Введение к работе
Актуальность работы. Гетерогенные системы являются основой для разработки и создания новых композиционных материалов, отличающихся повышенной стойкостью к воздействию высоких температур, больших давлений, агрессивных сред, излучений и т.д. Благодаря этим качествам гетерогенные системы нашли свое применение практически во всех отраслях науки и техники. Вместе с тем, существует ряд нерешенных проблем, которые препятствуют более эффективному использованию свойств гетерогенных систем при разработке и создании новых композиционных материалов. Одной из таких проблем является проблема, связанная с влиянием границ разделов сред на теплсфизическме и электрические свойства веществ. В настоящее время при расчетах этих свойств гетерогенных систем учитывают только концентрацию и размеры контактных микропятен и связанный с ними эффект искривления линий теплового и электрического токов за счет их стягивания к микропятнам касания. При этом контакт между средами считается идеальным, вследствие чего полностью пренебрегают процессами рассеяния носителей тепла и заряда, обусловленными наличием границы раздела сред. Основной причиной создавшегося положения является отсутствие каких - либо экспериментальных данных о теплофизических и электрических свойствах приграничных областей в контактных микропятнах даже для простейших гетерогенных структур.
В данной диссертационной работе выполнены подобные исследования применительно к таким простым гетерогенным системам, какими являются зернистые среды с несвязанным каркасом ( насыпки ) и твердым каркасом, состоящим из однородных сферических частиц, изготовленных из. кварцевого стекла, и биметаллические системы Fe - Си, Fe - Al, Fe - Ті, Си - АД, представляющие собой две металлические поверхности, находящиеся в механическом контакте. Указанные гетерогенные среды являются удобными модельными объектами поскольку имеют стабильные и воспроизводимые физические свойства, а изменением давления можно изменять фактическую площадь соприкосновения контактирующих элементов, что позволяет изучать взаимосвязь физических свойств объектов исследования с концентрацией и размерами контактных микропятен. Выбор объектов исследования обусловлен также простотой формы
контактирующих элементов и тем, что в настоящее время физические свойства кварцевого стекла, Си, Al, Fe, Ті и механизмы рассеяния в них фононов и электронов изучены достаточно хорошо при разных термодинамических условиях. Главной причиной, повлиявшей на выбор биметаллических систем, было то, что наиболее сильное влияние границы раздела сред на перенос тепла и заряда должно наблюдаться при контактировании металлов с сильно отличающимися теплофизическими свойствами.
Основным недостатком имеющихся экспериментальных данных о взаимосвязи физических свойств зернистых сред и механического контакта двух металлических поверхностей с концентрацией и размерами контактных микропятен, не позволившим сделать заключение о степени влияния границ раздела сред, существующих в контактных микропятнах, на перенос тепла и заряда является то, что исследования не были комплексными и выполнялись для разных объектов и различных условий контактирования структурных элементов. Поэтому важной частью данной диссертационной работы являлась разработка и создание экспериментальных установок с помощью которых теплофизические свойства указанных модельных структур при высоких давлениях определялись бы одновременно с их электрическими и акустическими свойствами.
Цель работы состоит в определении степени влияния границ разделов сред, существующих в контактных микропятнах, на тепло-физические и электрические свойства зернистых сред и биметаллических систем при высоких давлениях.
Научная новизна:
-выполнено комплексное исследование температуропроводности, теплопроводности и акустических свойств модельных зернистых сред с несвязанным каркасом и твердым каркасом при давлениях до 300 МПа;
-впервые установлено, что границы раздела сред, существую-' щие в контактных микропятнах, могут оказывать сильное влияние на теплофизические свойства зернистых сред даже в том случае, когда контактируют однородные частицы, причем тепловое сопротивление, обусловленное границами раздела сред, может превышать тепловое сопротивление, возникающее за счет стягивания линий теплового тока к контактным микропятнам;
-на основании полученных экспериментальных данных уточнены
установленные ранее соотношения для расчетов эффективной теплопроводности насыпок, а также скоростей распространения в них упругих колебаний;
-выполнено комплексное исследование контактного термического сопротивления, контактного электрического сопротивления и акустических свойств механического контакта двух металлических поверхностей при давлениях до 110 МПа;
-впервые получены экспериментальные результаты, позволяющие разделить вклады, вносимые в контактное термическое сопротивление и контактное электрическое сопротивление эффектом стягивания линий теплового и электрического токов к контактным микропятнам и эффектом рассеяния носителей тепла и заряда на границах раздела сред;
-установлено, что эти вклады могут быть соизмеримы, а в ряде случаев влияние вклада, связанного с рассеянием носителей тепла и заряда на границах раздела сред, на указанные выше физические свойства механического контакта двух металлических поверхностей может быть преобладающим.
Практическая ценность;
-подучены соотношения для расчета теплопроводности зернистых сред с несвязанным каркасом и скоростей распространения в них упругих колебаний при воздействии всестороннего давления;
экспериментальные данные о теплофизических и электрических свойствах лриконтактных областей в изученных гетерогенных средах могут быть использованы для развития представлений о специфике механизмов рассеяния электронов и фононов вблизи границ разделов сред и роли этих границ в механизмах переноса тепла и заряда между контактирующими элементами;
совокупность полученых экспериментальных результатов и выводов создает основу для расчета теплофизических и электрических свойств композиционных материалов на основе зернистых структур и многослойных металлических.систем с 'учетом влияния на эти свойства границ разделов сред.
Автор защищает;
- комплекс аппаратуры, включающий камеру высокого давления,
для измерения теплофизических и акустических свойств гетероген
ных сред в интервале температур-от 300 К до 600 К при изменении
всестороннего давления до 300 МПа;
результаты экспериментальных исследований температуропроводности, теплопроводности зернистых сред и скоростей распространения в них упругих колебаний при высоких давлениях;
комплекс аппаратуры для изучения влияния высокого давления на теплофизические, электрические и акустические свойства механического контакта двух металлических поверхностей;
-совокупность экспериментальных данных о контактном термическом сопротивлении, контактном электрическом сопротивлении и акустичеоких свойствах механического контакта двух металлов с сильно отличающимися тешгафизическими свойствами;
-результаты анализа полученных экспериментальных данных, уточнение существующей модели микроконтакта и вывод о том, что при высоких давлениях теплофизические и электрические свойства исследованных гетерогенных систем во многом определяются влиянием границ раздела сред, существующих в контактных микропятнах.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на VII Всесоюзной конференции по теплофизичеоким свойствам веществ ( Ташкент, 1982г.); VIII Всесоюзной конференции по тепло-физическим свойотвам веществ ( Новосибирск, 1988г.); IX тепло-физической конференции СНГ ( Махачкала, 1992г.); научно-технических конференциях Свердловского горного института и Свердловского областного совета НТО ( 1986г., 1990г.).
Публикации. Основные материалы исследований опубликованы в шести печатных работах, подучено одно авторское свидетельство.
Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 109 наименований. Работа изложена на 145 страницах, включая 35 рисунков и 8 таблиц.