ТЕПЛОЕМКОСТЬ И ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ НАНОПОРОШКОВ – SiO2 и SiC

Для повышения износостойкости порошковых материалов инструментального назначения эффективно применяются механические смеси промышленных порошков с различными модифицирующими добавками.

 Наиболее перспективным является использование в качестве модификаторов промышленных порошков ультрадисперсных добавок тугоплавких металлов, карбидов, оксидов, нитридов и т.д. результатом такого модифицирования является получение мелкозернистой структуры, которая обеспечивает высокую износостойкость материалов инструментального назначения.

Разработка нового состава и технологических режимов подготовки модифицированных порошковых смесей, изготовление опытных образцов буровых пластин с повышенной износостойкостью предусматривает комплексный анализ модифицирующих ультрадисперсных порошковых добавок. В связи с этим, важно знать их теплофизические свойства (теплопроводность, удельную теплоемкость) [2, 3].

В то же время, в научно-технической литературе встречаются противоречивые сведения о свойствах различных нанопорошков. Например, в работе [1, с. 24] указывается, что теплопроводность нанопорошка диоксида кремния λ=(2,67±0,03)·10^-3 Вт/м·К; а аэросила λ=(3,25±0,07)·10^-3 Вт/м·К.

Задачей данного исследования являлось определение теплопроводности и удельной теплоемкости нанопорошков – диоксида и карбида кремния.

Теплопроводность определяли на приборе KD2 Thermal Properties Analyzer (Рисунок 1), в основу которого положен метод цилиндрического зонда постоянной мощности.

Характеристика зонда l=60мм, диаметр 1,28мм. Диапазон измерения теплопроводности изменяется от 0,02 до 2 Вт/(м·К). относительная погрешность измерения составляет 5%.

Зонд представляет собой цилиндрическую трубку радиуса , который установлен в измеряемую среду. В момент времени  на поверхности зонда выделяется количество тепла на единицу длины и в единицу времени .

Рисунок 1. Прибор KD2 Thermal Properties Analyzer

Между поверхностью зонда и исследуемым материалом происходит теплообмен по закону Ньютона-Рихмана. Тогда задача для цилиндрического зонда постоянной мощности формулируется следующим образом

Результаты определения теплопроводности нанопорошков на основе диоксида кремния и карбида кремния приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Теплопроводность нанопорошков SiO2 и SiC

Образец порошка	Масса образца, кг	Объем, м3	Плотность, кг/м3	Теплопроводность, Вт/(м·К)
SiO2 SiC	0,006155 0,108956	2,65·10-5 2,45·10-5	232,26 4447,2	0,03 0,1

Полученные значения теплопроводности диоксида кремния совпадают со значениями, полученными в работе [1, с.25]. Карбид кремния более плотный и поэтому значения теплопроводности этих нанопорошков отличаются на порядок.

Удельную теплоемкость определяли на установке Setаram Sensys EVO TG-DSC (Рисунок 2).

Рисунок 2. Установка Setаram Sensys EVO TG-DSC

 

Характеристика установки: диапазон температур — от –120 до 830 °C; скорость нагрева от 0,01 до 30 °C/мин., разрешение — 0,4 мкВт, погрешность <1 %, воспроизводимость±0,1 °C.

Результаты определения удельной теплоемкости нанопорошков на основе диоксида кремния и карбида кремния приведены на рисунке 3.

Удельная теплоемкость нанопорошков определялась в диапазоне температур от 30°С до 80°С.

Рисунок 3. Зависимость удельной теплоемкости

SiO2 и SiC от температуры

Имеется явная зависимость удельной теплоемкости нанопорошков SiO2 и SiC от температуры. Причем, при температуре 30 ⁰С удельная теплоемкость диоксида кремния меняется на 37 %, а карбида кремния на 30 %, с дальнейшим повышением температуры значения удельной теплоемкости меняются незначительно и в диапазоне температур 60 ⁰С ÷  80 ⁰С становятся практически одинаковыми.

Список литературы:

1. Бардаханов С., Завьялов А., Зобов К., Лысенко В., Номоев А., Обанин В., Труфанов Д. Определение коэффициента теплопроводности нанопорошков диоксида кремния. // Наноиндустрия, 2008, № 5. С. 24–26.
2. Гульбин В. Н. Разработка композиционных материалов, модифицированных нанопорошками, для радиационной защиты в атомной энергетике. // Ядерная физика и инжиниринг, 2011, том 2, № 3. С. 272–286.
3. Кузнецова Л.В., Кузьмин А.П., Ляшков В.И., Мочалин С.Н. Исследование теплопроводности керамических образцов из нанопорошка диоксида циркония. // Вестник ТГТУ. 2013. Том 19. № 2. – С. 442-445.[schema type=»book» name=»ТЕПЛОЕМКОСТЬ И ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ НАНОПОРОШКОВ – SiO2 и SiC» description=»В данной работе приведены результаты экспериментального определения теплопроводности и удельной теплоемкости нанопорошков диоксида кремния SiO2 и карбида кремния SiC.» author=»Старостин Егор Гаврильевич, Малышев Алексей Владимирович, Кравцова Ольга Николаевна, Таппырова Надежда Ивановна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-28″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_04(13)» ebook=»yes» ]