Анализ физико-химических свойств теплоизоляционных материалов. Разработка композиционных смесей с минимальным коэффициентом теплопроводности. Влияние пористости вещества на процессы охлаждения. Прессование конструкционных деталей из композиционной смеси.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

ОГЛАВЛЕНИЕ

• ОПРЕДЕЛЕНИЯ
• ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
• 1.1 Характеристики теплоизоляционных материалов
• 1.2 Теплопроводность при нестационарном режиме
• 1.2.1 Постановка задачи нестационарной теплопроводности
• 1.2.2 Аналитический метод решения (метод Фурье)
• 1.3 Влияние пористости вещества на процессы охлаждения
• 1.4 Композиционные теплозащитные материалы
• 1.4.1 Основные определения
• 1.4.2 Требования к композиционным материалам
• 1.5 Методы синтеза наночастиц
• 1.5.1 Диспергирование
• 1.5.2 Конденсация
• 1.5.3 Основы золь-гель технологии
• 1.6 Методы термического анализа
• 1.7 Анализ высокоэффективных теплоизоляционных и теплозащитных материалов
• 1.7.1 Microtherm
• 1.7.2 Теплоизоляционные материалы производства научно-производственного предприятие «Технология» (г. Обнинск)
• 1.7.3 Продукция ООО «Термокерамика» (г. Москва)
• 2. МЕТОДЫ ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
• 2.1 Принцип действия и устройство измерительной системы ДСК
• 2.1.2 Методика расчета коэффициента теплопроводности
• 2.1.3 Подготовка тигля
• 2.1.4 Подготовка образцов и метод измерения
• 2.2 Прибор для измерения коэффициента теплопроводности зондовым методом - МИТ 1
• 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ
• 3.1 Выбор волокнистых материалов с низким коэффициентом теплопроводности
• 3.2 Подбор и изготовление композиционных материалов
• 3.3Анализ полученных композиционных смесей
• 3.4 Прессование конструкционных деталей из композиционной смеси
• 3.5 Определение характеристик теплоизоляционных материалов
• 3.6 Получение золя кремниевой кислоты ионообменным способом
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В данной работе применены следующие термины с соответствующими определениями:

теплозащита - средство обеспечения нормального температурного режима в установках и аппаратах, работающих в условиях подвода к поверхности значительных тепловых потоков.

микропористая теплозащита - теплозащита, состоящая на 80% - 90% из воздуха или газа.

композиционный материал - результатом объемного сочетания разнородных компонентов, один из которых образует матрицу (связующее), а другой (наполнитель) обладает высокой прочностью; при этом, композиционные материалы имеют свойства, которыми не обладают их отдельные компоненты.

нанокомпозиты - это материалы, сформированные при введении наноразмерных частиц (наполнителей) в структурообразующую твердую фазу (матрицу).

коэффициент теплопроводности (л) - количество тепла, проходящее за 1 час через образец материала толщиной 1 м и площадью 1м² при разности температур на противолежащих поверхностях.

термический анализ - представляет собой совокупность методов определения температур фазовых превращений и других термических характеристик индивидуальных соединений или систем взаимодействующих веществ.

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ТИМ - теплоизоляционные материалы

НЧ- наночастицы

КМ - композиционный материал

ТА - термический анализ

ДТА - дифференциальный термический анализ

ДС - диаграмма состояния

ДСК - дифференциально-сканирующая калориметрия

ТЗ - техническое задание

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время для защиты объектов от воздействия экстремальных температур применяются теплозащитные конструкции. При этом создание эффективной теплозащиты связано со сложностью практической реализации оптимального сочетания теплофизических, механических, экологических характеристик.

В работе разработан теплозащитный материал и представлены результаты экспериментального исследования его физико-химических свойств. Теплозащитный материал обладает минимальным коэффициентом теплопроводности, минимальной плотностью, работоспособен при воздействии высоких температур.

Материал содержит тонкодисперсные аморфные частицы оксида кремния размером (10-25)нм. При этом свойства структуры наночастиц оксида кремния обеспечивают низкую теплопроводность. Теплопередача через воздух также резко уменьшена, вследствие формирования так называемых «клеток-карманов», средний размер которых меньше пути свободного пробега молекулы воздуха.

Поэтому целью работы является разработка композиционных смесей с минимальным коэффициентом теплопроводности, изготовление прессованных деталей из композиционных смесей и изучение их технических характеристик.

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Характеристики теплоизоляционных материалов

К теплоизоляционным материалам относятся материалы, характеризующиеся малой способностью проводить тепло. Помимо снижения теплового потока через конструкцию, теплоизоляция защищает от разрушающего воздействия переменных температур и наружного воздуха.

Основными свойствами указанных материалов являются:

Коэффициент теплопроводности (л) - количество тепла, проходящее за 1 час через образец материала толщиной 1 м и площадью 1м² при разности температур на противолежащих поверхностях. Характеризует передачу тепла внутри материала вследствие взаимодействия его структурных единиц.

Свойства материала можно оценить показателем л*с, с-плотность материала. При этом, чем меньше коэффициент теплопроводности и меньше плотность разрабатываемого материала, тем больше эффективность теплоизоляции. На величину теплопроводности также оказывают влияние температура и влажность материала. Чем выше эти показатели, тем больше у материала теплопроводность. Также на величину теплопроводности влияет структура пор и размеры частиц входящих в состав материала. Коэффициент теплопроводности не зависит от толщины материала.

Термическое сопротивление (R) - характеризует сопротивление конструкции передаче тепла. Зависит от структуры материалов, из которых состоит конструкция, их коэффициентов теплопроводности и их толщин.

R = у / л,

где у - толщина материала в метрах [1,2].

1.2 Теплопроводность при нестационарном режиме

Стационарные режимы теплообмена, характеризуются тем, что температурное поле во времени не изменяется и в дифференциальном уравнении теплопроводности Фурье-Кирхгофа производная ?Т/?ф, ?Т - изменение температуры, ?ф - изменение времени. Однако многие процессы не могут происходить без изменения каких либо внешних условий во времени.

В работе рассмотрены нестационарные процессы теплопроводности в неподвижных средах и даны аналитические методы решения дифференциального уравнения Фурье-Кирхгофа для нестационарного случая с различными краевыми условиями.

Нестационарные тепловые процессы сопровождаются не только изменением температурного поля во времени, они также связаны с изменением энтальпии тела, т.е. с его нагревом и охлаждением.

В большинстве нестационарных тепловых процессов можно выделить

три этапа, характеризующиеся различными режимами, из которых нестационарными будут лишь два первых. На первом этапе поле температур в теле определяется не только изменившимся тепловым воздействием (например, изменением температуры окружающей среды) но и начальным распределением температур в теле T₀ (x y z) при ф = 0. Поскольку начальное температурное поле в общем случае может быть произвольным, то и тепловой режим на этом первом этапе носит характер неупорядоченного процесса.

На втором этапе влияние начального состояния ослабевает, и дальнейшее протекание процесса управляется лишь условиями на границе тела, т. е. наступает режим упорядоченного процесса, в частности, установившейся режим. Для большинства процессов первой группы характерен еще и третий этап, в котором температура тела во всех точках одинакова и равна температуре окружающей среды - состояние теплового равновесия [3]. На практике тело относительно быстро достигает состояния, близкого к состоянию теплового равновесия.

1.2.1 Постановка задачи нестационарной теплопроводности

Дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье-- Кирхгофа в случае неподвижной среды и отсутствия внутренних источников тепла имеет вид:

(1.1)

где a = л /(cс ) и ² -- оператор Лапласа, записанный в прямоугольной, цилиндрической, сферическо...