Теплопроводность графита и меди

Графит (углерод). Коэффициент теплового линейного расширения, удельная (массовая) теплоемкость, коэффициент теплопроводности, сопротивление разрыву, модуль упругости графита, удельное электрическое со

Физические свойства графита при температуре от 20 до 800 °С

В таблице представлены физические свойства графита в интервале температуры от 20 до 800 °С.
Свойства указаны в направлении, как параллельно, так и перпендикулярно главной оси кристаллов графита.

Теплопроводность графита указана для следующих типов: кристаллический, естественный, прессованный искусственный. По данным таблицы видно, что теплопроводность графита при увеличении его температуры снижается.

Удельная (массовая) теплоемкость углерода при комнатной температуре составляет величину 710 Дж/(кг·град) и при нагревании увеличивается. Плотность углерода находится в диапазоне от 1400 до 1750 кг/м3.

Даны следующие физические свойства графита различной плотности:

  • теплопроводность графита, Вт/(м·град);
  • сопротивление разрыву, МН/м2;
  • модуль упругости графита, МН/м2;
  • удельная (массовая) теплоемкость, кДж/(кг·град);
  • удельное электрическое сопротивление, Ом·м;
  • коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град.

Применение

Сувенирный графитовый блок.
Использование графита основано на ряде его уникальных свойств.

  • для изготовления плавильных тиглей, футеровочных плит — применение основано на высокой температурной стойкости графита (в отсутствие кислорода), на его химической стойкости к целому ряду расплавленных металлов.
  • электродов, нагревательных элементов — благодаря высокой электропроводности и химической стойкости к практически любым агрессивным водным растворам (намного выше, чем у благородных металлов).
  • Для получения химически активных металлов методом электролиза расплавленных соединений. В частности, при получении алюминия используются сразу два свойства графита:
  1. Хорошая электропроводность, и как следствие — его пригодность для изготовления электрода
  2. Газообразность продукта реакции, протекающей на электроде — это углекислый газ. Газообразность продукта означает, что он выходит из электролизёра сам, и не требует специальных мер по его удалению из зоны реакции. Это свойство существенно упрощает технологию производства алюминия.
  • твёрдых смазочных материалов, в комбинированных жидких и пастообразных смазках.
  • наполнитель пластмасс.
  • замедлитель нейтронов в ядерных реакторах.
  • компонент состава для изготовления стержней для чёрных графитовых карандашей (в смеси с каолином).
  • для получения синтетических алмазов.
  • в качестве эталона длины нанометрового диапазона для калибровки сканеров сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа.[10][11]
  • для изготовления контактных щёток и токосъёмников для разнообразных электрических машин, электротранспорта и мостовых подъёмных кранов с троллейным питанием, мощных реостатов, а также прочих устройств, где требуется надёжный подвижный электрический контакт.
  • для изготовления тепловой защиты носовой части боеголовок баллистических ракет и возвращаемых космических аппаратов.
  • как токопроводящий компонент высокоомных токопроводящих клеёв.
В Викисловаре есть статья «графит
»
  • Медиафайлы на Викискладе

Свойства углерода (графита) в зависимости от температуры

В таблице представлены теплофизические свойства углерода (графита) в зависимости от температуры. Свойства углерода в таблице указаны при температуре от 100 до 2000К в направлении вдоль (параллельно), так и перпендикулярно главной оси кристаллов углерода.

Приведены следующие свойства углерода (графита):

  • коэффициент теплового линейного расширения (КТлР), 1/град;
  • удельная (массовая) теплоемкость, Дж/(кг·град);
  • коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град).

Структура

α-графит β-графит
Каждый атом углерода ковалентно связан с тремя другими окружающими его атомами углерода.

Различают две модификации графита: α-графит

(гексагональный P63/mmc) и
β-графит
(ромбоэдрический R(-3)m). Различаются упаковкой слоёв. У α-графита половина атомов каждого слоя располагается над и под центрами шестиугольника (укладка …АВАВАВА…), а у β-графита каждый четвёртый слой повторяет первый. Ромбоэдрический графит удобно представлять в гексагональных осях, чтобы показать его слоистую структуру.

β-графит в чистом виде не наблюдается, так как является метастабильной фазой. Однако, в природных графитах содержание ромбоэдрической фазы может достигать 30 %. При температуре 2500-3300 К ромбоэдрический графит полностью переходит в гексагональный.

Теплопроводность графита в зависимости от плотности

В таблице представлены значения теплопроводности графита различной плотности при температуре 20 °С. Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока вдоль главной оси кристаллов и в размерности Вт/(м·град).

По данным таблицы видно, что теплопроводность графита с увеличением плотности заметно увеличивается. Плотность графита в таблице приведена в размерности 103·кг/м3, то есть в т/м3. Плотность графита изменяется в интервале от 1400 до 1750 кг/м3.

Теплопроводность графита в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплопроводности графита плотностью 1650…1720 кг/м3 в зависимости от температуры.

Теплопроводность графита указана при направлении теплового потока, как вдоль, так и поперек главной оси кристаллов, указано также отношение теплопроводности в этих направлениях (оно постоянно и равно приблизительно 1,5).

Значения теплопроводности графита приведены в интервале температуры от 20 до 1800 °С. По значениям в таблице видно, что теплопроводность графита с увеличением температуры уменьшается.

Теплопроводность реакторного графита плотностью 1700 кг/м3 в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплопроводности реакторного графита плотностью 1700 кг/м3 в зависимости от температуры. Теплопроводность указана в направлении теплового потока, идущего, как параллельно, так и перпендикулярно прессованию графитовых стержней. Значения теплопроводности реакторного графита приведены в интервале температуры от 100 до 1700 К.

Теплопроводность измельченного графита

В таблице дана теплопроводность измельченного графита (углерода) в зависимости от размера частиц при температуре 20 °С. Размер частиц определялся в зависимости от количества отверстий в сите на 1 квадратный сантиметр (3, 6, 16 отв/см2 и сухая сажа).

Теплопроводность графита указана в размерности Вт/(м·град). Плотность графита в таблице указана в 103·кг/м3, то есть в т/м3.

Коэффициент теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры

В таблице указаны значения коэффициента линейного теплового расширения (КТР) углерода (графита) в зависимости от температуры. КТР в таблице приводится для различных сортов графита: пиролитический графит, графит на основе нефтяного кокса, графит на основе ламповой сажи. Коэффициент линейного теплового расширения графита приведен в интервале температуры от 100 до 700 °С в размерности 1/град.

Искусственный графит

Графит синтезируют из кокса и пека. Это продукты переработки каменного угля, нефтяных смол, угольного дегтя. На них воздействуют химически и механически при высоких температурах. Исходное сырье предварительно сортируют, затем прокаливают, пропитывают. Получается материал почти абсолютной чистоты.

Искусственный графит применяют везде, от безобидного пластика до ядерного оборудования. Самые востребованные марки:

  • аккумуляторный;
  • карандашный;
  • литейный;
  • смазочный;
  • электроугольный;
  • элементный;
  • ядерный.

Под каждую марку, сферу использования графита подбирается точная пропорция пека и кокса.

Отличить рукотворные образцы несложно. Например, по треугольной штриховке на плоскостях. Она есть только у минерала природного происхождения.

Теплоемкость углерода в зависимости от температуры

В таблице представлены значения теплоемкости углерода в зависимости от температуры. Удельная теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от 200 до 2000 К.

Теплоемкость углерода в таблице дана массовая и выражена в размерности кДж/(кг·град). По данным в таблице видно, что теплоемкость углерода с увеличением температуры растет.

Графит и его свойства

Некоторые свойства α-графите.

Плотность, г/см-3 2,266
Твердость по Моосу
Температура плавления, К
DHsubl, кДж/моль
Показатель преломления n (546 нм)
Удельное сопротивление, Ом×см (0,4 – 5,0)×10-4
DHcomb, кДж/моль 393,51
DHform, кДж/моль 0,00

Графит используют в качестве твердой смазки и как материал для грифелей карандашей.

Теплоемкость природного углерода (графита) при низких температурах

В таблице даны значения атомной (на 1 моль вещества) и удельной теплоемкости углерода при низких температурах. Теплоемкость углерода (графита) указана в интервале температуры от -260 до 17 °С.

Атомная теплоемкость углерода выражена в размерности Дж/(моль·град). Удельная теплоемкость углерода (массовая — на 1 кг массы) выражена в размерности кДж/(кг·град).

По значениям в таблице хорошо видно, что атомная и удельная теплоемкости углерода (графита) с увеличением температуры растут и при очень низких отрицательных температурах.

  1. Агроскин А. А., Глейбман В. Б. Теплофизика твердого топлива. М.: Недра, 1980 — 256 с.
  2. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники.
  3. Шелудяк Ю. Е., Кашпоров Л. Я. и др. Теплофизические свойства компонентов горючих систем.
  4. Казанцев Е. И. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования.

Графитовый термоинтерфейс от Panasonic

Силовые модули, такие как IGBT транзисторные сборки, диодные и тиристорные модули, имеют высокое тепловыделение. Для отвода тепла традиционно используются радиаторы, которые часто оказываются самыми габаритными изделиями силового блока. Кроме того, модули обычно монтируются на радиатор с помощью термопасты, которая не только не обеспечивает электроизоляцию, но и вызывает проблемы при обслуживании и демонтаже.

Компания Panasonic Industrial разработала инновационное решение — искусственный графитовый материал PGS, который обеспечивает теплоотвод с эффективностью в 8 раз превышающей алюминиевые и в 5 раз медные радиаторы — от 400 до 1950 Вт/(м*К). Но не спешите удивляться высокой эффективности. Кроме этого новый материал сверхлегкий, сверхплоский (до 10мкм), может гнуться и вырезаться под компонент любого размера. Теплоотвод осуществляется как в проекции X-Y, так и Z. Другими словами, обычные материалы отводят тепло (передают от источника нагрева к радиатору), а PGS листы рассеивают его.

Читайте также  Медный трубопровод своими руками

Однако любой теплоотвод имеет свои ограничения. Они есть и у PGS пленки. Это анизотропный материал, который отлично проводит тепло в проекции X-Y, а вот по оси Z его теплопередача составляет всего лишь 20 Вт. Он сделан из высокоориентированной графитовой полимерной пленки, чья структура близка к одиночному кристаллу. Шестигранная структура кристалла графита унифицировано расположена в 2D структуре. Материал идеально подходит для использования в качестве радиаторов и теплоизоляторов в тех приложениях, где использование стандартных радиаторов невозможно по причине их больших габаритных размеров. Кроме того, его можно использовать в качестве дополнительного средства теплоотвода наряду со стандартными компонентами. Материал является гибким, поэтому из него можно вырезать объект любой требуемой формы. Основными преимуществами PGS материала являются низкое термосопротивление, высокая теплопроводность и простота применения.

Материал

Искусственные гибкие графитовые листы были разработаны компанией Panasonic, за это изобретение компания была удостоена нескольких премий, в частности, Inchimura-Industrial Award, Okochi-Memorial Award и др. В основе материала лежит обычный углерод, который представлен в природе в виде алмаза, графита или углеродной сажи. Пиролитический графит образуется в процессе спекания, полимерная пленка нагревается до состояния расщепления в камере без доступа воздуха. Первый обжиг преобразует полимер в углерод, второй обжиг образует шестиугольную углеродистую цепочку графита.

Искусственный графит отличается малым весом, высокой стабильностью и стойкостью к воздействиям окружающей среды..

Кристаллическая решетка графита организована по плоскостному принципу, шестиугольные ячейки атомов находятся в одной плоскости, что делает структуру слоистой. Отсюда вытекает мягкость материала, обеспечивающая конформность термопрокладки.

Еще одна положительная черта искусственного графита — он не выделяет силоксан при нагреве. Этим «страдают» кремнийорганические материалы (стандартные силиконовые прокладки), поэтому по международным стандартам они запрещены к применению в медицинской и оптической промышленности, а также при работе с датчиками. Мы уже упомянули, что разработка искусственного графита позволило добавить материалу свойства электроизолятора. Дополнительным «бонусом» применения графитовых подложек является и экранирование от электромагнитных помех.

Теплопроводность

Параметры теплопроводности графитового материала не могут не удивлять, от 400 до 1860 Вт/м*К. Помимо теплопроводности, материал обладает и хорошей скоростью как передачи тепла, так и охлаждения.

Сравнение теплопроводности алюминия, меди и PGS-листов

Другой эксперимент показывает рассеивание тепла тех же материалов: PGS, меди и алюминия. Здесь наглядно видно, что графитовые листы более равномерно распределяют тепло по всему радиатору, защищая источник тепла от перегрева.

Для тестов использовался резистивный элемент 12Вт на радиаторе 90×90мм

Термосопротивление

Термосопротивление показывает степень «непроводимости» тепла материалом. Материалы с более низким термосопротивлением будут более эффективно отводить тепло. Термосопротивление графитового материала лучше традиционной теплопроводной пасты, даже при наличии у него ламинирующего и клеевого слоя. Измерения проводились на тестере термоинтерфейсов TIM Tester (производитель ANALYSIS TECH, стандарт ASTMD5470). Типичный уровень термосопротивления составляет 0.2K•см.кв /Вт (при приложенном давлении 600 кПа). Принципиальное значение для эффективной работы термоинтерфейса имеет приложенное давление, поэтому материал должен использоваться только как прокладка для винтового крепления силового модуля к радиатору или корпусу. Коэффициент сжатия термоинтерфейса составляет 40%. Максимальная эффективность подложек достигается при максимальном сжатии.

Другой важный момент — долговременная стабильность термосопротивления. Графитовый материал Panasonic показывает стабильно низкое термосопротивление во всем периоде эксплуатации. Многим инженерам известна такая ситуация: металлические пластины силовых модулей при нагреве расширяются и сжимаются при охлаждении, при этом происходит «выдавливание» пасты за пределы подложки. При охлаждении модуля паста не занимает образовавшиеся пустоты, в результате чего ее термосопротивление в процессе эксплуатации значительно ухудшается.

В таблице приводятся результаты тестов после 120 циклов термоциклирования от −40 до +100С

Теплопроводящий материал Первоначальное состояние После 120 циклов термоциклирования
Паста
PGS материал

Эксплуатационные характеристики

PGS материал от Panasonic удобен в монтаже и логистике. В отличие от пасты, он выпускается в листовом исполнении и легче подлежит складскому учету. Также графитовые листы удобны в случае ремонта или обслуживания силового блока. Модуль можно демонтировать, а затем повторно установить на ту же подложку. Кроме того, рабочий диапазон температур данного материала можно признать максимально широким среди всех термоматериалов, от −50 до +400°С.

Также графитовые листы отличаются высокой гибкостью, что позволяет их использовать на поверхностях с любым рельефом. Сгибание материала не отражается на его теплопроводных свойствах.

Эластичность или конформность

Искусственный графит нельзя в полной мере назвать конформным материалом (т.е. материалом, который заполняет все неровности поверхности). Для его монтажа в любом случае требуется прижим, винтовое крепление или зажим. Это обеспечит защиту от воздушных ям. Графитовые теплопроводящие интерфейсы выпускаются в двух модификациях: стандартные (EYGA) и мягкие (EYGS). Преимущество мягких материалов заключается в их способности эффективно работать даже с неровными поверхностями. При винтовом зажиме материал равномерно распределяется внутри полости, обеспечивая максимальный отвод тепла. Кроме того, материал является очень гибким. Он допускает более 100 тысяч циклов сгибания на угол 90 градусов (при радиусе сгиба 5мм). При увеличении угла сгиба или уменьшении радиуса сгиба количество циклов может уменьшаться до 3000 минимум.

Модельный ряд

Искусственный графит, как и любой другой теплопроводящий материал, обладает некоторыми недостатками, например, электропроводностью или плохой конформностью (способностью заполнять неровности рельефа). Для минимизации влияния этих недостатков выпускаются различные модификации графитовых подложек:

  • стандартные EYGA
  • повышенной мягкости EYGS
  • с эластомером EYGE

Кроме того, подложки стандартного исполнения выпускаются с различными дополнительными верхними и нижними слоями: на клеевой акриловой основе (суффиксы -А, -М, -F), с ламинирующим слоем из полиэстера (суффиксы -P, -D), с высокотемпературными защитными слоями (суффикс -V).

Толщина, МКМ 10 17 25 40 50 70 100
Теплопроводность, ВТ/МК X-Y 1900 1750 1600 1350 1300 1000 700
Z 10 11 18 20 20 20 26
Термодиффузия, КВ.СМ/C 10-12 10-11 9-10 9-10 8-10 8-10 8-10
ПлотностьЛ, Г/КУБ.СМ 2.13 2.10 1.95 1.80 1.70 1.21 0.85
Удельная теплоемкость при 50С 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85
Термосопротивление, °С 400 400 400 400 400 400 400
Сила прижатия, МПА X-Y 40 40 30 25 20 20 20
Z 0.1 0.1 0.1 0.4 0.4 0.4 0.4
Тест на сгибание, R5/180°, РАЗ 30000 и более
Электропроводность, С/СМ 20000

Особенности применения

Графитовые термоинтерфейсы не отличаются стойкостью к химическим воздействиям, поэтому на них не должны попадать растворители, соленая вода, газы, а также прямые солнечные лучи. Также не рекомендуется дотрагиваться до прокладок в рабочем состоянии, это может привести к ожогу. Кроме того, графитовый материал не стоек к механическим воздействиям, поэтому следует избегать царапин и соприкосновения с трущимися поверхностями.

Следующим важным моментом является правильность ориентирования термолистов. Напомним, что искусственный графит является анизотропным материалом и хорошо проводит тепло по X-Y оси и плохо по Z оси.

Стандартные графитовые листы серии EYGA используются в нагревателях сидений, подогреве руля, серверных стойках центров обработки данных. Листы на мягкой компрессионной основе EYGS получили широкое применение для теплоотвода силовых модулей.

При использовании материала в силовой электронике инженеры компании Panasonic предлагают удобный инструмент для подбора оптимального термоинтерфейса в зависимости от типа используемого силового модуля (доступны производители Mitsubishi, Semikron, Fuji, Infineon, Hitachi, Littlefuse).

Мягкие термоинтерфейсы EYGS выпускаются как в стандартных листах, так и уже готовыми для применения под конкретные модули, в этом случае подложки имеют винтовые отверстия (от 2 до 12) различного диаметра.

Источник: Компания «ПЛАТАН»

Основные свойства природного графита

Минералы и горные породы / Описание минерала Графит

Графиты — вещества серого цвета с металлическим блеском, аморфного, кристаллического, или волокнистого сложения, жирные на ощупь, удельный вес от 1,9 до 2,6. По внешнему виду графит, имеет металлический свинцово-серый цвет, колеблющейся от серебристого до черного, с характерным жирным блеском.
Поэтому потребители зачастую называют явнокристаллические графиты серебристыми, а скрытокристаллические — черными.

На ощупь графит жирен и отлично пачкается. На поверхностях он легко дает черту от серебристого до черной, блестящей. Графит отличается способностью прилипать к твердым поверхностям, что позволяет создавать тонкие пленки при натирании им поверхностей твердых тел.

Графит представляет собой алоторопную форму углерода, которая характеризуется определенной кристаллической структурой, имеющей своеобразное строение.

В зависимости от структурного строения графиты делятся на:

  • явнокристаллические,
  • скрытокристаллические,
  • графитоиды,
  • высокодисперсные графитовые материалы, обычно называемые углями.
    В свою очередь, явнокристаллические графиты по величине и структуре кристаллов делятся на:
  • плотнокристаллические (Боготольское месторождение графита),
  • чешуйчатые (Тайгинское месторождение графита).
Читайте также  Горелка для пайки медных труб твердым припоем

В чешуйчатых графитах кристаллы имеют форму пластинок или листочков. Чешуйки их жирные, пластичные и имеют металлический блеск.

Важнейшие свойства графита

Электрические свойства

Электропроводность графита в 2,5 раза больше электропроводности ртути. При температуре 0 град. удельное сопротивление электрическому току находится в пределах от 0,390 до 0,602 ом. Низкий предел удельного сопротивления для всех видов графита одинаков и равен 0,0075 ом.

Термические свойства

Графит обладает большое теплопроводностью, которая равняется 3,55вт*град/см и занимает место между палладием и платиной.

Коэффициент теплопроводности 0,041( в 5 раз больше, чем у кирпича). У тонких графитовых нитей теплопроводность выше, чем у медных.
Температура плавления графита — 3845-3890 С при давлении от 1, до 0,9 атм.
Точка кипения доходит до 4200 С.
Температура воспламенения в струе кислорода составляет для явнокристаллических графитов 700-730С. Количество тепла, получаемого при сжигании графита, находится в пределах от 7832 до 7856 ккал.

Магнитные свойства

Графит считается диамагнитным.

Растворимость графита

Химически инертен и не растворяется ни в каких растворителях, кроме расплавленных металлов, особенно тех, у которых высокая точка плавления. При растворении образуются карбиды, наиболее важными свойствами которых являются карбиды вольфрама, титана, железа, кальция и бора.
При обычных температурах графит соединяется с другими веществами весьма трудно, но при высоких температурах он дает химические соединения со многими элементами.

Упругость графита

Графит не обладает эластичностью, но тем не менее он может быть подвергнут резанию и изгибанию. Графитовая проволока легко сгибается и закручивается в спираль, а при вальцевании дает удлинение около 10%. Сопротивление на разрыв такой проволоки равно 2 кг/мм 2 , а модуль изгиба равен 836 кг/мм2.

Оптические свойства

Коэффициент светопоглощения графита постоянен для всего спектра и не зависит от температуры лучеиспускания тела; для тонких графитовых нитей он равен 0,77, с увеличением кристаллов графита светопоглащение уже находится в пределах 0,52-0,55.

Жирность и пластичность графита являются важнейшими свойствами, которые дают возможность широко применять его в промышленности. Чем выше жирность графита, тем меньше коэффициент трения. От жирности графита зависит использование его в качестве смазочного материала, а также способность прилипания к твердым поверхностям.

Благодаря этим свойствам имеется возможность создавать тонкие пленки при натирании графитом поверхности твердых тел.

Низкий коэффициент теплового расширения графита и связанная с этим высокая стойкость к температурным напряжениям, является решающим фактором применения его, как важного и незаменимого вспомогательного материала в металлообрабатывающей, чугунолитейной и сталелитейной промышленности, т.е. всюду, где рабочие поверхности должны предохраняться от прямого воздействия расплавленного металла. Важным преимуществом при таком использовании является также его несмачиваемость, полностью восстановленными металлами и нейтральными шлаками, прочность при высоких температурах. Применение графита при отливе деталей повышает качество отливов, уменьшает количество брака, и предупреждает образование пригара, на удаление которого требуется большие усилия и затраты.

Сырые литейные формы и стержни покрываются слоем сухого графитового порошка. Чистый графит имеет низкий коэффициент поглощения нейтронов и самый высокий коэффициент замедления, благодаря чему он незаменим в атомных реакторах. Без графитовых электродов немыслимо развитие черной и цветной, химической промышленности.

Графит прекрасный футеровочный материал электролизеров для получения алюминия. Углеродосодержащие материалы применяются для строительства электропечей и других тепловых агрегатов.

Из графита готовятся тигли, лодочки для производства сверхтвердых сплавов.
В химической промышленности материалы из графита незаменимы для производства теплообменников, работающих в агрессивных средах.

А так же для изготовления нагревателей, конденсаторов, испарителей, холодильников, скрубберов, дистилляционных колонн, форсунок, сопел, кранов, деталей для насосов, фильтров.
Отечественная промышленность в большом ассортименте выпускает графитовые электрощетки для различных электрических машин, электрические осветительные угли для прожекторов и для демонстрации и съемок кинофильмов, элементные — гальванических батарей, сварочные и для спектрального анализа, изделия для электровакуумной техники и техники связи.

В машиностроении графит используется как антифрикционный материал для подшипников, колец трения, торцевых и поршневых уплотнений, подпятников.

5.8. Теплофизические и некоторые другие характеристики материалов

Перенос тепла в твердом теле определяется коэффициентом тепло­проводности. Для металлов разработаны теории проводимости тепла, согласно которым перенос энергии осуществляется электронной тепло­проводностью (свободными электронами) и фононной теплопровод­ностью (колебания кристаллической решетки).

*Lemoine L. Solid rocket nozzle thermostructure behavior // AIAA Paper ,N 75-1399. 9 p.

В графитах и пирографитах, имеющих кристаллическую структуру, перенос энергии почти полностью осуществляется колебаниями решетки, т.е. фононной теплопроводностью. Такой же механизм может быть реализован в углерод-углеродных композициях и прококсованных слоях углепластиков, в которых наполнитель и твердый остаток связующего после пиролиза представляет собой подобие кристаллов.

Композиционные материалы обладают разнообразием структур, значения теплопроводности определяют по различным моделям. Наиболее распространенные типы структур композитов представлены на рис. 5.35. К дисперсным структурам можно отнести теплозащитные материалы на основе резин и каучуков с наполнителями, а также пресованные угле- и стеклопластики с наполнителями из мелких кусков волокон. Слоистые структуры имеют угле- и стеклопластиковые детали сверхзвуковых частей сопел, получаемые намоткой лент наполнителя на оправку. К этим же структурам можно отнести графиты и пирографиты, имеющие анизотропию свойств по направлениям оси прессования (осаждения). Углерод-углеродные композиции, полученные из карбонизованных углепластиков с последующим осаждением пироуглерода также имеют слоистую структуру, только матрица их состоит из углерода, а не из органического связующего.

Значения коэффициентов теплопроводности слоистого углепластика полученные прямыми методами, приведены на рис. 5.36. До температуре начала пиролиза 2100 К) теплопроводность прококсованного слоя начинает увеличиваться вслед­ствие переноса тепла излучением.

Рис. 5.36. Теплопроводность углеплас­тика:

□ — исходный состав, 0, • — прококсованные образцы, ,— исходный состав,=90°, — прококсованные образцы, =90°

Значения теплопроводности графита ПРОГ-2400 и пирографита УПВ-1 в зависимости от температуры при двух значениях угла ориента­ции плоскости прессования (осаждения) тепловому потоку приведены на рис. 5.37 согласно данным работы [16]. Существует резкая анизотро­пия проводимости пирографита и уменьшение значений с ростом тем­пературы, подтверждающее положение фононной теории теплопровод­ности.

Давление среды, окружающей образец, при экспериментальном опре­делении теплофизических свойств асботекстолита оказывает влияние на значения коэффициента теплопроводности. Исследования выполнены прямым методом при давлении 0,2; 1,2 и 4 МПа и в диапазоне темпера­тур 470. 730 К. По мере увеличения давления происходит увеличение проводимости вследствие уменьшения скорости термической деструк­ции из-за смещения температуры кипения продуктов разложения в об­ласть повышенных температур. При Т>730 К значения теплопроводнос­ти также выше значений при атмосферном давлении [37].

В работах Тейлора исследована проводимость импульсным методом углерод-углеродного композиционного материала трехмерной структу­ры (см. рис. 5.35). Материала имел плотность 1883 кг/м 3 , открытую объемную пористость 2%, объемные фракции волокон по осям х и у 0,13 и объемную фракцию волокон по оси z 0,22. Значения теплопровод­ности в зависимости от температуры для разных осей координат образца материала приведены на рис. 5.38. Наблюдается снижение проводимости с ростом температуры.

Теплозащитные материалы на основе резин и каучуков имеют самые низкие значения коэффициентов теплопроводности. Так, при Т=300…400 К значения не превышают 0,21. 0,25 Вт/м•К, а в случае напол­нения материалов полыми микросферамине превышает 0,12. 0,15 Вт/(м*К).

Теплоемкость композитов определяют в концепции дисперсной среды [24]:

.

Влияние степени термодеструкции на значение теплоемкости можно оценить по соотношению [37]

.

Рис. 5.37. Теплопроводность графита и пирографита:

— пирографит УПВ-1, ,— пирографит УПВ-1,=90°; • — графит ПРОГ-2400,, о — графит ПРОГ-2400, =90°

Рис. 5.38. Теплопроводность углерод-углеродной композиции трехмерной структуры:

о ось х; • — ось z

Результаты экспериментальных исследований прямым методом теплоемкости композиционных материалов [16, 24, 37] представлены на рис. 5.39. Для графита, пирографита и углепластика характерно увеличение теплоемкости с ростом температуры.

Показатели пиролиза коксующихся материалов определяют потерю массы и тепловые коэффициенты, значение которых необходимо для моделирования температурных полей в материалах, потерь импульса из-за трения (вдув продуктов разложения в пограничный слой). Важно знание показателей пиролиза и при создании материалов тепловой защиты так как получить прочный прококсованный слой можно на связующих с максимальным выходом твердого остатка.

В экспериментах Ю.Е. Фраймана по нагреву фенол-формальдегидного полимера со скоростью b =12 К/мин до температуры 1273 К установлено, что процесс пиролиза может быть разделен на четыре этапа в интервалах температуры до 453 К, 453. 633 К, 633. 1013 К и выше 1013 K. При нагреве до 633 К происходит выделение адсорбированной влаги, окиси и двуокиси углерода и воды вследствие частичной дегидратации полимера. Самым сложным является процесс пиролиза при Т=633…1013 К.

Читайте также  Как паять скрутку медных проводов

В этом диапазоне температур происходит разрыв связей основной цепи полимера, что приводит к образованию большого количества низкомолекулярных продуктов и газообразных веществ: фенола, толуола, крезола, ксиленолов, окиси и двуокиси углерода, водорода, предельных и ненасыщенных алифатических углеводородов.

Скорость термодеструкции полимеров определяет кинетика процесса разложения, являющаяся функцией теплового нагружения и структуры материалов. Если рассматривать процесс деструкции одностадийным, то скорость потери массы определяет классическое кинетическое уравне­ние [37]:

где К и Е — кинетические константы, определяемые экспериментально; п — порядок реакции.

Рис 5.39. Теплоемкость материалов тепловой защиты:

— углепластик, исходный состав; — углепластик, прококсованные образцы; — графит ПРОГ-2400;— пирографит УПВ-1

Однако процесс пиролиза является многостадийным и зависящим от темпа нагрева (рис. 5.40 [37]), особенно в диапазоне 630. 740 К.

В инженерных расчетах используют формальные значения констант К и Е, охватывающие все имеющиеся экспериментальные данные в при­ближении одностадийного процесса, а порядок реакции п принимают рав­ным нулю. Учет много стадийности процесс пиролиза выполняют разде­лением температурного диапазона на характерные этапы, для каждого из которых вычисляют свои значения — Ко и Е. Влияние темпа нагрева на скорость потери массы учитывают модификацией (5.19) в виде

. (5.20)

Однако в работе [37] показано, что при больших темпах нагрева кинетическое уравнение одностадийного процесса в виде (5.19) ил (5.20) не отражает истинного процесса потери массы при пиролизе.

В углепластиках доля связующего имеет значение примерно 0,4 коксовое число композита составляет 0,7. 0,73 в степени предельного разложения при значении коксового числа фенол-формальдегидной смолы примерно 0,52.

Рис 5.40. Потеря массы при пиролизе эпоксидного связующего:

1 — b=50 К/мин, 2 — b=20 К/мин, 3 — b=80К/мин, 4 — b=160 К/мин.

Тепловой эффект пиролиза коксующихся материалов учитывают в уравнении теплопроводности членом

,

а под понимают эндотермический тепловой эффект одностадийнойреакции термического разложения полимера.

Данные дифференциально-термического анализа углепластика на основе фенольно-формальдегидной смолы, приведенные на рис. 5.41, указывают на существование как эндо-, так и экзотермических реакции.

Теплопроводность металлов

Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

От чего зависит показатель теплопроводности

Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:

  • вида металла;
  • химического состава;
  • пористости;
  • размеров.

Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.

Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.

Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град. Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град. А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.

Применение

Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.

Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:

  • кухонная посуда с различными свойствами;
  • оборудование для пайки труб;
  • утюги;
  • подшипники качения и скольжения;
  • сантехническое оборудование для подогрева воды;
  • приборы отопления.

Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации. Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.