Влияние граниы раздела сред на теплофизические свойства гетерогенных систем на примере биметаллических и зернистых структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

РГБ ОД

- 8 МАЙ

' УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Тарасов Борис Николаевич

ВЛИЯНИЕ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА СРЕД НА ТЕПЛСЮИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ НА ПРИМЕРЕ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И ЗЕРНИСТЫХ

СТРУКТУР

Специальность 01.04.14.- Теплофизика и молекулярная физика

Автореферат диссертации ка соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Екатеринбург - 1995

- £ -

Работа выполнена на кафедре физики Уральской государственной горно-геологической академии.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор Коршунов И.Г.

Научный консультант - доктор физико-математических наук,

профессор Зиновьев В.Е.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук,

профессор Ясников Г.Б. - кандидат физико-математических каук, науч. сотр. Еелоногов А.Г.

Ведущая организация - Институт физики металлов УрО РАИ

Защита диссертации состоится "_"_ 1995 г. в

_часов_минут на заседании специализированного совета К

063.14.11 Уральского государственного технического университета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ.

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, Екатеринбург, К - 2, УГТУ ученому секретарю университета, тел. 44-85-74.

Автореферат разослан "_" _ 1995г.

Ученый секретарь специализированного совета К 063.14.11. кандидат физико-математических наук

Е.В.Кононенко

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Гетерогенные системы являются основой для разработки и создания новых композиционных материалов, отличающихся повышенной стойкостью к воздействию высоких температур, больших давлений, агрессивных сред, излучений и т.д. Благодаря этим качествам гетерогенные системы нашли свое применение практически во всех отраслях науки и техники. Вместе о тем, существует ряд нерешенных проблем, которые препятствуют более эффективному использованию свойств гетерогенных систем при разработке и создании новых композиционных материалов. Одной из таких проблем является проблема, связанная с влиянием границ разделов сред на теплофизическме и электрические свойства веществ. В настоящее время при расчетах этих свойств гетерогенных систем учитывают только концентрации и размеры контактных микропятен и связанный с ними эффект искривления линий теплового и электрического токов за счет их стягивания к микропятнам касания. При этом контакт между средами считается идеальным, вследствие чего полностью пренебрегают процессами рассеяния носителей тепла и заряда, обусловленными наличием границу раздела сред. Основной причиной создавшегося положения является отсутствие каких - либо экспериментальных данных о теплофизических и электрических свойствах приграничных областей в контактных микропятнах даже для простейших гетерогенных структур.

В данной диссертационной работе выполнены подобные исследования применительно к таким простым гетерогенным системам, какими являются зернистые среды с несвязанным каркасом ( насыпки ) и твердым каркасом, состоящим из однородных сферических частиц, изготовленных из. кварцевого стекла, и биметаллические системы Ре - Си, Ре - А1, Ре - П, Си - А1, представляющие собой две металлические поверхности, находящиеся в механическом контакте. Указанные гетерогенные среды являются удобными модельными объектами поскольку имеют стабильные и воспроизводимые физические свойства, а изменением давления можно изменять фактическую плопэдь соприкосновения контактирующих элементов, что позволяет изучать взаимосвязь физических свойств объектов исследования с концентрацией и размерами контактных микропятен. Выбор объектов исследования обусловлен также простотой формы

контактирующих элементов и тем, что в настоящее время физические свойства кварцевого стекла, Си, А1, Ге, П и механизмы рассеяния в них фононов и электронов изучены достаточно хорошо при разных термодинамических условиях. Главной причиной, повлиявшей на выбор биметаллических систем, было то, что наиболее сильное влияние границы раздела сред на перенос тепла и заряда должно наблюдаться при контактировании металлов с сильно отличающимися теплофизическими свойствами.

Основным недостатком имеющихся экспериментальных данных о взаимосвязи физических свойств зернистых сред и механического контакта двух металлических поверхностей с концентрацией и размерами контактных микропятен, не позволившим сделать заключение о степени влияния границ раздела сред, существующих в контактных микропятнах, на перенос тепла и заряда является то, что исследования не были комплексными и выполнялись для разных объектов и различных условий контактирования структурных элементов. Поэтому важной частью данной диссертационной работы являлась разработка и создание экспериментальных установок с помощью которых теплофизические свойства указанных модельных структур при высоких давлениях определялись бы одновременно с их электрическими и акустическими свойствами.

Рель работы состоит в определении степени влияния границ разделов сред, существующих в контактных микропятнах, на тепло-физические и электрические свойства зернистых сред и биметаллических систем при высоких давлениях.

Научная новизна;

-выполнено комплексное исследование температуропроводности, теплопроводности и акустических свойств модельных зернистых сред с несвязанным каркасом и твердым каркасом при давлениях до 300 МПа;

-впервые установлено, что границы раздела сред, существую-' щие в контактных микропятнах, могут оказывать сильное влияние на теплофизические свойства зернистых сред даже в том случае, когда контактируют однородные частицы, причем тепловое сопротивление, обусловленное границами раздела сред, может превышать тепловое сопротивление, возникающее за счет стягивания линий теплового тока к контактным микропятнам;

-на основании полученных экспериментальных данных уточнены

установленные ранее соотношения для расчетов эффективной теплопроводности насыпок, а также скоростей распространения в них упругих колебаний;

-выполнено комплексное исследование контактного термического сопротивления, контактного электрического сопротивления и акустических свойств механического контакта двух металлических поверхностей при давлениях до 110 МПа;

-впервые получены экспериментальные результаты, позволяющие разделить вклады, вносимые в контактное термическое сопротивление и контактное электрическое сопротивление эффектом стягивания линий теплового и электрического токов к контактным микропятнам и эффектом рассеяния носителей тепла и заряда на границах раздела сред;

-установлено, что эти вклады могут быть соизмеримы, а в ряде случаев влияние вклада, связанного с рассеянием носителей тепла и заряда на границах раздела сред, на указанные выше физические свойства механического контакта двух металлических поверхностей может быть преобладающим.

Практическая ценность;

-подучены соотношения для расчета теплопроводности зернистых сред с несвязанным каркасом и скоростей распространения в них упругих колебаний при воздействии всестороннего давления;

- экспериментальные данные о теплофизических и электрических свойствах лриконтактных областей в изученных гетерогенных средах могут быть использованы для развития представлений о специфике механизмов рассеяния электронов и фононов вблизи границ разделов сред и роли этих границ в механизмах переноса тепла и заряда между контактирующими элементами;

- совокупность полученых экспериментальных результатов и выводов создает основу для расчета теплофизических и электрических свойств композиционных материалов на основе зернистых структур и многослойных металлических.систем с 'учетом влияния на эти свойства границ разделов сред.

Автор защищает;

- комплекс аппаратуры, включающий камеру высокого давления, для измерения теплофизических и акустических свойств гетерогенных сред в интервале температур -от 300 К до 600 К при изменении всестороннего давления до 300 МПа;

- результаты экспериментальных исследований температуропроводности, теплопроводности зернистых сред и скоростей распространения в них упругих колебаний при высоких давлениях;

- комплекс аппаратуры для изучения влияния высокого давления на теплофизические, электрические и акустические свойства механического контакта двух металлических поверхностей;

-совокупность экспериментальных данных о контактном термическом сопротивлении, контактном электрическом сопротивлении и акустичеоких свойствах механического контакта двух металлов с сильно отличающимися теплофизическими свойствами;

-результаты анализа полученных экспериментальных данных, уточнение существующей модели микроконтакта и вывод о том, что при высоких давлениях теплофизические и электрические свойства исследованных гетерогенных систем во многом определяются влиянием границ раздела сред, существующих в контактных микропятнах.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на VII Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам веществ ( Ташкент, 1982г.); VIII Всесоюзной конференции по тепло-физическим свойствам веществ ( Новосибирск, 1988г.); IX тепло-физической конференции СНГ ( Махачкала, 1992г.); научно-технических конференциях Свердловского горного института и Свердловского областного совета НТО ( 1986г., 1990г.).

Публикации. Основные материалы исследований опубликованы в шести печатных работах, подучено одно авторское свидетельство.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения,. четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 109 наименований. Работа изложена на 145 страницах, включая 35 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРНАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, кратко сформулированы цели исследования и новые научные результаты, выносимые на защиту.

В"первой главе выполнен анализ литературных данных о физических свойствах зернистых структур с несвязанным каркасом, фи-

зических свойствах идеального механического контакта двух металлических поверхностей, а также контакта шероховатых поверхностей на основании которого сформулированы основные задачи работы и произведен выбор объектов для исследования.

Основными объектами изучения выбраны зернистые среды с несвязанным каркасом в виде насыпок из стеклянных шариков разного размера, изготовленных из кварцевого стекла, зернистые среды с твердым каркасом, полученные спеканием стеклянных шариков того же сорта, а также биметаллические системы Fe-Cu, Fe-Al, Fe-Ti, Cu-Al.

Во второй главе дано описание экспериментальных установок и методик, использованных для исследования влияния давления на теплофизические, электрические и акустические свойства зернистых сред и зоны механического контакта двух металлических поверхностей.

Установка для измерения температуропроводности зернистых сред и скоростей распространения в них упругих волн в условиях всестороннего давления до 300 МПа и в интервале температур от 300 К до 600 К была создана совместно с Бочаровым.В.И. При работе на установке процесс измерения теплофизических и акустических свойств зернистых сред при высоких давлениях и обработка полученных экспериментальных данных производится в автоматическом режиме о использованием микро-ЭВМ "Электроника 60".

Методика измерения температуропроводности зернистых сред основывалась на методе плоских температурных волн в котором тонкий, плоский, мадоинерционный нагреватель помещается между исследуемым образцом и эталоном, имеющими форму дисков диаметром 30 мм. и высотой 10 мм. При пропускании по нагревателю электрического тока переменной частоты в эталоне и образце возникают плоские температурные волны, которые достигая противоположных нагревателю сторон образца и эталона изменяют их температуру с частотой модуляции теплового потока'. По сдвигу фаз между температурными колебаниями на указанных поверхностях можно определить температуропроводность образца если известна температуропроводность эталона. В измерителе фазы инфранизкочас-тотных сигналов, использованном в установке, был реализован принцип оптимальной обработки сигналов. С целью защиты измерительной ячейки от среды, создающей давление(кремнеорганическая

жидкость ПМС-1), она помещалась в герметичную резиновую манжету. Анализ возможных погрешностей измерения температуропроводности веществ описанным способом показывает, что для использованной измерительной ячейки в интервале температур от 300 К до 500 К эта погрешность составляет 4Х - 5Х.

Устройство измерения скорости распространения в зернистых средах продольных и поперечных упругих колебаний представляет собой измерительную ячейку, помещенную в камеру высокого давления, и комплекс измерительной аппаратуры. Эта ячейка состоит из термомаслостойкой резиновой манжеты, герметизирующих пробок с излучающими и приемными датчиками и цилиндрического образца диаметрам 30 мм и высотой 20 мм. Для излучения и приема продольных ультразвуковых волн использовались стандартные пьезоэлектрические преобразователи из керамики ЦТС-19. Пьеэопреобразова-тели для поперечных волн вырезались из керамики с продольной поляризацией. Для контроля и поддержания заданных параметров в рабочем объеме камеры высокого давления используются хромель-алюмелевые термопары и манганиновый манометр. Анализ погрешностей, возникающих при измерении скоростей распространения упругих волн в гетерогенных средах, показывает, что при доверительной вероятности 0,95 погрешность определения скорости распространения продольных колебаний составляет 0,77.,а скорости распространения поперечных колебаний - 1,0% .

Для одновременных исследований теплофизических, электрических и акустических свойств механического контакта двух металлических поверхностей до давлений 110 МПа была создана установка стержневого типа, позволяющая измерять указанные физические свойства механического контакта в вакууме порядка 10"3 Па. В этой установке был реализован принцип составного цилиндра, вдоль оси которого протекает стационарный тепловой поток, постоянный электрический ток и распространяются ультразвуковые колебания. При этом распределение температуры и электрических потенциалов вдоль оси цилиндра по обе стороны области контакта двух образцов позволяют определить контактное термическое и контактное электрическое сопротивления. Составной цилиндр имеет диаметр 30 мм и высоту 100 мм. Тепловой поток через исследованные образцы создавался с помощью нагревателя сопротивления, расположенного на нижнем образце. Блок управления нагревателем,

содержащий ВРТ-2, позволял поддерживать температуру нагревателя с точностью 0,5°. Холодильник на торцевой поверхности верхнего образца позволял создавать в составном цилиндре большие градиенты температуры. Распределение температуры вдоль оси образцов при стационарных тепловых потоках порядка (2-3)104 Вт/м2 измерялось с помощью хромель-апюмелевых термопар с диаметром термоэлектродов 0,1 мм и цифрового вольтметра Щ 68000. Установка позволяет одновременно с контактным термическим сопротивлением измерять и теплопроводность одного из контактирующих образцов, если известна теплопроводность другого образца. Для изучения распределения потенциалов вдоль оси составного цилиндра на поверхности образцов располагались потенциальные выводы диаметром 0,1 мм. Среднее расстояние между термопарами и потенциальными выводами определялось с помощью оптического компаратора МИР-12. Система измерения акустических свойств механического контакта состояла из ультразвукового излучателя-приемника и ультразвукового дефектоскопа ДУК-66ПМ. Во время экспериментов дефектоскоп измеряет амплитуду эхо-сигнала прошедшего зону контакта. Вакуумная, камера с исследуемыми образцами устанавливалась в рабочем объеме гидравлического пресса УК-16, развивающего усилие в 100т и имеющего класс точности 0,5. Выполненный анализ погрешностей показал, что созданная установка позволяет определять контактное термическое сопротивление с погрешностью, не превышающей 87., контактное электрическое сопротивление с погрешностью 2,5%, амплитуду ультразвукового эхо-сигнала, прошедшего зону контакта, с погрешностью 37.-77.. Погрешность измерения теплопроводности металлов в интервале температур 310 - 500 К составляет 47..

В третьей главе приведены результаты исследования теплгхфи-зических и акустических свойств зернистых сред при высоких давлениях. В качестве зернистых сред использовались среды с несвязанным каркасом в виде насыпок из стеклянных шариков разного диаметра (0,02 мм, 0,22 мм, 0,38 мм), а также'среды с твердым каркасом'из спеченных стеклянных шариков того же сорта, что и в первом случае. Образцы из спеченных шариков, а также сами зти шарики изготовлялись на заводе химического и лабораторного стекла "Дружная горка" по технологии, применяемой при производстве фильтров. Отличительной особенностью этой технологии является то, что соединение шариков происходит только за счет

процессов диффузии в контактных микропятнах, причем изменения пористости при таком способе соединения частиц практически не происходит. Структурные характеристики исследованных образцов и спеченных шариков приведены в таблице 1. В процессе создания технологии изготовления стеклянных фильтров было установлено, что их пористость зависит от среднего размера зерна, причем при 3-4х кратном всестороннем сжатии в насыпках устанавливается вполне определенная пористость, соответствующая среднему размеру зерна (табл.1). Это свойство насыпок использовалось при исследованиях свойств зернистых сред с несвязанным каркасом. Таким образом, отличительной особенностью сред с несвязанным каркасом от сред с твердым каркасом являлось только то, что в случае насыпок между контактирующими частицами существовали границы раздела, которые отсутствовали у сред, изготовленных путем спекания стеклянных шариков. Значения коэффициентов пористости исследованных сред указывает на то, что плотность упаковки стеклянных шариков в этих средах, особенно для образцов второго и третьего'типа, была близка к плотности упаковки ГЦК-решетки.

Таблица 1

Структурные характеристики образцов из спеченных стеклянных шариков

Параметр Тип образца ]

1 2 3 |

Средяий размер зереь. мм 0,02 0,22 о.зз ;

Средний размер пор. «¡-ал 16-40 ■ 40-100 ЮС-160

Коэффициент пористости 0,33 ! 0,ЗС 0,2?

Плотность, с! * 10~3 кг/м3 1,474 1,540 1,606

В работе экспериментальные исследования теплофизических свойств зернистых сред выполнялись в воадушной атмосфере вблизи комнатных температур в условиях всестороннего давления на образец в диапазоне от 0 до 100 МПа.

В табл.2 представлены результаты измерения зависимости эффективной температуропроводности зернистых сред от давления. Установлено, что температуропроводность зернистых сред с твер-

дым каркасом значительно выше температуропроводности насыпок даже в том случае, когда эти среды имеют одинаковые структурные характеристики.

Таблица 2

Барические зависимости эффективной температуропроводности (&* 107м2/с ) для насыпок (1) и спеченных стеклянных шариков(2)

Диаметр частиц, мм Давление, р 10 ^а

10 20 40 60 80 90 100

0,02 1 2 0,38 1,24 0,42 1,2В 0,48 1,28 0,51 1,28 0,54 1,28 0,55 1,29 1,29

0,22 1 2 0,57 1,70 0,61 1,72 0,65 1,76 0,69 1,77 0,72 1,77 0,73 1,78 1,78

0,38 1 2 0,72 1,92 0,76 1,95 0,79 1,96 0,81 1,96 0,82 1,96 0,83 1,97 1,97

На рис. приведены данные об эффективной теплопроводности изученных зернистых сред, полученные по результатам измерения их эффективной температуропроводности, плотности и теплоемкости. Эффективная теплопроводность исследованных зернистых сред много меньше теплопроводности кварцевого стекла из которого Сыли изготовлены частицы. Кроме того, при одинаковых размерах частиц эффективная теплопроводность образцов из спеченных стеклянных шарикоз в 3- 4 раза выше эффективной т&илспрсбодности насыпок. П увеличением среднего диаметра частиц их элективная гелло- и температуропроводность возрастав?, причем где.'-"'- - ра-

диус частиц.

Анализ шлеюну-'лся литературкь*/. д^ллы.*. лска^^л, что гели ввести в ранее полученную Ю.А.Буеьичем формулу для расчетов эффективной теплопроводности насыпок поправку, учитывающую указанную вше зависимость/^ от/?о,то эффективную теплопроводность исследованных насыпок с погрешностью 8Х-10Х можно описать следующим выражением см.(рис):

Д л ТГГ'-П)?\„ /А'*

£ ' («

Зависимость эффективной каркасной теплопроводности от давления для насыпок из стеклянных шариков (а) и спеченных стеклянных шариков (б)

'3

0,/Я-

сГ

I * —

0,0 7

0,03'г

а ;

Ю го 30 ЬО .40 60 70 60 90 Р,МПа

I- диаметр-частиц 0,02 мм; 2- 0.22 мм; о- 0,3с) мм; ---- расчет по формуле ( ■).

|---- и

ё

где /) -коэффициент пропорциональности, значение которого в нашем случае составляет 0,123 м~1/6 ; /7 -пористость насыпок;

-координационное число; /]м -теплопроводность материала сферических частиц; -эффективная доля площади пятен контактов в 1-ом направлении.

Результаты исследований акустических свойств зернистых сред показали, что средняя скорость распространения в них упругих колебаний Що ^ ^ . Поэтому для зернистых структур контактные микропятна играют одинаковую роль как для переноса тепловой энергии, так и для переноса энергии упругих волн между контактирующими частицами, причем размеры этих микропятен одинаковы в обоих случаях.

Низкая теплопроводность зернистых сред по сравнению с теплопроводностью материала частиц обусловлена наличием в зернистых средах контактных микропятен. Тепловое сопротивление контактного микропятна в первом приближении обусловлено двумя причинами. Первая связана с искривлением линий теплового тока за счет стягивания их к контактным микропятнам (тепловое сопротивление ]4/с ), а вторая - с влиянием границы раздела сред на процессы рассеяния приповерхностных фононов (тепловое сопротивление [>{//- ). Так как эти тепловые сопротивления включены последовательно, то тепловое сопротивление контактного микропятна в зернистых средах

. Х¥к = 1Ьс * И /- .

Важным является то, что на величину И/'к в зернистых средах с несвязанным каркасом оказывают влияние как И'с- , так и I (. а з зернистых средах, с твердым каркасом тепловое сопротивление контактного микропятна определяется только величиной И^ . Эта особенность исследованных модельных зернистых' сред позволила оценить величину теплового сопротивления И7^ по разности тепловых сопротивлений контактных микропятен для двух типов сред при одних и тех же значениях параметра и размеров частиц

(табл.3). Как следует из табл.3, вклад теплового сопротивления 1Кв ИЛ для зернистых систем, состоящих из насыпок стеклянных шариков, значителен и составляет 181 - 657..

Таблица 3

Вклад \Мг в тепловое сопротивление контактного микропятна для зернистых сред, состоящих из насыпок стеклянных шариков

Диаметр шариков, мм ^ *10_3, К/Вт Wr *Ю~3, К/Вт Wr *1007.

0,02 0,0127 220 40 18

0,22 0,00856 17 7,5 44

0,38 0,00837 13 8,5 65

Таким образом, для зернистых систем тепловое сопротивление границы раздела сред может превышать тепловое сопротивление, возникающее за счет стягивания линий теплового тока к контактным микропятнам.

В четвертой главе рассмотрены физические свойства механического контакта двух металлических поверхностей при высоких давлениях. В данной работе выполнены комплексные исследования тепловых, электрических и акустических свойств механического контакта для разнородных контактных пар Fe-Cu, Fe-Al, Fe-Ti и Cu-Al в диапазоне давлений от 12 МПа до 110 Mia. Все эксперименты выполнялись в вакууме порядка Ю-3 Па.

Результаты исследования зависимости контактного термического сопротивления /?г и контактного электрического сопротивления R* от давления обобщены в табл.4. Согласно табл.4, характер зависимостей (р) и Rэ fp ) подобен. С повышением давления значения Rr и /?э уменьшаются, а производные oRr/бР к стремятся к нулю, что соответствует

имеющимся литературным данным. Отрицательный знак этих производных обусловлен возрастанием площади фактического соприкосновения контактирующих поверхностей Sep , происходящим с ростом давления. Наиболее сильное изменение R " и /?•> происходит в интервале давлений от 12 МПа до 40 МПа. При Р > 90 МПа производные ЭРг/Эр И близки к нулю и дальнейший рост давления до 110 МПа практически не приводит к изменениям /?г и Рэ . что, вероятно обусловлено близостью плошадей Sqo и Sn , где Sh -номинальная площадь соприкосновения контактирующих поверхностей. Это предположение подтверждается нашими измерени-

ями акустических свойств механического контакта.

Таблица 4

Зависимость контактного термического сопротивления Рг ("'■) и контактного электрического сопротивления Р э (2) от давления для исследованных контактных пар (/?г-Ю4 , м?К/Вт; Рэ • 10б ', Ом)

Контактная пара Давление, P- 10~7, Па

1.5 3,0 5,0 7,0 9,0 10,0 11,0

Fe-Си (310К) 1 2 2,81 4,52 1,73 3,02 0,75 1,54 0,37 0,85 0,24 0,49 0,23 0,42 0,22 0,41

Fe-Al (348К) 1 2 1,55 2,84 0,72 1,80 0,34 0,83 0,18 0,42 0,10 0,24 0,09 0,21 0,09 0,21

Fe-Ti (323K) 1 2 3,24 5,41 1,92 4,02 0,85 2,10 0,49 0,98 0,25 0,50 0,16 0,36 0,16 0,35

Cu-Al (333K) 1 2 0,62 1,15 0,27 0,58 0,13 0,27 0,07 0,15 0,05 0,10 0,05 0,09 0,05 0,09

В табл.4 в скобках указана температура контактной зоны.

В настоящее время принято считать, что при отсутствии в прослойке между контактирующими поверхностями теплопроводящей среды (что имеет место в нашем случае) наличие Рта R э обусловлено только эффектом искривления линий теплового и электрического токов за счет их стягивания к контактным микропятнам. При этом границу раздела, существующие в контактных микропятнах, не влияют на процессы рассеяния электронов и фононов в приконтактных областях. Это предположение является следствием того, что в большинстве случаев контактное термическое и контактное электрическое сопротивления определялись при таких 'давлениях, когда плошддь Sp> составляла малую долю площади Зн . Однако по мере повышения давления площадь Sep возрастает, а искривление линий теплового и электрического токов в зоне механического контакта уменьшается. В результате этого вклад, вносимый в Rr и Р э процессами рассеяния электронов и фононов на границах раздела сред в контактных микропятнах, будет увеличиваться за счет уменьшения вклада, связанного с эффектом стягивания линий теплового и электрического токов к контактным

микропятнам. Таким образом, появляется возможность оценить влияние границ раздела сред на теплофизические свойства механического контакта по результатам измерения /? г и Rэ при высоких давлениях, если предположить, что

Rт = /?гс -

• Г с

R-э = /?эс г R

(3)

(4)

где ^тс н R эс -вклады в к R-э , обусловленные эф-

фектом стягивания теплового и электрического токов к контактным микропятнам; Rrr и Rsf -вклады в Rr и X3 э за счет влияния границы раздела сред на процессы рассеяния электронов и фононов. Согласно имевшимся литературным данным, Rrc и Значения Rrr и R?r должны определяться параметрами электронных и фононных спектров контактирующих металлов и особенностями механизмов рассеяния носителей тепла и заряда вблизи границы раздела сред. В использованном нами диапазоне давлении каких-либо заметных изменений электронных и фононных спектров в Fe, Ii, hl и Си не происходит. Поэтому в первом приближении можно считать, что Rrr и Rsr постоянны и не зависят от давления. Результаты измерения акустических свойств механического контакта позволяют считать, что при давлениях, превышающих ЭОМПа, для исследованных контактных пар площади Sep и Sh близки. Поэтому при Р > 90 МПа эффект стягивания линий теплового и. электрического токов к контактным микропятнам должен практически отсутствовать и можно предположить, что при давлениях порядка 110 МПа Rt ^Rrr^ /? э ~ R у г .

/5з экспериментальных данных, обобщенных в таблице 4, следует, что если для исследованных биметаллических систем при давлении 30 МПа вклады Rrr и R '3r в соответствующие сопротивления механического контакта составляют (8Х - 18%), а при давлении 70 МПа они достигают (36Х - 637.), то при давлениях, превышающих 90 - 100 МПа, теплофизические и электрические свойства механического контакта двух металлических поверхностей определяются спецификой механизмов рассеяния электронов и фононов на границах раздела сред.

Основные результаты и выводы:

1. Спроектированы и изготовлены экспериментальные автоматизированные установки для исследований физических свойств зернистых сред и зоны механического контакта двух разнородных металлов при давлениях до 300 МПа.

2. Выполнены комплексные исследования температуропроводности, теплопроводности и акустических свойств модельных зернистых сред с несвязанным каркасом и твердым каркасом при высоких давлениях.

3. Экспериментально установлена степень влияния границ раздела сред на теплофизические и акустические свойства исследованных образцов зернистых сред.

4. Впервые установлено, что границы раздела сред, существующие в контактных микропятнах, могут оказывать сильное влияние на теплофизические свойства зернистых сред даже в том случае, когда контактируют однородные частицы, причем тепловое сопротивление границ раздела сред может превышать тепловое сопротивление, возникающее за счет стягивания линий теплового тока к контактным микропятнам.

5. Впервые проведены комплексные исследования контактного термического сопротивления, контактного электрического сопротивления и акустических свойств механического контакта двух металлических поверхностей при высоких давлениях.

6. Экспериментально установлено, что граница раздела сред, в биметаллической системе, при больших аксиальных нагружениях может оказывать сильное влияние на процессы переноса тепла и заряда через механический контакт двух разнородных металлов.

7. Совокупность полученных экспериментальных результатов и выводов создает основу для расчета теплофизических и электрических свойств композиционных материалов на основе зернистых структур- и многослойных металлических систем с учетом влияния на эти свойства границ раздела сред.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1.Зиновьев В.Е., Коршунов И.Г., Горбунов Ю.В., Тарасов Б.Н. и д.р. / Измерение комплекса теплофизических свойств металлов и

» . к

горных пород при высоких давлениях и повышенных температурах. // VII Всесоюзная конференция по теплофизическим свойствам веществ: Тез.докл.- Ташкент, 1982. с.181.

2.Упругие свойства и нелинейный параметр пористых сред. Бочаров В.И., Анисимов В.П., Тарасов Б.Н. и д.р./ в об: Теплофизика конденсированного состояния. М.- АН СССР. 1985. с.126-129.

3.Коршунов И.Г., Черанев В.А., Тарасов Б.Н. Теплопроводность двухслойных металлических систем при высоких температурах и давлениях.// VIII Всесоюзная конференция по теплофизическим свойствам веществ: Тез.докл.- Новосибирск, 1988. с.85.

4.Комплекс измерительной аппаратуры для исследования гетерогенных сред при высоких термодинамических параметрах/ Бочаров В.И., Тарасов Б.Н., Старостин А.А. и д.р./ СГИ.- Свердловск, 1985. - 15с. Деп. в ВИНИТИ 15.04.85. N-2521-85,

5.Коршунов И.Г., Куриченко А.А., Тарасов Б.Н. и д.р. Тепло-физические свойства тонких двухслойных пластин при высоких температурах.// IX Теплофизическая конференция СНГ: Tea.докл.- Махачкала, 1992. с.124.

6.Тарасов Б.Н., Зиновьев В.Е., Коршунов И.Г. Установка для изучения поведения зоны механического контакта биметаллических систем при изменении аксиальной нагрузки и теплового пото-ка./УГГГА, Екатеринбург, 1994.- 9с. Деп. в ВИНИТИ 11.08.94, N2091- В94.

7.Тарасов Б.Н., Коршунов И.Г., Зиновьев В.Е. Теплофизичес-кие свойства зернистых сред при высоких давлениях./ УГГГА, Екатеринбург, 1994.- 11с. Деп. в ВИНИТИ 21.10.94, N2465 -В94.