СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПРИ ВНЕШНЕМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Изобретение относится к области теплофизических измерений и может быть использовано для определения относительной теплопроводности материалов.

Известен способ определения теплопроводности (патент RU №2343466, МПК G01N 25/18, опубл. 2009.01.10), заключающийся в том, что плоский исследуемый образец известной толщины и плоский эталонный образец с известным тепловым сопротивлением приводят в тепловой контакт. Создают заданную разность температуры между внешними плоскостями эталонного и исследуемого образцов и в стационарном режиме измеряют температуру в плоскости теплового контакта. Предварительно устанавливают в эталонный образец параллельно этой плоскости источник теплоты, разделяющий эталонный образец на внутреннюю часть и наружную часть с известным тепловым сопротивлением. Затем изменяют тепловой поток источника теплоты от нуля до такого значения, при котором перепад температуры на исследуемом образце становится равным половине заданной разности температуры. По достижении стационарного режима определяют теплопроводность исследуемого образца. При этом разность температуры задают положительной, если перепад температуры на исследуемом образце меньше, чем на эталонном, и отрицательной, если больше, чем на эталонном.

Недостатками этого способа являются:

1. Использование дополнительных материалов - эталонных образцов.

2. Низкое быстродействие вследствие необходимости установления стационарного теплового режима для проведения измерений.

3. Постоянное внешнее воздействие (давление, температура, влажность).

Положительные качества:

1. Измерение абсолютного значения теплопроводности.

Наиболее близкое техническое решение описано в статье. Pierre Beck, Alexander F. Goncharov, Viktor Struzhkin, Burkhard Militzer, Ho-Kwang Mao and Russell J. Hemley. Measurement of thermal diffusivity at high pressure using a transient heating technique. Applied Physics Letters, 91:181914-3, 2007.

Известный способ измерения теплопроводности заключается в следующем: тонкую иридиевую пленку помещают между слоями образца в ячейку алмазной наковальни и подвергают высокому давлению, 50 гигапаскалей, а затем применяют микросекундные лазерные вспышки для нагрева образца до 2500 градусов по шкале Кельвина. По теплоотдаче образца иридиевой пленки расчетным способом находят теплопроводность.

Недостатками этого способа являются:

1. Сложный расчетный способ определения теплопроводности.

2. Возможность измерений только при высоких температурах.

3. Использование дополнительных материалов (иридиевая пленка).

Задачей изобретения является определение относительной теплопроводности твердых тел при высоком давлении, уменьшение числа стадий эксперимента и упрощение способа его проведения.

Поставленная задача достигается за счет того, что в заявляемом способе определения относительной теплопроводности материалов плоский исследуемый образец известной толщины помещают между двумя алмазными наковальнями в камере высоких давлений, нагревают образец с помощью источника теплоты, в качестве источника используют нагреватель, который помещен в верхнюю наковальню, регистрируют изменение температур между алмазными наковальнями и по разности температур определяют относительную теплопроводность образца.

Изобретение поясняется следующими иллюстрациями:

фиг. 1 - принципиальная схема установки;

фиг. 2 - зависимость относительной теплопроводности материала от внешнего воздействия давления (Р).

Заявляемое техническое решение реализуется следующим способом.

Исследуемый образец 1 известной толщины h помещают между двумя алмазными наковальнями 2 и 3 с теплопроводностью, существенно превышающей теплопроводность образца, и подвергают высокому давлению. Предварительно установив в верхнюю наковальню источник теплоты, мощность которого постоянна N=const. Затем изменив величину внешнего воздействия давления, регистрируют изменение температур между алмазными наковальнями, по разности температур определяют относительную теплопроводность образца.

При начальном давлении Р₀ измеряем ΔТ₀ (разность температур между верхней и нижней наковальнями). В итоге получаем, что

.

Увеличиваем давление до значения Р₂ и снова измеряем разность температур

Так как мощность источника теплоты N=const можем приравнять правые части уравнений (1) и (2). Получаем что . Приводим это выражение к следующему виду:

При смене давления теплопроводность образца меняется. Датчики температуры, которые установлены в верхней и нижней алмазных наковальнях, регистрируют изменение температуры, по которому мы можем рассчитать относительную теплопроводность образца. Заявляемый способ позволяет исследовать относительное изменение теплопроводности образцов, непосредственно в процессе эксперимента при изменении внешнеговоздействия, не требует нагрева образца до сверхвысоких температур, а также не требует использование эталонных образцов.