Разработка теплозащитного материала с минимальным коэффициентом теплопроводности

Оперативное определение теплопроводности строительных и теплоизоляционных материалов зондовым методом по ГОСТ 30256 на образцах и в объектовых условиях

Технологический, лабораторный и оперативный контроль теплозащитных свойств материалов и конструкций при обследовании зданий и сооружений.

Преимущества:

1. Возможность автономного применения при обследовании объектов

2. Расширенный диапазон измерения теплопроводности

3. Минимальные массогабаритные показатели

4. Малое время цикла измерений

5. Возможность выполнения измерений с теплопроводящей пастой и без нее (с наличием воздушной прослойки в зазорах между зондом и стенкой отверстия)

6. Силовой аккумуляторный блок питания, обеспечивающий автономную работу прибора (нагрев зонда) не менее 10 часов

7. Блок сетевого питания (220 В, 50 Гц) нагревательного устройства зонда

Основные функции (табл. 2.1):

- Выбор условий измерений, видов материала и смазки с помощью экранных меню

- Автоматический цикл измерений

- Отображение процесса измерения на графическом дисплее с подсветкой, с индикатором "прогресса"

- Режим расчета термического сопротивления

- Автоматическая архивация 1600 результатов и условий измерений

- Автоматический контроль состояния аккумуляторов

- Русский и английский язык меню и текстовых сообщения

- USB интерфейс, сервисная компьютерная программа [26].

На рис. 2.4 - образцовые меры исследуемых материалов, на рис. 2.5- прибор МИТ-1

Таблица 2.1 - Технические характеристики прибора МИТ-1

Рисунок 2.4 - Образцовые меры теплопроводности, используемые при проверке.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

На основе проведенных исследований высокоэффективных и теплозащитных материалов, была разработана и исследована композиционная смесь порошков и материалов(волокна SiO₂ и Al₂O₃, тонкодисперсные порошки TiO, Al₂O₃ и тугоплавкие оксиды). Сформирована микропористая структура и установлены технические характеристики полученного теплоизоляционного материала.

3.1 Выбор волокнистых материалов с низким коэффициентом теплопроводности

Первым этапом требовалось определить состав смеси. Были выбраны материалы с наиболее низким коэффициентом теплопроводности. Для этого с помощью прибора МИТ-1, предназначенного для проведения экспрессного анализа определения коэффициента теплопроводности, экспериментально были определены значения коэффициента теплопроводности.

Образец материала перед экспериментом был подготовлен следующим образом. В образце сверлилось отверстие 6 мм глубиной 100 мм, в которое вводился зонд. Для материалов с гладкими негигроскопичными стенками желательно использовать теплопроводящую смазку для улучшения теплового контакта между зондом и испытуемым материалом. Если испытуемый материал имеет пористую структуру, смазка при нагреве должна оставаться достаточно густой, чтобы не впитываться в поры. При проникновении смазки в поры испытуемого материала результаты измерения искажаются. Для любых материалов желательно, чтобы зонд вставлялся в отверстие плотно, с минимальным зазором. Перед измерением образец необходимо выдержать вместе с зондом при температуре измерения не менее двух часов. Для испытаний при температуре, отличающейся от окружающей, образцы должны помещаться в термостат (ящик) из материала с низкой теплопроводностью, например, из пенополистирола [27].Для точности измерений теплопроводности волокон плотность их упаковки, при которой проводились измерения, была одинакова. Измерения проводились с одинаковым значением подаваемой мощности на образец. Зондовым методом по ГОСТ 30256 было получено ряд значений определяемой величины.

В качестве упрочняющей, структурирующей добавки для улучшения механических свойств конечного продукта были выбраны кремнеземные и глиноземные волокна. Волокна образуют трехмерную не упорядоченную структуру, при этом коэффициент теплопроводности не ухудшается за счет того, что диаметр волокон находится в наноразмерном диапазоне. Снижение диаметра волокна также ведет к уменьшению конвективного и лучистого переноса тепла.

Для исследования были взяты волокна, технические характеристики которых представлены в табл. 3.1.

Таблица 3.1 - Технические характеристики исследуемых волокон

Проводился эксперимент по определению коэффициента теплопроводности волокон (по вышеописанной методике). Результаты эксперимента приводятся в табл. 3.2

Таблица 3.2 - Результаты эксперимента по определению коэффициента теплопроводности

Анализируя полученные значения было установлено что волокно «Рувол» с содержанием Al₂O₃ и SiO с соотношении 50-50%, имеет наиболее низкий коэффициент теплопроводности.

3.2 Подбор и изготовление композиционных материалов

Вторым этапом эксперимента был выбор наполнителя - связующего для композиционной смеси. В выбранное волокно в различных соотношениях был добавлен «Аэросил» марки 200, так как этот материал имеет низкий коэффициент теплопроводности (л~1,0 Вт/м·К). «Аэросил» обладает и другими очень важными техническими характеристиками: влажность менее 1%, большое содержание SiO₂ - 99,8%, размеры сферических частиц ~12-18 нм, теоретически он может подойти как связующее для смеси выбранного нами волокна. Полученные композиционные смеси также были проверены прибором МИТ-1, для определения коэффициента теплопроводности.

Таблица 3.3 - Теплопроводность модифицированной композиционной смеси

Из полученных данных видно, что наименьший коэффициент теплопроводности имеет материал с соотношением компонентов 25-75%(«Рувол»-«Аэросил»). Из смеси были сделаны(методам сухого прессования) детали. По методике «Определение прочности при сжатии пористых материалов» было установлено, что данный состав не удовлетворяет нашим требованиям.

Для дальнейшего получения высокоэффективного теплоизоляционного материала была взята композиционная смесь с соотношением компонентов «Рувол» - «Аэросил» 50-50%.

Кроме основного наполнителя - «Аэросил» были выбраны тонкодисперсные порошки. Целесообразно было выбрать в качестве наполнителя тонкодисперсные химические элементы с высокими значениями прочности и жесткости, теплостойкости и устойчивости к химическим воздействиям, для этого используются элементы углерода, алюминия, кремния, кислорода, азота [28]. Типичными представителями таких соединений являются керамические материалы: SiC, Si0₂, Аl₂О₃.

Так как именно вышеперечисленные оксиды являются огнеупорными, они были взяты за основу теплоизоляционных материалов. Используемые порошки имели размеры ~8-9мкм, и находились в чистом виде-99,8% чистого вещества. Рецептура и соотношение компонентов в теплоизоляционной смеси также определялись на основе исследований других композиционных материалов, как отечественных так и зарубежных производителей. По полученным данным и были изготовлены композиции.

В табл. 3.4 представлен химический состав разработанных композиционных смесей.

Таблица 3.4 - Химический состав разработанных композиционных смесей

Основной причиной большого содержания наночастиц SiO₂ являлся то, что они обеспечивают низкую теплопроводность. Главные компоненты микропористой теплозащиты волокна и наночастицы оксида кремния связаны химической связью в длинные запутанные цепочки и смешаны с тонкодисперсными частицами диоксида титана и карбида кремния, которые в данном случае являются неорганическими наполнителями[29].

теплоизоляционный композиционный пористость прессование

3.3Анализ полученных композиционных смесей

Полученные композиционные смеси были исследованы методом дисперсионного анализа, который проводился на лазерном анализаторе микрочастиц Ласка-Т. в качестве исследуемых материалов было отправлено 2 образца смесей.

Для образца 1 были определены следующие значения: средний диаметр частиц 46,95 мкм (см. рис. 3.1), распределение частиц по размеру (табл. 3.5).

Таблица 3.5 - Распределение частиц по размеру

Рисунок 3.1-Распределение частиц по размеру

После получения высокоэффективной теплоизоляционной защиты в виде формованной детали и определения прочностных характеристик, были проведены эксперименты по определению теплопроводности двумя различными методами ( с помощью приборов МИТ-1 и ДСК), рассчитана плотность изготовленных деталей.

Коэффициент теплопроводности в различных деталях варьировался в пределах 0,390-0,410 Вт/(м*К), плотность материалов составляла не более 0,3г/см³. Для сравнения, по тем же методикам, были подготовлены образцы и рассчитан коэффициент теплопроводности для следующих материалов: Microtherm, ТЗМ-23М, ТИМ-МП, Композиционная смесь №5,6, и 7.

В табл. 3.7 представлено сравнение значений коэффициента теплопроводности различных материалов полученных на приборе МИТ-1.

Таблица 3.7 - Сравнение значений коэффициента теплопроводности различных материалов

По полученным данным был сделан вывод, что смесь №6 имеет наиболее низкий коэффициент теплопроводности, и его значения близки к материалам зарубежного производителя.

Также для подтверждения полученных данных на измерителе теплопроводности зондовым методом МИТ-1 был проведен анализ на ДСК. По ранее описанной методике были подготовлены образцы и рассчитан коэффициент теплопроводности для следующих материалов: Microtherm, ТЗМ-23М, ТИМ-МП, Композиционная смесь №6.

Рисунок 3.5 - ДСК кривая. Композиционная смесь №6

Рисунок 3.6 - ДСК кривая. ТЗС-23М

Рисунок 3.7 - ДСК кривая. Microtherm

Рисунок 3.8 - ДСК кривая. ТИМ-МП

После проведения анализа по кривым ДСК (см. рис. 3.5-3.8) был рассчитан угловой коэффициент S. Для более точного анализа с помощью дополнительных функций ПО ДСК, были проведены касательные по кривой ДСК для определения tg угла наклона кривой относительно оси Х. После расчета углового коэффициента S с помощью формулы (3.9):

были рассчитаны значения коэффициента теплопроводности,

где S- угловой коэффициент, S₂-рассчитывалось по графику, а 1/S₁- было решено считать равным 0,01 для простоты вычислений, за Дh - принять высоту образца. А - площадь поперечного сечения высчитывалось по формуле (3.3).

Для каждого образца были посчитаны значения коэффициента теплопроводности. В табл. 3.8 приведено сравнение полученных значений проводимого эксперимента. На рис.3.9 представлены конструкционные детали из высокоэффективной теплозащиты.

Таблица 3.8 - Сравнение полученных значений коэффициента теплопроводности

Рисунок 3.9 - Полученная конструкционная деталь из высокоэффективной теплозащиты

По полученным данным видно, что именно композиционная смесь №6 имеет низкий коэффициент теплопроводности, однако полученные значения не совпадают со значениями полученными ранее на измерителе теплопроводности МИТ-1. Это связано с тем, что испытания проводились при более высоких температурах, как было описано ранее, температурная программа была задана в пределах 25-130 ⁰С, а в приборе МИТ-1 измерения велись при нормальных условиях. Отсюда следует сделать вывод, о том, что был получен материал с низким коэффициентом теплопроводности.

3.6 Получение золя кремниевой кислоты ионообменным способом

Для связки в высокоэффективном нанодисперсном теплоизоляционном материале в работе использован золь кремниевой кислоты полученный ионообменным способом.

На начальном этапе катионит переводился из Н⁺ формы, замачиванием катионита в слабом растворе соляной кислоты с концентрацией 1-2 моль/л. Затем производилась отмывка катионита, от избытка кислоты, в дистиллированной воде. Проверочной операцией было определение рН, его значение должно было находиться в пределах 5-7(нейтральная среда). Силикат натрия разбавили дистиллированной водой в соотношении 1:2, и измерили рН, его значение составило 11 (ярко выраженная щелочная среда). Раствор силиката натрия пропустили через ионообменную колонну с заранее подготовленным катионитом. Выдержка раствора силиката натрия в ионообменной колонне составила 1 час, после чего раствор слили из колонны, и получили раствор с рН=2-3(кислая среда) [30].

Таким образом, был получен золь кремнезема 5%, с размерами частиц 10-40нм. Для того чтобы получить более концентрированный золь, его необходимо выпарить, однако синтезировать золь с концентрацией более 15% невозможно с помощью этой технологии.

Так как золь не был стабилизирован, он превратился в гель. А для длительного хранения золь необходимо стабилизировать и такие вещества не были подобраны и испытания не проводились, поэтому золь в качестве связующего для теплоизоляционных материалов необходимо использовать лишь в течение 2х часов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам представленной работы можно сделать следующие выводы:

1. Проведен анализ теплоизоляционных и теплозащитных материалов;

2. Получены композиционные смеси, и изготовлены конструкционные детали с высокими термо-физическими характеристиками;

3. Разработаны методики проведения исследования теплоизоляционных материалов с применением ТА;

4. Определены основные характеристики теплоизоляционных материалов: теплопроводность л=0,0495, плотность с не менее 0,3г/см³, предел на сжатие не менее 0,5 МПа;

5. Предложен метод золь-гель технологии для получения конструкционных деталей.

Таким образом, поставленная цель по разработке композиционных смесей с минимальным коэффициентом теплопроводности и изготовлении конструкционных деталей, достигнута. Поставленные задачи решены в полном объеме. Дальнейшие разработки теплоизоляционного материала и получение конструкционных деталей следует вести с применением метода золь-гель технологии, которые позволят получить аморфный кремнезем (с теплопроводностью приблизительно в 150 раз меньше теплопроводности пирогенной формы кремнезема), и структурировать композиционные смеси данным нанонаполнителем.

Результатом данной работы стала разработка нового теплозащитного материала, с высокими термо-физическими характеристиками, не имеющего аналогов в РФ. Из разработанного теплозащитного материала были изготовлены и испытаны с положительным результатом макетные образцы, для изделий ОКБ «Авиаавтоматика».

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Чудновский А. Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М., Физматгиз, 1962, 456 с. с ил.

2. http://megaflex.ru/press/tekhnicheskie_kharakteristiki_teploizolyatsionnykh_materialov - электронный источник

3. Основы теплопередачи в авиационной и ракетной технике. Под общей ред. В. К. Кошкина. М., Оборонгиз, 1960, 390 с. с ил.

4. Пустовалов В. В. Теплопроводность огнеупоров. М., «Металлургия», 1966, 34 с. с ил.

5. Васильев Л. Л., Танаева С. А. Теплофизические свойства пористых материалов. Минск, «Наука и техника», 1971, 268 с. с ил.

6. Попов Ю.В. Перспективы развития бортовых устройств регистрации./Проблемы безопасности полетов. 1994, №3,.

7. Сперроу Э. М., Сесс Р. Д. Теплообмен излучением. Л., «Энергия», 1971, 294 с.

8. Саратовский государственный технический университет кафедра «химии» композитные наноматериалы д.х.н.. профессор А.В. Гороховский

9. Nanostructured Materials and Nanotechnology; Nalwa, H.S. Ed.; Academ. Press: San Diego, CA, 2002.

10. Кинг Г. А. Методы отвода тепла и защиты и материалы.-- В кн.: Исследования при высоких температурах. М., Изд-во иностр. лит., 1962, с. 212--239.

11. Анфимов Н. А. Теплозащита. -- В кн.: Физический энциклопедический словарь. М., «Советская энциклопедия», 1966, т. 5, с. 145--147.

12. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М., «Высшая школа», 1967, 599 с. с ил.

13. Ю.В. Полежаев Ф.Б. Юревич Тепловая защита. Под ред. А. В. Лыкова. М., «Энергия», 1976.392 с. с ил.

14. Шабанова Н.А., Попов В.В., Саркисов П.Д. Химия и технология нанодисперсных оксидов: Учебное пособие. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. - 309с.:ил.

15. Горюнов Ю.В.,Перцов Н.В.,Сумм Б.Д. Эффект Ребиндера. М.: Наука, 1996. 128с.

16. Feng X., Harris R.A. Review of ceramic nanoparticle synthesis. Proc.4^th Conf. «Fine, ultrafine and nano particles 2001». 14-17 oct.2001. USA. p. 75-90.

17. Максимов А.И., Мошников В. А., Таиров Ю. М., Шилова О. А. О 81. Основы золь-гель-технологии нанокомпозитов: Монография. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2007. 156 с.

18. http://do.gendocs.ru/docs/index-79019.html?page=2#2532844 - электронный источник

19. http://www.microthermgroup.com/slider.aspx - электронный источник

20. http://technologiya.ru/SitePages/default.aspx - электронный источник

21. http://www.lanterm.ru/more-teploiz - электронный источник

22. Лаборатория химического факультета, мгу 2009 г. Дифференциальная сканирующая калориметрия Емелина, А. Л.

23. G. Hakvoort, L. L. Van Reijen, Thermochimica Acta, 93 (1985): p 317.

24. Белев Н. М. Рядно А. Л. Методы теории теплопроводности м высшая школа 1982 304 с

25. C. P. Camirand, Thermochimica Acta, 417 (2004): p 1.

26. http://www.interpribor.ru/mit10.php - электронный источник

27. Научно-производственное предприятие «ИНТЕРПРИБОР». Измеритель теплопроводности материалов МИТ-1. 38с.

28. http://skyfly.on.ufanet.ru/elpoms/33COMP.HTM - электронный источник

29. Шабанова Н.А., Саркисов П.Д. Золь-гель технологии. Нанодисперсный кремнезем - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012 - 328с: ил.-нанотехнологии. Основы теплопередачи в авиационной и ракетной технике. М., Оборонгиз, 1960, 390 с. с ил. Авт.: Авдуевский В. С. и др.

Размещено на Allbest.ru