4. Конструкционные материалы в криогенной технике
При изготовлении криогенного оборудования наибольшее распространение получили следующие материалы:
- нержавеющие стали с различным содержанием углерода– 12Х18Н10Т, Х18Н10Т и др.;
- титановые сплавы – ВТ-1, ВТ-3, ВТ-6;
- медь и ее сплавы – М1, М2, М3;
- алюминиевые сплавы – АМг-6;
- кварц, сапфир;
- фторопласты – Ф3, Ф4;
- стеклопластики и другие композиционные материалы с полимерной матрицей (на основе полиимидной пленки, так как они пластичные, легкие, низкотеплопроводные);
- графитированный фторопласт – ГФ;
- серебро (для создания высокотемпературных сверхпроводников);
- вспененные пластические массы для создания теплоизоляционных материалов.
4.1 Теплофизические свойства материалов
В таблице 6 представлены основные теплофизические свойства некоторых конструкционных материалов.
Теплопроводность материала определяется как поток теплоты через единицу площади при градиенте температуры в один градус, вызывающий этот перенос теплоты.
Существуют три основных механизма передачи теплоты в веществе:
1) движение электронов - реализуется в металлах;
2) передача энергии колебаний решетки или энергии фононов - реализуется в диэлектриках;
3) движение молекул - как это осуществляется в газах.
В жидкостях главным механизмом передачи теплоты теплопроводностью является передача энергии колебаний молекул, тогда как в газах теплота передается в основном путем переноса энергии поступательного движения (для одноатомных газов) и переноса энергии поступательного и вращательного движения (для двухатомных газов).
Наибольшая теплопроводность у меди, а минимальная у пенополиуретана (ППУ) – 500 и 0.026 Вт/(мК), соответственно.
Таблица 6
Теплофизические свойства материалов
Материал |
Плотность, кг/м3 |
Теплоемкость, Дж/(кг·К) |
Теплопроводность, Вт/(м·К) |
Объемная теплоемкость, (ρ·с)10-6, Дж/(м3·К) |
Коэффициент термического расширения, 106, 1/К |
12Х18Н10Т |
7800 |
460 |
11.5 |
3.6 |
13.2 |
АМг-6 |
2700 |
920 |
128 |
1 |
18 |
ВТ-1 |
4500 |
578 |
8.14 |
0.1 |
8 |
М-2 |
8900 |
390 |
500 |
3.47 |
13.6 |
Кварцевое стекло |
2500 |
753 |
8 |
1.9 |
0.26 |
Фторопласт, Ф-4 |
2200 |
1088 |
0.24 |
2.4 |
20 |
Стекловолокнит, АГ-4 |
1750 |
1214 |
0.48 |
2.12 |
1 |
Стеклотекстолит |
1850 |
1339 |
0.3 |
2.47 |
0.9 |
ППУ, «Изолан» |
35÷60 |
~0 |
0.015÷0.026 |
- |
4 |
Теплофизические свойства материалов существенно зависят от температуры.
Теплопроводность конструкционных материалов, в основном, увеличивается с повышением температур. Теплопроводность меди и титановых сплавов сначала увеличивается, а затем уменьшается. На рисунках 27, 28 представлены данные по теплопроводности некоторых материалов.
Рисунок 27 – Зависимость теплопроводности титанового сплава (ВТ-6), алюминиевого сплава (АМГ-6) и нержавеющей стали (12Х18Н10Т) от температуры
Рисунок 28 – Зависимость теплопроводности меди (М3) от температуры
Плотность металлов незначительно зависит от температуры, за исключением композиционных материалов (стекловолокнит - «АГ-4», стеклотекстолит, полиимид и др). Наибольшая плотность у меди, а минимальная у пенополиуретана (ППУ) – 8900 и 60 кг/(м3), соответственно.
Теплоемкость вещества определяется как энергия, необходимая для изменения температуры единицы массы вещества на один градус при неизменном давлении (ср) или неизменном объеме (сv).
Для
теплофизических расчётов элементов
конструкций большое значение имеет
объёмная теплоёмкость материала. Она
определяет затраты теплоты при изменении
температуры материала на один градус
единицы объёма -
.
Именно объёмная
теплоёмкость материала
определяет скорость изменения температуры
материала при его нагреве или охлаждении.
Объёмная теплоёмкость материалов уменьшается с понижением температуры. На рисунке 31 представлены характерные величины объёмной теплоёмкости материалов от температуры. Видно, что объемная теплоёмкость у нержавеющей стали наибольшая до температуры 80 К из рассмотренных материалов, а объемная теплоёмкость у титанового сплава наименьшая.
Рисунок 29 – Зависимость объёмной теплоёмкости материалов от температуры
Коэффициент термического расширения () определяется как относительное изменение длины материала при изменении температуры на один градус. В таблице 6 представлены средние коэффициенты линейного расширения материалов в диапазоне изменения температуры от 300 до 80 К. Максимальный коэффициент термического линейного расширения (КТР) материала у фторопласта – 4. Минимальный коэффициент линейного расширения материала у кварцевого стекла. При разработке конструкций необходимо обеспечить термопрочность за счёт согласования КТР.
Изменение с температурой коэффициента теплового расширения может быть объяснено на основе рассмотрения межмолекулярных сил взаимодействия в материале. Когда энергия молекулы увеличивается (или когда увеличивается температура материала), пространство, занимаемое атомом относительно соседних атомов, становится больше, что означает расширение материала. Скорость, с которой увеличивается среднее пространство, занимаемое атомом, повышается с повышением энергии или температуры материала. Поэтому, коэффициент теплового расширения увеличивается с повышением температуры.