1.6 Методы термического анализа

В работе предлагается использовать термический анализ (ТА), который представляет собой совокупность методов определения температур фазовых превращений и других термических характеристик индивидуальных соединений или систем взаимодействующих веществ.

Основа термического анализа - определение зависимости температуры кристаллизации (или плавления) изучаемой системы от ее состава. Объектами термического анализа являются как чистые вещества, так и системы различных веществ - металлов, солей, органических соединений и т.д.

Характер кривой, характеризуется точностью при достаточно большой массе образца и соответствующем масштабе температурной шкалы. Эти условия в эксперименте трудно выполнимы. Поэтому чаще используют т.н. дифференциально-термический метод.

Другим методов физико-химического исследования является дифференциальный термический анализ (ДТА). Он позволяет изучать характер фазовых превращений и осуществлять построение диаграммы состояния (ДС).

При дифференциальном термическом анализе возможно обеспечить более высокую точность и отделить случайные колебания температур от вызванных протеканием истинных фазовых превращений, в отличие от термического анализа.

Рисунок 1.2 - Схема дифференциальной термопары: а - электроды из одного материала; б- электрод из другого материала; Т1 и Т2 - горячие спаи

При ДТА используется одновременный нагрев или охлаждение эталонного и испытуемого вещества как в твердом, так и в расплавленном состоянии. В этом случае в момент фазового перехода возникает разность температур между образцом и эталоном. Она фиксируется дифференциальной термопарой, соединенной с прибором высокой чувствительности. Дифференциальная термопара состоит из двух горячих спаев, связанных между собой общим электродом (рис.1.2). При одинаковой температуре спаев разность возникающих термо ЭДС равна нулю. В момент фазового превращения температуры эталона и образца различаются из-за выделения или поглощения тепла и, соответственно, результирующая термо ЭДС дифференциальной термопары отличается от нуля. Разность температур и абсолютная температура образца одновременно фиксируются либо обычной термопарой, либо от соответствующих электродов дифференциальной термопары [18].

1.7 Анализ высокоэффективных теплоизоляционных и теплозащитных материалов

1.7.1 Microtherm

Наиболее высокоэффективной и лучшей высокотемпературной микропористой теплоизоляцией на сегодняшний день является продукция компании Microtherm (США).

Микропористые теплоизоляционные изделия Microtherm предназначены для обеспечения максимального сопротивления для всех видов теплопередачи. В данном материале теплопроводность и излучение твердой и газообразной проводимости сведены к абсолютному минимуму.

Проводимость через частицы разработчиками материала эффективно минимизирована тремя способами. 

• За счет пористости более 90% объема пустого пространства, в результате чего достигается эффективная газообразная проводимость.

• Наноразмерные частицы, образующих Microtherm , имеющие очень ограниченный контакт друг с другом, ограничивая тепловой путь (количество подводимого тепла прямо пропорционально сечению проводимости пути).

• Твердая матрица имеет сложную структуру, что уменьшает длину свободного пробега частицы. Это уменьшает скорость, с которой тепло может проходить в твердых частицах (количество подводимого тепла обратно пропорционально длине пути проводимости).

В газообразной проводимости микропористый эффект ограничен. Это уникальное преимущество для Microtherm и других микропористых изоляций, дает скачок снижения теплопроводности по сравнению с обычными изоляциями [19]. Микропористый эффект ограничивает столкновение между молекулами воздуха, что приводит к теплопередаче, это обеспечивается тем, что пустот в материале меньше, чем длина свободного пробега молекул воздуха (примерно 100 нм при атмосферном давлении). В этих условиях образуется процесс, в котором происходит большинство столкновений молекул воздуха со стенками пор, который передает мало энергии. 

Радиационная проводимость является основным путем передачи тепла при более высоких температурах. Microtherm   почти полностью не пропускает ИК. Это означает, что теплопроводность возрастает незначительно с увеличением температуры и имеет преимущество по сравнению с обычной изоляцией, и его рабочая температура достигает 1000°С и выше.

Основным компонентом микропористой изоляции, является пирогенный диоксид кремния, который присутствует в виде очень мелких частиц. В Microtherm размеры частиц варьируются в пределах 5 - 25 нм. Диоксид кремния имеет низкую собственную теплопроводность около 1,4 Вт/мК, то есть он является хорошим изолятором тепла.

Чтобы придать Microtherm механическую прочность в его состав входит небольшой процент стеклянных армирующих нитей. 

Другим более важным компонентом теплоизоляции является тонкодисперсный порошок минеральных оксидов (TiO₂, ZnO, Fe₂O₃), который дает способность блокировать движение инфракрасного излучения.

Известно, что радиационные потери тепла с поверхности прямо пропорциональны четвертой степени разницы температуры (закон Стефана-Больцмана). При температурах выше 100°С излучение становится доминирующим способом передачи тепла и быстро растет при дальнейшем увеличении температуры. 

Инфракрасное излучение является одной из форм электромагнитного излучения с длиной волны больше чем у видимого света.

Мелкие частицы минерального оксида ИК - гасителя рассредоточены равномерно во всей теплоизоляции Microtherm и преломляют ИК волны на поверхности частиц и изменяют их направление. Размеры частиц близки к длине волны ИК. Эффективность, с которой происходит рассеяние означает, что Microtherm эффективно блокирует передачу ИК-излучения и определяет его характеристики при высоких температурах. На рис.1.3 представлены материалы производства компании Microtherm.

Преимущества Microtherm

• Улучшенные массогабаритные характеристики (возможно получение тонких и легких систем изоляции).

• Экологически чистый, безопасен вследствие отсутствия летучих веществ.

• Устойчив и стабилен при непрерывной работе в экстремальных условиях.

Рисунок 1.3 – Теплоизоляционные материалы производства компании Microtherm