1729

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Г.Ф. МОРОЗОВА

В. М. Попов

Влияние физических полей на теплопроводность дисперснонаполненных полимерных материалов

Методические указания для самостоятельной работы аспирантов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия (направленность программы Теплофизика и теоретическая теплотехника)

Рецензент: д.т.н., профессор, заведующий кафедрой промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности ВГТУ, Н.В. Мозговой

Попов, В.М. Влияние физических полей на теплопроводность дисперснонаполненных полимерных материалов. Методические указания для для самостоятельной работы аспирантов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия (направленность программы Теплофизика и теоретическая теплотехника) [Электронный ресурс] / В.М. Попов // М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВО «ВГЛТУ». Воронеж, 2016.- 7 с.

Методические указания являются руководством к выполнению практических работ по исследованию влияния магнитных и электрических полей на теплопроводность полимеров, наполненных металлическими порошками. В нем дается последовательность выполнения экспериментов, приводится методика проведения расчетов.

ВВЕДЕНИЕ

Вданном методическом указании приводятся основы методики создания полимерных материалов повышенной теплопроводности путем насыщения полимерной матрицы металлическими порошками и последующей обработкой образцов в магнитном или электрическом поле.

Втексте указаний приводится технология насыщения полимера металлическими порошками различной дисперсности. Даются основные положения метода обработки дисперсно-наполненных полимерных образцов

вмагнитном или электрическом поле.

Приводятся данные по воздействию на неотвержденные образцы температуры.

На основе метода двух температурно-временных интервалов находится коэффициент теплопроводности модифицированного полимера.

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ

Аспирант приступает к выполнению практических работ после прослушивания лекционного материала и проработки соответствующих разделов курса.

По каждой теме практических занятий обучающийся обязан подготовить письменный отчет по форме, представленной в методических указаниях или по требованию преподавателя. Оформленный отчет предъявляется преподавателю для ознакомления.

Подписанные преподавателем отчеты по практическим работам сохраняются аспирантом и предъявляются на зачете.

Обучающиеся должны знать цель каждой работы, ее содержание, порядок выполнения, результаты и выводы. Аспирант, не выполнивший практические работы в соответствии с программой курса, к зачету не допускается.

Практическая работа № 1

1.Цель работы

Освоение метода создания дисперсно-наполненного полимера с различной концентрацией наполнителя ферромагнитной природы.

2.Общие положения

Известно, что полимеры относятся к классу малотеплопроводных материалов. В тоже время в целом ряде случаев при использовании полимерных материалов в конструкциях теплонапряженных технических систем требуется хорошая проводимость тепла через детали или узлы из полимеров. Известные в настоящее время способы повышения теплопроводности полимеров путем насыщения их железными порошками малоэффективны, поскольку их коэффициент теплопроводности не превышает 0,6 … 0,8 Вт/м К. Помимо этого, как правило, значительно снижается их механические характеристики.

Для повышения теплопроводности полимерной прокладки провести ее обработку в магнитном поле.

3. Содержание работы

Рассматривается модель из полимерной прокладки с дисперсным наполнителем. Под действием постоянного магнитного поля частицы наполнителя выстраиваются в направлении силовых линий поля в виде стержневых структур, в которых отдельные частицы контактируют между собой. Естественно такое структурное построение способствует повышению теплопроводности в целом системы. Можно ожидать, что увеличение концентрации наполнителя также повышает число стержней и соответственно растет теплопроводность прокладки.

Для расчета теплопроводности такой системы необходимо обладать информацией об общем количестве стержней на выбранную площадь

1. Определим число стержней с единичноконтактирующими частицами, образовавшихся при наложении магнитного поля. Объем полимерной композиции, составляющей прокладку, изобразится

V=S∙Δ, (1)

где S и – соответственно поверхность и толщина прокладки. Объем, занимаемый наполнителем, равняется

(2)

Здесь С – объемная концентрация наполнителя в %.

Общее число частиц наполнителя в данном объеме находится, как

(4)

Отсюда

(5)

Количество частиц в отдельном стержне находится, как

(6)

C учетом (5) и (6) общее число стержней определяется в виде

(7)

Практическая работа № 2

1.Цель работы

Определение термосопротивления, создаваемого полимерной прокладкой с дисперсным наполнителем, подвергнутой воздействию постоянным магнитным полем.

2.Общие положения

Поскольку в практике тепловых расчетов через полимерные прокладки основной интерес представляет информация о термическом сопротивлении слоя, целесообразно выразить в аналитической форме этот показатель.

3.Содержание работы

В соответствии с рассматриваемой моделью можно считать, что при подходе к поверхности магнитообработанной полимерной прокладки с наполнителями ферромагнитной природы тепловой поток раздваивается, т.е. часть тепла проходит через полимерную составляющую, а другая часть через образовавшиеся стержни из контактирующих между собой частицы наполнителя.

термосопротивление, возникающее на пути теплового потока за счет значительного уменьшения площади фактического контакта между частицами наполнителя.

Термосопротивление слоя полимера находится в виде

является внутренним сопротивлением. Действие этого термосопротивления можно считать адекватным удлинению стержней.

Специально проведенными экспериментами и теоретическими исследованиями установлена аналитическая зависимость .

(3)

Здесь – коэффициент теплопроводности материала наполнителя; – радиус площадки микроконтакта между частицами наполнителя (принимется равным 10-5 м); – радиус сферы микроконтакта.

Выводы Представленные выше методики расчета геометрии и количества

образовавшихся в процессе обработки неотвержденной прокладки из наполненного полимера позволяет вычислить число стержней в данной системе.

Используя данные расчета можно определить термосопротивление или тепловую проводимость магнитообработанной дисперсно-наполненной полимерной прокладки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Семенов, Б.А. Инженерный эксперимент в промышленной теплотехнике, теплоэнергетике и теплотехнологиях [Текст] / Б.А. Семенов. СПб., М., Краснодар: Лань, 2013. – 400 с.

2.Матвеев, Н.Н. Поляризационные эффекты в кристаллизирующихся полимерах [Текст] / Н.Н. Матвеев, В.В. Постников, В.В. Саушкин. Воронеж: ВГЛТА, 2000. – 170 с.

3.Электронный каталог научной библиотеки ВГЛТА [Электронный ресурс]: режим доступа: http://195.98.72.241.:8080/MarcWeb2/Defuult.asp/.

Учебное издание

Виктор Михайлович Попов Влияние физических полей на теплопроводность дисперснонаполненных

полимерных материалов.

Методические указания по самостоятельной работе аспирантов по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия (направленность программы теплофизика и теоретическая теплотехника)