2 Методы термического анализа теплозащитных материалов и оборудование для изучения физико-химических свойств теплозащитных материалов

2.1 Принцип действия и устройство измерительной системы дск

В методе дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК) теплоту определяют через тепловой поток – производную теплоты по времени. Тепловые потоки измеряются по разнице температур в двух точках измерительной системы в один момент времени Φ~ΔT =T(х₂)−T(x₁) = f (x). Измерения проводится как в изотермических условиях, так и в динамическом режиме при программируемом изменении температуры оболочки (нагревателя) (калориметры такого типа называют «сканирующими»). На рис.2.1 представлен прибор ДСК

Рисунок 2.1 - Дифференциально-сканирующий калориметр (ДСК)

В современных приборах предусмотрена возможность задавать различные температурные программы.

1. Линейное нагревание/охлаждение с заданной скоростью β: T_F= T₀+ βt, где T_F –температура нагревателя (furnace, F), T₀ – начальная температура измерительной системы, β – скорость изменения температуры нагревателя, t – время. Скорость изменения температуры может варьироваться в широких пределах (например, от 0.001 до 100º/мин).

2. Термомодулированный режим (TM-DSC). На линейное изменение температурынакладываются периодические колебания (ступеньки, зубцы, синусоида: T_F= T₀+ βt+ Т_Аsin(ωt) , где T_А – амплитуда и

ω – частота колебаний температуры).

3. Комбинация различных температурных сегментов (изотермических, динамических, модулированных).

Все ДСК (рис. 2.2) имеют две измерительные ячейки: одна предназначена для исследуемого образца (sample, S), в другую – ячейку сравнения (reference, R), помещают либо пустой тигель, либо тигель с образцом сравнения – эталоном (инертным в заданном диапазоне условий веществом, по теплофизическим свойствам близким к образцу). Ячейки конструируют максимально симметрично (одинаковые тигли, одинаковые сенсоры, одинаковое расстояние от нагревателя (furnace, F) до сенсора и т.д.) [22]. Экспериментально измеряется временная зависимость разницы температур между ячейкой с образцом и ячейкой сравнения.

Рисунок 2.2. - Схема измерительной системы ДСК

2.1.1 Определения коэффициента теплопроводности методом ДСК

Метод ДСК позволяет определить коэффициент теплопроводности полимеров и других проводящих тепло материалов с точностью 10–20%.

При этом анализируется процесс плавления чистого металла, находящегося на верхней поверхности цилиндра или диска из изучаемого материала.

Хакворт и Ван-Райен [23] предложили метод определения коэффициента теплопроводности твердых материалов. В этом методе кусочек чистого металла (например, индия или галлия) помещается на верхнюю круговую поверхность образца в форме прямого цилиндра или диска, а затем образец (без тигля) помещается непосредственно в измерительную ячейку ДСК анализатора. В процессе нагревания достигается точка плавления металла, и его температура остается постоянной, пока весь металл не расплавится. Таким образом, температура верхней поверхности диска в этот момент постоянна и известна. Температура нижней поверхности диска и подводимый к ней тепловой поток измеряются ДСК анализатором. Из известных разности температур между двумя поверхностями диска и потока тепла вычисляется теплопроводность образца.