Термоперетворювачі з металевих шкел: концепція, нормалізація термоструктурних характеристик, реалізація
Дослідження основних термометричних властивостей матеріалів та градуювання і верифікації первинних термоперетворювачів. Розробка та аналіз апроксимаційних залежностей термометричних властивостей металевих шкел класів метал-метал і метал-металоїд.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 22.07.2014 |
| Размер файла | 111,0 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.
З метою вивчення релаксування механічних напружень в полікомпонентних МШ, в залежності від виду та вмісту легуючого компонента, досліджено стопи системи Fe80ПМ3В17, де ПМ, відповідно: Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu. Діапазон температур релаксації та їх абсолютні значення аналогічні, як і у бінарних МШ. Встановлено, що температури завершення релаксації не перевищують ТК досліджуваних зразків, а швидкість відносної релаксації механічних напружень в МШ системи Fe80ПМ3В17 є функцією ra легуючого компонента і Тr. Виявлено, що при 1.2.10-10 м ra 1.3.10-10 м швидкість релаксації зростає, а починаючи з ra>1.3.10-10 м - має тенденцію до зниження і залежить від температури відпалу.
Результати досліджень, проведених з метою одержання абсолютних характеристик релаксації механічних напружень в МШ системи Fe80ПМ3В17, показують, що швидкість релаксації для стопів цієї системи (в діапазоні 400…600 К та при рівневі навантаження 50…150 МПа) зростає з ростом температури і навантаження та є вищою, ніж для бінарних МШ в аналогічних умовах. Швидкість релаксації механічних напружень, в залежності Тr та рівня навантаження, для базового стопу Fe80Ni3В17 апроксимується, подібно як і у випадку відносної релаксації, залежністю:
,(9)
де Аi - чинники апроксимуючого полінома; t - час.
Залежність швидкості релаксації механічних напружень для решти стопів системи Fe80ПМ3B17 можна оцінити, виходячи з відповідних даних для стопу Fe80Ni3В17, який є базовим, використовуючи масштабуючий чинник Kr,:
,(10)
де RELNi - швидкість відносної релаксації механічних напружень базового стопу системи Fe80ПМ3В17, легованого нікелем; RELПМ - швидкість відносної релаксації механічних напружень конкретного досліджуваного стопу системи Fe80ПМ3В17.
Показано, що перспективними, з огляду застосування в первинних термоперетворювачах, особливо у високотемпературному діапазоні, є полікомпонентні МШ класу метал - метал. Встановлено, що для стопів досліджуваної системи відносна релаксація механічних напружень є досить інтенсивною вже при 400 К, що вказує на наявність в них значного рівня термоструктурних напружень, акумульованих в процесі гартування, та незначної енергії активації релаксаційних процесів. Легування ж стопу Ti-Cu-Co кремнієм спричиняє зростання швидкості відносної релаксації в Ti-Cu-Co-Si на 10…15% відносно базового стопу, а заміна кобальту нікелем - зменшує швидкість відносної релаксації в Ti-Cu-Ni-Si на 20…30% в порівнянні з Ti-Cu-Co-Si, що корелює з рівнем структурних напружень в досліджуваних матеріалах.
Для стопів системи Zr-Ni відносна релаксація механічних напружень є інтенсивною вище 500 К, що вказує на високу енергію активації їх релаксаційних процесів. Характерною для стопів досліджуваної системи є кореляція між швидкістю відносної релаксації механічних напружень та вмістом легуючого компонента при фіксованих значеннях Тr, яка апроксимується залежністю:
,(11)
де А, В - характеристичні чинники; ХNi - вміст легуючого компоненту (ат.% Ni).
Дослідження, проведені з метою одержання абсолютних характеристик релаксації механічних напружень в МШ системи Zr-Ni, показують, що швидкість релаксації для стопів цієї системи (при 475…575 К та при рівневі навантаження в межах 50…150 МПа) зростає з ростом температури і навантаження. Встановлено, що швидкість релаксації механічних напружень в залежності від Тr та рівня навантаження для базового стопу Zr75Ni25 апроксимується наступним чином:
,(12)
де a; b; c; d - чинники апроксимуючої залежності; t - час.
В результаті проведених при (0.75…0.95)Тш і 150 МПа досліджень МШ класів метал - метал та метал - металоїд встановлено, що швидкість їх деформації V описується залежністю:
,(13)
де - рівень напруження; r - час релаксаційного відпалу.
Досліджено явище термопружного згасання в металевих аморфних системах. Внутрішнє тертя при цьому представлялося в простій дебаївській формі. Встановлено, що тривалість процесу релаксації залежить від товщини досліджуваного зразка і визначається із емпіричної залежності:
,(14)
де h; аТ - відповідно, товщина зразка і коефіцієнт температуропровідності досліджуваного матеріалу.
Враховуючи певну “неідеальність” структурного стану МШ, результати досліджень внутрішнього тертя в діапазоні 100…500 К можна трактувати, виходячи з наявності в досліджуваних зразках релаксаційних механізмів, які є термічно стимульованими. У цьому випадку тривалість релаксаційних процесів можна оцінити, виходячи з наступної залежності:
,(15)
де h - стала Планка; k - стала Больцмана; Tmax - температура релаксаційного максимуму внутрішнього тертя; Wа - енергія активації процесу релаксування.
Вираз перед експонентою в (15) - частотний чинник 0. Значення 0, отримане в експериментах, знаходиться в межах 10-12…10-16 с. Натомість, значення Wа корелює, зокрема, з кількістю компонентів в стопі (зростає з ростом кількості), і для досліджуваних матеріалів орієнтовно складає 1.6.10-20…1.6.10-19 Дж. Для досліджуваних зразків МШ час релаксації знаходиться в широких межах (10-14 …102 с), що дає можливість оптимального вибору МШ для створення ЧЕ первинних термоперетворювачів з мінімально можливою, для необхідного діапазону температур застосування, тривалістю релаксаційних процесів, що, в свою чергу, підвищує стабільність їх метрологічних характеристик.
В досліджуваних МШ досить виразно проглядається, про що свідчить наявність релаксаційних максимумів, певна частка структурних неоднорідностей, котрі релаксують в полі пружних напружень. Наявність для 0 значення 10-14 с свідчить про участь в релаксаційних процесах структурних неоднорідностей, еквівалентних точковим дефектам в упорядкованих системах.
Досліджено стабільність структурних та електрофізичних характеристик МШ. Для визначення значень температури фазових переходів досліджуваних зразків використовували температурні залежності їх зведеного електроопору, враховуючи швидкість кристалізації VK (). Температурою фазового переходу вважали точку, в якій VK - максимальна. Для визначення термічної стабільності МШ в функції впливу температури і часу експлуатації, їх піддавали перманентному ізотермічному відпалові при температурі Тв, що складає 0.75Тш протягом часу tв, котрий набагато перевищує час кристалізації tк, який визначали в процесі дослідження динаміки кристалізації. Запропоновані в роботі такі параметри, як температурна експозиція В=(0.75Тш.tв), котра визначає початок активізації кристалізаційних процесів в досліджуваних зразках і tк - доцільно застосовувати для оцінки часу їх імовірного напрацювання tік в залежності від температури експлуатації Те. Отримано емпіричну залежність шуканих величин:
,(16)
де А - чинник, значення якого коливається в межах 600…800 і залежить від індивідуальних особливостей досліджуваного зразка.
Аналіз (16) показує, що МШ можуть тривалий час перебувати в аморфному стані (зокрема, для стопів системи Ti-Cu-Ni-Si при Те=100К - більше 50 років, а при Те=600К - більше 20 років) під впливом сталого теплового навантаження без розвитку в них кристалізаційних процесів, що вказує на реальну можливість їхнього застосування в електротермометрії.
При аналізі радіаційної стійкості термометричних властивостей МШ встановлено, що активізація процесів відпалу спричиняється до того, що в субкаскадах залишаються лише крупні кластери центральної локалізації, а більш рухливі периферійні неоднорідності припиняють своє існування, створюючи сприятливі передумови для розділення каскадів, а як наслідок - гомогенізації аморфної структури матриці свіжозагартованих МШ. Це підтверджує перспективність використання первинних термоперетворювачів з МШ в реакторній термометрії, а також вказує на один із можливих шляхів підвищення структурної однорідності досліджуваних матеріалів, що є дуже важливим для термометрії.
Виявлено кореляцію термічної та механічної стійкості і мікротвердості МШ. Мікротвердість (HV) бінарних МШ системи Fe-B має тенденцію до зростання зі зростанням вмісту аморфізатора і описується залежністю:
[ГПа],(17)
де х - вміст бору, ат.%.
Виявлено, що HV МШ досліджуваної системи критична до вмісту заліза. Так, для модифікованого стопу Fe78Mo2B20, HV знижується до 10.15 ГПа у порівнянні з базовим Fe80B20, HV якого становить 11.00 ГПа. Встановлено, що для МШ системи Fe80М20 (де М - металоїд) HV зростає в такій послідовності: GaPSiCB.
З метою вивчення впливу на HV легування МШ класу метал-металоїд досліджено групу стопів системи Fe80ПМ3М17 у яких вміст бору зменшено на 3 ат.% за рахунок введення еквівалентної кількості інших d-металів (ПМ3) з 4 -го періоду. Виявлено кореляцію між HV досліджуваних стопів, середньою концентрацією електронів на зовнішній оболонці легуючих металів та їх розташуванням в періоді відносно заліза. Встановлено, що залежність HV досліджуваних стопів від характеристик легуючого d-металу може бути представлена такою схемою: Mn1Ti4V5Cr6(Fe8)Co3Ni2Cu1. Порівнюючи HV МШ досліджуваної системи, наприклад, Fe80Со3В17 (HV=8.3 ГПа), та додатково легованих більшою кількістю іншого d-металу, наприклад, Fe74Со10В16 (HV=8.0 ГПа), виявлено, що, як і для бінарних стопів системи Fe-B, HV МШ досліджуваної системи зменшується зі зменшенням вмісту заліза.
Легування МШ класу метал-металоїд на базі заліза та нікелю (наприклад, Fe40Ni40В20 (HV=9.0 ГПа) додатково іншим металоїдом, наприклад, фосфором (Fe40Ni38Р13В9 (HV=7.5 ГПа); Fe40Ni40Р14В6 (HV=7.2 ГПа), показує, що зменшення в них вмісту бору приводить до зменшення HV досліджуваних зразків.
Дослідження механічних характеристик МШ класу метал-метал проводилися на базі отриманих експериментальних даних для бінарних зразків системи Zr-Ni та полікомпонентних системи Ti-Cu. Встановлено, аналізуючи результати досліджень МШ класу метал-метал системи Zr-Ni, що HV останніх, орієнтовно, знаходиться в межах 7.0…8.0 ГПа, має тенденцію до зменшення зі зростанням вмісту нікелю (в діапазоні концентрації 15.0…65.0 ат.%) та описується наступною залежністю:
[ГПа],(18)
де х - вміст нікелю, ат.%.
Для МШ системи Ti-Cu-Co мікротвердість дещо вища за 8.0 ГПа, а легуванням базового стопу Ti-Cu-Si кобальтом чи нікелем досягається HV 8.3 та 8.64 ГПа, відповідно, для стопів Ti-Cu-Ni-Si та Ti-Cu-Со-Si.
Виявлено, що для досліджуваних МШ залежність між межею міцності (В) і модулем Юнга (Е) та їх пластичні характеристики аналогічні характерним для ідеально пружно-пластичних твердих тіл. Для досліджуваних МШ залежності Е(В) апроксимуються наступним чином:
стопи класу метал-метал:
[ГПа];(19)
стопи класу метал-металоїд:
[ГПа].(20)
Оскільки для МШ обох класів значення чинника крутизни в залежностях (19, 20) знаходиться в межах 45…50, то це зокрема, свідчить про подібність механізму перебігу пластичних процесів у переважної більшості МШ.
Експериментально підтверджено, що для МШ уВ (2,5.10-2…2,0.10-2).Е, що, як відомо, прямує до теоретичної межі міцності матеріалів. Таким чином, МШ не мають конкуренції зокрема, при застосуванні їх в термометрії, де нерідко трапляється, що рівень внутрішніх напружень в електродах (внаслідок термоударів) перевищує межу їх міцності.
Встановлено, що для досліджуваних зразків МШ HV в функції температур ТК та ТТ, описується наступним чином:
для стопів класу метал-метал:
[ГПа]; [ГПа];(21)
для полікомпонентних металевих аморфних стопів класу метал-металоїд:
[ГПа]; [ГПа];(22)
для бінарних металевих аморфних стопів класу метал-металоїд:
[ГПа]; [ГПа]. (23)
Виявлено загальну залежність між структурною стабільністю, класом МШ і кількістю та електрофізичними параметрами компонентів, що входять до їх складу, а саме: бінарні МШ є найменш структурно і термічно стабільними, а при легуванні металоїдами їх HV зростає в такій послідовності: GaPSiCB.
Встановлено, що процес кристалізації МШ визначається характером атомних переміщень, на які головним чином мають вплив пружні характеристики матриці і термоструктурна стабільність досліджуваних матеріалів залежить від їх модуля пружності. Виявлено кореляцію між Е та ТК:
для бінарних МШ класу метал-металоїд:
[К];(24)
для полікомпонентних металевих аморфних стопів класу метал-металоїд:
[К];(25)
для металевих аморфних стопів класу метал-метал:
[К].(26)
Виявлено, що для МШ класу метал-металоїд ступінь кореляції між Е та ТК є вищим у полікомпонентних, а отже - термоструктурно стабільніших, зразків. Що ж стосується МШ класу метал-метал, то на підставі результатів проведених досліджень можна прогнозувати високі термічні та механічні показники в разі використання для їх синтезу перехідних металів з високими ТТ та Е, що якомога більше різняться за номерами груп чи періодів у періодичній системі елементів.
Враховуючи стабільність термометричних властивостей, механічну міцність, термічну, радіаційну та корозійну стійкість і технологічність МШ, показано перспективність застосування їх в електротермометрії.
У п'ятому розділі наведено результати досліджень термоперетворювачів з ЧЕ на основі МШ, сконструйованих на підставі основних засад розробленої концепції прецизійного первинного термоперетворювача.
Запропоновано критерії ефективності застосування в ЧЕ первинних термоелектричних перетворювачів МШ, враховуючи їх коефіцієнт Зеєбека S, питомий електроопір і коефіцієнт теплопровідності . Встановлено, що для МШ температура застосування ТЗ обмежується значенням 0.75ТK і не повинна перевищувати ТВ. При використанні МШ в терморадіаційних перетворювачах слід враховувати, з метою запобігання активації кристалізаційних процесів, щоб максимальний тепловий потік, який поглинається, не перевищував значення Qmax:
Qmax = (0.65…0.75)(чcd)1/2е-1(ф1)1/2TЗ,(27)
а товщина термоелектрода конструктивно не була меншою за hmin
hmin = (0.65…0.75)(ч/cd)1/2(ф1)1/2TЗ,(28)
де с, d - відповідно, питома тепломісткість та густина матеріалу термоелектрода; е - коефіцієнт інтегральної випромінюючої здатності; ф1 - тривалість терморадіаційного імпульсу.
Розроблено та досліджено термочутливі елементи (ТЧЕ) радіометра на базі термобатареї з МШ. Для мінімізації впливу коливань температури навколишнього середовища на вихідний сигнал ТЧЕ скомплектовано термопару з МШ Fe40Ni40P14B6/Fe80Cu3B17 чутливість якої у діапазоні температур -30...+60 0С є сталою. На базі цієї термопари реалізовано кілька конструктивних варіантів термобатарей. Результати проведених досліджень свідчать про переваги як метрологічних, так і експлуатаційних характеристик розроблених ТЧЕ з МШ в порівнянні з ТЧЕ на базі класичних термоелектродних матеріалів.
Досліджено, з метою визначення джерел похибок вимірювання термошумовим термометром (ТШТ), ЧЕ з різних, в структурному сенсі, матеріалів. Встановлено, застосовуючи ТШТ з прямим перетворенням вхідного сигналу, що на термошумові характеристики ЧЕ впливає як структурний стан матеріалу, так і спосіб їх виготовлення та умови експлуатації. Шляхом проведення прямих вимірювань температури ТШТ та порівняння одержаних результатів для ЧЕ з МШ системи Ti-Cu-Co з результатами, отриманими для ЧЕ з традиційних матеріалів, підтверджено, що ЧЕ з МШ не дають відхилення від класичного рівняння Найквіста. Отримані результати досліджень ЧЕ з МШ дозволяють стверджувати, що вони, в порівнянні з ЧЕ із традиційних матеріалів, мають кращі метрологічні та експлуатаційні характеристики і можуть бути рекомендовані для застосування в первинній шумовій термометрії.
Досліджено первинні термоперетворювачі, що охоплюють широкий діапазон температур (4.2…700 К) та умов застосування і базуються на використанні ЧЕ двох типів: терморезистивних та термоелектричних, які виготовлено з полікомпонентних МШ. Дослідження стабільності ЧЕ терморезистивних термоперетворювачів проводилися згідно методики, розробленої Львівським АТЗТ "Науково-виробниче об'єднання “Термоприлад” ім. В.Лаха" та з застосуванням їхньої ж спеціальної стендової апаратури, що дозволило здійснити коректний аналіз отриманих результатів. Після кожного виду випробувань вимірювали значення R0 та визначали значення W100. Отримані результати порівнювали з результатами для термоперетворювачів опору платинових з удосконаленим ЧЕ (з кожних десяти зразків досліджуваних і платинових ЧЕ для порівняння вибиралися лише два, що максимально різнилися за відхиленням як R0 так і W100).
Аналіз результатів, отриманих для ЧЕ виготовлених з свіжозагартованих зразків МШ показує, що за 3000 годин перебування у високотемпературній зоні зменшення значення їх R0 не перевищує рівня -0,03% і залишається незмінним протягом усіх подальших циклів в процесі дослідження. Такий характер зміни R0 ЧЕ із свіжозагартованих МШ можна пояснити впливом релаксації гартувальних та технологічних напружень на початковій стадії їх експлуатації у високотемпературній зоні, а також частковим впорядкуванням структури, в цілому аморфної, матриці матеріалу. Якщо ж для виготовлення ЧЕ застосовувати нормалізовані, згідно спеціально розробленого способу МШ, то зміна їх R0 не перевищує значення -0,005% проти 0,05% для удосконалених платинових ЧЕ і відбувається вона протягом першого циклу перебування у високотемпературній зоні та залишається без змін протягом усіх подальших циклів дослідження.
Аналіз стабільності W100 термоперетворювачів опору з ЧЕ із МШ, в порівнянні з удосконаленими платиновими ЧЕ, показує перевагу перших, оскільки найбільша зміна W100 (на рівні -0,003 … -0,005% проти -0,03 … +0,075% для платинових, у них відбувається протягом першого циклу, а надалі значення W100 залишається без змін.
В роботі досліджено магнеторезистивний ефект ЧЕ з МШ і виявлено, що його значення суттєво менше від значення, характерного для ЧЕ з класичних матеріалів. Порівнюючи одержані результати досліджень для термоперетворювачів опору на основі ЧЕ з МШ із метрологічними характеристиками традиційно застосовуваних в аналогічних умовах (В 7 Тл) термоперетворювачів провідних фірм, показано перспективність використання перших, особливо в кріогенному діапазоні температур.
Досліджено стабільність термоелектричних перетворювачів з МШ в магнетних полях до 7 Тл та витримці їх протягом 3000 годин при 600 К.
Встановлено, на основі отриманих результатів проведених досліджень, що термопари із МШ відзначаються високим рівнем стабільності метрологічних характеристик:
- відносні відхилення показів термопар із МШ у гелієвому діапазоні температур при В 7 Тл не перевищують 0.02% проти 0.25% для термопар ХА(К) і при зростанні температури прямують до нуля;
- відхилення показів термопар із МШ внаслідок відпалу протягом 3000 годин при 600 К не перевищують 1 К, на відміну від термопар ХА(К), діапазон зміни показів яких сягає від +6 К до -10 К.
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ
В дисертаційній роботі викладено теоретичне обґрунтування і нове вирішення наукової прикладної проблеми підвищення точності, надійності та мініатюризації засобів вимірювання температури, що полягає в розвитку теорії і принципів побудови прецизійних первинних термоперетворювачів. На підставі розробленої концепції, застосовуючи нові матеріали - металеві шкла, реалізовано та досліджено первинні термоперетворювачі з ЧЕ на їх основі. Вирішення даної наукової проблеми ґрунтується як на розвитку відомих, так і на розробленні нових засад створення засобів вимірювання температури з врахуванням сучасних вимог до первинних термоперетворювачів та можливостей матеріалознавства і металургії.
1. Проаналізовано вплив на термометричні властивості термоелектродних матеріалів експлуатаційних факторів та фізико-хемічних процесів, які відбуваються в них в процесі експлуатації. На підставі аналізу причин нестабільності метрологічних та експлуатаційних характеристик первинних термоперетворювачів, а також аналізу термометричних властивостей матеріалів їх ЧЕ, встановлено, що в деформованих термоелектродах густина потоків тепла та електричного струму залежить не лише від градієнта температури і електричного потенціалу, а й від градієнта механічних напружень. Залежить від градієнта механічних напружень також і контактна різниця потенціалів.
2. Доведено, на основі аналізу сучасних тенденцій шляхів розвитку первинних термоперетворювачів, доцільність застосування для виготовлення їх ЧЕ матеріалів з гомогенною невпорядкованою структурою. Запропоновано, враховуючи вплив фізико-хемічних процесів, що відбуваються в матеріалах ЧЕ термоперетворювачів в процесі їх експлуатації, концепцію створення прецизійних первинних термоперетворювачів та показано перспективність застосування для виготовлення їх ЧЕ металевих шкел.
3. З метою формування оптимальних для термометрії параметрів МШ, опрацьовано основні засади швидкісного охолодження, а також принципи і методи їх виготовлення. Проаналізовано технологічні аспекти процесу одержання МШ та доведено доцільність застосування в електротермометрії матеріалів, виготовлених методом одновалкового гартування розтопів. Оцінено вплив параметрів технологічних факторів процесу гартування (швидкості руху гартувальної поверхні; температури та перерізу цівки розтопу, її швидкості та кута нахилу до гартувальної поверхні; тиску екструзії) на геометричні і структурні параметри одержуваних МШ. Встановлено, що перегрів цівки розтопу вище температури топлення на 300 К перед самим гартуванням дає суттєве підвищення структурної однорідності одержуваних матеріалів.
4. Розвинуто поняття “дефектності” структурного стану МШ. Встановлено, що їм притаманні два основних типи структурних неоднорідностей, які визначаються флуктуаціями локальної густини матричного матеріалу та напружень зсуву. Проаналізовано шляхи гомогенізації свіжозагартованих зразків МШ в контексті застосування їх для цілей термометрії. Виявлено, в результаті проведеного статистико-геометричного аналізу, високий ступінь структурної подібності полікомпонентних і потрійних МШ та розтопів (відповідно, чинники кореляції становлять: для полікомпонентних - Rполі=0.4934, для потрійних - R3=0.4684 та для бінарних - R2=0.3118).
5. Оцінено рівень механічних напружень, що виникають при гартуванні МШ, в залежності від кількості компонентів та досліджено особливості перебігу в них термоструктурної релаксації. Виявлено, що значення екзотермічного ефекту, в процесі релаксування структурного стану, залежить від складу МШ та їх попередньої термообробки. Запропоновано засади одержання МШ з високою термічною стійкістю. Обґрунтовано необхідність, проаналізовано та запропоновано до впровадження критерії для нормування основних параметрів МШ.
6. Створено автоматизований комплекс для дослідження термометричних властивостей термоелектродних матеріалів та градуювання і верифікації термоперетворювачів в діапазоні 4.2…1473 К. Оцінено похибки вимірювання термо-е.р.с. в процесі проведення досліджень із застосуванням комплексу.
7. Запропоновано та узагальнено апроксимаційні поліноми температурних залежностей, в діапазоні 4,2…700 К, основних термометричних властивостей МШ, перспективних з огляду застосування їх в електротермометрії.
8. Досліджено стабільність структурних та електрофізичних параметрів МШ залежно від впливу експлуатаційних факторів. Встановлено, що швидкість релаксації механічних напружень для бінарних зразків класу метал-металоїд є функцією типу та вмісту легуючого компонента і температури релаксаційного відпалу, а тривалість релаксаційних процесів, спричинених явищем термопружного згасання, знаходиться в широких межах, що дає змогу оптимального вибору матеріалу для створення ЧЕ первинних термоперетворювачів. Показано, що температура початку кристалізації ТК для МШ зростає зі зростанням швидкості їх гартування. Встановлено, що реальне значення межі міцності МШ прямує до її теоретичного можливого значення для твердих матеріалів, а їх ТК корелює з модулем пружності. Для згаданих вище характеристик досліджуваних МШ розроблено відповідні апроксимаційні залежності.
9. Проведено теоретичне дослідження та підтверджено стабільність термометричних властивостей МШ в умовах впливу на них високоенергетичних потоків заряджених частинок. Показано, що МШ класу метал-метал, якщо для їх одержання використано перехідні метали з високими температурами топлення ТТ та модулем пружності, які якомога більше різняться за номерами груп чи періодів, відзначаються високим рівнем стабільності термічних та механічних параметрів.
10. Створено методику апріорного оцінювання часу напрацювання tік МШ в залежності від температури їх експлуатації Те. Отримано емпіричну залежність для шуканої величини , результати розрахунків за якою добре узгоджуються з експериментальними даними.
11. Показано, на основі запропонованих критеріїв, ефективність застосування МШ для виготовлення ЧЕ первинних термоперетворювачів. Одержані результати використано при розробці термоперетворювачів, які охоплюють широкий діапазон температур (4.2…700 К) та умов застосування й базуються на використанні ЧЕ термоперетворювачів опору та термоелектричних.
12. Результати проведених досліджень по вивченню стабільності основних метрологічних параметрів ЧЕ первинних термоперетворювачів з МШ в порівнянні із платиновими показують значну перевагу на користь перших.
13. Встановлено доцільність застосування ЧЕ з МШ, зокрема в кріогенному діапазоні температур, особливо в умовах впливу магнетних полів.
14. На підставі одержаних результатів зроблено висновок про перспективність застосування МШ в електротермометрії з метою створення ЧЕ прецизійних первинних термоперетворювачів.
Отримані результати у комплексі формують теоретичну базу для розробки первинних термоперетворювачів та створення метрологічного забезпечення їх використання, зокрема, в умовах електромагнетних полів та ядерного випромінювання в діапазоні від кріогенних до середніх температур.
СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
Куритнык И.П., Гамула П.Р., Скоропад Ф.И., Садовский А.Е. Термоэлектрические эффекты: методы и средства исследований // Измерения, контроль, автоматизация. - 1991. - вып. 1(77). - С. 10 - 22.
Яцишин С.П., Стадник Б.І., Курітник І.П., Скоропад П.І. Залежність термометричних властивостей металічних аморфних сплавів від їх складу та технологічних факторів виробництва // Вісник ЛПІ. Технічні засоби автоматизації вимірів та керування науковими дослідженнями. - 1991. - №257. - С. 88 - 92.
Скоропад П.І., Яцишин С.П., Стадник Б.І., Колодій З.О. Термочутливий елемент термошумового термометра // Контрольно-вимірювальна техніка. - 1992. - вип. 49. - С. 56 - 58.
Stadnyk B.I., Skoropad F.I. Sensor material structural state and the measurement error in the noise thermometry // Journal of Thermoelectricity. - 1994. - №2. - S. 29 - 35.
Скоропад П.І. Низькотемпературний термоперетворювач // Вісник ДУ “Львівська політехніка” Автоматика, вимірювання та керування. - 1996. - №305. - С. 21 - 25.
Скоропад П.І. Перетворювач магнітометра на осерді з металічного аморфного сплаву // Вісник ДУ “Львівська політехніка” Автоматика, вимірювання та керування. - Львів: В-во ДУ “Львівська політехніка”. - 1998. - №324. - C. 135 - 138.
Скоропад П.І. Електрокінетичні властивості легованих металічних аморфних сплавів на основі Ті - Сu // Вісник ДУ “Львівська політехніка” Автоматика, вимірювання та керування. - 1998. - №356. - C. 32 - 40.
Скоропад П.І. Термоперетворювач для вимірювання температури поверхні // Вимірювальна техніка та метрологія. - 1998. - №53. - С. 67 - 70.
Скоропад П.І., Стадник Б.І. Аналіз динаміки нагріву гартувальної поверхні в технологічному процесі виготовлення металевих аморфних стопів // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - 1999. - №3. - С. 19 - 24.
Скоропад П.І. Термометричні властивості та явища електропереносу в бінарних металевих аморфних сплавах // Вісник ДУ “Львівська політехніка” Автоматика, вимірювання та керування. - 1999. - №366. - C. 15 - 21.
Скоропад П.І. Термочутливий елемент радіометра з металевих аморфних сплавів // Вимірювальна техніка та метрологія. - 1999. - вип. 55. - С. 112 - 118.
Скоропад П.І. Особливості проектування контактних термоперетворювачів для вимірювання температури рухомих середовищ // Вимірювальна техніка та метрологія. - 1999. - №54. - С. 65 - 70.
Skoropad F. Low Temperature Thermoelectric Power of Amorphous Alloys Ti-Cu-Co // Journal of Thermoelectricity. - 1999. - №1. - P. 74 - 77.
Skoropad F., Stadnyk B. The physical aspects of the influence of elastic-deformated condition on thermo-e.m.f. // Journal of Thermoelectricity. - 1999. - №2. - P. 41 - 50.
Skoropad F, Stadnyk B. Radiometer sensor based on the thermocouple from amorphous metal alloys // Journal of Thermoelectricity. - 1999. - №3. - P. 44 - 47.
Skoropad F.І. Disinclination and Structural Condition of Metal Glasses // Journal of Thermoelectricity. - 1999. - №4. - Р. 31 - 35.
Скоропад П.І., Гамула П.Р. Структурні неоднорідності металізованих стекол // Вісник ДУ “Львівська політехніка” Автоматика, вимірювання та керування. - 2000. - №389. - С. 28 - 34.
Скоропад П., Луцик Я. Моделювання структурного стану бінарних металевих аморфних систем // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2000. - №57. - С. 80 - 85.
Скоропад П.І. Металеві шкла і елементарна структура аморфного стану // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2000. - №56. - С. 87 - 91.
Стадник Б.І., Скоропад П.І. Проблеми сертифікації та стандартизації технологічних, термодинамічних і структурних параметрів металічних стекол // Український метрологічний журнал. - 2000. - №3. - С. 25 - 29.
Озгович А.І., Скоропад П.І., Луцик Я.Т. Комплекс для досліджень електрофізичних властивостей електродних матеріалів та градуювання і верифікації засобів термометрії // Вісник НУ “Львівська політехніка” Автоматика, вимірювання та керування. - Львів: В-во НУ “Львівська політехніка”. - 2001. - №420. - C. 27 - 37.
Скоропад П.І., Гамула П.Р., Гамула Р.П. Оптимізація критеріїв термоелектричної ефективності термоперетворювачів із металевих аморфних стопів // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2001. - №58. - С. 63 - 67.
Скоропад П., Яцишин С., Гамула Р. Термоструктурна стабільність термоелектродів з металевих аморфних стопів // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2002. - №59. - С. 53 - 59.
Скоропад П.І., Яцишин С.П., Гамула Р.П. Аналіз радіаційної стабільності електрофізичних параметрів металевих аморфних стопів // Вісник НУ “Львівська політехніка” Автоматика, вимірювання та керування. - 2002. - №445. - С. 140 - 144.
Стадник Б.І., Скоропад П.І., Яцишин С.П. Критерії оцінки температурної стабільності термоелектродів з металевих шкел // Термоелектрика. - 2002. - №3. - С. 77 - 81.
Скоропад П.І., Стадник Б.І., Яцишин С.П. Електрокінетичні властивості металевих шкел системи Fe40Ni38P13B9 та особливості технології їх виготовлення // Вимірювальна техніка та метрологія. - 2002. - №60. - С. 65 - 69.
Скоропад П.І. Аналіз стабільності метрологічних та експлуатаційних характеристик термоперетворювачів з металевих шкел // Вісник НУ “Львівська політехніка” Автоматика, вимірювання та керування. - 2003. - №475. - С. 30 - 36.
Jacyszyn S., Stadnyk B., Јucyk J., Skoropad F. Efekty szumowe w termometrii // Pomiary Automatyka Kontrola. - 2003. - № 7/8. - S. 15 - 17.
Skoropad Ph. Metal Glasses in Thermometry // Vortragsreihen 41. Internationales wissenschaftliches kolloquium. - Band 1. - Ilmenau (Thuringen). - 1996. - S. 641 - 644.
Stadnyk B.I., Skoropad F.I., Mykytyn I.P. Wpіyw stanu fizycznego materiaіуw na wіaњciwoњci metrologiczne czujnikуw stosowanych w termometrii szumowej // Materiaіy III Miкdzynarodowego seminarium metrologуw Lwуw-Rzeszуw-95. “Metody i technika przetwarzania sygnaіуw w pomiarach fizycznych”. - Rzeszуw. - 1996. - ?. 161 - 164.
Stadnyk B., Skoropad F. Low Temperature Thermoconverter // Proc. International IMECO-Seminar “Low Temperature Thermometry and Dynamic Temperature Measurement”. - Wrocіaw - L№dek Zdrуj (Poland). - 1997. - Р. L75 -L79.
Skoropad F., Stadnyk B. Electronic transport in amorphous Ni-P alloys // Proceedings ICT`97 XVI International Conference on Thermoelectrics. - Dresden. - 1997. - P. 520 - 522.
Skoropad F., Kowalczyk A., Stadnyk B. Low Temperature Thermoelectric Power of Amorphous Alloys Ti-Cu-Co-Si // Materiaіy konferencyjne V Konferencji Naukowej “Czujniki optoelektroniczne i elektroniczne” (COE`98). - Tom II. - JURATA (Polska). - 1998. - P. 565 - 568.
Skoropad F., Stadnyk B. Low temperature thermoelectric power of amorphous alloys Ti-Cu-Ni-Si // Proceedings IMEKO TC-4 Symposium on “Development in Digital Measuring Instrumentation and 3rd Workshop on ADC Modeling and Testing”. - Volume 1. - Naples (Italy). - 1998. - P. 796 - 798.
Скоропад П., Гамула П., Гамула Р. Технологічні аспекти формування оптимальних властивостей металічних аморфних стопів для вимірювальної техніки // Технічні вісті. - 2000. - №1(10), 2(11). - С. 60 - 62.
Скоропад П.І., Курітник І.П. Стабілізація структурного стану металічних аморфних сплавів // Тези доповідей VII-Міжнародної науков.-техн. конференції “Електричні методи та засоби вимірювання температури Т-92”. - Луцьк. - 1992. - С. 102.
Скоропад П.І., Колодій З.О. Первинні перетворювачі шумових термометрів // Тези доповідей VII-Міжнародної науков.-техн. конференції “Електричні методи та засоби вимірювання температури Т-92”. - Луцьк. - 1992. - С. 60.
Скоропад П.І. Низькотемпературний термоперетворювач опору // Тези доповідей YII-Міжнародної науков.-техн. конференції “Електричні методи та засоби вимірювання температури Т-92”. - Луцьк. - 1992. - С. 101.
Skoropad Ph., Stadnyk B.I. The ways of sensors metrological performance improvement // 6th Symposium on Temperature and Thermal Measurements in industry and Science: TEMPMEKO`96. - Abstracts. - Torino (Italy). - 1996. - P. 46.
Скоропад П.І., Стадник Б.І. Перспективи використання аморфних сплавів в термометрії // Друга Міжнародна конференція “Конструкційні та функціональні матеріали” (КФМ`97 - Теорія Технологія Екологія). - Львів. - 1997. - С. 169.
Skoropad P. The analysis of criteria of valuation thermoelectric of properties of metal glasses for purposes thermometry // 8th International Symposium on Temperature and Thermal Measurements in Industry and Science: TEMPMEKO`2001. Abstracts. - Berlin (Germany). - 2001. - P. 325.
Скоропад П.І., Стадник Б.І. Релаксація термомеханічних напружень в термоелектродах з металевих шкел // Тези доповідей VIIІ - Міжнародної конференції “Температура - 2003”. - Львів. - 2003. - С. 111.
АНОТАЦІЯ
Скоропад П.І. Термоперетворювачі з металевих шкел: концепція, нормалізація термоструктурних характеристик, реалізація. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.04 - прилади та методи вимірювання теплових величин - Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2003.
Дисертація присвячена створенню науково-методичних засад проектування первинних термоперетворювачів з покращеними метрологічними і експлуатаційними характеристиками. Проаналізовано причини нестабільності термометричних властивостей матеріалів їх чутливих елементів (ЧЕ). Досліджено вплив механічних напружень і деформацій на термо-е.р.с. термоелектродних матеріалів та вплив експлуатаційних факторів на їх термометричні властивості. Визначено основні причини, що спричиняють нестабільність метрологічних характеристик ЧЕ класичних термоперетворювачів, та показано шляхи зменшення їх впливу. Доведено доцільність застосування для виготовлення ЧЕ матеріалів з невпорядкованою структурою. Запропоновано концепцію створення прецизійних первинних термоперетворювачів та показано перспективність застосування для виготовлення їх ЧЕ металевих шкел (МШ).
Проаналізовано технологічні аспекти процесу одержання МШ з огляду формування в них оптимальних для термометрії структурних та електрофізичних властивостей. Оцінено вплив параметрів технологічного процесу гартування на геометричні і структурні характеристики одержуваних МШ. Показано, що МШ притаманні два основних типи структурних неоднорідностей, які визначаються змінами локальної густини та локальними напруженнями зсуву. Підтверджено структурну подібність полікомпонентних та потрійних МШ і розтопів. Розроблено основні засади одержання МШ з високою термічною стійкістю. Запропоновано критерії нормування основних характеристик МШ.
Створено автоматизований комплекс для дослідження термометричних властивостей термоелектродних матеріалів та градуювання і верифікації термоперетворювачів. Досліджено стабільність структурних та електрофізичних властивостей МШ в функції впливу експлуатаційних факторів. Розроблено методику оцінювання часу напрацювання МШ в залежності від температури їх експлуатації.
Одержані результати в комплексі використано при проектуванні і дослідженні нових первинних термоперетворювачів з поліпшеними метрологічними та експлуатаційними характеристиками, які охоплюють широкий діапазон температур та умов застосування.
Ключові слова: температура, вимірювання, термометрична властивість, термоелектрод, термомеханічні напруження, термочутливий елемент, нестабільність метрологічних характеристик, термоструктурна характеристика, металеве шкло, термоперетворювач.
АННОТАЦИЯ
Скоропад П.И. Термопреобразователи из металлических стекол - концепция, нормализация термоструктурных характеристик, реализация. - Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени доктора технических наук по специальности 05.11.04 - приборы и методы измерения тепловых величин - Национальный университет “Львовская политехника”, Львов, 2003.
Диссертация посвящена разработке научно-методических основ создания первичных термопреобразователей с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками и реализации на их основе средств измерения температуры для широкого диапазона температур и условий эксплуатации.
В диссертации проанализированы основные причины, вызывающие нестабильность термометрических свойств материалов чувствительных элементов (ЧЭ) первичных термопреобразователей. Исследовано влияние механических напряжений и деформации на термо-э.д.с. термоэлектродных материалов, а также влияние эксплуатационных факторов на термометрические свойства материалов ЧЭ первичных термопреобразователей. Исследованы и определены основные причины, вызывающие нестабильность метрологических характеристик ЧЭ классических первичных термопреобразователей; показаны основные пути уменьшения их негативного влияния.
Доказано, на основании анализа современных тенденций путей развития первичных термопреобразователей, целесообразность применения для изготовления их ЧЭ материалов с неупорядоченной структурой. Предложено, учитывая влияние физико-химических процессов, которые происходят в материалах ЧЭ первичных термопреобразователей в процессе их эксплуатации, концепцию создания прецизионных первичных термопреобразователей и показана перспективность применения для изготовления их ЧЭ металлических стекол (МС).
Проанализированы основные технологические аспекты процесса получения МС и доказана целесообразность применения образцов, изготовленных методом односторонней закалки расплавов. Оценено влияние параметров технологических факторов процесса закалки на геометрические и структурные параметры получаемых МС. Показано, что для МС характерны два основных типа структурных неоднородностей, которые определяются изменениями локальной плотности и локальными напряжениями сдвига. В результате проведенного статистико-геометрического анализа выявлено структурное сходство поликомпонентных и тройных МС и металлических расплавов. Разработаны основные принципы получения МС с высокой термической стойкостью. Обоснована необходимость, проанализированы и предложены критерии нормирования основных характеристик МС.
Создан автоматизированный комплекс для исследования термометрических свойств термоэлектродных материалов, а также градуирования и верификации термопреобразователей в диапазоне 4.2...1473 К. Исследована стабильность структурных и электрофизических параметров МС в функции влияния эксплуатационных факторов. Установлено, что реальное значение границы прочности МС стремится к ее теоретически возможному значению для твердых материалов, а их термическая стойкость коррелирует с модулем упругости. Разработана методика априорного оценивания времени наработки МШ в зависимости от температуры их эксплуатации.
Показана целесообразность применения ЧЭ из МС, в частности, в криогенном диапазоне температур, в особенности в условиях воздействия магнитного поля, поскольку их магниторезистивный эффект значительно меньше, чем у ЧЭ из классических термометрических материалов.
Полученные результаты в комплексе использованы при разработке и исследовании новых первичных термопреобразователей, которые охватывают широкий диапазон температур и условий применения и базируются на использовании ЧЭ терморезистивных и термоэлектрических.
Ключевые слова: температура, измерение, термометрическое свойство, термоэлектрод, термомеханические напряжения, термочувствительный элемент, нестабильность метрологических характеристик, термоструктурная характеристика, металлическое стекло, термопреобразователь.
ABSTRACT
Skoropad P.I. Thermoconwerters from metallic glasses - the concept, normalization thermostructural of the characteristics, implementation. - Manuscript.
The thesis for a scientific degree of the doctor of technical sciences by speciality 05.11.04 - devices and methods of measurement of thermal values - National university “Lviv polytechnic”, Lviv, 2003.
The dissertation is dedicated to creation of the scientific - methodical bases of designing thermoconwerters with improved metrology and operating characteristics. The causes of instability of thermometric properties of stuffs of their countermeasure feelers (CF) are parsed. Influencing mechanical stress, and deformations on thermo-e.m.f is investigated. Thermoelectrodes of stuffs and influencing of the operational factors on their thermometric properties. The main causes invoking instability of the metrology characteristics CF classic thermoconwerters are determined the paths of reduction of their influencing and are rotined. The expediency of usage for manufacturing CF of stuffs with unregulated frame is rotined. The concept of creation precision thermoconwerters is offered and the prospects of usage for manufacturing them CF of metal glasses (МG) is rotined.
The technological aspects of process of obtaining МG are parsed from the point of view of formation optimum for a thermometry structural and physical characteristics.
Influencing parameters of process of a hardening on the geometrical and structural characteristics received ms is estimated. Is rotined, that МG two are characteristic main such as structural heterogeneity's, which one are determined by changes of local density and local shearing stresses. The structural resemblance multicomponent МG and melts is affirmed. The original positions of obtaining МG with a high heat resistance are designed. The yardsticks of a setting of basic performances ms are offered.
The automated complex for research of thermometric properties thermoelectrodes of stuffs, and also graduation and verification thermoconwerters is built. The stability structural and physical characteristics МG in an influence function of the operational factors is investigated(studied). The technique of definition of running time МG in a temperature dependence of their exploitation is designed.
The obtained result ins a complex utilised at designing and research primary thermoconwerters with improved metrology and operating characteristics, which one encompass a broad band of temperatures and conditions of usage.
Keywords: temperature, measurement, thermometric property, thermoelectrode, thermomechanical stress, temperature bulb, instability of the metrology characteristics, thermostructural the characteristic, metallical glass, thermoconwerter.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Конструкторсько-технологічний аналіз виробу. Визначення складу та властивостей металу, обґрунтування способів зварювання та використовуваних матеріалів. Розрахунок витрат зварювальних матеріалів. Аналіз варіантів проведення робіт та вибір оптимального.
курсовая работа [1007,9 K], добавлен 27.05.2015Метал як один з найбільш поширених матеріалів, що використовує людина в своїй діяльності, історія його освоєння та сучасний розвиток промисловості. Перші спроби промислового отримання заліза і сталі. Фізико-хімічні процеси плавлення чавуна в печі.
реферат [370,1 K], добавлен 26.09.2009- Конфекціювання матеріалів і дослідження їх властивостей для виготовлення жіночого літнього комплекту
Дослідження основних технологічних, структурних та механічних властивостей матеріалів. Вивчення розвитку моди на вироби жіночого літнього одягу. Характеристика асортименту швейної тканини, фурнітури, підкладкових, прокладкових та докладних матеріалів.
курсовая работа [43,7 K], добавлен 09.06.2011 Зернинна структура металів, її вплив на властивості сплавів і композитів. Закономірності формування зернинної структури в металевих матеріалах з розплаву і при кристалізації з парової фази. Розрахунок розміру зерна по електронно-мікроскопічним знімкам.
дипломная работа [646,5 K], добавлен 19.06.2011Метали як хімічні елементи, ознаками яких є висока теплова та електропровідність, пластичність та міцність. Обумовленість властивостей металів їх електронною будовою. Параметри кристалічних решіток. Теорія сплавів, їх типи, компоненти, схеми утворення.
реферат [1,8 M], добавлен 21.10.2013Конструкційна міцність матеріалів і способи її підвищення. Класифікація механічних властивостей, їх визначення при динамічному навантаженні. Вимірювання твердості за Брінеллем, Роквеллом, Віккерсом. Використовування випробувань механічних властивостей.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 19.11.2010Зварювання маловуглецевих і середньовуглецевих сталей газовим способом. Часткове вигоряння легуючих домішок і втрата властивостей шва під час газозварки конструкційних легованих сталей. З'єднання чавуну, міді, латуні і бронзи, алюмінію та інших металів.
контрольная работа [2,1 M], добавлен 19.12.2010Історія відкриття, властивості і способи синтезу фулеренів. Технологія отримання металл-фулеренових плівок методом конденсації у вакуумі і електрохімічного осадження. Фізичні і електричні властивості метал-фулеренових плівок, сфера їх вживання.
дипломная работа [4,3 M], добавлен 10.10.2014Отримання чистих металів. Класифікація способів розділення і очистки матеріалів. Метод хімічно–транспортних реакцій. Дисталяція, ректифікація, рідинна екстракція. Сорбційні способи очищення. Метод йодидної очистки. Сублімація та перекристалізація.
курсовая работа [495,7 K], добавлен 14.04.2014Розробка методики задання і контролю радіальних відхилень поверхні, утворюючої циліндр валу модельної трибосистеми "вал–втулка" для експериментальних досліджень мастильних матеріалів та присадок до них на спроектованому і виготовленому приладі тертя.
автореферат [28,3 K], добавлен 11.04.2009
