Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В физике, химии, технологии возрастающее значение приобретают экспериментальные исследования при высоком давлении и высокой температуре. Они позволяют на количественной основе определять физические и физико-химические константы веществ при высоких термодинамических параметрах, получать новые материалы и кристаллы, существенно увеличивать ресурс ответственных деталей в машинах и др.
Для осуществления различных процессов в условиях сильного сжатия и нагрева требуется специальная аппаратура, тем более сложная, чем выше давления. Только с развитием технологии прочных материалов и способов изготовления соответствующей аппаратуры стало возможным использование высокого давления в научно-исследовательских целях и в промышленности. Одновременное действие давления и температуры приводит к структурным и фазовым изменениям в веществе, существенно сказывается на тепловых свойствах. Сведения о теплофизических свойствах материалов в экстремальных условиях необходимы при разработке новых машин и аппаратов, действующих в энергетике, металлургии, при производстве новых материалов и в других процессах взаимодействия вещества с потоками энергии высокой плотности. Как известно, прочность деталей во многом зависит от температуры, что особенно важно для современных энергонапряженных конструкций. В современных методах обработки материалов часто используются полимерные жидкости под высоким давлением, испытывающие действие высоких температур, например в узлах трения. Однако, расчеты теплового режима в экстремальных условиях носят оценочный характер ввиду почти полного отсутствия сведений о теплофизических свойствах материалов в условиях высоких давлений и температур. Такая ситуация объясняется объективными трудностями при переносе традиционных методов и средств теплофизических измерений в данную область.
Аналогичные проблемы возникают при исследованиях конструкционных материалов при высоких температурах и низких давлениях, особенно в области фазовых и химических превращений, терморазложения. Решение часто находят в высокоскоростных методах нестационарного нагрева. Развитие этих методов для области высоких давлений активно ведется в последние десятилетия. Тем не менее, самое яркое достижение в технике сверхвысокого давления последних лет, а именно, разработка и широкое применение миниатюрных аппаратов с прозрачными (алмазными) наковальнями, практически не нашло своего воплощения в теплофизических исследованиях.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: разработка методов и средств для теплофизических измерений в миниатюрных аппаратах высокого давления в режиме субсекундного нагрева. Измерение тепловых свойств металлов и жидкостей в области высоких давлений и температур.
-
Для измерения температуропроводности металлов в области высоких давлений и температур разработана аппаратура на основе метода плоских температурных волн в сочетании с быстрым нагревом образца (103 К/с) лазерным излучением в миниатюрном аппарате с прозрачными наковальнями.
-
Для измерения тепловой активности жидкостей в области высоких давлений и температур разработана аппаратура управляемого импульсного нагрева проволочного зонда с быстродействующей системой регистрации в интервале времени 10^-10"3 с.
-
Впервые получены сведения о температуропроводности железа в области до 2 ГПа и 1300 К.
-
Выяснено поведение тепловой активности технологической полимерной жидкости ПМС-400 в области до 0,4 ГПа и 800К.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ заключается в: развитии динамического метода периодического нагрева для
бесконтактного измерения температуропроводности металлов в аппаратах высокого давления с прозрачными наковальнями и
создании автоматизированной установки измерений;
развитии основ метода управляемого импульсного нагрева
малоинерционного проволочного зонда, позволяющего определить
величину теплового потока в вещество в процессах с быстрым
изменением температуры;
существенно расширена область изменения давления и
температуры, для которой получены данные по теплофнзическим
свойствам железа и жидкости ПМС-400. Полученные результаты
могут быть использованы для расчетов технологических процессов
обработки материалов давлением и процессов с интенсивным
тепловыделением.
Разработка средств измерений способствует решению конкретных задач экспериментального определения теплосризических свойств вещества при высоких параметрах состояния, связанных с моделированием процессов мощного баротермического воздействия в геофизике и технологии обработки материалов. Развитые в работе методы управляемого нагрева создают практическую основу для изучения процессов теплообмена при заданном тепловом воздействии в малом объеме вещества. Возможные приложения метода включают в себя способы экспресс-контроля физико-химических процессов, сопровождающихся изменением структуры и состава вещества.
Комплекс средств автоматизации измерений использовался для определения свойств металлов, сплавов и композиционных материалов в организациях, с которыми велись хоздоговорные работы (Институт проблем материаловедения НАН Украины (г.Киев), НИИАвтопром (г.Москва), НПО «Искра» (г.Пермь)) и может быть применен в других областях науки и техники для регистрации событий импульсного и периодического характера.
методика измерений температуропроводности металлов в аппарате
с наковальнями при лазерном нагреве;
электронный измерительный комплекс для измерения
температуропроводности металлов в аппаратах высокого давления
с наковальнями (АВДН) при лазерном нагреве со скоростью до 103
К/с;
аппаратные средства для генерации статических давлений до 10
ГПа в наковальнях из лейкосапфира;
аппаратные средства для управляемого лазерного нагрева
металлических образцов в АВДН до температуры 1500 К;
аппаратные средства для управления нагревом проволочного зонда
при длительности импульса 10"4-10" с и регистрации результатов
эксперимента;
результаты измерений температуропроводности железа в области
до 2 ГПа и 1300 К и тепловой активности жидкости ПМС-400 в
области до 0,4 ГПа и 800 К. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.
Основные результаты работы докладывались на: X Европейской теплофизической конференции (Рим, 1986), IX Всесоюзной теплофизической школе (Тамбов, 1988), VIII Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам веществ (Новосибирск, 1988), II Всесоюзном совещании по метастабильным фазовым состояниям (Екатеринбург, 1989), Международной конференции по физике и технике высоких давлений (Москва-Троицк, 1989), XII Европейской теплофизической конференции (Вена, 1990), XIV Европейской теплофизической конференции (Лион, 1996), III Минском Международном форуме по тепло- и массообмену (1996), XIII Симпозиуме по теплофизическим свойствам (Боулдер, 1997), III Международной теплофизической школе (Тамбов, 1998).
Результаты диссертационной работы опубликованы в 27 печатных работах, из которых 3 - авторские свидетельства и патенты,
14 - статьи в центральной и зарубежной печати, 10 - статьи в сборниках научных работ и тезисы докладов на конференциях.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и
