Способ создания двухкомпонентного композита с заданной теплопроводностью

Изобретение относится к технологиям создания композиционных материалов с заранее заданными теплофизическими свойствами, а именно к композитам в виде двухкомпонентной смеси, образованной путем механического смешения двух веществ. Изобретение предназначено для использования в приборостроении, авиационной и космической отраслях промышленности, в теплоэнергетике, а также в метрологии для создания стандартных образцов теплопроводности твердых тел. Способ позволяет создавать двухкомпонентные композиты с заданной теплопроводностью, непрерывно изменяемой в широком диапазоне, при этом номенклатура используемых веществ практически не ограничена и нет каких-либо жестких требований к их гранулометрическому составу. Кроме того, использование веществ, обладающих высокой температурой плавления, позволяет создавать композиты с высокой предельной рабочей температурой, вплоть до 2000-2500°С. Оцениваемая достоверность задания эффективной теплопроводности согласно предлагаемому способу не менее 90%. Технический результат заключается в создании материала с заданной теплопроводностью в широком диапазоне ее изменения с одновременным расширением температурного диапазона и номенклатуры используемых для его создания веществ. 4 ил.

 

Изобретение относится к технологиям создания композиционных материалов с заранее заданными теплофизическими свойствами, а именно - к композитам в виде двухкомпонентной смеси, образованной путем механического смешения двух веществ. Изобретение предназначено для использования в приборостроении, авиационной и космической отраслях промышленности, в теплоэнергетике, а также - в метрологии для создания стандартных образцов теплопроводности твердых тел.

На современном уровне развития науки и техники известны и применяются следующие способы получения композиционных материалов с заранее заданным значением теплопроводности.

Известен способ получения рецептуры композиционного полимерного материала с эффективными теплофизическими и электрофизическими характеристиками в заданных интервалах, заключающийся в том, что по экспериментальным данным строят поверхности и соответствующие им изолинии эффективных характеристик, зависящие от управляющих параметров - степени наполнения, типа и среднего радиуса частиц наполнителя, и наложение изолиний определяет рецептуру - значения управляющих параметров, обеспечивающую попадание эффективных характеристик в заданные интервалы значений (патент на изобретение РФ №2668915, МПК C08J 3/00, опубл. 04.10.2018, БИ №10). Согласно данному способу состав и свойства композиционного полимерного материала определяются степенью наполнения и средним радиусом частиц наполнителя, который обладает известными теплофизическими и электрофизическими свойствами. Недостатки способа - низкая достоверность априорного задания теплопроводности композита, обусловленная ее сильной зависимостью от точности знания среднего радиуса частиц наполнителя, кроме того - температурный диапазон существования данного композиционного полимерного материала ограничен предельной рабочей температурой полимера, которая, как правило, не высока и не превышает 200°С. Другой недостаток способа - ограничение по номенклатуре материалов, применяемых для создания композита, т.к. один из материалов должен быть полимером.

Известен также способ получения композиционного материала на основе металлической матрицы и неметаллического волокна, заключающийся в том, что изготавливают преформу из неметаллического волокна, преформу помещают в пресс-форму с перфорированным дном, уплотняют с одновременным удалением воды через перфорированное дно, фиксируют, сушат, заливают матричным металлом и пропитывают матричным металлом под давлением. В другом варианте осуществления способа при пропитке преформы под давлением выполняют направленную кристаллизацию материала, а в качестве неметаллического волокна используют дискретные волокна углерода, оксида алюминия или карбида кремния, в качестве матричного металла используют алюминий, магний, цинк, олово, свинец или их сплавы (патент на изобретение РФ №2392090, МПК B22D 19/14, С22С 47/00, опубл. 20.06.2010, БИ №17). Недостаток способа заключается в ограниченной номенклатуре материалов, применяемых в качестве матрицы и наполнителя.

Известен способ получения композиционных материалов с заданными физико-химическими свойствами, в котором эти свойства, в первом приближении, определяются суммой свойств составляющих компонентов пропорционально их количеству (Гаврилин И.В. Композиционные материалы в машиностроении: Обзорная информация. М. - 1989, 40 с.). Указанный способ не применим для создания композиционных материалов с заданной теплопроводностью. Это обусловлено тем, что теплопроводность является интенсивной физической величиной, поэтому ее эффективное значение для смеси материалов не является суммой теплопроводностей составляющих смесь компонентов - в этом заключается недостаток способа.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ получения композиционного материала для реализации требуемого коэффициента теплопередачи (способ-прототип), заключающийся в том, что механически смешивают гранулированный или тонкодисперсный порошок полимера с порошком наполнителя до образования однородной смеси, нагревают полученную смесь до вязкотекучего состояния ниже температуры деструкции полимера, выполняют горячее прессование или горячее динамическое прессование или экструзию пасты и термообработку, при этом количество наполнителя задают исходя из величины коэффициента теплопроводности композиционного материала, которую, в свою очередь, определяют исходя из требуемого значения коэффициента теплопередачи от горячего теплоносителя к холодному теплоносителю через разделяющую их стенку, при этом используют полученные зависимости между теплопроводностью композиционного материала и количеством наполнителя, кроме того, в случае, если полимер не производится в виде порошка, то его расплавляют (патент на изобретение РФ №2232786, МПК G09K 5/14, C08L 83/04, C08L 27/24, опубл. 20.07.2004, БИ №20). Недостатки способа - температурный диапазон существования данного композиционного полимерного материала ограничен предельной рабочей температурой полимера, которая, как правило, не высока и не превышает 200°С, а также - имеется ограничение по номенклатуре применяемых для создания композита материалов, в частности - один из материалов должен быть полимером.

Технический результат изобретения - создание материала с заданной теплопроводностью в широком диапазоне ее изменения с одновременным расширением температурного диапазона и номенклатуры используемых для его создания веществ.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявленном способе создания двухкомпонентного композита с заданной теплопроводностью в заданной пропорции равномерно смешивают порошки двух веществ с заданными теплопроводностями, отличающимися друг от друга на заданную величину, спрессовывают порошки в заданную форму, измеряют теплопроводность полученного композита и присваивают ему измеренное значение теплопроводности, при этом пропорцию смешиваемых веществ находят расчетным путем исходя из задаваемого значения теплопроводности.

Сущность способа поясняется фиг. 1, 2, 3, 4. На фиг. 1 представлен общий вид зависимости эффективной теплопроводности λ_эфф создаваемого двухкомпонентного композита от объемного содержания Х₁ первого вещества, т.е. - от пропорции смешивания веществ, где: Х₂ - объемное содержание второго вещества; λ₁, λ₂ - теплопроводность первого и второго вещества, соответственно. На фиг. 2 представлена элементарная ячейка, моделирующая структуру создаваемого двухкомпонентного композита, размеры ячейки 2Lx2Lx2L, ячейка образована 8-ю одинаковыми кубиками размерами LxLxL, в свою очередь, составленными из двух параллельно уложенных друг на друга слоев, моделирующих вещества 1,2. При этом, толщина слоя первого вещества 1 равна а, толщина слоя второго вещества 2 равна b, высота и ширина каждого слоя 1,2 равна L. Стрелкой показано направление теплового потока q, входящего в элементарную ячейку. На фиг. 3 представлена электрическая схема замещения теплового сопротивления элементарной ячейки, составленная согласно электротепловой аналогии. На фиг. 4 представлена ориентация кубиков относительно проходящего через них теплового потока q. На фиг. 3, 4: - тепловое сопротивление кубика размером LxLxL в направлении, параллельном тепловому потоку; - тепловое сопротивление кубика размером LxLxL в направлении, перпендикулярном тепловому потоку.

Структурно создаваемый двухкомпонентный композит представляют в виде совокупности элементарных ячеек, представленных на фиг. 2, каждая из которых представляет собой куб, в свою очередь состоящий из 8-ми одинаковых специально ориентированных кубиков, каждый из которых образован параллельно-расположенными слоями, моделирующими слои веществ 1,2, как показано на фиг. 2. При этом размеры куба равны 2Lx2Lx2L, размеры каждого кубика равны LxLxL, слой вещества 1 имеет толщину а, слой вещества 2 имеет толщину b, высота и ширина всех слоев 1,2 одинакова и равна L. Через элементарную ячейку проходит направленный тепловой поток q. Данная элементарная ячейка в виде такого куба из 8-ми кубиков обладает эффективной теплопроводностью, равной эффективной теплопроводности создаваемого двухкомпонентного композита λ_эфф. Эффективная теплопроводность λ_эфф данной элементарной ячейки, т.е. композита, может быть рассчитана через ее эффективное тепловое сопротивление R_эфф, которое, в свою очередь, рассчитывается исходя из схемы электрического замещения, составленной согласно электротепловой аналогии и представленной на фиг. 3. Согласно закону Кирхгофа эффективное тепловое сопротивление R_эфф схемы, представленной на фиг. 3, равно:

где

- тепловое сопротивление кубика размером LxLxL в направлении, параллельном тепловому потоку;

- тепловое сопротивление кубика размером LxLxL в направлении, перпендикулярном тепловому потоку.

С другой стороны, указанное эффективное тепловое сопротивление R_эфф схемы, представленной на фиг. 3, может быть рассчитано из общеизвестного определения для теплового сопротивления участка тепловой цепи:

где

l - длина участка тепловой цепи (в направлении передачи теплоты),

λ - теплопроводность участка цепи,

S - площадь сечения, в котором передается теплота на данном участке цепи. Применительно к эффективному тепловому сопротивлению R_эфф элементарной ячейки двухкомпонентного композита (фиг. 2) соотношение (2) имеет вид:

Решив (3) совместно с (1) относительно эффективной теплопроводности λ_эфф металлокомпозита с учетом, что S=4L², получаем:

При этом, приняв L=1 (кубики единичной длины) получаем более простое соотношение:

Значения эффективных тепловых сопротивлений кубиков , также рассчитывают исходя из общеизвестного определения теплового сопротивления участка тепловой цепи (2), соотношения для которых имеют вид (при L=1):

В соотношениях (6), (7) теплопроводности веществ 1,2 - λ₁ и λ₂ заранее известны. Неизвестными параметрами остаются толщины слоев а, b. Указанные толщины (выраженные в относительных единицах) рассчитывают исходя из объемного содержания каждого вещества по следующим соотношениям:

где

Х₁ - объемное содержание первого вещества,

Х₂ - объемное содержание второго вещества.

При этом, объемные содержания металлов X₁,X₂ измеряются также в относительных единицах. Далее, используя соотношения (5)-(9) выполняют расчет зависимости эффективной теплопроводности λ_эфф создаваемого двухкомпонентного композита от объемного содержания (пропорции смешивания) веществ 1 и 2, т.е. либо от Х₁, либо от Х₂. Полученную зависимость λ_эфф=ƒ(X_i), i=1,2 строят либо графически, либо аппроксимируют математически, например, полиномом n-ой степени. После этого, согласно найденной пропорции равномерно смешивают порошки указанных веществ, спрессовывают полученную смесь по одной из общеизвестных технологий в заданную форму, после прессования измеряют эффективную теплопроводность полученного из смеси двухкомпонентного композита и присваивают ему измеренное значение теплопроводности.

Пример осуществления способа. Пусть, например, требуется создать медно-алундовый двухкомпонентный композит, обладающий эффективной теплопроводностью λ_эфф=110 Вт/(м⋅К). В качестве первого вещества 1 взята чистая медь (Сu), в качестве второго вещества 2 - алунд (Аl₂О₃). Теплопроводность чистой меди известна и равна λ₁=400 Вт/(м⋅К), теплопроводность алунда известна и равна λ₂=20 Вт/(м⋅К). Данные по теплопроводности приведены для комнатных температур. Для осуществления способа первоначально по соотношениям (5)-(9) выполняют расчет зависимости эффективной теплопроводности λ_эфф создаваемого двухкомпонентного композита от объемного содержания (пропорции смешивания) веществ, например, - от объемного содержания Х₁ первого вещества, т.е. находят зависимость λ_эфф=ƒ(X₁) Полученную зависимость строят либо графически, либо аппроксимируют математически. Для конкретно взятого примера с указанными веществами зависимость аппроксимируется полиномом 6-ой степени с коэффициентом достоверности аппроксимации k_R=0,999:

λ_эфф=11860X₁⁶-30359X₁⁵+29599X₁⁴-13324X₁³+2715,5X₁²-116,7X₁+22.

Исходя из данной зависимости, находят требуемые объемные содержания веществ, которые, как следует из расчетов, для λ_эфф=110 Вт/(м⋅К), равны:

а) при Х₁=0,74 и X₂=0,26→λ_эфф=110 Вт/(м⋅К),

Затем в установленной пропорции равномерно смешивают порошки указанных веществ (меди и алунда), полученную смесь прессуют в заданную форму, т.е. формируют образец нужного размера и формы. После операции прессования измеряют эффективную теплопроводность полученного двухкомпонентного композита любым, соответствующим по точности измерителем теплопроводности, например, с помощью измерителя теплопроводности «LFA 467 HyperFlash» фирмы NETZSCH-Gerätebau GmbH (Германия), обладающего погрешностью измерения не более 2% в диапазоне измеряемой теплопроводности от 0,1 до 4000 Вт/(м⋅К). Измеренное с помощью измерителя значение λ_эфф присваивают созданному двухкомпонентному композиту.

Оцениваемая достоверность задания эффективной теплопроводности согласно предлагаемому способу ≈90% (относительная неопределенность предсказания ≈10%).

Предложенный способ позволяет создавать двухкомпонентные композиты с заданной теплопроводностью, непрерывно изменяемой в широком диапазоне от нескольких единиц до нескольких сотен Вт/(м⋅К), при этом может использоваться практически неограниченная номенклатура веществ, находящихся в твердом порошкообразном состоянии. При этом не предъявляются какие-либо жесткие требования к гранулометрическому составу порошков используемых веществ. Кроме того, использование веществ, обладающих высокой температурой плавления, позволяет создавать композиты с высокой предельной рабочей температурой, вплоть до 2000-2500°С.

Способ создания двухкомпонентного композита с заданной теплопроводностью, заключающийся в том, что в заданной пропорции равномерно смешивают два компонента, представленные в виде порошков с заранее известными теплопроводностями, различающимися на заданную величину, спрессовывают порошки в заданную форму, измеряют теплопроводность полученного композита и присваивают ему измеренное значение теплопроводности, при этом пропорцию смешиваемых веществ предварительно рассчитывают исходя из задаваемого значения теплопроводности, для чего создаваемый двухкомпонентный композит структурно представляют в виде совокупности элементарных ячеек, каждая из которых представляет собой куб, в свою очередь состоящий из 8 одинаковых кубиков единичной длины, каждый из которых образован параллельно расположенными слоями, моделирующими смешиваемые порошки, при этом принимают, что эффективная теплопроводность каждой такой элементарной ячейки равна теплопроводности создаваемого двухкомпонентного композита, выполняют расчет эффективной теплопроводности элементарной ячейки, для этого рассчитывают ее эффективное тепловое сопротивление исходя из схемы электрического замещения элементарной ячейки, составленной согласно электротепловой аналогии, затем находят расчетную зависимость эффективной теплопроводности создаваемого двухкомпонентного композита от пропорции смешиваемых веществ, из полученной зависимости находят искомую пропорцию, соответствующую заданному значению теплопроводности создаваемого двухкомпонентного композита, при этом для расчетов используют соотношения:

a=X₁/(X₁+X₂),

b=X₂/(X₁+X₂),

где

λ_эфф - эффективная теплопроводность элементарной ячейки, которую принимают равной теплопроводности создаваемого двухкомпонентного композита, Вт/(м⋅К),

- тепловое сопротивление кубика элементарной ячейки в направлении, параллельном параллельно расположенным слоям кубика, К/Вт,

- тепловое сопротивление кубика элементарной ячейки в направлении, перпендикулярном параллельно расположенным слоям кубика, К/Вт,

λ₁, λ₂ - заранее известные теплопроводности веществ смешиваемых компонентов, Вт/(м⋅К),

а, b - толщины параллельно расположенных слоев в кубиках, моделирующих смешиваемые порошки, м,

Х₁ - объемное содержание порошка первого компонента, отн. ед.,

X₂ - объемное содержание порошка другого компонента, отн. ед.