Введение
Область применения базальтовых волокон и материалов на его основе достаточно широко применяется в строительстве, машиностроении, автомобилестроении, авиации и ракетостроении, энергетике, электронной промышленности и т. д. [1]. Во всех этих областях промышленности этот материал, становится не заменимым, ввиду высоких прочностных свойств, устойчивой коррозионной стойкости к агрессивным средам, обладает низкой гигроскопичностью.
Также можно отметить что, являясь диэлектриком, базальтовые волокна позволяют строить конструкции, не отражающие радиоволн, наличие такого свойства позволит строить, как гражданские, так и военные стратегические объекты. Арматура, созданная на основе базальтовых волокон имеет малый вес что, несомненно, будет удачным выбором в плане создания легких конструкционных изделий и позволит сократить затраты на их доставку.
Кроме того она имеет низкий коэффициент линейного расширения [2], что позволяет использовать арматурные изделия при строительстве объектов на его основе при рабочей температуре в диапазоне от -70 до +180°C.
В работе приводятся результаты экспериментального определения теплопроводности, композиционной пластины усиленной армированными базальто-волоконными стержнями.
Цель работы
Определение теплопроводности базальто-армированного композиционного материала, применяемого в качестве конструкционных элементов используемых для постройки экранопланов, эксплуатирующихся в условиях низких климатических температур.
Объект исследования
Образец представляет собой пластину из композитного материала с размерами 203´303´25 мм, армированную стержнями из базальтового волокна, расположенными друг относительно друга перпендикулярно клеткой с постоянным шагом, и залитых вспененной эпоксидной смолой. Диаметр арматуры составляет Æ 8 мм. Образец изготовлен ООО «Небо+Море».
Метод определения теплопроводности базальто-армированного
композиционного материала
Ранее теплофизические свойства полимеров нами определялись на автоматизированных приборах ИТ – l – 400, ИТ – С – 400 [3]. Теплопроводность базальто-армированной композиционной пластины, из-за её больших размеров, определяли согласно ГОСТ 7076-99 [4]. Для создания постоянного перепада температур по толщине образца, использовали климатическую камеру BINDER MK-53. Рабочий диапазон температур, в котором работает камера, меняется от -40 до +180 °C. Точность термостатирования составляет ±1°C. Одна сторона пластины поддерживается при максимальной отрицательной температуре в камере, а другая сторона находится при комнатной температуре.
Регистрация температуры и теплового потока проводится при помощи многоканального, прецизионного преобразователя сигналов типа «Теркон» производства «Термэкс» (Томск). Преобразователь сопряжен с IBM PC через последовательный интерфейс типа RS-232C, и позволяет получать данные измерений тепловых потоков и температуры в виде числовых таблиц или графиков. Предел основной допускаемой погрешности измерения напряжения преобразователя сигналов «Теркон», составляет:
∆доп=±[0.0005+5·10-5·Uизм.]
В качестве датчиков теплового потока и температуры были применены преобразователи типа ПТП-1Б, разработанные Институтом технической теплофизики НАН Украины (Киев). Датчик ПТП-1Б представляет собой круглую тонкую пластину из текстолита, диаметром 100 мм и толщиной 2 мм с шестью выводами.
Датчик ПТП-1Б кроме преобразователя теплового потока содержит в себе термометр сопротивления, где в качестве чувствительного элемента используется платина типа Pt100 с номинальной статической характеристикой W100 = 1,385. Номинальное значение термометра сопротивления при 0°C составляет 100 Ом. Предел допускаемой основной относительной погрешности измерения теплового потока ±4%, а предел допускаемой абсолютной погрешности измерения температуры ±0,5 K.
Схема установки
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Для установки образца в граничную плоскость между камерой и комнатой был изготовлен экран из экструдированного полистирола размером 550´550´100 мм с проемом в центре под размеры образца пластины.
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки
На образец в центре пластины с двух сторон были установлены датчики ПТП-1Б. Выводы датчиков теплового потока подключаются к коммутаторам входных сигналов, подключение выводов термометров сопротивления производится по четырехпроводной электрической схеме. Опрос и регистрация данных производится посредством программы-приложения, написанной на языке Delphi 7.
Данные изменения температур и тепловых потоков на обеих поверхностях пластины выводятся на экран компьютера. Регистрация и запись данных продолжается до и после установления стационарного теплового режима и достижения заданной отрицательной температуры в климатической камере -40°C, и продолжается на протяжении еще около получаса. Было проведено несколько серий экспериментов. Продолжительность каждого эксперимента составляла 2 часа.
Результаты испытаний
Величину термического сопротивления теплопередаче определяется по формуле:
На рис. 2–3 представлены графики изменения температур и плотностей тепловых потоков на поверхностях пластины.
Результаты экспериментального определения термического сопротивления и теплопроводности базальто-композиционного материала представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Значения термического сопротивления и теплопроводности
базальто-армированной композиционной пластины
| № эксперимента | Rк, (м2∙°C)/Вт | l, Вт/(м∙°C) | lср, Вт/(м∙°C) |
| 1 | 0,450 | 0,055 |
0,054 |
| 2 | 0,467 | 0,053 | |
| 3 | 0,462 | 0,054 |
Выводы
Значение теплопроводности исследуемого композиционного базальто-армированного композиционного материала составило 0,054 Вт/(м∙°C). Этот показатель теплопроводности, относит его к классу теплоизоляционных материалов, таких как минерало-плитные ваты, стекловаты и др.
Таким образом, наряду с такими свойствами как коррозионная стойкость, высокая прочность и малый вес, применяемый в конструкциях при построении экранопланов, исследуемый композиционный материал, обладает хорошими теплоизоляционными свойствами; что позволяет решить проблему материалоемкости, актуальную при конструировании легких летательных аппаратов.
Список литературы:
- Оснос С.П. О характеристиках базальтовых волокон и областях их применения [электронный ресурс] URL: https://basaltfm.com/ru/articles/article01.html (Дата обращения 01.03.2015).
- Оснос С. П., Садков В. Н., Киселев М. Н. Коэффициент линейного расширения базальтопластика [электронный ресурс] URL: https://www.specpolymer.com/arm/articles/pagesphp (Дата обращения 05.03.2015)
- Заричняк Ю.П., Иванов В.А. Зависимость теплофизических свойств наполненных фторопластов от температуры и концентрации наполнителей « Пластические массы» 2013 №7, с. 35-37
- ГОСТ 7076-99 Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме.[schema type=»book» name=»ОЦЕНКА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ БАЗАЛЬТО-АРМИРОВАННОГО КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА МЕТОДОМ СТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА» author=»Большев Константин Николаевич, Иванов Василий Алексеевич, Малышев Алексей Владимирович. Степанов Анатолий Анатольевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-04-20″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.03.2015_03(12)» ebook=»yes» ]