Излучательная способность и оптические свойства высокотемпературных теплоизоляционных материалов на основе оксидов кремния и алюминия

• Автор: Дождиков, Виталий Станиславович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 192 с. : ил.

ГЛАВА I. ПРОБЛЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ СИЛЬНО РАССЕИВАЮЩИХ СЛАБО ПОГЛОЩАЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ. ВЫБОР МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ И РАСЧЕТА
1.1 Определение оптических свойств сильно рассеивающих слабо поглощающих
материалов при высоких температурах
1.1.1 Современное состояние вопроса
1.1.2 Радиационный перенос энергии в рассеивающих полупрозрачных средах.
Модель диффузии излучения
1.2 Применение метода падающей печи для определения оптических свойств
1.3 Выводы к первой главе
ГЛАВА II. НОВАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НОРМАЛЬНОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ НЕЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
2.1 Конструкция вакуумной камеры и вспомогательных систем экспериментальной
установки
2.1.1 Вакуумная камера и исполнительные механизмы
2.1.2 Система индукционного нагрева
2.1.3 Вспомогательные системы установки
2.2 Измерительные и управляющие системы экспериментальной установки
2.2.1 Оптико-функциональная схема экспериментальной установки
2.2.2 Автоматизированная система управления установкой и сбором
экспериментальных данных
2.2.3 Система измерения и контроля температуры
2.3 Процедура проведения эксперимента
2.4 Выводы ко второй главе
ГЛАВА III. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ СИЛЬНО РАССЕИВАЮЩИХ СЛАБО ПОГЛОЩАЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ. АПРОБАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
3.1 Исходная формула для расчета излучательной способности
3.2 Особенности исследования материалов с низкой излучательной способностью
3.3 Линейность измерительной системы
3.4 Расчет излучательной способности модели черного тела
3.5 Эффективная температура образца
3.5.1 Неизотермичностъ низкотеплопроводных образцов, понятие эффективной
температуры
3.5.2 Расчет эффективной температуры образцов на основе измерения энергии
излучения модели черного тела вместе с находящимся внутри нее исследуемым образцом
3.5.3 Поля температур в образцах волокнистой кварцевой теплоизоляции
3.6 Поправка на остывание образца
3.7 Метрологические характеристики оптической системы установки
3.8 Погрешности измерения спектральной излучательной способности
3.8.1 Систематическая погрешность
3.8.2 Случайная погрешность
3.8.3 Общая погрешность
3.9 Проверка достоверности результатов, полученных на установке
3.10 Выводы к третьей главе

ГЛАВА IV. ИЗЛУЧАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ КРЕМНИЯ И АЛЮМИНИЯ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
4.1 Характеристики исследованных материалов и образцов
4.2 Нормальная спектральная излучательная способность волокнистой кварцевой теплоизоляции
4.3 Нормальная спектральная излучательная способность микробаллонной керамики из оксида алюминия
4.4 Выводы к четвертой главе
ГЛАВА V. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОКСИДОВ КРЕМНИЯ И АЛЮМИНИЯ. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
5.1 Расчет эффективного коэффициента поглощения и коэффициента диффузии излучения на основе решения обратной задачи в рамках диффузионной модели
5.1.1 Определение интенсивности излучения неизотермического плоского слоя.
Решение прямой задачи
5.1.2 Определение эффективного коэффициента поглощения и коэффициента
диффузии излучения на основе зависимости излучательной способности от толщины образца. Решение обратной задачи
5.1.3 Погрешности расчета оптических свойств сильно рассеивающих и слабо
поглощающих оксидных материалов
5.2 Результаты расчетов оптических свойств волокнистой кварцевой теплоизоляции
5.3 Результаты расчетов оптических свойств микробаллонной керамики из оксида алюминия
5.4 Выводы к пятой главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ
Актуальность работы
Сильно рассеивающие слабо поглощающие (полупрозрачные) материалы (керамика, ситаллы, волокнистые и композиционные теплоизоляционные материалы) находят широкое применение в различных областях науки и техники [80, 61, 120,25]. Для теплозащитных покрытий многоразовых транспортных космических систем разрабатываются волокнистые теплоизоляционные материалы на основе оксидов кремния и алюминия [84, 123, 145, 87]. Такие материалы применяются для неразрушаемой теплозащиты при входе орбитальных космических кораблей многоразового использования типа Шаттл, Буран в плотные слои атмосферы Земли [21, 160, 148], а также космических аппаратов, направляемых к другим планетам солнечной системы [124]. Микросферная и волокнистая изоляция, изоляция из вспененной и других видов керамики используется в различных областях высокотемпературной техники, где тепловое излучение играет важную роль: в энергетике (теплозащитные покрытия в газотурбинных установках [120], теплообменники и камеры сгорания [111], элементы солнечных коллекторов [162, 147, 146]); автомобильной [140] и химической промышленности (керамические покрытия каталитических конвертеров [140]); строительстве (строительная теплоизоляция [136,151]).
Такая широкая область использования полупрозрачных рассеивающих материалов при высоких температурах объясняется их уникальными оптическими и теплофизическими свойствами. При создании пористой структуры в дисперсных керамических материалах достигаются высокие значения коэффициента отражения в области оптической прозрачности благодаря сильному объемному рассеянию при малом поглощении. Например, отражательная способность керамики из высокочистого плавленого кварца в диапазоне спектра от 0.2 до 2.3 мкм имеет значения от 0.9 до 0.8 даже при высоких температурах вплоть до 1700 К. Благодаря такой высокой отражательной способности существенно уменьшается тепловая нагрузка на космический аппарат при его входе в атмосферу планет Юпитер, Уран и Сатурн, что, в конечном итоге, позволит уменьшить массу космического корабля [124]. Создание и исследование материалов с высокой отражательной (и соответственно малой излучательной) способностью является одной из актуальных задач не только космической, но и другой высокотемпературной техники, например автомобилестроения [140]. Перенос энергии в полупрозрачных рассеивающих материалах осуществляется тремя механизмами: теплопроводностью (по

счетчиком (РБ). Генератор (730А) и таймер (ТСЗ) измеряют интервал времени от момента включения электромагнитов фиксаторов до начала регистрации спектра образца. С выхода генератора на счетный вход таймера поступают импульсы с частотой 1кГц. Вход таймера, останавливающий счет импульсов, соединен с датчиком экрана печи.
ЭЛЕКТРОМАГНИТ
ЭКРАНА
ПЕЧИ
ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ
ФИКСАТОРОВ
ДАТЧИК
ЭКРАНА
ПЕЧИ
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ
УСТРОЙСТВ
СИСТЕМА
УПРАВЛЕНИЯ
РЕЛЕЙНЫЙ РЕГИСТР
к РЕГИСТР ВОЛЬТМЕТРА
РЕГИС ТР ПРЕРЫВАНИЙ
м АЦП
СЧЕТЧИК
к ГЕНЕРАТОР
ТАЙМЕР
КОНТРОЛЛЕР КРЕЙТА
ДАТЧИК
НАЧАЛА
СПЕКТРА

УСИЛИТЕЛЬ
ГЕНЕРАТОР
ЗАДЕРЖКИ
ИМПУЛЬСА
ПИРОМЕТР
ЦИФРОВОЙ
ВОЛЬТМЕТР
ДАТЧИК
ДЛИНЫ
ВОЛНЫ
~г~
УСИЛИТЕЛЬ
ГЕНЕРАТОР
ЗАДЕРЖКИ
ИМПУЛЬСА
ГЕНЕРАТОР
ЗАДЕРЖКИ
ИМПУЛЬСА
ПРИЕМНИК
ИЗЛУЧЕНИЯ
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ
УСИЛИТЕЛЬ
СЕЛЕКТИВНЫЙ
УСИЛИТЕЛЬ
СУММАТОР
УСИЛИТ иль

ОСЦИЛЛОГРАФ
Рис. 2.7. Схема автоматизированной измерительной системы
Приемник излучения 20 спектрометра преобразует энергию измеряемых спектров в электрические сигналы, имеющие вид импульсов напряжения, по форме напоминающие колокол. Частота импульсов, составляющая 5 кГц, определяется скоростью вращения сканирующего диска спектрометра и количеством спектральных щелей. Импульсы напряжения усиливаются в предварительном усилителе (233-5) синхронного усилителя 232В. Для улучшения отношения сигнал/шум синхронный усилитель используется как селективный усилитель с активными фильтрами верхних и нижних частот. Полоса пропускания селективного усилителя составляет 5 кГц по уровню 0,8 от амплитуды сигнала, пропускаемого на центральной частоте 5 кГц. Спектр в виде электрических импульсов, соответствующих определенным длинам волн, преобразуется селективным усилителем в симметричный относительно оси времени синусоидальный сигнал и (рис.