автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Теплофизические свойства различных композиционных материалов в широком температурном интервале

(

АЗЕРБАЙДЖАНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. АЗИЗБЕКОВА

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАЗЛИЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ШИРОКОМ ТЕМПЕРАТУРНОМ ИНТЕРВАЛЕ

Специальность 05.14.05 — Теоретические основы теплотехники

/ . .О

На правах рукописи

ЛОЛУА ДАВИД ГЕОРГИЕВИЧ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Баку — 199!

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая и общая теплотехника» Грузинского технического университета.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент КИГУРЛДЗЕ О. Д. ,

Научный консультант: доктор физ.-мат. наук, профессор ГОДОВСКИй Ю. К.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор МУСТАФАЕВ Р. А.,

кандидат технических наук, старшин научный сотрудник КУЛАГИН В. И.

Ведущее предприятие — Институт химии высокомолекулярных соединений АН УССР (г. Киев).

на заседании спецналнзированнгго совета К 054.02.07 при Азербайджанском ордена Трудового Красного Знамени индустриальном университете им. М. Азизбекова по адресу: г. Баку, 370601, пр. Ленина, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Защита состоится

1991 г. в

Автореферат разослан

Ученый секретарь

спет.

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание новых материалов, отвечающих самым разнообразным требованиям, в значительной степени определяет достижения многих отраслей современной техники.

Этим объясняется повышенный интерес к производству и применению различных композиционных материалов с улучшенными физико-химическими и теплоф.изическими свойствами.

В порошковой металлургии особое место занимают композиционные порошки',которые получают путем нанесения тем или иным способом на порошок - основу плакируодего слоя металла. Данные материалы на только сочетают в себе свойства материала основы и материала покрытия, но и обладают новыми специфическими свойствами.

Композиционные порошки системы ^/д/4' • ^/лДг^/д/с предназначены для плазменного и газометрического напыления срабатываемых уплотнительных покрытий на узлы турбинных двигателей, промежуточные слои, детали изготовленные из сталей, чугунов, алюминиевых и других сплавов, для нанесения антифрикционных гаро-прочных и теплозащитных покрытий на узлы механизмов. Равномерная сплошная никелевая оболочка вокруг частиц порошков пра плазменном напылении не только защищает порошок от термического и химического воздействия плазмы и окружающей среды, но при ударе предотвращает упругие отражения частиц от подложки, тем самым увеличивая коэффициент использования порошка до 80%.

Расширение области применения данных порошков требует проведения исследований физических, тепловых, электрических и других свойств материалов, знание которых необходимо для решения задач о тепловой изоляции, термической прочности изделий, работоспособности различных конструкций и многих других. К числу таких свойств относятся удельная теплоемхость, температуропроводность, теплопроводность и др.

Всё более широкое применение в различных областях техники находят полимерные композиционные материалы на основе полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) и полиуретана. Различные неорганические и металлические наполнители придаст новым материалам нужные улучшенные физико-химические и теплофизические свойства. Созцание многокомпонентных наполненных полимерных систем представляет сложную научную проблему. Эта сложность является следствием слияния химического состава полимеров, их -физической структуры, а также химической природы наполнителей, прочности связи полимер-наполнитель на свойства композиционных материалов.

Установление значения теллофи8ических свойств полимерных ком позиционных материалов необходимо для разработки рациональной технологии производства изделий из полимеров, а также для понятия их структуры.

Таким образом, исследование теплофизических свойств (теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости) металлических и полимерных композиционных материалов с различными наполнителями представляет интерес как с научной, так и с практической точек зрения.

Цель 1?аботы. Целью данной работы является исследование тепл физических свойств (коэффициентов теплопроводности, температуре проводности и теплоёмкости) новых полимерных композиционных мат риалов о различными наполнителями в широком диапазоне температу

Установление влияния содержания наполнителей и других факте ров на теплофизические свойства полимерных композиций.

Обобщение полученных результатов по теплофиэическим свойствам и вывод формулы для расчёта эффективных коэффициентов теши проводности трехкомпонентных систем по содержанию составных ко» понентов о целью предсказания теплофизических свойств новых материалов .

Предмет исследования. В настоящей работе исследуемыми предметами являлись композиционные полимерные материалы. В.качестве связующего материала были использованы полимеры с различной химической структурой: полиэтилен высокой плотности и полиуретаны. В качестве наполнителей были применены СаС03, каолин, армянский туф, тальк, эпоксидная смола ЭД-22 и высокодисперсные металлические порошки (-^//1)1 , . ^"/дЛ ).

Научная новизна.

1. Впервые получены экспериментальные данные по комплексу теплофизических свойств (теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость) явухкомпонентних и трехкошонентннх полимерных композиций на основе полиэтилена высокой плотности н полиуретанов, с различными паполнитоляиа СаСО_, каолин, армянский туф,

э

тальк, эпоксидная смола ЭД-22 и высокодясперснши металлическими порошками , ^/¡^¡1 , ^/д/с •

2. Доказана возможность расчёта коэффициента теплопроводности исследованных полимерных композиций по формуле, соответствующей структуре с вкраплениями.

3. Предложена аналитическая зависимость' для расчёта эффективных коэффициентов теплопроводности трехкошонентннх систем в широком диапазоне температур п варьировании составных компонентов.

Прзптичсскзя ценность работа. Полученные экспериментальные оапнне по теплофизическим свойством (теплопроводность,температуропроводность и теплоемкость) полимерных композиционных и металлических композиционных материалов могут быть использованы для разработки рациональной технологии производства изделий из поли-«еров и необходимы как справочные данные при теплофизических рэс-[ётах для рептення задач о тепловой изоляция, термической проч-юстп изпеллИ,работоспособности различных конструкций, защитных

антикоррозионных покрытий и многих других. Автор защищает:

- результаты исследования теплофмзических свойств в широком температурном интерЕзле двухкомпонентных композиций: мелкодиспер-

полненннх полимеров на осноге ПЭВП с неорганическими компонентами СаСО„, каолина и армянского туфа; наполненных полимеров на ос-

о

ново полиуретана ВИЯАД-13 и ВИЛАД-14;

- результаты исследования теплоёмкости и теплопроводности трехгсомпонентных систем на основе ПЭВП с композиционными металлическими включениями при комнатной температуре;

- установленную закономерность теплопроводности трехкомпонен-тных веществ от объемной концентрации компонентов;

- методику расчёта температурного полл сухого трансформатора с влагозащитными покрытиями И8 композиционного материала на осно-DQ полимера с вкраплениями кз материала высокой теплопроводности.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуадалнсь:

1. На ХХШ республиканской нсучно-техничоскоВ конференции ГПИ, Тбалисп, IS8I.

2. Ыа порвой научно-технической конференции молодых ученых и аспирантов ГШ, Тбилиси, IS83.

3. Hs республиканской научно-практической конференции молодых ученых, специалистов и работников производства, Тбилиси,1984.

4. На всесоюзной конференции "Метрологическое обеспечение теплофизических измерений при низких температурах",Хабаровск, 1965.

5. На республиканской научно-технической конференции,Батуми, 1985.

Я. На пятой международной конференции по термограмметрии и

сних металлических

порошков

тешготехгакн, Будапешт, 1987.

Публикации. Основные аолоаения ццссертоцпоиной работы опубликованы н 7 статьях.

Личный вклад автора. ПрэцстпвлзиниЯ в пяссортацзл екопор^зеа-тзльный (материал, анализ, обработка результатов а игзояп лпляэт-ся личным вкладом автора.

Структура и объем работы. Диссертационная работа ооотопт аз введения, четырех глав, заключения, списка литературы пз 79 саа-мэнований и приложений.

Объем диссертации - 146 страниц основного текста, 57 рисунков, II таблиц.

содегадшЕ работы

Во введении обоснована актуальность теги.

В первой главе анализируется современное ооотояпзз вопроса по строению и общим физическим свойствам полимеров п комюзпцз-онных материалов и по выбору методгап исследования теплефзоочэо-яих свойств многокомпонентных систем.

Обзор опубликованных работ приводи? к внводу, что топлофнзя-ческие свойства композиционных пороппсоэ -^//.Д , , ^ /д/^ , а тосте полимерию композиций на основе ПЭЗП а ползурзтгпэ о органическима и иеталллчгсЕгд капоянатедгая пзучоки ег;3 сззостэ-точно а тробуэт проввдокгя гальяоГпэго псслодовавпя а отса сгя-рапленил.

Во второй глава дана характеристики п технология подучегпя исследуемых образцов, описснпя окспггр:^:зптальп1!х уотаногоя, по-гтольаовангасс для определения тешгофлзптосаах свойотз яклозапо.ч-иых кэтеряалов я приведены градупрозоппиэ еккгйпзгеатц о цэлм> оценка погрешностей пеыерзпий.

Объектами исследования тецлофизичеекпх свойотз являлась о

основной ксашозиционные материалы на основе органических, неорганических и высокодисперсных металлических наполнителей.

Исследование тепло^зичеоких свойств материалов проводилось

на образцах в сыпучем, прессованном и монолитном видах.

м

Композиционные порошковые материалы системы , /д^',

^I г получают в автоклаве путем водородного восстановления никеля под давлением из Водных растворов солей никеля на поверхности частиц порошков (Л1,С,Си) при температуре Н04140°С и парциальном давлении водорода 20-24 кгс/с№. Толщина никелевой оболочки на частицах порошков может варьироваться в широком диапазона от долей микрона до десятков.микрон.

Для изготовления композиций использован порошкообразный поли-атилен высокой плотности (ПЭВП). Минеральные наполнители - кальций и туф - предварительно измельчались до среднего размера 749 мкм; частицы используемого каолина имели средние размеры 446 мкм. ПЭВП и наполнители сушили до остаточного содержания поверхностной влаги не более 0,3?. Порошки предварительно перемешивали в скоростное смесителе, а затем проводили смешение в роторном смесителе при температуре 180°С. Количество наполнителя в смеси контролировали методом термограмметрического анализа. Об разцы для измерения вырезали иг пластин, спрессованных при 180°С и давлении 10 МПа. Плотность образцов определяли методом гидростатического взвешивания.

Аналогичным методом изготовлялись трехкомпонентные образцы на основе полиэтилена высокой плотности высокодисперсными металлическими наполнителями (Д^ • ^/д/¿' • ^/дД ).

Полиуретановые композиции ВШ1АД-13 и ВИЛАД-14 состоят из двз компонентов - полиола (компонент А) и полизоцианата (компонент Б), соотношение компонентов смеси для ВИЛАД-13 А:Б = 2,8 : I; для ВИЛАД-14 А:Б =1,9 : I.

Для литой полиуретановой изоляции используются полиуретаны, преимущественно наполненные. В качестве наполнителя используются неорганические наполнители, чаще всего тальк. Была разработана ВШ1АД-25 модификация состава ВИЛАД-13 за счёт введения в компонент А эпоксидной добавки.

В зависимости от вида и условий эксплуатации исследуемых образцов применялись: измеритель теплоемкости ИТС-400, прецизионный образцовый адиабатический калориметр для измерения теплоемкости - УНТО, измеритель теплопроводности ИТ-^-400, измеритель теплопроводности ИТМ-1 и установки для определения коэффициента температуропроводности.

Для аттестации измерительных установок применялись образцовые меры из подаметилметакрилата« плавленного кварца, чистой ме~ ди и синтетического' корунда'. •

В третьей- главе приводятся результаты исследований теплофя-вических свойств двухкомпонентных и' трехкомпрнентннх систем на основе металлических порошков н,црлймеров:ПЭВП и полиуретана.

Исследования удельной теплоемкости мелкодисперсных металлических композиций ^/д(I- /Д/ь и составных компонентов ДИ, С , Си и производились на измерителе теплоемкости 1ГГ-С-400 в диапазоне температур 173+673 К й на адиабатическом калориметре - УНТО в диапазоне температур 99+260 К. Прессованные брикеты (цилиндрические) для исследования имели размеры диаметром 15±0,1 мм и высотой 10^0,1 мм. Кроме того, исследования проводились и на образцах в виде порошка.

Для аппроксимации исходной зависимости с помощью полинома результаты обрабатывались на ЭВМ.

Установлено, что величина удельных теплоемкостей композиций ^ /}41, Сч /дД и в пределах погрешностей измерений

(¿5+7$) не отличается от удельных теплоемкостей соответствующих

смесей, раоочитанных по формуле аддитивности. Результаты,получен кыэ ив образцах в монолитном и порошкообразном состояниях, позво ляли обрабатывать экспериментальные точки как единый массив.

Таким образом, вклады в теплоёмкость поверхностных явлений Есоледованпых выоокодисперсных материалов, а также структурных связей графлю, м°ди, алшикия с никелем в пределах погрешностн измерений пе обнаружены. Следовательно, при практических тепловых расчётах о погрешностью ±5*755 объектов с использованием композиционных материалов , и можно использовать выравненные значения • приведенные в диссертации

В экспериментах про измерении коэффициента температупропровс ности температура Езморядесь только в одной точке,а именно - в геометрическом центра коночного цилиндра. При исследовании коэффициента температуропроводности сыпучего материала из-за сложного теплообмена в исследуемом материале измерение температуры в одной точке недостаточно. Для проверки установления момента наступления регулярного режима в процессе охлаждения произведён рас чёт температуры в двух точках цилиндра конечных размеров.

Анализируя подученные результаты данной задачи, можно заключить, что по истечении времени = 600 с начала охлаждения режим изменения избыточных температур 01} С2.= 0, 2 = 0, ^ ) и

$ (Ъ* 1-Ю"2, I » 1,5*Ю"2,^) становится регулярные с вто на полулогарифмических графиках выражается тем, что соответствующие графики стэноеятся прямолинейными и параллельной друг другу.

Измерения коэффициента температуропроводности проводились на образцах в сыпучем виде с различными плотностями.

В исследованном диапазоне температур 35+25°С коэффициент те) пературопроводности практически не зависит от температуры и сре; нее значение коэффициента температуропроводности составляет для

системы Си/^ _ 1,5-Ю-7 м^'с, для -

= 1,75-Ю"7 м^/с и для - 4'10~" ь^/с.

Передача тепла путем теплопроводности в порошкообразном веществе осуществляется благодаря переходу от частицы к частице через непосредственные контакты между ними и перехода от частицы к частице через разделятацую промежуточную среду. Естественно,что процесс теплопередачи в таких материалах будет зависеть от механической структуры вещества, степени дисперсности, характера сложения частиц,формы,размера и способа контактирования частиц.

Расчёт коэффициента теплопроводности проводился по фордуле

- ОТ = —- , используя экспериментальные данные по уде.чьной

С,» • р

теплоемкости и коэффициента температуропроводности.

Измерение удельной теплсёшсост1;! полимерных композиций производилось р диапазоне температур -100+200°С на измерителе ИТ-С-400. Для улучшения теплового контакта образцов со стаканом использовалась смазка ПФМС-4. .

Объектами исследования являлись полимеры с матрицей - ПЭВП, наполнителем - карбонат кальция (30,40,50 и 60$), а также ПЭВШ-тЗО"» каолина и ПЗВ11+50$ армянского туфа. Результата измерения удельной массовой теплоёмкости через каядно 5 градусов представлены на рпсД. Кок влцно из этого рисунка, с ростом процентного :одергвния наполнителя (от 0 до 60/') уменьшается удельная теплоемкость. На графике приведены также экспериментальные значения теплоемкости ПЭВП, результаты которых в пределах погрешности из-лереннл хорошо согласуются с литера ту ркнмл данными.

Экспериментально определяли удельную массовую теплоемкость 1рл постоянно;,1 давления. Для пересчёта от глссонсй к объемной геплоёшсости .для исследованных образцов пользовались значениями гаотностей. Плотпость образцов определяли ыетодим гидростатячес-:ого взвелявания. Отличия измеренных величин плотности от рассчи-

тайных значений плотности композиций не превышали 2%.

Как видно из рис.1,вне области плавления как ниже, так и выше неё, удельные теплоёмкости композиции и ЯЭВП близки. Отличие в области температуры плавления свя-но с изменением количества кристаллов ПЭВП. Полученные значения теплоёмкости полимерных композиционных материалов от комнатной до температуры плавления важны шш

Изготовления материалов спец-4 - ПЭВШ-60% СаС08; 5 - ПЭВШзксп.); назначения, а Еыше температу-6 - ПЭВП+30% каолине; 7 - ПЭВП+40^

СаСО„; 8 - ПЭВП+50£ армянского туфа. Ры плавления - для техноло-

о

гии переработки изделия.

Для всех исследованных образцов (рис.1) значения удельной теплоемкости начинают возрастать сначала медленно, а затем быстрее и на кривой появляется пик с конечным максимумом.

Широкий температурный интервал плавления полимеров с пиком теплоёмкости объясняется распределением криоталлитов по размерам, обусловленным кинетическими факторами. Меньшие по размеру кристаллиты плавятся при более низкой температуре по сравнению с более крупными и наблюдается явление частичного плавления в полимерах.

Полиуретановые композиции ВШ1АД-13 и В11ЛАД-14 представляют собой двухкомпонвнтные системы из полиола и полизоцианата с различными соотношениями этих компонентов. .

ср м0»/м'.к

» - 1 • -г А Ш -4

"о -% + -6 О -7 Л -»

! О я к о

А , о ■ +

.11 + ? ! 1 + ; ■ Я □ я а .

с I ; ■ . !' ■

ю. ад м 100 но 1М

Рис.1. I - ПЭЗП /2/; 2 - ПЭВП+ЗО^ СаС0_; 3 - ПЭВП+50$ СаСО_;

О о

Приведены экспериментальные результаты те:каратурнсй зависимости коэффициента теплопроводности и удельной теплоёмкости для электроизоляционных материалов В1ШАД-13 и ВШ1АД-14, составлены таблицы выравненных значений этих величин. Диапазон измерения температуры составлял (-Ю0-»175°С).

Объектами исследования трехкомпонентнкх систем являлись полимеры с матрицей - ПЭВП с наполнителями ^ /дД, и ^ и ВИЛАД-25 (модификация двухкомпонентной смеси полиола и полизо-цианата-с добавлением эпоксидной смолы ЭД-22).

Объемные концентрации металлических наполнителей в ПЭВП менялись от I до 16%. Измерения теплопроводности образцов проводились на измерителях ИТ-20 и ИШ-1.

На рис.2 и 3 показаны соответственно экспериментальные теплопроводности композиций ПЭВШ-

С<г * пэвш-

от объемной концентрации наполнителей С« /¡^¿^ и Си«

Вт м к 0.9

Цв

ДБ

05 О

х -п рвп+с / /

* - -У /

цо5 цм № ад цм ол> уг цг до ¡д» сфт,,

Рис.2. Концентрационная зависимость теплопроводности композиции ПЭВП + металлический наполнитель ^ / л/£ .

Как видно из этих рисунков,теплопроводность композиций (примерно до объемной концентрации наполнителей

Си

о ) О

ростом концентрации растет незначительно, а затем наблюдается скачкообразное изменение этого параметра. Объяснение этого эффекта приведено е главе 4.

Л'КК 0,9

.V

0.7 аб

а«»

-л; ВП+Си, / г-

/ о / {

о_о_, ,—0-с - 0— V

0,05 0Д!6 0,07 0,08 ДО« ДО ЦП Р ЦК № ДОт*

Четвертая глава работы посвящена обобщению экспериментальных ванных по теплофизи-ческим свойствам (теплоёмкость,теплоемкость и температуропроводность) веществ. Дана методика расчёта тестового режима сухого трансформатора, заполненно- . го полимерным композиционны.! материалом.

Для обширного класса веществ задача теоретического определения коэффициента теплопроводности двухфазных и многофазных систем по данным о коэффициентах теплопроводности каждой фазы до сих пор не решены. Решения получены для органического класса систем. По-видкыому, первач работа по обобщенной проводимости принадлежит- Максвеллу. Формула Максвелла справедлива при малых концентрациях включений

Рис.3. Концентрационная зависимость тепло- . проводности композиции ПЭВП + металлический наполнитель (ь /д^ .

(I)

1ений , Л ч Л \

к -

где Д^н Лхобозначают коэффициенты теплопроводности отдельных компонентов, а величина £ связана с объемной концентрацией второй фазы уравнением .

С + 1 (2)

V- .

где

V " V

0 V • VI и \/д. - объемы смеси и его компонентов. ■

Ввиду того, что в- исследованвых нами образцах металлических включений относительные концентрации были выражены в массовых

долях, а в расчётных формулах теплопроводности композиционных

V

ыатериалов участвуют объемные концентрации компонентов, производили соответствующий пересчёт для бинарной системы по формуле:

где объемная концентрация первого компонента; УУу^и ИА^ -

массовые концентрации первого и второго компонентов соответственно.

Для механических смесей, которые представляют собой неоднородную систему, состоящую из однородных частей, рагракаченных поверхностями разделе, можно рассмотреть две различные группы по структуре. Это структуры с вкраплениями (или так называемые структуры о замкнутыми включениями) и структуры с взаимопроникающими компонентами.

Структура с вкраплениями состоит из связующего материала I (в данном случае полиэтилен высокой плотности, полиуретан) в котором распределены неконтактирующие между собой вкрапления одной шга нескольких компонентов 2 (металлические вкрапления, неорганические наполнители и др.).

В структуре с взаимопроникающими компонентой любая из компонент I и 2 непрерывно протянута во Есех направлениях.

Комбинирование вышврассмотренннх структур даёт комбинированную структуру о взаимопроникающими компонентами и вкраплениями.

Основное различие между структурами с вкраплениями и с взаимопроникавшими компонентами состоит в том, что в структуре о вкраплениями компоненты геометрически неравноправны, т.е. не обладают инвариантностью при замене компонентов местами.

Г.Н.Дульнёв и Ю.П.Заричняк для расчёта эффективной теплопроводности структуры о взаимопроникающими компонентами дают следующее уравнение:

г

\ ^.[сМС1-с)

где ^ = и с -(Л - ширина бруса упорядоченной решетки, Цу, - длина ребра куба).

В.И.Одолевский даёт выражение для эффективной теплопроводности двухкомпонентной структуры о замкнутыми включениями:

Л _ _ ^ (5)

где =

Для гетерогенных систем с хаотической двухкомпонентной структурой хорошее совпадение расчёта с экспериментов даёт также формула Ю.П.Заричняка и В.В.Новикова:

Сравнение вышеприведенных формул показывает, что максимальное расхождение между ними (для разнообъемных относительных концентраций и крайних значений исходных теплопроводностей) составляет 20$.

При изготовлении образцов полимер^С , полимер+Си , полимер*-М металлические наполнители берутся в виде порошка и после перемешивания "прессуются при_температуре 180°С.-Как показали мик-роскопические'исслецо^ания микрошлифой, проведенные на микроскопе ЮШ-7, структура образцов наиболее "близка к структуре с замкнутыми включениями. Поэтому для нашего случая более правомерно использовать формулу (5). Для получения коэффициента теплопроводности плотного образца необходим пересчёт с учётом объема,занятого порами.

Г.Н.Дудьнёв и В.В.Новиков предложили уточненную базовую модель неоднородной среды с хаотически! распределением компоненте: и формулу эффективной теплопроводности для бинарной неоднородно

системы с учётом теории протеканий. Теми же авторами были учтены в процессе переноса контактирования металлических частиц в компаунде через тонкие прослойки полимера.

Расчётные значения эффективной теплопроводности при температуре 273 К бинарных систем ПЭВГС+ ПЭВП+ Си и 1Ш1+А1 по Дульнёву и Новикову и значения и

приведены на рис.4.

Рассмотрев трехкомпонентную систему - полимер с металлическкыи композиционными вкраплениями, элементарную ячейку разбиваем вспомогательными адиабатическими плоскостями для эффективной тегогопро-

А»

6т/КЛ »

гч

га

к

ю

403.1 ц 5 а /

о-пмг э-пэы &-пэв1 1.си

«5/ «/ с * ) г/ о/ 11 9м /

щ

водности мулу:

(

) и получаем фор-

^Хаа

А1 + Я

«

•<3

(7)

0.11 т.

0 0.1 02 0.3 Рис.4. Концентрационная зависимость эффективной теплопроводности бинарных систем при температуре 273 К. Цифры у кривых указывают максимальное значение геплэп^эьдности.

где ,1

ТпГь7

. о ' -

Уи

Ул

ЗХГ'

Л* (1 - : ■ п' - _ >

В фоноле (7)

» объемные концэн-грацшз в коэффициенты теплопроводности компонентов соогеототезшю.

Аналогично при дроблении элементарной ячейки комбинированными плоокоотяии для эффективной теплопроводности ( подучена формула:

^ . А, ч71 ^

о' - _ • П '

Дяя макоямальыого прнблшдашя к истинным значениям ьффакгаз-сой теплопроводности ^необходимо использовать о радио о схсф-штичоохоэ вначениа результатов адиабатного и ксабшшрованвого дроблзЕхя слеша гарной ячоШац п.

Л — Ло^"*" А к

Л ^ ~ £ О)

Подученные формулы для определения коэффициентов теплопроводности О^ао п \к не учитывают вффекта протекания. Поэтому изг можно нопольвовать для росчёте обобщенной проводимости по порого-

вой концентрации, т.е. до объемной концентрации УУ\г = 0,15 металлических вкраплений. Вышеупомянутый эффект учитывЛтся в теории обобщенной проводимости е работах проф. Г.Н.Дульнёва и его сотрудников.

Расчётные значения эффективной теплопроводности по формуле (9) трехкошонентной композиции ПЭВП+ в 80Е"скмостн

от температуры и концентрат™ металлических включений приведены на рис.5. На этом же рисунке нанесены также экспериментальные топки по исследованию эффективной теплопроводности композиций

до критической концентрации при комнатной температура. Экспериментальные результаты в пределах погрешности измерений хорошо согла суются с теоретическими значениями. На рис.6 пряведо-трехкомпонентной композиции ПЭВП+ ^«"/д/^ на концентрационная

о 031 c.0j с,q5 q07 8,03 c,t1 o.tS ra*

Ríe.5. Температурная и концентрационная зависимости эффективной теплопроводности

зависимость (расчёт-

но фордуле / 'э /,

ныв значения по формуле Дульнёва и Новикова и экспериментальные донные) эффективной теплопроводности трехкомпонентной композиции г,^. Расчётные значения эффективной теплопроводности получены методом последовательного сведения трехкомпонентной смеси к бинарной. Как видно из рис.6, в системе начинается резкое повышение теплопроводности: в довольно узком интервале изменения концентрации наполнителя теплопроводность возрастает почти вдвое. Концентрационная зависимость теплопроводности согласуется с теорией протекания, согласно которой резкое увеличение проводимости

1,0 о

о-* ьомтюа ' ■ т-т миимим 13 и

А- ИскмжЬтА/иию «.А« ни*' Т-Ш*

. ! ШНСц и/«»я

• А

■ 1-

«ива в,ос ело 515 т» Еис.б.Кондентрационная зависимоегь эффективной теплопроводности трех-компонентной композиции ПЭВП»- С*.«/ (расчётные и эклер.данные).

о-ю'. мУс

ОД5 0,1 0;8 0,20 021 т,

Рис.7. Концентрационная зависимость коэффициентов температуропроводности бинарных композиций.

системы соответствует переходу от изолированных кластеров к бесконечному кластеру,обеспечивающему перенос тепла в композиции по высокотемпературному компоненту. Значение порогоя лротекания близко к теоретическому значению УИК= 0,15 для трехмерной системы.

На рис.7 показана концентрационная зависимость коэффициента температуропроводности (расчётные значения с использованием формулы Дульне-ва и Новикова) бинарных композиций говш- Си , пэвп+ № , ПЭВШ-Ыс . Как видно из этого риоунка, при концентрации металлических включений порядка = 0,15 наблюдается прыжковая температуропроводность. На графиках нанесены также экспериментальные точки, полученные на устаноЕ-

I

ке измерения температуропроводности методом регулярного режима для вещества ПЭВШ-С . Как видно из графика, максимальное отклонение от расчётной кривой экспериментальных точек не превышает 15%.

швода ПО РАБОТЕ

1. На основе анализа существующих литературных данных, а также проведения предварительных опытов были выбраны нужные методики измерения и соответствующие измерительные приборы, позволяющие изучить комплекс теплофизических свойств композиционных материалов на основе полимеров в широком диапазоне, температур и относительного содержания компонентов. Дня повышения чувствительности измерительного прибора ИТ-С-400 после реконструкции 25-ти градусные температурные интервалы были сокращены до 5-ти градусных температурных интервалов.

2. Впервые получены экспериментальные данные по теплоемкости и температуропроводности двухкомпонентных мелкодисперсных мэ-

диапазоне температур от -Юр°С до +400°С.

3. Впервые получены экспериментальные данные по теплоемкости двухкомпонентных композиций полиэтилен высокой плотности с неорганическими наполнителями СаСОэ> каолин и армянский туф в диапазоне температур 104180°С.

4. Впервые получены экспериментальные данные по теплоемкости и теплопроводности двухкомпонентнюг наполненных полимеров на основе полиуретана ВИЛАД-13 и ВИЛАД-14 в диапазоне температур от -100 до +200°С.

5. Впервые получены экспериментальные данные по теплоемкости и теплопроводности трехкомпонентных систем на основе полиэтилена высокой плотности с композиционными металлическими включениями при комнатной температуре.

6. На основе теории бобщенной цроводимроти получена аналитическая зависимость для расчёта эффективных коэффициентов теп-

) в

лопроводко 'ги трёхяомпонентных веществ, которая может быть применена дел предсказания теплофизических свойств новых материалов,

7. Установлено, что структура исследованных в настоящей работе полимерных композиций представляет собой полимерную матрицу

о вкраплениями. Исходя из такой структуры и сочетанием методов теории протекания и приведения к элементарной ячейке подобрана формула и рассчитаны коэффициенты теплопроводности й температуре проводности для двух- и трехкомпонентных систем в широком диапазоне температур и относительного содержания компонентов. Такая теория удовлетворительно обобщает все экспериментальные данные и учитывает концентрацию различных наполнителей.

8. Установленные значения теплофизических сеойств полимерию композиционных материалов необходимы для разработки рационально! технологии производства изделий из полимеров.

9. Разработана методика расчёта температурного поля сухого трансформатора и показана перспектива применения для влагозащитного покрытия из композиционного материала, на основе полимера о вкраплениями из материала еысокоЙ теплопроводности.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Лолу а Д.Г.., Арвеладзе И.С., Дхорбенадзе U.A. Исследоваки теплоемкости полимерных композиционных материалов на основе пол этилена высокой плотности /Науч. труды ГПИ * 5(275), Электро-и теплоэнергетические установки, 1984. - С.95.

2. Кигурадзе О.Д., Лодуа Д.Г., Ярошения K.M., Силантьев B.J Чхаидзе Б.Ш. Теплофизические свойства изоляционных полимерных композиций в диапаз <е температур 60-»160°С /Науч.труды ГПИ J6 2 (299), Теплоэнергетические процессы и установки, 1966. - С.41.

3. Годовский D.K., Кигурадэе О.Д., Лолуа Д.Г. Критическая концентрационная зависимость теплопроводности композиции палим дисперсный металлический наполнитель. Высокомолекулярные соей

нения. — Т. XXVIII (сер. Б), № 8, 1986.

4. Кигурадзе О. Д., Лолуа Д. Г., Точин В. А., Арве-ладзе И. С. Исследование удельной теплоемкости полимерных к м :озиционных материалов. — Сообщения АН Грузинской ССР, 127, № 1, июль, 1987. — С. 145.

5. Гслеишвили Т. П., Кигурадзе О. Д., Лолуа Д. Г., Ар-вела.'се II. С. Удельная теплоемкость порошковых композиционных материалов. — Сообщения АН Грузинской ССР, 129, № 3, март, 1988. — С. 588.

6. Годовский Ю. К-, Кигурадзе О. Д., Лолуа Д. Г. Теплопроводность гетерогенной системы полимер — металлические композиции (Науч. труды Г'ПИ им. В. И. Ленина №4(333), 1988. — С. 54.

7. Чхаидзе Б. Ш., Касрадзе Л. М„ Кигурадзе О. Д., Лолуа Д. Г. Тепловой режим сухого трансформатора (Науч. труды ГПИ им. В. И. Ленина №4(333), 1988. — С. 56.

Зак. 1075. Тир. 100. П. л. 1,0. Тип. АзИУ им. М. Азизбекова. Баку — ГСП, проспект Ленина, 20.