Прогнозирование теплофизических свойств сверхпроводящих нанокомпозитных материалов
Определение теплофизические свойства сверхпроводниковых материалов методом осреднения по правилу смесей и по формулам механики композиционных материалов. Главные преимущества метода осреднения по правилу смесей при прогнозировании свойств композитов.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.11.2018 |
| Размер файла | 870,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Статья по теме:
Прогнозирование теплофизических свойств сверхпроводящих нанокомпозитных материалов
Колмогоров Г.Л., Мирзаянова А.Р., Снигирева М.В. Пермь, Российская Федерация ГОУ ВПО «Пермский Государственный Технический Университет»
Аннотация
В работе рассчитаны эффективные теплофизические свойства сверхпроводниковых материалов методом осреднения по правилу смесей и по формулам механики композиционных материалов. Показано, что метод осреднения по правилу смесей при прогнозировании свойств сверхпроводящих композитов в большинстве случаев обеспечивает высокую точность для использования в практических технологических расчетах.
Ключевые слова: сверхпроводник, пластическое деформирование, трансверсальная изотропия, эффективные теплофизические свойства.
В настоящее время в России организуется производство низкотемпературных сверхпроводящих материалов (НТСП) для магнитной системы международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), строительство которого начато в атомном центре Кадараш во Франции. Общее необходимое количество сверхпроводников для магнитной системы ИТЭР составляет более 700 тонн [1].
Технические сверхпроводящие кабели представляют собой сложные композитные конструкции из разнородных материалов с ультратонкими (до долей микрона) волокнами собственно сверхпроводникового материала (рис.1). Для ИТЭР планируется изготовление сверхпроводников на основе материалов Nb-Ti и Nb3Sn эксплуатируемых при температурах вблизи 4,2?К (температура жидкого гелия). Разработка технологии производства сверхпроводников для ИТЭР выполняется при участии кафедры Динамики и прочности машин Пермского государственного технического университета. В основе технологии лежит многократное волочение как наиболее трудоемкий вид металлургического передела [2, 3]. Процесс волочения заключается в протягивании заготовки через конический волочильный инструмент, общее количество переходов составляет несколько десятков.
Рис. 1 - Некоторые конструкции сверхпроводников.
Как следует из рис. 1, композиционные сверхпроводники представляют собой трансверсально изотропную конструкцию, состоящую из сверхпроводящих волокон и токостабилизирующей оболочки из сверхчистой меди. К трансверсально изотропным средам относят материалы, обладающие симметрией свойств в перпендикулярной к направлению волокон плоскости [4]. Для определения теплофизических свойств сверхпроводящих проводов как трансверсально изотропной среды рассмотрим композит, состоящий из двух компонентов: сплава ниобий-титан (Nb - 50% (по массе) Ti) и меди (Си). Ниобий-титан являтеся сердечником, а медь - оболочкой. Сечение сверхпроводника показано на рис. 2. В табл. 1 приведены значения физических констант для компонентов композита, принятые в последующих расчетах.
Размещено на http://www.allbest.ru/
|
Рис. 2 - Расчетная схема сверхпроводникового провода |
|
Таблица 1 Некоторые свойства ниобий-титана и меди Cu Nb-Ti л, Вт/м·град (удельная теплопроводность) 387 37,1 С, Вт/с·град·кг (удельная теплоемкость) 0,25 0,18 г, кг/м3 (объемный вес) 8920 5600 |
При многопереходном волочении сверхпроводниковая заготовка разогревается в процессе пластического деформирования и охлаждается на барабанах волочильной машины. Выполнение расчетов температурных режимов требует знания теплофизических эффективных свойств композитной сверхпроводниковой заготовки, в частности коэффициента температуропроводности
Где - удельная теплопроводность материала, - удельная теплоемкость при постоянном давлении, - удельный вес кг/ материала.
В соответствии с работой [4] определены теплофизические характеристики сверхпроводникового композита на основе сплава ниобий-титан в медной матрице в зависимости от объемного содержания волокна и сопоставлены с характеристиками, определенными по правилу смеси.
Удельная теплопроводность определяется формулами:
сверхпроводниковый метод композит смесь
1) 2)
В табл. 2 и на рис. 3 приведены расчетные значения удельной теплопроводности.
Размещено на http://www.allbest.ru/
|
Рис. 3 - Теплопроводность сверхпроводящего композита |
Таблица 2
|
с |
1) по правилу смеси, Вт/м*град. |
2) для трансверсально изотропной среды, Вт/м*град. |
|
|
0 |
387 |
387 |
|
|
0,2 |
317,02 |
277,373 |
|
|
0,4 |
247,04 |
194,948 |
|
|
0,6 |
177,04 |
130,717 |
|
|
0,8 |
107,08 |
79,256 |
|
|
1 |
37,1 |
37,1 |
Удельная теплоемкость при постоянном давлении определяется формулами:
1)
2)
где и - коэффициент термического расширения и модуль упругости сверхпроводящего композита, определенные в работе [5].
В таблице 3 и на рисунке 4 приведены результаты расчета удельной теплоемкости.
Размещено на http://www.allbest.ru/
|
Рис. 4 - Удельная теплоемкость сверхпроводящего композита |
Таблица 3
|
с |
1) 1 по правилу смеси, Вт/с·град·кг. |
2) 2 для трансверсально изотропной среды, Вт/с·град·кг. |
|
|
0 |
0,25 |
0,339 |
|
|
0,2 |
0,236 |
0,312 |
|
|
0,4 |
0,222 |
0,284 |
|
|
0,6 |
0,208 |
0,257 |
|
|
0,8 |
0,194 |
0,23 |
|
|
1 |
0,18 |
0,2 |
Удельный вес композита определяем правилом смеси и определяем прогнозируемые значения коэф. температуропроводности.
Размещено на http://www.allbest.ru/
|
Рис. 5 - Коэффициент температуропроводности сверхпроводящего композита |
Таблица 4
|
с |
1) а1 по правилу смеси, см2/с. |
2) а2 для трансверсально изотропной среды, см2/с. |
|
|
0 |
1,727 |
1,276 |
|
|
0,2 |
1,512 |
1,131 |
|
|
0,4 |
1,264 |
0,886 |
|
|
0,6 |
0,976 |
0,778 |
|
|
0,8 |
0,638 |
0,582 |
|
|
1 |
0,241 |
0,213 |
Выводы
Для определения эффективных приведенных физических величин, характеризующих сверхпроводящую композитную систему, рассмотрена модель трансверсально изотропной среды.
Для трансверсально изотропного композиционного материала приведены уравнения, позволяющие определять теплофизические свойства сверхпроводящих материалов в зависимости от объемного содержания сверхпроводящих волокон.
Выполнено сопоставление физических свойств, рассчитанных в соответствии с уравнениями трансверсально изотропной среды и методом осреднения свойств по правилу смесей.
Показано, что метод осреднения по правилу смесей при прогнозировании свойств сверхпроводящих композитов в большинстве случаев обеспечивает достаточную точность для использования в практических технологических расчетах по сравнению с уравнениями трансверсально изотропной среды.
Литература
1. Шиков А.К., Никулин А.Д., Силаев А.Г. и др./Разработка сверхпроводников для магнитной системы ИТЭР в России//Известия ВУЗов. Цветная металлургия. 2003. №1. с. 36 - 43.
2. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения, 1972 - 176 с.
3. Колмогоров Г.Л., Латышева Т.В./Предельные деформации при волочении сверхпроводниковых изделий//Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2007. №5. с. 36-38.
4. Р. Кристенсен. Введение в механику композитов. Пер. с англ. - М. Мир, 1982 - 334 с.
5. Колмогоров Г.Л., Снигирева М.В. Упругие и теплофизические характеристики трансверсально изотропных сверхпроводниковых композиционных материалов. //Научные исследования и инновации. Пермь: Пермский гос. техн. ун-т 2007. №1. с. 31-40.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Анализ методов оценки упругопластических свойств материалов для верха обуви при растяжении. Обоснование выбора методов испытаний и исследуемых материалов. Разработка автоматизированного комплекса для оценки свойств при одноосном и двухосном растяжении.
дипломная работа [4,8 M], добавлен 26.10.2011Изучение свойств материалов, установления величины предельных напряжений. Условный предел текучести. Механические характеристики материалов. Испытание на растяжение, сжатие, кручение, изгиб хрупких материалов статической нагрузкой. Измерение деформаций.
реферат [480,5 K], добавлен 16.10.2008Структура композиционных материалов. Характеристики и свойства системы дисперсно-упрочненных сплавов. Сфера применения материалов, армированных волокнами. Длительная прочность КМ, армированных частицами различной геометрии, стареющие никелевые сплавы.
презентация [721,8 K], добавлен 07.12.2015Роль химии в химической технологии текстильных материалов. Подготовка и колорирование текстильных материалов. Основные положения теории отделки текстильных материалов с применением высокомолекулярных соединений. Ухудшение механических свойств материалов.
курсовая работа [43,7 K], добавлен 03.04.2010Теоретический анализ научно-технической и методической литературы по изучению свойств материалов. Свойства ткани на светопогоду. Определение стойкости текстильных материалов к действию светопогоды. Инструкция по технике безопасности в лаборатории.
курсовая работа [45,8 K], добавлен 05.12.2008Зависимость работоспособности машин и агрегатов от свойств материалов. Прочность, твердость, триботехнические характеристики. Внедрение в материал более твердого тела – индентора. Температурные, электрические и магнитные характеристики материалов.
реферат [56,6 K], добавлен 30.07.2009Отбор образцов, проб и выборок для исследования свойств текстильных материалов, методы оценки неровности текстильных материалов. Однофакторный эксперимент. Определение линейного уравнения регрессии первого порядка. Исследование качества швейных изделий.
лабораторная работа [128,0 K], добавлен 03.05.2009Создание виртуальной лабораторной работы. Классификация и характеристика магнитомягких материалов, исследование их свойств. Анализ стандартного метода измерения начальной магнитной проницаемости и тангенса угла магнитных потерь магнитомягких материалов.
дипломная работа [728,6 K], добавлен 19.11.2013Общие сведения о композиционных материалах. Свойства композиционных материалов типа сибунита. Ассортимент пористых углеродных материалов. Экранирующие и радиопоглощающие материалы. Фосфатно-кальциевая керамика – биополимер для регенерации костных тканей.
реферат [1,6 M], добавлен 13.05.2011Свойства материалов при расчетах на прочность, жесткость и устойчивость определяются механическими характеристиками. Испытания над материалами проводят на деформацию растяжения, сжатия, кручения, изгиба при действии статической или переменной нагрузок.
реферат [2,4 M], добавлен 13.01.2009Типы композиционных материалов: с металлической и неметаллической матрицей, их сравнительная характеристика и специфика применения. Классификация, виды композиционных материалов и определение экономической эффективности применения каждого из них.
реферат [17,4 K], добавлен 04.01.2011Характеристика продукции завода железобетонных изделий и бетонных смесей. Расчет производительности программы приготовления бетонных смесей. Выбор технологического оборудования. Определение объемов запасов хранения материалов и выбор типов складов.
курсовая работа [205,1 K], добавлен 11.06.2015Определение понятия и классификация свойств конструкционных материалов, из которых изготовляются детали конструкций, воспринимающих силовую нагрузку. Стеклокристаллические материалы, производство стали, классификация, графитизация и маркировка чугунов.
контрольная работа [651,4 K], добавлен 14.01.2011Понятия и классификация нанотехнологий, виды наноструктур. Характеристика способов наноконстуирования. Исследование свойств материалов, применение и ограничения в использовании наноматериалов. Модифицирование сплавов с нанокристаллической решеткой.
курсовая работа [9,1 M], добавлен 14.07.2012Разработка требований к изделию корсет женский вечерний плотноприлегающего силуэта. Перечень используемых материалов. Ранговая оценка свойств по группам требований. Нормирование значимых свойств. Анализ ассортимента материалов. Определение жесткости.
контрольная работа [33,6 K], добавлен 16.12.2013Порошковая металлургия как отрасль техники, занимающаяся получением металлических порошков. Анализ схемы строения композиционных материалов. Знакомство с основными функциями и назначением алюминиевой пудры. Особенности физико-химических свойств алюминия.
дипломная работа [1,8 M], добавлен 22.11.2014Характеристика модели, разработка требований к изделию. Требования к материалу, ранговая оценка свойств по группам требований, нормирование значимых свойств, составление карты технического уровня. Анализ ассортимента скрепляющих материалов и фурнитуры.
курсовая работа [30,2 K], добавлен 16.04.2014Описание внешнего вида мужской демисезонной куртки. Перечень материалов для изготовления швейного изделия. Выбор значимых свойств, удовлетворяющих установленным требованиям. Результаты экспериментальной оценки. Физико-механические свойства материалов.
курсовая работа [328,9 K], добавлен 25.03.2013Сорбционные процессы на границе раздела фаз сорбат – сорбент. Методы получения пористых углеродных материалов. Адсорбционные методы очистки сточных вод. Основные реакции взаимодействия компонентов смесей органических материалов в процессах со-термолиза.
дипломная работа [3,8 M], добавлен 21.06.2015Разработка принципов и технологий лазерной обработки полимерных композиционных материалов. Исследование образца лазерной установки на основе волоконного лазера для отработки технологий лазерной резки материалов. Состав оборудования, подбор излучателя.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 12.10.2013
