Теплопроводность углеродных материалов

Для объемного силицирования используют специальные пористые графиты. Так, для получения силицированных графитов марок СГ-М, СГ-П, СГ-Т применяют графит пористостью 19—27, 34—44, 46—54 % соответственно. Свойства таких графитов исследованы недостаточно.

Исследование теплопроводности проводили на графитах с суммарной пористостью 19 (I); 44,3 (11); 54,3 (III); 61 (IV); 78 (V) % (табл. 10.6). Все образцы были получены методом прессования из одного исходного материала, В качестве наполнителя применяли нефтяной прокаленный кокс, а в качестве связующего каменноугольный пек. Параметрами, регулирующими пористость, служили различные количества выгорающих добавок и давления прессования. Преимущественное количество пор (90 %) приходилось на поры с радиусами 100—1000 нм. Закрытые поры составляли 2 %. Зольность для пористых графитов не более 0,6, а для плотных 0,06 %.

Термическую обработку образцов выполняли при 2500 °С в течение 12 ч в атмосфере аргона, что обеспечивало достаточно полную графитацию и стабильность свойств в исследуемом интервале температур.

Для измерения теплопроводности был применен стационарный метод радиального потока тепла от внутреннего стержневого нагревателя. Конструкция установки описана в работе. Нагревателем служил графитовый стержень (l = 460 мм, d = 10 мм). Образцы были выполнены в виде цилиндров с наружным диаметром 380 мм. Измерения теплового потока и температур проводили на рабочем участке, имеющем равномерное по длине температурное поле (lраб — 80 мм).

В основу метода определения теплопроводности положено решение уравнения для случая стационарного температурного поля в толстостенной трубе бесконечной длины

где Л — теплопроводность пористого материала; g, — удельный тепловой поток; T1 и T2 — температуры на диаметрах d1 и d2.

Величину теплового потока определяли, измеряя силу тока и падение напряжения на рабочем участке. При расчете удельного теплового потока учитывали температурное удлинение рабочего участка по измеренной температуре нагревателя и табличным данным по коэффициенту линейного расширения графита. Для измерения температур пользовались термопарами и пирометром. Термопары располагали в рабочей части образца параллельно его оси, три на расстоянии rвн = 10 мм и три на расстоянии rнар = 24 мм от оси образца. Термопары, изготовленные из проволоки диаметром 0,2 мм, закладывали в двухканальную алундовую соломку диаметром 1,8 мм. Температуры на радиусах 10 и 24 мм находили как среднеарифметическое показаний трех термопар.

Температуру внутренней поверхности образца измеряли на плоском дне радиального сверления, сделанного на глубине, близкой к диаметру внутренней поверхности образца. Глубина сверления составляла 15, диаметр сверления 2 мм. При таких геометрических размерах пирометрического канала (L/d = 7,5) и высокой степени черноты исследуемого материала (еЛ = 0,8/0,9) эффективная степень черноты еЛэф для изотермического канала будет близка к единице (~ 0,99). В опытах изменение температуры по длине канала достигало 50—500 °С, поэтому необходимо было рассчитать еЛэф неизотермического канала с такими перепадами температур.

Формула для расчета еЛэф в случае диффузно отражающих тел приобретает вид

где еЛэф — эффективная степень черноты изотермического канала твердого тела; е0 — характеристика осциллятора частотой w, е = $w, где w — собственная частота осциллятора; еЛ — степень черноты беспористого тела; Ew — излучательная способность поверхностью твердого тела потока; лучистой энергии частотой w; е — характеристика осциллятора с переменной частотой w $ = постоянная Планка, $ — 6,62*10в-34 Дж - с; n — вязкость материала.

В пределах рассчитываемого перепада температур степень черноты материала принята постоянной. Для простоты была рассчитана интегральная степень черноты, что вполне оправданно для графитов как серых тел. Расчет был проведен для случая прямолинейного характера измерения T и еЛэф(e0) но боковой поверхности пирометрического капала. Нa рис. 10.5 графически представлены результаты расчета.

Во всех опытах еЛэф дна канала пирометрического сверления составляла не менее 0,98, поэтому использование полученных данных можно считать справедливым.

Для оценки эффективной степени черноты пористых тел еЛэфII использовали формулу

где П2 — пористость образцов; TsI; TsII — температура поверхности соответственно беспористого и пористого тела.

По полученным значениям (10.2) можно рассчитать величину еЛэфII и Л пористых образцов (П2).

Опыты по определению теплопроводности исследованных материалов проводили в атмосфере аргона при давлении, несколько превышающем атмосферное. Измерения выполняли при повышении и понижении средней температуры.

На рис. 10.6 представлены экспериментальные точки и сглаживающие кривые для наиболее плотного и наиболее пористого образцов.

Разброс точек в высокотемпературной области не превышает ±10, а в низкотемпературной ±3 %. Точность сглаживающих кривых оценивается в 3 %.

Для анализа полученных данных были построены изотермы зависимости теплопроводности от пористости П (рис. 10.7). В данном случае теплопроводность связанной структуры ячеистого строения будет функцией только пористости и теплопроводности твердой фазы. Теплопроводность газовой фазы в порах и передача тепла лучистым теплообменом при размерах пор 100—1000 нм будет составлять в худшем случае 0,07 Вт/(м*°С), что на три-четыре порядка меньше теплопроводности твердой фазы.

Было проверено согласование полученных опытных данных с расчетными данными, вычисленными по формулам, предложенным различными авторами. Исследованные материалы представляют собой ячеистые системы со статистически равномерным распределением пор (рис. 10.8) неправильной формы, соединенных между собой тонкими каналами. Ho при небольших значениях пористости (<50 %) в первом приближении можно рассматривать материал как регулярную ячеистую систему с замкнутыми порами правильной формы.

Наилучшее совпадение с нашими экспериментальными данными получается по формулам А. Лоба и X. Русселя. Формула для матричной смеси представляет, по существу, формулу Максвелла.

Формула Лоба для случая отсутствия теплопередачи в порах приобретает вид

где Л0 — теплопроводность беспористого материала; П — пористость.

Полученные экспериментальные данные для образцов I-III укладываются в эту зависимость с точностью, превышающей 3 %, во всем измеренном интервале температур, поэтому можно рекомендовать ведение расчета теплопроводности пористых графитов в интервале П = 15*50 % по формуле Лоба.

Ho несмотря на то, что формула Лоба лучше описывает зависимость Л = Л(П) в диапазоне пористостей 15—50 %, а отклонение экспериментальных данных от зависимостей Русселя и Оделевского составляет ±10 %, представляется более разумным вести экстраполяцию в нулевую пористость по последним зависимостям, так как Русселем и Оделевским рассмотрена более реальная модель структуры пористого материала. Значение теплопроводности Л0, полученное по формуле Оделевского (Максвелла), и средняя величина для двух решений, рассчитанная по формуле Русселя, совпадают. Тепло проводность Л0, найденная по формуле Лоба, меньше на 7 %.

Следует отметить, что в области с пористостью 50—60 % происходит более резкое падение теплопроводности. На наш взгляд, это определяется растрескиванием материала и нарушением первоначальной его структуры. Количественное изменение X и значение пористости, при которых происходит отклонение от первоначальной характеристики, зависят от вязкости материала n, характера контактирования частиц твердой фазы, размера и формы пор (зерна материала и добавок), технологии изготовления.

Пористость оказывает также влияние на электропроводность углеродных материалов. Располагая численными значениями о0, Л, Л0 и П, можно рассчитать электропроводность (о) пористого материала по формуле

где о, о0 — электропроводность пористого материала; Л, Л0 — теплопроводность пористого и беспористого материала.