flat thin strip electric rectangular heating element made of heat-resistant metal or alloy, tension nodes providing controlled tension of the heating element in the longitudinal direction, two identical flat samples of the test material, which are installed symmetrically on the upper and lower surfaces of the heating element close to the surface or with a controlled gap with respect to the surface of the heating element, two sensors of unsteady heat flux installed on the reverse surfaces of the samples, a control thermocouple installed in the central part of the heating element, thermocouples installed on the surface and inside the samples in their central part (at the measurement points corresponding to the adopted measurement scheme for the used formulation of the inverse problem of heat transfer), thermocouples installed in the transient heat flux sensor, two conductors installed on the heating element to measure the voltage at the boundaries of the working zone of the heating element to determine the heat flux density on the surface of the heating element by its electrical parameters, protective heat-insulating elements of the side surfaces of the samples, protective heat-insulating elements of the reverse surfaces of the samples, the lower and upper suspension units for fixing the samples in the device and pressing them to the heating element.
Недостатками данного устройства являются: отсутствие возможности исследования образцов материалов с формой отличной от плоской пластины, необходимость водяного охлаждения прижимных планок нагревательного элемента при высоких температурах, что приводит к увеличению оттока тепла из рабочей зоны нагревательного элемента; значительные термические деформации нагревательного элемента в поперечном направлении, возникающие вблизи прижимных планок в процессе нагрева, что приводит к нарушению теплового контакта между образцами и нагревательным элементом в этой области; жесткая фиксация образцов в узлах подвеса, не позволяющая надежно регулировать усилие и равномерность прижатия образцов к поверхности нагревательного элемента и компенсировать возможную усадку материала образцов в процессе нагрева. Все это приводит к возможному искажению равномерного поля температуры в рабочей зоне нагревательного элемента и, как следствие, к уменьшению точности определения теплофизических характеристик исследуемого материала, безотносительно к типу материалаThe disadvantages of this device are: the inability to study samples of materials with a shape other than a flat plate, the need for water cooling of the clamping strips of the heating element at high temperatures, which leads to an increase in the outflow of heat from the working area of the heating element; significant thermal deformations of the heating element in the transverse direction, arising near the clamping bars during heating, which leads to a violation of thermal contact between the samples and the heating element in this area; rigid fixation of the samples in the suspension nodes, which does not allow to reliably regulate the force and uniformity of pressing the samples to the surface of the heating element and to compensate for the possible shrinkage of the sample material during heating. All this leads to a possible distortion of the uniform temperature field in the working area of the heating element and, as a consequence, to a decrease in the accuracy of determining the thermophysical characteristics of the material under study, regardless of the type of material.
Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является устройство [7] для определения комплекса теплофизических характеристик материалов, реализующее нестационарные методы определения комплекса теплофизических характеристик материалов (коэффициента теплопроводности и теплоемкости) на основе решения обратных задач теплообмена в широком диапазоне температур по данным единичного эксперимента, устанавливаемое в газовакуумную рабочую камеру теплового стенда и включающее: основание, плоский тонкий ленточный электрический нагревательный элемент из термостойкого металла или сплава, установленные на основании и выполняющие роль электрических контактов нагревательного элемента подвижную и неподвижную прижимные планки с электроизолирующими пластинами и креплениями гибких токоподводов, два узла натяжения нагревательного элемента в продольном направлении, два одинаковых плоских образца исследуемого материала, установленных симметрично на верхней и нижней поверхностях нагревательного элемента вплотную к поверхности или с одинаковыми зазорами относительно поверхности нагревательного элемента, управляющую термопару на нагревательном элементе, термопары, установленные на поверхности и внутри образцов, защитные теплоизолирующие элементы обратных поверхностей образцов с установленными в них датчиками нестационарного теплового потока, термопары, установленные в датчиках нестационарного теплового потока, два проводника для измерения напряжения на границах рабочей зоны нагревательного элемента, защитные теплоизолирующие элементы боковых поверхностей образцов, нижний и верхний узлы подвеса образцов. Прижимные планки нагревательного элемента выполнены неохлаждаемыми, электроизолирующие пластины прижимных планок изготовлены из высокотемпературной керамики, нагревательный элемент имеет форму с трапециевидными уширениями на краях в области прижимных планок нагревательного элемента, узлы подвеса снабжены пружинными устройствами регулируемого прижатия образцов к нагревательному элементу.The closest in technical essence to the present invention is a device [7] for determining a complex of thermophysical characteristics of materials, which implements non-stationary methods for determining a complex of thermophysical characteristics of materials (thermal conductivity coefficient and heat capacity) based on solving inverse problems of heat transfer in a wide temperature range according to a single experiment, established into the gas-vacuum working chamber of the thermal bench and including: a base, a flat thin strip electric heating element made of heat-resistant metal or alloy, installed on the base and acting as electrical contacts of the heating element, movable and fixed clamping strips with electrical insulating plates and flexible current leads fasteners, two tensioning units of the heating element in the longitudinal direction, two identical flat samples of the test material, installed symmetrically on the upper and lower surfaces of the heater element close to the surface or with equal gaps relative to the surface of the heating element, a control thermocouple on the heating element, thermocouples installed on the surface and inside the samples, protective heat-insulating elements of the reverse surfaces of the samples with transient heat flow sensors installed in them, thermocouples installed in the transducers heat flux, two conductors for measuring the voltage at the boundaries of the working area of the heating element, protective heat-insulating elements of the lateral surfaces of the samples, the lower and upper nodes of the suspension of the samples. The clamping strips of the heating element are made uncooled, the electrical insulating plates of the clamping strips are made of high-temperature ceramics, the heating element has a shape with trapezoidal broadenings at the edges in the area of the clamping strips of the heating element, the suspension units are equipped with spring devices for adjustable pressing of the samples to the heating element.
Недостатками данного устройства являются: отсутствие возможности исследования образцов материалов с формой отличной от плоской пластины. Необходимость использования симметричной схемы нагрева двух одинаковых образцов для определения плотности теплового потока на нагреваемой поверхности образца.The disadvantages of this device are: the inability to study samples of materials with a shape other than a flat plate. The need to use a symmetric heating scheme for two identical samples to determine the heat flux density on the heated sample surface.
Указанное устройство принято в качестве прототипа.The specified device is taken as a prototype.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является: обеспечение возможности определения комплекса теплофизических характеристик композиционных материалов с использованием экспериментальных образцов, имеющих полуцилиндрическую форму и моделирующих форму реальных элементов композиционных конструкций, например, передних кромок затуплений аэродинамических поверхностей летательных аппаратов, включая кромки воздухозаборных устройств, крыльев и других аэродинамических поверхностей; повышение точности моделирования равномерного температурного поля в центральной рабочей зоне нагревательного элемента устройства, обеспечивающее реализацию одномерной, в цилиндрической системе координат, модели нестационарного прогрева образцов, и как следствие повышение точности определения комплекса теплофизических характеристик исследуемого материала в условиях нестационарного нагрева с использованием методов обратных задач теплообмена в одномерных постановках [1, 3].The technical result of the proposed invention is: ensuring the possibility of determining the complex of thermophysical characteristics of composite materials using experimental samples having a semi-cylindrical shape and simulating the shape of real elements of composite structures, for example, the leading edges of the bluntness of aerodynamic surfaces of aircraft, including the edges of air intakes, wings and other aerodynamic surfaces ; improving the accuracy of modeling a uniform temperature field in the central working zone of the heating element of the device, which ensures the implementation of a one-dimensional, in a cylindrical coordinate system, model of unsteady heating of samples, and as a consequence, an increase in the accuracy of determining the complex of thermophysical characteristics of the material under study under unsteady heating using methods of inverse problems of heat transfer in one-dimensional formulations [1, 3].
Заявленный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для определения комплекса теплофизических характеристик композиционных материалов, включающем основание, на котором установлены подвижная и неподвижная прижимные планки, снабженные электроизолирующими пластинами и креплениями гибких токоподводов, и выполняющие роль электрических контактов тонкого ленточного электрического нагревательного элемента из термостойкого металла или сплава, два узла натяжения нагревательного элемента в продольном направлении, образец исследуемого материала, установленный на нагревательном элементе, управляющую термопару, установленную в центральной части нагревательного элемента, термопары, установленные на поверхности и внутри образца в его центральной части, теплоизолирующие элементы, установленные на поверхностях образца с установленными в них датчиками нестационарного теплового потока, термопары, установленные в датчиках нестационарного теплового потока, проводники, установленные на нагревательном элементе для измерения напряжения на границах рабочей зоныThe claimed technical result is achieved by the fact that in the known device for determining the complex of thermophysical characteristics of composite materials, including the base on which the movable and stationary clamping strips are installed, equipped with electrically insulating plates and flexible current leads, and acting as electrical contacts of a thin strip electric heating element made of heat-resistant metal or alloy, two nodes for tensioning the heating element in the longitudinal direction, a sample of the material under study installed on the heating element, a control thermocouple installed in the central part of the heating element, thermocouples installed on the surface and inside the sample in its central part, heat-insulating elements installed on sample surfaces with transient heat flux sensors installed in them, thermocouples installed in transient heat flux sensors, conductors installed on the heating element to measure the voltage at the boundaries of the working area
нагревательного элемента, защитные теплоизолирующие элементы боковых поверхностей образца, нижний и верхний узлы подвеса образца, снабженные пружинными прижимными устройствами, согласно заявляемому изобретению образец исследуемого материала выполнен в виде полого полуцилиндра, нагревательный элемент выполнен в виде полуцилиндра, охватывающего внешнюю нагреваемую поверхность образца и имеющий увеличенную толщину на краях в зоне крепления в прижимных планках, внешняя поверхность нагревательного элемента снабжены защитным теплоизолирующим элементом с установленным в нем нестационарным датчиком теплового потока.heating element, protective heat-insulating elements of the lateral surfaces of the sample, the lower and upper nodes of the sample suspension, equipped with spring clamping devices, according to the claimed invention, the sample of the test material is made in the form of a hollow half-cylinder, the heating element is made in the form of a half-cylinder, covering the outer heated surface of the sample and having an increased thickness at the edges in the area of attachment in the clamping strips, the outer surface of the heating element is equipped with a protective heat-insulating element with a non-stationary heat flow sensor installed in it.
В частном случае образец исследуемого материала выполнен в виде многослойного полого полуцилиндра.In a particular case, a sample of the material under study is made in the form of a multilayer hollow half-cylinder.
В частном случае образец исследуемого материала выполнен в виде сплошного полуцилиндра.In a particular case, a sample of the material under study is made in the form of a solid half-cylinder.
В частном случае образец исследуемого материала выполнен в виде сплошного многослойного полуцилиндра.In a particular case, a sample of the material under study is made in the form of a continuous multilayer half-cylinder.
Технический результат достигается тем, что устройство для определения комплекса теплофизических характеристик композиционных материалов, схема которого приведена на фиг. 1-4, имеет электрический малоинерционный тонкий ленточный полуцилиндрический 7 нагревательный элемент, который повторяет форму нагреваемой поверхности образца исследуемого композиционного материала. Использование нагревательного элемента из тонкой (например, с толщиной 100 мкм) ленты термостойкого сплава позволяет обеспечить хороший тепловой контакт с поверхностью образца и реализовать нестационарный нагрев поверхности сThe technical result is achieved by the fact that the device for determining the complex of thermophysical characteristics of composite materials, the diagram of which is shown in Fig. 1-4, has an electric low-inertia thin tape semi-cylindrical 7 heating element, which repeats the shape of the heated surface of the sample of the investigated composite material. The use of a heating element made of a thin (for example, 100 μm thick) tape of a heat-resistant alloy ensures good thermal contact with the sample surface and implements non-stationary heating of the surface with
темпом до 100°С/с при различных законах изменения температуры и плотности теплового потока. Использование нагревательного элемента (фиг. 4) имеющего увеличенную (например, двойную) толщину в зонах 8 на краях в области крепления в прижимных планках устройства позволяет исключить его перегрев в этой области, а также существенно снизить термические деформации нагревательного элемента в поперечном направлении в процессе нагрева и, как следствие, значительно улучшить тепловой контакт между образцом и нагревательным элементом, что также способствует формированию равномерного температурного поля в рабочей зоне 19 нагревательного элемента. Установка датчика нестационарного теплового потока 15 обеспечивает определение теплового потока на внешней поверхности нагревательного элемента, значения которого используются при расчете плотности теплового потока на нагреваемой поверхности образца. Датчик нестационарного теплового потока 21 используется для определения теплового потока на внутренней поверхности образца. Предварительное равномерное, регулируемое сжатие экспериментальной сборки, включающей поз.26, 14, 15, 7, 11, 20, 21, 25 и 27 с использованием узлов подвеса 28 и 29 уменьшает термическое сопротивление и обеспечивает компенсацию возможной усадки материала образца и теплоизолирующих элементов по толщине в процессе нагрева. Проведенные экспериментальные исследования показали, что предлагаемые решения приводят к повышению точности моделирования равномерного температурного поля в рабочей зоне 19 нагревательного элемента устройства, что обеспечивает реализацию одномерной модели нестационарного прогрева исследуемого образца в цилиндрической системе координат и, как следствие, обеспечивает повышение точности определения комплекса теплофизических характеристик образцов исследуемых композиционных материалов в условиях нестационарного нагрева с использованием методов обратных задач теплообмена в одномерных постановках [1, 3].rate up to 100 ° C / s with different laws of temperature and heat flux density change. The use of a heating element (Fig. 4) having an increased (for example, double) thickness in
Заявленное изобретение поясняется следующими фигурами:The claimed invention is illustrated by the following figures:
На фиг. 1 изображен вид спереди предлагаемого устройства для определения комплекса теплофизических характеристик композиционных материалов на образцах, имеющих форму полого полуцилиндра. На фиг.2 изображен вид сбоку. На фиг. 3 изображен вид сверху (позиции: 11, 20, 21, 22, 25, и 27 условно сняты). На фиг. 4 изображен полуцилиндрический нагревательный элемент устройства. На фиг. 5 изображена схема нагрева многослойного полого полуцилиндра. На фиг. 6 изображена схема нагрева сплошного полуцилиндра. На фиг. 7 изображена схема нагрева сплошного многослойного полуцилиндра. На фиг. 8, для примера, представлена фотография полого полуцилиндра из композиционного материала углерод-углерод. На фиг. 9, для примера, представлена фотография образца в виде полого полуцилиндра с нанесенным электроизоляционным покрытием из гексагонального нитрида бора.FIG. 1 shows a front view of the proposed device for determining the complex of thermophysical characteristics of composite materials on samples having the shape of a hollow half-cylinder. Figure 2 shows a side view. FIG. 3 shows a top view (positions: 11, 20, 21, 22, 25, and 27 are conditionally removed). FIG. 4 shows a semi-cylindrical heating element of the device. FIG. 5 shows a diagram of heating a multilayer hollow half-cylinder. FIG. 6 shows a diagram of heating a solid half-cylinder. FIG. 7 shows a diagram of heating a solid multilayer half-cylinder. FIG. 8, by way of example, is a photograph of a hollow semi-cylinder made of a carbon-carbon composite material. FIG. 9, for example, shows a photograph of a sample in the form of a hollow half-cylinder with an electrical insulating coating of hexagonal boron nitride.
Устройство для определения комплекса теплофизических характеристик композиционных материалов (фиг. 1-4) состоит из: основания 1, на котором установлены подвижная 2 и неподвижная 3 прижимные планки, снабженные электроизолирующими пластинами 4 и 5 из высокотемпературной керамики и винтами 6 для крепления гибких токоподводов рабочей камеры испытательного стенда, и выполняющие роль электрических контактов полуцилиндрического тонкого ленточного малоинерционного электрического нагревательного элемента 7 из термостойкого металла (например, тантала при нагреве до температур 1650°С в вакууме или в среде инертных газов) или термостойкого сплава (например, термостойкой нержавеющей стали при нагреве до 1100°С на воздухе), имеющего форму с трапециевидными уширениями на краях и увеличенную (например, удвоенную) толщину в зонах 8 крепления нагревательного элемента в прижимных планках (фиг. 4); двух узлов натяжения 9 и 10, обеспечивающих контролируемое натяжение нагревательного элемента и компенсирующих его термические деформации в продольном направлении; образца исследуемого материала в форме полуцилиндра 11, установленного на полуцилиндрическом нагревательном элементе 7, который плотно охватывает нагреваемую поверхность образца, принимая форму этой поверхности; управляющей термопары 12, установленной в центральной части рабочей зоны полуцилиндрического нагревательного элемента, показания которой используется в качестве сигнала обратной связи в системе управления нагревом испытательного стенда; термопар 13, установленных на поверхностях и внутри образца в их центральной части (в точках измерений, количество и координаты которых соответствуют принятой схеме температурных измерений для используемой постановки обратной задачи теплообмена [1, 3]); защитного теплоизолирующего элемента 14, установленного на полуцилиндрическом нагревательном элементе, с установленным в нем нестационарным датчиком тепловых потоков 15; термопар 16, установленных в датчике тепловых потоков; проводников 17 и 18, установленных на нагревательном элементе с целью измерения напряжения на границах рабочей зоны 19 нагревательного элемента для определения плотности теплового потока на поверхности нагревательного элемента по его электрическим параметрам; полуцилиндрического теплоизолирующего элемента 20 с установленным в нем нестационарным датчиком теплового потока 21 и с установленными в датчике термопарами 22; двух боковых защитных теплоизолирующих элементов 23 и 24; теплоизоляционной пластина 25; нижней и верхней прижимных пластин 26 и 27; верхнего 28 и нижнего 29 узлов подвеса образца, обеспечивающих фиксацию образца в устройстве и оборудованных каждый четырьмя пружинными узлами регулируемого прижатия 30, обеспечивающих заданное, равномерное, регулируемое прижатие образца и теплоизолирующих элементов друг к другу и к поверхности нагревательного элемента для уменьшения термического сопротивления экспериментальной сборки и компенсации возможной усадки материала образца в процессе нагрева.The device for determining the complex of thermophysical characteristics of composite materials (Fig. 1-4) consists of:
Все теплоизоляционные элементы, прижимные пластины и датчики теплового потока выполнены из одного и того же термостойкого керамического материала с низкой теплопроводностью. Термопары в нестационарных датчиках теплового потока установлены на их осях в точках измерений, количество и координаты которых соответствуют принятой схеме температурных измерений, соответствующей постановке граничной обратной задачи теплообмена [1, 3]. Все основные металлические элементы конструкции устройства изготовлены из жаростойкого сплава (например, термостойкой нержавеющей стали). В устройстве используются термопары различного типа, выбор которого зависит от уровня максимальных температур нагрева (например, малоинерционные микротермопары с диаметром проводов 100 мк и менее, типа Хромель-Алюмель, Вольфрам-Рений, и других). В случае исследований электропроводных материалов поверхность образца со стороны нагревательного элемента или внутренняя поверхность нагревательного элемента покрывается тонким слоем высокотемпературного электроизоляционного материала, например, гексагонального нитрида бора (фиг. 9).All insulating elements, pressure plates and heat flow sensors are made of the same heat-resistant ceramic material with low thermal conductivity. Thermocouples in non-stationary heat flow sensors are installed on their axes at the measurement points, the number and coordinates of which correspond to the adopted temperature measurement scheme, corresponding to the formulation of the boundary inverse problem of heat transfer [1, 3]. All major metal structural elements of the device are made of heat-resistant alloy (for example, heat-resistant stainless steel). The device uses thermocouples of various types, the choice of which depends on the level of maximum heating temperatures (for example, low-inertia microthermocouples with a wire diameter of 100 microns or less, such as Chromel-Alumel, Wolfram-Rhenium, and others). In the case of studies of electrically conductive materials, the surface of the sample from the side of the heating element or the inner surface of the heating element is covered with a thin layer of high-temperature electrical insulating material, for example, hexagonal boron nitride (Fig. 9).
Устройство работает следующим образом.The device works as follows.
Собранное и подготовленное устройство устанавливается в газовакуумную рабочую камеру испытательного стенда [6]. Прижимные планки 2 и 3 нагревательного элемента с помощью винтов 6 подключаются к гибким токоподводам рабочей камеры. Управляющая термопара 12 подключается к системе управления нагревом испытательного стенда. Остальные термопары и проводники для измерения напряжения подключаются к измерительным линиям системы измерения испытательного стенда. Проводится вакуумирование рабочей камеры стенда или камера заполняется воздухом или рабочим газом. В соответствии с заданной программой изменения температуры нагревательного элемента (с использованием в качестве сигнала обратной связи показаний управляющей термопары 12) на нагревательный элемент 7 подается электропитание и производится нагрев полуцилиндрического образца 11 исследуемого материала. В процессе нагрева, с помощью приборов системы измерений испытательного стенда, с использованием термопар 13 проводятся измерения температур в образце, с использованием термопар 16 и 22 проводятся измерения температур в датчиках тепловых потоков 15 и 21, а также, с использованием проводников 17 и 18 проводятся измерения напряжения на границах рабочей зоны 19 полуцилиндрического нагревательного элемента 7. Кроме того проводится измерение силы тока в цепи нагревательного элемента. Результаты измерений фиксируются системой измерений испытательного стенда.The assembled and prepared device is installed in the gas-vacuum working chamber of the test bench [6]. The
Измерения электрических параметров нагревательного элемента в дальнейшем используются для расчета по формулам плотности нестационарного теплового потока на поверхности нагревательного элемента. Результаты измерения температур в нестационарном датчике тепловых потоков 15 используются для определения плотности тепловых потоков на нагреваемой поверхности теплоизолирующего элемента 14 с использованием методов решения граничных обратных задач теплообмена [1]. Эти значения плотности тепловых потоков, совместно с результатами определения плотности тепловых потоков на поверхности нагревательного элемента в дальнейшем используются для расчета плотности тепловых потоков на нагреваемой поверхности полуцилиндрического образца. Результаты измерения температур в нестационарном датчике тепловых потоков 21 используются для определения плотности тепловых потоков на внутренней поверхности полуцилиндрического образца с использованием методов решения граничных обратных задач теплообмена [1]. Результаты измерения нестационарных температур в полуцилиндрическом образце исследуемого материала и результаты определения плотности тепловых потоков на границах образца в процессе последующей обработки используются для определения комплекса теплофизических характеристик с использованием методов коэффициентных обратных задач теплообмена [1, 3].Measurements of the electrical parameters of the heating element are further used to calculate the density of the unsteady heat flux on the surface of the heating element using the formulas. The results of measuring temperatures in the non-stationary
Предлагаемое устройство может применяться для определения комплекса теплофизических характеристик (коэффициента теплопроводности и теплоемкости) композиционных конструкционных и теплотехнических материалов на образцах полуцилиндрической формы, в том числе полых и сплошных образцах, а также на многослойных образцах (фиг. 1, 5-9) при различных законах изменения температуры и плотности теплового потока, соответствующих реальным условиям работы исследуемых материалов в широком диапазоне температур (в том числе экстремальных) и темпов нагрева по результатам единичного эксперимента при нестационарном нагреве характерном для конструкций аэрокосмической техники, ядерной энергетики и металлургии.The proposed device can be used to determine a set of thermophysical characteristics (thermal conductivity coefficient and heat capacity) of composite structural and thermal engineering materials on semi-cylindrical specimens, including hollow and solid specimens, as well as on multilayer specimens (Figs. 1, 5-9) under various laws changes in temperature and heat flux density corresponding to the real operating conditions of the materials under study in a wide range of temperatures (including extreme ones) and heating rates according to the results of a single experiment with nonstationary heating typical for structures of aerospace engineering, nuclear power and metallurgy.
Перечень использованной литературыList of used literature
1. Алифанов О.М Обратные задачи теплообмена. - М: Машиностроение, 1988, 280 с.1. Alifanov OM Inverse problems of heat transfer. - M: Mechanical Engineering, 1988, 280 p.
2. О.М. Alifanov, S.A. Budnik, A.V. Nenarokomov, V.V. Mikhaylov and V.M. Ydine, Identification of Thermal Properties of Materials with Applications for Spacecraft Structures. Inverse Problems in Science and Engineering, 2004, vol. 12, pp. 771-795.2.O.M. Alifanov, S.A. Budnik, A.V. Nenarokomov, V.V. Mikhaylov and V.M. Ydine, Identification of Thermal Properties of Materials with Applications for Spacecraft Structures. Inverse Problems in Science and Engineering, 2004, vol. 12, pp. 771-795.
3. Алифанов O.M., Артюхин E.A., Румянцев СВ. Экстремальные методы решения некорректных задач и их приложения к обратным задачам теплообмена. М.: Наука, 1988, 288 с.3. Alifanov O.M., Artyukhin E.A., Rumyantsev SV. Extreme methods for solving ill-posed problems and their application to inverse problems of heat transfer. Moscow: Nauka, 1988, 288 p.
4. Ceramic Matrix Composites. Fiber Reinforced Ceramics and their Applications. Edited by Walter Krenkel, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008, 418p.ISBN: 978-3-527-31361-7.4. Ceramic Matrix Composites. Fiber Reinforced Ceramics and their Applications. Edited by Walter Krenkel, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008, 418p. ISBN: 978-3-527-31361-7.
5. Харламов А.Г. Измерение теплопроводности твердых тел. М., Атомиздат, 1973,152 с.5. Kharlamov A.G. Measurement of thermal conductivity of solids. M., Atomizdat, 1973, 152 p.
6. Алифанов О.М., Будник С.А., Михайлов В.В., Ненарокомов А.В. Эксперментально-вычислительный комплекс для исследования теплофизических свойств теплотехнических материалов. Космонавтика и ракетостроение, 2006, т. 42, №1, с. 126-139.6. Alifanov O.M., Budnik S.A., Mikhailov V.V., Nenarokomov A.V. Experimental-computing complex for studying the thermophysical properties of thermal engineering materials. Cosmonautics and rocket science, 2006, vol. 42, no. 1, p. 126-139.
7. Описание полезной модели к патенту RU 169620 "Устройство для определения комплекса теплофизических характеристик материалов", публ. 24.03.2017, Бюл. №9.7. Description of the utility model to the patent RU 169620 "Device for determining the complex of thermophysical characteristics of materials", publ. 03.24.2017, Bul. No. 9.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020140785A RU2758414C9 (en) | 2020-12-10 | 2020-12-10 | Apparatus for determining complex of thermophysical characteristics of composite materials |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020140785A RU2758414C9 (en) | 2020-12-10 | 2020-12-10 | Apparatus for determining complex of thermophysical characteristics of composite materials |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2758414C1 true RU2758414C1 (en) | 2021-10-28 |
| RU2758414C9 RU2758414C9 (en) | 2022-02-03 |
Family
ID=78466569
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020140785A RU2758414C9 (en) | 2020-12-10 | 2020-12-10 | Apparatus for determining complex of thermophysical characteristics of composite materials |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2758414C9 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1406469A1 (en) * | 1986-07-12 | 1988-06-30 | Киевский Технологический Институт Пищевой Промышленности | Method of determining thermophysical characteristics |
| CN202693430U (en) * | 2012-07-03 | 2013-01-23 | 北京航空航天大学 | High temperature distributed load heat strength test device for plane structure of high-speed missile aircraft |
| RU2556290C1 (en) * | 2013-12-11 | 2015-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" | Method of determination of thermophysical properties of solid materials |
| RU169620U1 (en) * | 2016-09-30 | 2017-03-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | DEVICE FOR DETERMINING THE COMPLEX OF THERMAL PHYSICAL CHARACTERISTICS OF MATERIALS |
| RU172098U1 (en) * | 2016-12-26 | 2017-06-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединённый институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | DEVICE FOR MODELING NON-STATIONARY TEMPERATURE FIELD IN ELEMENTS OF STRUCTURES OF ROCKET TECHNOLOGY UNDER THE INFLUENCE OF POWERFUL HEAT FLOWS |
-
2020
- 2020-12-10 RU RU2020140785A patent/RU2758414C9/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1406469A1 (en) * | 1986-07-12 | 1988-06-30 | Киевский Технологический Институт Пищевой Промышленности | Method of determining thermophysical characteristics |
| CN202693430U (en) * | 2012-07-03 | 2013-01-23 | 北京航空航天大学 | High temperature distributed load heat strength test device for plane structure of high-speed missile aircraft |
| RU2556290C1 (en) * | 2013-12-11 | 2015-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" | Method of determination of thermophysical properties of solid materials |
| RU169620U1 (en) * | 2016-09-30 | 2017-03-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | DEVICE FOR DETERMINING THE COMPLEX OF THERMAL PHYSICAL CHARACTERISTICS OF MATERIALS |
| RU172098U1 (en) * | 2016-12-26 | 2017-06-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединённый институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | DEVICE FOR MODELING NON-STATIONARY TEMPERATURE FIELD IN ELEMENTS OF STRUCTURES OF ROCKET TECHNOLOGY UNDER THE INFLUENCE OF POWERFUL HEAT FLOWS |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2758414C9 (en) | 2022-02-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU169620U1 (en) | DEVICE FOR DETERMINING THE COMPLEX OF THERMAL PHYSICAL CHARACTERISTICS OF MATERIALS | |
| CN104215521B (en) | Re-power-environment coupled action test device and application under room temperature to superhigh temperature | |
| Zhang et al. | A high-precision instrumentation of measuring thermal contact resistance using reversible heat flux | |
| EP0159438A2 (en) | Multi-layered thin film heat transfer gauge | |
| Hager et al. | Experimental performance of a heat flux microsensor | |
| Sim et al. | An apparatus for performing microtensile tests at elevated temperatures inside a scanning electron microscope | |
| Feng et al. | An improved steady-state method for measuring the thermal contact resistance and bulk thermal conductivity of thin-walled materials having a sub-millimeter thickness | |
| Scoarnec et al. | A new guarded hot plate designed for thermal-conductivity measurements at high temperature | |
| Chen et al. | Experimental investigation of high temperature thermal contact resistance of thin disk samples using infrared camera in vacuum condition | |
| Gangireddy et al. | Flexural creep of zirconium diboride–silicon carbide up to 2200 C in minutes with non-contact electromagnetic testing | |
| Gustavsson et al. | Specific heat measurements with the hot disk thermal constants analyser | |
| Filla | A steady-state high-temperature apparatus for measuring thermal conductivity of ceramics | |
| Heldenfels et al. | Experimental and theoretical determination of thermal stresses in a flat plate | |
| RU2758414C1 (en) | Apparatus for determining complex of thermophysical characteristics of composite materials | |
| Garnier et al. | Estimation of thermal properties of composite materials without instrumentation inside the samples | |
| Chen et al. | Effect of surface heat transfer coefficient gradient on thermal shock failure of ceramic materials under rapid cooling condition | |
| Lyon et al. | New technique for measuring the heat of solid deformation | |
| Sonker et al. | Simulation of thin film thermocouple for high temperature measurement applicable to missiles | |
| RU148273U1 (en) | DEVICE FOR CONTROL OF THERMAL CONDUCTIVITY OF PLATES FROM ALUMONITRIDE CERAMICS | |
| Masuda et al. | A method for the simultaneous measurement of total hemispherical emissivity and specific heat of metals by the transient calorimetric technique | |
| Kendall et al. | Heat transfer measurements in a hot shot wind tunnel | |
| Al Ashraf | Thermal conductivity measurement by hot disk analyzer | |
| Zhao et al. | Combining 3D Printing and Magnetron Sputtering Technique for Fabricating High Temperature AgPd Thick Film Strain Gauge | |
| Robertson et al. | An accurate surface temperature measuring system | |
| Owate et al. | A device for thermal conductivity measurement in a developing economy |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: CORRECTION TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL 31-2021 FOR INID CODE(S) (72) |
|
| TH4A | Reissue of patent specification |