Разработка теплозащитного материала с минимальным коэффициентом теплопроводности - Дипломная работа

При этом создание эффективной теплозащиты связано со сложностью практической реализации оптимального сочетания теплофизических, механических, экологических характеристик. В работе разработан теплозащитный материал и представлены результаты экспериментального исследования его физико-химических свойств.К теплоизоляционным материалам относятся материалы, характеризующиеся малой способностью проводить тепло. Помимо снижения теплового потока через конструкцию, теплоизоляция защищает от разрушающего воздействия переменных температур и наружного воздуха. Основными свойствами указанных материалов являются: Коэффициент теплопроводности (?) - количество тепла, проходящее за 1 час через образец материала толщиной 1 м и площадью 1м2 при разности температур на противолежащих поверхностях. Характеризует передачу тепла внутри материала вследствие взаимодействия его структурных единиц.Стационарные режимы теплообмена, характеризуются тем, что температурное поле во времени не изменяется и в дифференциальном уравнении теплопроводности Фурье-Кирхгофа производная ?Т/??, ?Т - изменение температуры, ?? - изменение времени. В работе рассмотрены нестационарные процессы теплопроводности в неподвижных средах и даны аналитические методы решения дифференциального уравнения Фурье-Кирхгофа для нестационарного случая с различными краевыми условиями. На первом этапе поле температур в теле определяется не только изменившимся тепловым воздействием (например, изменением температуры окружающей среды) но и начальным распределением температур в теле T0 (x y z) при ? = 0.Дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье-Кирхгофа в случае неподвижной среды и отсутствия внутренних источников тепла имеет вид: (1.1) где a = ? /(c? ) и 2 - оператор Лапласа, записанный в прямоугольной, цилиндрической, сферической или иной системах координат. Это уравнение устанавливает зависимость между температурой, временем и координатами тела в элементарном объеме, т. е. связывает временные и пространственные изменения температуры тела. Если заданы форма и размеры тела, а также его физические свойства (?, c,? ,…), т. е. геометрические и физические условия однозначности, то для решения уравнения (1.1) необходимо задать еще начальные и граничные, или краевые условия. Поскольку температура тела в общем случае является функцией координат и времени f (x, y, z,? ) , то начальные условия, т. е. распределение температур в теле в начальный момент, задаются в виде f( x, y, z,0) = f0( x, y, z), где f0 - известная функция, которая задана аналитически, или может быть представлена численно. Для однородных тел граничные условия могут быть заданы трех видов: температура любой точки поверхности тела в любой момент времени; тепловой поток у поверхности, либо температура среды, омывающей тело; условия теплообмена тела с окружающей средой.В работе [5] установлено что, пористость веществ оказывает существенное влияние на процессы теплообмена (так называемое пористое охлаждение) за счет активного взаимодействия охладителя с набегающим потоком газа, уменьшается тепловой поток к поверхности, но внешний контур поверхности тела не изменяется во времени, как бы долго ни продолжалось тепловое воздействие. Механизм пористого охлаждения складывается в общем из двух процессов: внутреннего теплообмена, во время которого газ отбирает тепло от пористой стенки при фильтрации к внешней поверхности, и внешнего теплообмена, когда охлаждающий газ, покинув стенку, диффундирует через пограничный слой, разбавляя и оттесняя от поверхности высокотемпературный газовый поток, что обеспечивает более высокую эффективность пористого охлаждения по сравнению с системами накопления тепла. Пористая среда - твердое тело, содержащее пустые промежутки (поры), распределенные более или менее равномерно по объему тела. Объемная пористость материала П обычно определяется как отношение объема пор Vп к объему тела V0. В частности, для пористых материалов с каркасом из сферических частиц диаметром d пористость можно определить изНанокомпозиты - это материалы, сформированные при введении наноразмерных частиц (наполнителей) в структурообразующую твердую фазу (матрицу). Нанокомпозиты отличаются от обычных композиционных материалов благодаря значительноболее развитой (на порядок и выше) площади поверхности частиц наполнителя. В связи с этим, свойства нанокомпозитов в значительно большей степени, по сравнению с обычными композиционными материалами, зависят от морфологии частиц наполнителя и характера взаимодействия компонентов на поверхности раздела фаз.Большинство нанодисперсных высокоэффективных теплозащитных материалов являются композиционными, и независимо от их происхождения, все они являются результатом объемного сочетания разнородных компонентов, один из которых образует матрицу (связующее), а другой (наполнитель) обладает высокой прочностью и/или определенными функциональными свойствами; при этом, композиционные материалы имеют свойства, которыми не обладают их отдельные компоненты. Композиция должна представлять собой сочет

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Характеристики теплоизоляционных материалов

1.2 Теплопроводность при нестационарном режиме

1.2.1 Постановка задачи нестационарной теплопроводности

1.2.2 Аналитический метод решения (метод Фурье)

1.3 Влияние пористости вещества на процессы охлаждения

1.4 Композиционные теплозащитные материалы

1.4.1 Основные определения

1.4.2 Требования к композиционным материалам

1.5 Методы синтеза наночастиц

1.5.1 Диспергирование

1.5.2 Конденсация

1.5.3 Основы золь-гель технологии

1.6 Методы термического анализа

1.7 Анализ высокоэффективных теплоизоляционных и теплозащитных материалов

1.7.1 Microtherm

1.7.2 Теплоизоляционные материалы производства научно-производственного предприятие «Технология» (г. Обнинск)

1.7.3 Продукция ООО «Термокерамика» (г. Москва)

2. МЕТОДЫ ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

2.1 Принцип действия и устройство измерительной системы ДСК

2.1.2 Методика расчета коэффициента теплопроводности

2.1.3 Подготовка тигля

2.1.4 Подготовка образцов и метод измерения

2.2 Прибор для измерения коэффициента теплопроводности зондовым методом - МИТ 1

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

3.1 Выбор волокнистых материалов с низким коэффициентом теплопроводности

3.2 Подбор и изготовление композиционных материалов

3.3Анализ полученных композиционных смесей

3.4 Прессование конструкционных деталей из композиционной смеси

3.5 Определение характеристик теплоизоляционных материалов

3.6 Получение золя кремниевой кислоты ионообменным способом

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ