ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Деформационная калориметрия из "Теплофизические методы исследования полимеров" Для регистрации тепловых процессов, сопровождающих механические деформации твердых тел, используют два типа измерений. Первый связан с регистрацией температурных изменений в процессе деформации, а второй состоит в прямом калориметрировании возникающих при этом тепловых эффектов. Простые оценки показывают, что при разумном выборе размеров образца упругая деформация таких твердых тел, как металлы или полимеры, сопровождается изменением температуры порядка 10- —10 С, и это обычно соответствует тепловым эффектам порядка 10-3 Дж Очевидно, что регистрация таких изменений температуры является задачей более простой, чем измерение столь малых количеств тепла. [c.19] Температурные измерения могут быть использованы для расчета тепловых эффектов, если считать процесс адиабатическим. Однако экспериментальное выполнение этого требования часто связано со значительными трудностями (имеет место отвод тепла по проводам, расход тепла на нагрев термопары и др.). Задача еще более осложняется при локальном развитии деформации, например при образовании шейки в металлах или полимерах, поскольку в этом случае изменение температуры также носит ярко выраженный локальный характер. Поэтому для точной количественной оценки тепловых эффектов при деформации целесообразно проводить их непосредственное калориметрическое определение. [c.19] Малые значения тепловых эффектов, возникающих при деформации твердых тел, требуют применения высокочувствительных калориметрических методов. Низкая теплопроводность полимеров, а также влияние масштабного фактора на характер деформации делают необходимым применение образцов малых размеров. [c.20] Простейший способ регистрации температурных изменений при деформации твердых тел состоит в использовании термопар. Впервые этот способ был применен Джоулем [61] при исследовании изменений температуры в каучуках и металлических проволоках и с тех пор неоднократно применялся для этих целей [62—64]. Применение термопар позволяет надежно зафиксировать изменения температуры в сотые доли градуса. [c.20] При измерении температурных изменений в области образования шейки при ориентационной вытяжке твердых полимеров большое значение имеет способ крепления термопар к образцам. Мюллер с сотр. [65, 66] провел большое число температурных измерений в области образования шейки с использованием различных способов крепления термопар и пришел к выводу, что такого рода измерения следует рассматривать лишь как качественные. [c.20] Поиски более корректного метода измерения повышения температуры в зоне шейки привели к применению для этих целей фосфоров или термокрасок в качестве индикаторов распределения температуры по образцу в зоне шейки [67, 68]. Окраска фосфора и цвет термокраски, нанесенных на поверхность образца, зависят от температуры, что позволяет по спектру определить распределение температур. Однако количественные расчеты и в этом случае оказываются затруднительными главным образом из-за микроразмеров зоны шейки , в которой происходит собственно ориентационная вытяжка, поскольку размер зерен фосфора или термокраски примерно на порядок превышает размер микрошеек , вследствие чего этот метод не может давать истинную величину температурных изменений в зоне шейки [66, 69, 70]. [c.20] Установка, работа которой основана на этом методе, разработана недавно Бутягиным с сотр. [71]. Блок-схема ее приведена на рис. 1.7.Установка состоит из приспособления для одноосного растяжения, приемника ИК-из-лучения (болометра) и электронной схемы. В установке использован болометр БМК-3, чувствительный в интервале длин волн от 0,3 до 25 мкм, с двумя термочувствительными сопротивлениями приемным и компенсационным. Чувствительность установки с различными болометрами составляет (1- 3) 10-3 °С/мм шкалы. [c.21] Описанный калориметр был использован для одновременной регистрации зависимости между напряжением и деформацией при одноосном растяжении и тепловых эффектов, возникающих при растяжении. Если напряжение в образце создается достаточно быстро, например в случае упругой (обратимой) деформации твердых полимеров, то удается определить лишь интегральный тепловой эффект процесса, поскольку существует определенное запаздывание между установлением давления и возникновением теплового эффекта. При изучении процессов развития ориентационной вытяжки с постоянной скоростью можно определить не только интегральный тепловой эффект, но и скорость выделения тепла. [c.23] Важнейшей проблемой устойчивой работы газового калориметра является термостатирование цилиндров. Для достижения указанной точности измерений необходимо термостатирование с точностью 10 °С. В связи с этим область работы калориметра не превышает 20 °С по отношению к комнатной температуре. [c.23] В первоначальную конструкцию вносились соответствующие конструктивные изменения, тем не менее существуют методические источники ошибок измерений, детально рассмотренные в работах Мюллера [67, 74]. Принцип калориметрирования, разработанный Мюллером, был использован рядом авторов при конструировании соответствующих устройств [75, 76]. [c.23] Чувствительность и качество регистрации существен- но зависят от скорости газа и его природы. Увеличение скорости газового потока и наличие турбулентности уве личивают время быстродействия прибора, однако одно временно повышается уровень шумов, что снижает чув ствительность. Это требует оптимизации скорости газа При расходе газа 4500 см /мин уровень шумов при ком натной температуре составляет 0,6 мВт, что позволяет регистрировать тепловые потоки мощностью около 20 мВт при разности температур газа на входе и выходе 0.35 °С. Константа времени прибора зависит от размеров образца (главным образом толщины) и параметров газового потока и колеблется от 10 до 55 с. Воспроизводимость интегральных значений тепловых эффектов 6%. [c.24] Описанные деформационные газовые калориметры довольно сложны в работе и имеют недостаточно высокую чувствительность. Работа деформационного калориметра более совершенной конструкции [59] основана на принципе Тиана — Кальве. Калориметр состоит из двух основных блоков собственно микрокалориметра и блока растяжения. Блок-схема установки приведена на рис. 1.10. [c.24] ГО материала). Изучение баллистических свойств микрокалориметра [39, 59] показало, что если время теплового процесса 0,2тэф (тэф — эффективная константа времени), то ЛГ/р = сопз1 с точностью примерно до 1% и не зависит от времени (АГ — максимум пика баллистической кривой, Q — количество тепла). [c.25] Использование баллистического метода позволяет анализировать в первом приближении случаи, когда протекают два последовательных тепловых процесса, один из которых баллистический (например, быстрое растяжение упругого материала до постоянных деформаций и последующий релаксационный процесс). В этом случае интегральный тепловой эффект может быть определен по площади под кривой теплового процесса, а тепловой эффект упругого растяжения — по максимуму пика. Эксперименты показывают, что запаздывание максимума пика после отключений баллистической тепловой мощности составляет примерно 5 с. Поэтому влиянием теплоты релаксации напряжения на тепловой эффект упругого растяжения в первом приближении можно пренебречь. [c.26] Описанный принцип деформационного калориметра был использован в установках для исследования тепловых эффектов при деформации массивных полимерных образцов [60] и волокон [78]. В последнем случае вместо термобатареи термопар использованы термометры сопротивления, равномерно навитые на наружных поверхностях рабочего и сравнительного цилиндров. [c.26] Следует признать, что более перспективными для развития деформационной калориметрии полимеров являются не газовые калориметры, а калориметры, работа которых основана на методе Тиана — Кальве. [c.26] Вернуться к основной статье