CC BY
80
УДК 620.22-419.8:536.21
Д-р техн. наук С. А. Воденников, канд. техн. наук В. А. Скачков,
О. С. Воденникова, В. И. Иванов
Государственная инженерная академия, г Запорожье
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ МЕТАЛЛОУГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Предложены модели прогнозирования коэффициентов теплопроводности и теплоемкости многокомпонентных металлоуглеродных композиционных материалов триботехнического типа. Выполнена экспериментальная проверка предлагаемых моделей.
Ключевые слова: многокомпонентный металлоуглеродный композит, теплоемкость, коэффициент теплопроводности, температура, расчет, эксперимент.
Современное развитие машиностроения Украины требует создания материалов, обладающих механической прочностью при высоких нагрузках, повышенной износостойкостью, термостойкостью, малой плотностью, возможностью регулирования теплопроводности в широких пределах, а также хорошими электрофизическими свойствами [1]. Многообразие матричных материалов и схем армирования позволяет направленно регулировать прочность, жесткость и другие служебные свойства путем подбора состава, изменения соотношения компонентов и макроструктуры композиционного материала. Поэтому важнейшим преимуществом данных материалов является возможность создания из них элементов конструкций с заранее заданными служебными свойствами [2, 3]. Особенно эффективно их применение в узлах трения, ще другие антифрикционные материалы, требующие смазки, имеют низкую работоспособность из-за высоких или низких температур, а также агрессивности среды [4].
Для оценки условий применения композиционных материалов в узлах трения учитывают их теплофизические характеристики - теплоемкость и коэффици-
ент теплопроводности, которые обеспечивают поглощение и отвод тепловой энергии, образующейся в зоне трения.
Целью работы является построение моделей прогнозирования теплофизических характеристик композиционных материалов и оценку их адекватности на основе экспериментальных данных.
Формирование структуры многокомпонентных композиционных материалов в процессе прессования во многом зависит от формы, гранулометрическою состава, объемного содержания и качественных характеристик исходных компонентов смеси. В качестве компонентов композиционных материалов триботех-ническош типа использовали графит чешуйчатый, графит искусственный, глинозем, карбид титана, алюминиевый порошок и алюминиевую пудру. С целью повышения адгезии между компонентами и формирования более плотной структуры композиционного материала на основные компоненты (графит чешуйчатый, графит искусственный, глинозем, карбид титана) предварительно наносили гальваническое никелевое покрытие. Характеристики компонентов композиционных материалов представлены в табл. 1.
Таблица 1 - Характеристика компонентов композиционных материалов
Наименование компонента Диаметр частиц, мкм Удельная поверхность, 104, мм2/г Химический состав, %
ІПІП шах С А1 АІ2О3 № ТІС
Порошок алюминия 45,0 250,0 0,0778 _ 99,8 0,2 _ _
Пудра алюминиевая 10,0 40,0 9,2 _ 99,4 0,6 _ _
Графит чешуйчатый 70,5 493,5 1,3 97,3 - - 2,7 -
Графит искусственный 13,5 364,5 4,0 95,3 - - 4,7 -
Оксид алюминия 27,0 81,0 4,5 _ _ 94,6 5,4 _
Карбид титана 15,5 47,0 2,0 — — 0,7 99,3
© С. А. Воденников, В. А. Скачков, О. С. Воденникова, В. И. Иванов, 2012
1607-6885 Нові матеріали і технології е металургії та машинобудуванні №1, 2012
27
С достаточной инженерной точностью коэффициенты теплоемкости многокомпонентных композиционных материалов Ск можно рассчитать по формуле:
N
Ск = ХсгР,, О)
1=1
ще Р!, С, -объемное содержание и теплоемкость компонента с номером 7 ; N - число компонентов композита.
Учитывая зависимость коэффициентов теплоемкости от температуры, можно записать:
С1(Т) = В0 + В1-Т + Вг-Т-1 + В,-Т-\ (2)
ще Вг - коэффициенты; Т - температура.
Коэффициенты уравнения (2) определяют с использованием соотношения:
N
в. = 1]ьг?., (3)
1=1
Методом прямого двухстороннего горячего прессования при удельном давлении 60 МПа и температуре 723 К получены образцы композиционных материалов на основе компонентов, представленных в табл.
1. Состав полученных образцов композитов представлен в табл. 2.
Теплоемкость образцов определяли методом динамического колориметра с тепломером и адиабатической оболочкой на приборе НТ-с-400.
Исходные данные для расчета теплоемкости по формулам (2) и (3) представлены в табл. 3 [5].
В табл. 4 представлены опытные и расчетные значения теплоемкости исследуемых типов многокомпонентных композиционных материалов. Величина максимального отклонения опытных и расчетных значений не превышает 20 %.
Для оценки условий применения триботехнических материалов применяются коэффициенты теплопроводности.
Таблица 2 - Состав композиционных материалов триботехнического назначения
Компоненты композита Содержание компонентов, %, по сериям образцов
I II III IV
Графит чешуйчатый 6,7 8,6 11,5 11,9
Графит искусственный 37,7 13,9 - 9,6
Оксид алюминия - - 57,1 -
Карбид титана - - - 66,5
Алюминий 53,3 76,5 26,9 10,5
Никель 2,3 1,0 4,5 1,5
Таблица 3 - Коэффициенты Ъ: в модели теплоемкости
Компонент Ьо 6Г103 *2-10'
Углерод 4,10 1,02 -2,10
Алюминий 4,94 2,96 0
Никель 4,06 7,04 0
Оксид алюминия 27,43 3,06 -8,47
Карбид титана 11,83 0,80 -3,58
В рамках среды класса В2 [6] коэффициенты теплопроводности многокомпонентною композита а
и
можно записать:
N
«■, = !>!; А, (4)
1=1
где а* - коэффициенты теплопроводности к -го компонента композита; Хк - случайная индикаторная функция компонента [6]; N - число компонентов в композите.
Таблица 4 - Теплоемкость полученных образцов композитных материалов
Теплоемкость образцов, Дж/(кг-К), при температуре, К
Серия образцов 293 373 473 573 673
расчет опьгг расчет опьгг расчет опьгт расчет опьгт расчет опьгт
I 0,78 0,59 1,02 0,81 1,15 0,83 1,24 0,98 1,31 -
II 0,83 0,69 0,98 0,89 1,08 0,98 1,16 1,28 1,21 -
III 0,77 0,73 0,96 1,02 1,06 1,04 1,13 1,16 1,18 1,22
IV 0,64 0,60 0,87 0,75 0,99 0,98 1,06 0,97 1,12 1,! 6
Обобщая результаты работы [7] применительно к многокомпонентным хаотически армированным композиционным материалам, получают расчетную формулу для прогнозирования коэффициентов теплопроводности:
а, =
N
2<4>2-(42-/12 + Д2)
к=1
л
3 < Я, >
V
■8,,.(5)
ще 1к - коэффициент вариации коэффициентов теплопроводности к-го компонента композита; Рк -объемное содержание компонента композита с номером к; <...>- оператор статистического осреднения;
- момент второго порядка для Хк ; < ау > - среднее значение, полученное осреднением (4).
Величину П2к вычисляют по формуле: Дг = Р*-(1-Р4).
(6)
В табл. 5 представлены коэффициенты теплопроводности компонентов композита для температуры до 673 К.
Используя данные табл. 5 для серий образцов, представленных в табл. 2, по формуле (5) произведены расчеты коэффициентов теплопроводности в интервале температур 293... 673 К. Результаты расчетов представлены в табл. 6.
Экспериментальные значения коэффициентов теплопроводности получены методом динамического колориметра по стандартной методике на приборе НТ-1-400 и приведены в табл. 6.
Из анализа данных (табл. 6) следует, что коэффициенты теплопроводности исследуемых серий образцов с повышением температуры снижаются до 15 %. Расчетные значения коэффициентов теплопроводности с точностью не хуже 12 % соответствуют величинам, полученным в эксперименте.
Выводы
Установлена зависимость теплоемкости и коэффициентов теплопроводности металлоуглеродных многокомпонентных композиционных материалов от температуры. Проведена оценка точности предложенных расчетных методик путем сопоставления с экспериментальными значениями теплоемкости и коэффициентов теплопроводности четырех типов композиционных материалов.
Таблица 5 - Коэффициенты теплопроводности компонентов композита, Вт/(м-К)
Компоненты композита Температура, К Источник
293 373 473 573 673
Углерод 111 104 97 89 81 [8]
Алюминий 235 238 234 230 224 [9]
Никель 90,4 79,7 72,1 63,3 60,9 [9]
Оксид алюминия 32,3 30,0 27,4 24,8 28,2 [10]
Карбид титана 25 27 28 29 30 [10]
Таблица 6 - Коэффициенты теплопроводности, (Вт/(м-К), композита в интервале температур 293... 673 К
Серия Температура, К
образцов 293 373 473 573 673
I 139,0 125,9 119,5 117,8 120,1
134,6 131,7 126,7 121,0 114,7
II 172,0 183,4 176,4 170,7 155,0
175,3 175,4 171,1 166,5 160,7
III 68,7 60,2 57,3 55,2 -
60,5 58,1 54,7 51,1 47,4
IV 59,3 56,1 54,2 50,4 -
50,1 48,8 46,9 44,7 42,4
Примечание: в числителе — эксперимент, в знаменателе — расчет.
188Ы1607-6885 Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні №1, 2012
29
Список литературы
1. Адаскин А. М. Материаловедение и технология материалов / А. М. Адаскин, В. М. Зуев. - М.: Форум, 2010. — С. 184-193.
2. Костиков В. И. Сверхвысокотемпературные композиционные материалы / В. И. Костиков, А. Н. Варенков. -М. : Интермет Инжиниринг, 2003. - 560 с.
3. Буланов И. М. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов / И. М. Буланов, В. В. Воробей. - М. : Изд-во МВТУ им. Н. Э. Баумана, 1998. - 516 с.
4. Бушуев Ю. Г. Углерод-углеродные композиционные материалы / Ю. Г. Бушуев, М. И. Персии, В. А. Соколов. -М. : Металлургия, 1994. - 128 с.
5. Уикс К. Е. Термодинамические свойства 65 элементов, их оксидов, галогенидов, карбидов и нитридов / К. Е. Уикс,
Водеииіков С.А., Скачков В.О., Водеииікова О.С., Іванов В.І. Теплофізичні характеристики багатокомпонентних металовуглецевих композиційних матеріалів
Запропоновано моделі прогнозування коефіцієнтів теплопровідності та теплоємності багатокомпонентних металовуглецевих композиційних матеріалів триботехнічного типу. Виконано експериментальну перевірку пропонованих моделей.
Ключові слова: багатокомпонентний металовуглецевий композит, теплоємність, коефіцієнт теплопровідності, температура, розрахунок, експеримент.
Vodennikov S., Skachkov S., Vodennikova O., Ivanov V. Thermalphysics characteristics of multicomponent metalcarbon composite materials
Models for prognostication of heat conductivity coefficients and heat capacity for multicomponent metalcarbon composite materials of tribotechnical type were offered. The experimental verification of the offered models was made.
Keywords: multicomponent metalcarbon composite, heat capacity, coefficient of heat conductivity, temperature, calculation, experiment.
Ф. Е. Блок. - М. : Металлургия, 1965. - 240 с.
6. Богачев И. Н. Введение в статистическое металловедение / И. Н. Богачев, А. А. Вайнштейн, С. Д. Волков. -М. : Металлургия, 1972. - 216 с.
7. Волков С. Д. Статистическая механика композитных материалов / С. Д. Волков, В. П. Ставров. - Минск : БГУ, 1978. - 205 с.
8. Свойства конструкционных материалов на основе углерода : справочник / Под ред. В. П. Со Седова. - М. : Металлургия, 1975. - 336 с.
9. Зиновьев В. Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах: справочное издание / В. Е. Зиновьев. - М. : Металлургия, 1989. - 384 с.
10. Мармер Э. Н. Материалы для высокотемпературных вакуумных установок / Э. Н. Мармер. - М. : Физматлит, 2007. - 152 с.
Одержано 13.12.2011
