CC BY
25
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ISSN 222Б-3780
5. Висновки
В результат проведених дослiджень доведено, що:
1. Поглинання свiтла нашвпровщниками обумовлено переходами мiж енергетичними станами зонно1 структури. Одним i3 параметрiв напiвпровiдникiв, який змiнюeться залежно вщ довжини хвилi е показник заломлення n.
2. Дiйсна i уявна частини показника заломлення в рiзних натвпроввдникових матерiалах змiнюються майже за однаковим законом.
3. Одним важливим параметром, який залежить вщ довжини хвилi е коефiцiент поглинання.
Лггература
1. Лисенко, Г. Л. Елементарна ком1рка оптичного транспаранта для оптоелектронних обчислювальних комплекс1в на SEED-структурах [Текст] / Г. Л. Лисенко, I. В. Мялкюька // Вюник Вшницького пол1техшчного шституту. — 2007. — № 5. — С. 90-94.
2. Федоров, А. В. Оптические свойства полупроводниковых квантовых точек [Текст] / А. В. Федоров, И. Д. Рухленко, А. В. Баранов, С. Ю. Кручинин. — СПб.: Наука, 2011. — 188 с.
3. Надькин, Л. Ю. Исследование оптических свойств полупроводника в экситонной области спектра под действием мощного импульса накачки и слабого зондирующего импульса [Текст]: автореф. дисс. ... канд. физ.-мат. наук: 01.04.21 / Л. Ю. Надькин. — М., 2013. — 15 с.
4. Dmitruk, N. Morphology, Raman scattering and photoluminescence of porous GaAs layers [Text] / N. Dmitruk, S. Kutovyi, I. Dmitruk, I. Simkiene, J. Sabataityte, N. Berezovska // Sensors and Actuators B: Chemical. — 2007. — Vol. 126, № 1. — P. 294-300. doi:10.1016/j.snb.2006.12.027
7. Kuriyama, K. Characterization of porous GaP by photoacoustic spectroscopy: The relation between band-gap widening and visible photoluminescence [Text] / K. Kuriyama, K. Ushiyama, K. Ohbora, Y. Miyamoto, S. Takeda // Physical Review B. — 1998. — Vol. 58, № 3. — P. 1103-1105. doi:10.1103/phys-revb.58.1103
8. Смит, Р. Полупроводники [Текст]: пер. с англ. / Р. Смит. — М.: Мир, 1982. — 560 с.
9. Уиллардсона, Р. Оптические свойства полупроводников (полупроводниковые соединения типа А1ПВ") [Текст]: пер. с англ. / под ред. Р. Уиллардсона, А. Бира. — М.: Мир, 1970. — 488 с.
10. Павлов, С. М. Основи мжроелектрошки [Текст]: навчальний поабник / С. М. Павлов. — Вшниця: ВНТУ, 2010. — 224 с.
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Исследованы и проанализированы оптические свойства полупроводниковых материалов. В результате теоретического анализа были выявлены основные зависимости показателей преломления, поглощения и отражения от длины волны излучения. Установлена зависимость между интенсивностью падающего пучка и интенсивностью исходного (отраженного или такого, что прошел через полупроводник) пучка с учетом коэффициента поглощения (отражения) материала.
Ключевые слова: полупроводник, оптическое свойство, фотон, оптическая ширина запрещенной зоны, показатель преломления.
Федотов Вячеслав ВШалтович, старший викладач, кафедра загально1 та теоретичног фiзики, Нащональний техтчний ут-верситет Украти «Кшвський полiтехнiчний тститут», Украта, е-mail: dmb92@i.ua.
5. Simkiene, I. Formation of Porous n-A3B5 Compounds [Text] / Федотов Вячеслав Витальевич, старший преподаватель, I. Simkiene, J. Sabataityte, A. Kindurys, M. Treideris // Acta кафедра общей и теоретической физики, Национальный тех-Physica Polonica A. — 2008. — Vol. 113, № 3. — Р. 1085-1090. нический университет Украины «Киевский политехнический
6. Anedda, A. Time resolved blue and ultraviolet photoluminescence институт», Украина. in porous GaP [Text] / A. Anedda, A. Serpi, V. A. Karavanskii,
I. M. Tiginyanu, V. M. Ichizli // Applied Physics Letters. — Fedotov Vyacheslav, National Technical University of Ukraine «Kyiv
1995. — Vol. 67, № 22. — P. 3316-3318. doi:10.1063/1.115232 Polytechnic Institute», Ukraine, е-mail: dmb92@i.ua
УДК 629.735: 621.762 001: 10.15587/2312-8372.2014.34776
воденникова о. с. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОЕМКОСТИ
МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ УГЛЕРОД-АЛЮМИНИЕВЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Представлены результаты экспериментальных исследований теплоемкости образцов многокомпонентных углерод-алюминиевых композиционных материалов. Описан сравнительный метод динамического калориметра с тепломером и адиабатической оболочкой для определения показателей теплоемкости. Установлено влияние компонентного состава и содержания композитов на показатели теплоемкости.
Ключевые слова: композиционные материалы, теплоемкость, компонентный состав, температура, эксперимент.
1. Введение триботехнических материалов. Среди многообразия этих
материалов особое внимание уделяется созданию и ис-
Современное развитие машиностроения, авиационной следованию углеродных композиционных материалов техники и других высокотехнологичных производств на основе алюминия. Композиционные материалы этой немысленно без применения новых конструкционных компонентной группы привлекают внимание конструк-
72 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 6/1(20], 2014, © Воденникова О. С.
торов и исследователей благодаря низкому удельному весу, высокой стойкости при трении, в частности, в экстремальных силовых и температурных условиях эксплуатации, пониженным температурам в зоне три-ботехнического контакта, хорошей обрабатываемости, высокой противозадирности, низким значением коэффициента термического расширения и высоким демпфирующим свойствам. Особенно эффективно их применение в узлах трения, где другие антифрикционные материалы, требующие смазки, не работают из-за высоких или низких температур и агрессивности среды. Вместе с тем триботехнические исследования теплоемкости композитов своевременны и актуальны, они позволят более точнее оценить количественные показатели изменения температуры в зависимости от условий нагревания или выделения теплоты в процессе работы трибосистемы, а также сделать оптимальный выбор температурных условий эксплуатации материалов [1-3].
2. цель и задачи исследования
Цель работы — экспериментальным методом определить ранее неизвестные показатели теплоемкости новых углерод-алюминиевых композитов триботехнического назначения.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить такие задачи:
1. Методом порошковой металлургии получить образцы композиционных материалов с заданным компонентным составом и содержанием.
2. На экспериментальной установке выполнить тепло-физические измерения и провести соответствующие расчеты показателей теплоемкости.
3. Проанализировать результаты теплофизических исследований теплоемкости углерод-алюминиевых композитов и установить влияние компонентного состава и содержания композитов на показатели теплоемкости.
3. Анализ литературных данных
Известно, что оптимальный выбор композиционного материала для заданных условий эксплуатации зависит от физико-механических и эксплуатационных свойств, на которые влияет как компонентный состав композита, так и технологический процесс получения самих материалов и деталей из них. Поэтому в ряде исследований [1, 4-7] большое место занимают специфические теплофизические исследования материалов. Однако предметом этих исследований, как правило, являлись одно-двух компонентные системы. Изучение и исследование более сложных многокомпонентных композитов не нашли широкого развития. В связи с этим в представленной работе поставлена основная задача — провести теплофизические исследования многокомпонентных углерод-алюминиевых композитов различного состава и содержания и установить влияние компонентного состава на показатели теплоемкости.
4. результаты теплофизических исследования углерод-алпминиевых композитов
Теплофизические исследования композитов были направлены на определения их теплоемкости. Компо-
нентный состав исследуемых композитов представлен в табл. 1.
таблица 1
Компонентный состав углерод-алюминиевых композитов
№ партии образцов Содержание компонентов, % объемн.
Чешуйчатый графит Графит Глинозем Al-й порошок Al-я пудра
1 10 70 — 20 —
4 10 20 — 50 20
6 15 30 — 40 15
12 15 15 40 25 5
Образцы композиционных материалов (диаметр 15 мм, высота 10 мм) были получены методом горячего прессования на гидравлическом прессе ПГПР с нагрузкой до 25,0 МПа в металлической пресс-форме при температуре 450 °С. В качестве исходных порошковых материалов для получения прессовок многокомпонентных композитов применяли чешуйчатый графит, глинозем, алюминиевый порошок, алюминиевую пудру и графит, гранулометрический состав которых представлен в табл. 2. Графит и алюминий составляли матричную основу композиционного материала.
таблица 2
Гранулометрический состав и характеристики исходных порошков
Вид порошка Гранулометрический состав, мкм Плотность г/см3 Никелирование
dmin dmax Ър Температура, °С Время, час. Толщина покрытия, мкм
Чешуйчатый графит 71 494 178 2,1 85 2 6,5
Глинозем 27 81 55 2,7 85 2 8,2
Графит 14 365 97 1,7 85 2 10,8
Алюминиевый порошок 250 950 600 2,7 — — —
Алюминиевая пудра 25 51 33 2,7 — — —
Определение теплоемкости образцов проводили сравнительным методом динамического калориметра с тепломером и адиабатической оболочкой на приборе НТ-с-400 (рис. 1) в соответствии с [8, 9]. В процессе непрерывного нагрева при разных температурах (через каждые 25 °С) с помощью вольтметра и секундомера измеряется временное запаздывание температуры по отношению к температуре медной основы. Блок питания и регулирования обеспечивают питание сердцевины измерительной системы со скоростью ~0,1 К/с и автоматическое регулирование температуры охранного колпака.
Теплоемкость образца (С) определяется по формуле:
Кт о
C — (Тт Тт ),
то
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 6/1(20], 2014
73-J
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ISSN 2226-3780
где Кт — тепловая проводимость тепломера, постоянная прибора, Вт/К;ш0 — масса образца, г;тт — время запаздывания температуры на тепломере, с; т° — среднее значение времени запаздывания на тепломере в эксперименте с пустой ампулой, с.
Рис. 1. Установка НТ-с-400 для определения теплоемкости образцов композитов
В результате исследований были получены значения теплопроводности тепломера — Кт , среднего значения времени запаздывания на тепломере в эксперименте с пустой ампулой — т? и время запаздывания подъема температуры для опытных образцов композитов в диапазоне температур 298 ■ 573 К (табл. 3).
Таблица 3
Экспериментальные данные для определения теплоемкости композитов
Экспериментальные данные коэффициентов теплоемкости композитов различных составов показали (рис. 2), что наиболее низкими значениями теплоемкости во всем температурном диапазоне измерения обладает композит № 1, что обусловлено существенно меньшим содержанием алюминия по сравнению с другими исследованными материалами.
Рис. 2. Экспериментальная зависимость теплоемкости образцов композиционных материалов от температуры
Для образцов № 6 и 12 показатели теплоемкости наиболее высокие во всем диапазоне температур, что связано с наибольшим вкладом индивидуальных теплоемкостей алюминия и оксида алюминия в общую теплоемкость композитов. Экспериментальные значения теплоемкости композитов № 4, 6 и 12 незначительно отличаются от раннее приведенных расчетных значений [10]. Величины максимальных отклонений опытных и расчетных значений не превышают 20 %.
Анализ кривых зависимости теплоемкости образцов композиционных материалов от температуры показал, что все экспериментальные зависимости имеют экстремальный характер с перегибами кривых при температурах около 500 ■ 523 К, что связано, по видимому, со структурными изменениями, происходящими в углерод-алюминиевых композитах в этом диапазоне температур.
5. Обсуждение результатов исследования теплоемкости углерод-алпминиевых композитов
Результаты исследований представляют научно-практический интерес для конструкторских подразделений машиностроительной, авиационной и ракетно-космической отрасли. Исследуемый материал может быть применен в узлах сухого трения, эксплуатируемых в экстремальных силовых и температурных условиях. Исследования теплоемкости углерод-алюминиевых композитов является продолжением ранее проведенных теплофизи-ческих (коэффициентов теплопроводности и линейного термического расширения) и триботехнических (коэффициента трения и интенсивности износа) исследований и по сути является заключительным этапом комплексного сравнительного анализа функциональных характеристик новых композиционных материалов триботехнического назначения с результатами расчетов по разработанным математическим моделям оценки этих характеристик.
6. Выводы
В результате проведенных исследований:
1. Методом горячего прессования получены прессовки 4 видов различных по составу и содержанию углерод-алюминиевых композитов триботехнического назначения.
2. Экспериментальным и расчетным путем установлены ранее неизвестные значения теплоемкостей углерод-алюминиевых композитов различного компонентного состава и содержания в температурном диапазоне 298 ■ 573 К.
Т, К ^ С Время запаздывания температуры на тепломере тт, с K, Вт/К
Образец 1 Образец 4 Образец 6 Образец 12
298 12 17,8 18,5 18 15 0,445
323 19,5 26 25,8 26,2 23 0,446
348 20 28 28,4 27,2 23 0,448
378 19,5 26,8 28,2 27,6 23,2 0,431
398 19 26,6 27 27 23,6 0,400
423 19 25 27,2 27,2 23,8 0,436
448 18,5 24,5 26 26,6 23,6 0,43
473 18 24,2 26 26,2 22 0,462
498 17,2 23,5 25,6 25,4 21,4 0,503
523 16,2 23 25,8 23,4 20,8 0,466
548 15,8 20 22 22,8 19,2 0,488
573 15,4 19 21,2 22,2 18,8 0,491
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 6/1(20], 2014
3. С помощью сравнительного анализа показано влияние компонентного состава на показатели теплоемкости и установлено, что наименьшей теплоемкостью обладают композиты с минимальным содержанием алюминия.
Литература
1. Скороход, В. В. Теория физических свойств пористых и композиционных материалов и принципы управления их микроструктурой в технологических процессах [Текст] /
B. В. Скороход // Порошковая металлургия. — 1995. — № 1/2. — C. 53-71.
2. Akhlaghi, F. Influence of graphite content on the dry sliding and oil impregnated sliding wear behavior of Al 2024-graphite composites produced by in situ powder metallurgy method [Text] / F. Akhlaghi, A. Zare-Bidaki // Wear. — 2009. — Vol. 266, № 1-2. — P. 37-45. doi:10.1016/j.wear.2008.05.013
3. Скачков, В. А. Особенности получения триботехнических углерод-алюминиевых композитов методами порошковой металлургии [Текст] / В. А. Скачков, С. А. Воденшков,
C. С. Сергиенко, В. И. Иванов, О. С. Воденникова // Про-блеми трибологп. — 2010. — № 4. — С. 91-94.
4. Кошлак, А. В. Формирование теплофизических характеристик пористого материала [Текст] / А. В. Кошлак // Ма-тематичне моделювання. — 2008. — № 2(19). — С. 81-84.
5. Riahi, A. The role of tribo-layers on the sliding wear behavior of graphitic aluminum matrix composites [Text] / A. Riahi,
A. Alpas // Wear. — 2001. — Vol. 251, № 1-12. — P. 1396-1407. doi:10.1016/s0043-1648(01)00796-7
6. Скороход, В. В. Слоистые композиты: структурная классификация, теплофизические и механические свойства [Текст] /
B. В. Скороход // Порошковая металлургия. — 2003. — № 9/10. — С. 1-12.
7. Войтов, В. А. Экспериментальная оценка триботехнических характеристик различных конструкций трибосистем с тепловыми сопротивлениями. Часть I. Методический подход в исследованиях [Текст] / В. А. Войтов, Д. А. Великодный // Проблеми трибологп. — 2009. — № 2. — С. 25-31.
8. Скачков, В. А. К определению теплоемкости многокомпонентных углерод-алюминиевых композитов [Текст] / В. А. Скачков, С. А. Воденников, О. С. Воденникова и др. // Kluczowe aspekty naukowej dzialalnosci-2012: Materialy VIII miedzyarodwej naukowi-praktycznej konferencji, 7-15 stycznia 2012 roku: Przemysl. Nauka I studia. — P. 55-57.
9. Платунов, Е. С. Теплофизические измерения в монотонном режиме [Текст] / Е. С. Платунов. — Ленинград: Энергия, 1973. — 142 с.
10. Воденников, С. А. Теплофизические характеристики металло-углеродных композиционных материалов [Текст] / С. А. Воденников, В. А. Скачков, О. С. Воденникова и др. // Новi матерiали i технологи в металургп та машинобудуванш. — 2012. — № 1. — С. 27-30.
Д0СЛЩЖЕННЯ ТЕПЛОЕМНОГЛ бАГАТОКОМПОНЕНТНИХ BYГЛEЦЬ-AЛЮМШiEBИХ КОМПОЗИЩЙНИХ МАТЕPiАЛiB
Представлено результати експериментальних дослщжень теплоемносп зразгав багатокомпонентних вуглець-алюмМе-вих композицшних матер1ашв. Описано порiвняльний метод дина1шчного калориметра з тепломiром i адiабатичною обо-лонкою для визначення показнигав теплоемносп. Встановлено вплив компонентного складу i змюту композштв на показники теплоемносп.
Ключовi слова: композицшш матерiали, теплоемшсть, ком-понентний склад, температура, експеримент.
Воденникова Оксана Сергеевна, кандидат технических наук, доцент, кафедра металлургии черных металлов, Запорожская государственная инженерная академия, Украина, e-mail: oksi2805@mail.ru.
Воденткова Оксана СергНвна, кандидат техтчних наук, доцент, кафедра металургп чорних металiв, Запорiзька державна тженерна академiя, Украта.
Vodennikova Oksana, Zaporozhye State Engineering Academy, Ukraine, e-mail: oksi2805@mail.ru
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 6/1(20), 2014
