Анотація до роботи:

Ісаєв К.Б. Теплофізичні характеристики композиційних матеріалів у широких діапазонах температур і швидкостей нагріву. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню доктора технічних наук за спеціальністю 05.14.06 – технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. – Інститут технічної теплофізики НАН України, Київ, 2006.

У дисертаційній роботі розроблено комплексний підхід до визначення коефіцієнта теплопровідності різноманітних матеріалів на базі експериментального температурного поля в зразках цих матеріалів і двох методик розвязання оберненої (коефіцієнтної) задачі теплопровідності. Розроблено математичну модель теплопереносу в теплозахисних матеріалах з органічною матрицею, у якій враховується процес деструкції звязуючого і поглинання теплоти газоподібними продуктами цього процесу. Густина матеріалу в зоні деструкції звязуючого описується квадратичною функцією температури. Вплив швидкості нагрівання враховано уведенням температур початку і закінчення деструкції звязуючого, що є функціями цієї швидкості. Для квазістаціонарного режиму нагрівання матеріалів (сталість температури поверхні зразка і швидкості її руху) отримано аналітичний розвязок прямої нелінійної задачі теплопровідності в неявному вигляді в інтегральній формі з урахуванням внутрішніх стоків (джерел) теплоти, на базі якого розроблено методику визначення коефіцієнта теплопровідності матеріалів. Для її реалізації необхідний вимір зміни температури у часі в одному перетині зразка. Розроблено і захищено патентами конструкції теплоприймача – зразка досліджуваного матеріалу з термопарами і відповідною теплоізоляцією для визначення одномірних температурних полів у зразках твердих, надтвердих, теплозахисних, порошкових та інших матеріалів. Досліджено вплив різних чинників на теплофізичні характеристики більш як три десятки композиційних матеріалів, зразки яких випробувані за різних умов однобічного нагрівання (конвективний, радіаційний, контактний) з різною швидкістю в широкому діапазоні температур. На базі комплексного підходу визначення коефіцієнта теплопровідності матеріалів розроблено автоматизований комплекс. Створено Базу даних теплофізичних характеристик теплозахисних матеріалів і температурних полів у їх зразках.

1. Узагальнений досвід визначення коефіцієнта теплопровідності матеріалів за допомогою розвязання ОкЗТ, у результаті чого було розроблено комплексний підхід до визначення коефіцієнта теплопровідності практично будь-яких матеріалів в умовах однобічного нагрівання в широких діапазонах температур і швидкостей нагрівання.

2. Вперше отримано розвязання нелінійного рівняння теплопровідності для квазістаціонарного режиму нагрівання для релаксаційної моделі переносу теплоти, що дозволило оцінити граничну швидкість нагрівання, при якій ще можна не враховувати скінченність швидкості поширення теплоти. Наприклад, для міді (k₀ = 396 Вт/(м К)) гранична швидкість нагрівання оцінена в 2.9*10¹⁶ К/с, а для поліметилметакрилату (k₀ = 0.2 Вт/(м К)) – 4.2*10¹² К/с.

3. Розроблено математичну модель теплопереносу в ТЗМ з органічною матрицею, у якій враховуються процеси розкладання звязуючого і поглинання теплоти газоподібними продуктами цього розкладання. Густина матеріалу в зоні деструкції звязки є квадратичною функцією температури, а вплив швидкості нагрівання враховано уведенням температур початку і закінчення деструкції звязки, що є функціями швидкості нагрівання.

4. Вперше для квазістаціонарного режиму нагрівання напівобмеженого тіла отримано аналітичний розвязок прямої нелінійної задачі теплопровідності з урахуванням внутрішніх стоків (джерел) теплоти, на базі якого розроблено методику розвязання ОкЗТ, для реалізації якої необхідно вимірювання зміни температури як функції часу в одному перетині зразка.

5. За допомогою розробленого комплексного підходу вперше проведено широкомасштабне дослідження впливу різноманітних чинників (швидкість нагрівання, тип звязуючого, природа і структура наповнювача і т.д.) на ТФХ ТЗМ з органічною матрицею, у результаті якого уперше встановлено, що:

–зі збільшенням швидкості однобічного нагрівання значення температур початку і закінчення деструкції звязуючого зростають до визначеного значення цієї швидкості. Граничною швидкістю нагрівання для ТЗМ із фенольною матрицею є ~100 К/с, а для матеріалів із эпоксидною – ~10 К/с. При досягненні цієї швидкості нагрівання процес термічного розкладання звязуючого більш не зміщується в область високих температур;

– для квазістаціонарного режиму нагрівання і високих швидкостей нагрівання (більш 100 К/с) має місце приблизна рівність температур, при яких швидкість нагрівання максимальна, а коефіцієнт теплопровідності ТЗМ мінімальний, за винятком матеріалів із кремнієорганічним звязуючим;

– відтворені залежності питомої об'ємної теплоємності від температури і швидкості нагрівання для ТЗМ із фенольною матрицею і різноманітною природою наповнювача – кремнезем, азбест і вуглець. Для ТЗМ із эпоксидною матрицею – тільки з кремнеземним наповнювачем;

– основний вплив на величину коефіцієнта теплопровідності ТЗМ із фенольною матрицею здійснює питома обємна теплоємність. Вплив стоків теплоти на k(T) цих матеріалів виявляється при температурах більше 800 С. Для эпоксидного склопластика навпаки – переважний вплив здійснюють стоки теплоти, тому що у цього звязуючого більше питома теплота деструкції і коефіцієнт газифікації в порівнянні з фенольним звязуючим;

– збільшення коефіцієнта газифікації звязуючого призводить до росту значень середнього ефективного коефіцієнту теплопровідності розплаву склопластиків, а збільшення вмісту фенольного звязуючого викликає протилежний ефект;

– порівняння експериментальних і розрахункових температурних полів із використанням відтворених у роботі ТФХ ТЗМ показало незначну розбіжність (10-12 %) цих даних. ТФХ ТЗМ, які отримані на стадії нагрівання, можна використовувати і на стадії охолодження тільки при незначній швидкості охолодження. При різкому охолодженні зразків ТЗМ має місце істотне завищення розрахункових температур.

6. За допомогою розробленого в дисертації комплексного підходу вперше:

– досліджено вплив порошкових домішок з Al₂O₃, SiС і муліту на ТФХ композицій на основі алюміній-кремнієвого сплаву АЛ25 в діапазоні 20–400 С. На c_p(T) композитів практично не впливає введення цих домішок, але спричинює зменшенню k(T), причому це зменшення стає більш великим із збільшенням температури. Це обумовлено тим, що теплопровідність вказаних вище домішок у декілька разів нижче цієї характеристики АЛ25. Різке зменшення значень коефіцієнта теплопровідності з ростом температури для композитів із Al₂O₃ і SiС викликано різким падінням (у 3-4 рази) значень цієї характеристики домішок із температурою. Для композита з мулітом таке різке зменшення теплопровідності відсутне;

– визначено температурні залежності питомої теплоємності (до 2500 С) і коефіцієнта теплопровідності (до 2000 С) ВВКМ. Встановлено, що питомі теплоємності ВВКМ і графіту практично однакові, а коефіцієнт теплопровідності ВВКМ істотно нижчий за цю характеристику графіту (для ПРОГ-2400 – приблизно в 3 рази при 2000 С). Причому, якщо для графіту k(T) зменшується із зростанням температури, то для ВВКМ має місце протилежна картина через велику кількість піровуглицю у складі цього композита;

– визначено ТФХ g-сплаву на основі алюмініду титана в діапазоні 20–400 С. Додавання 31 % Al до Ti призводить до росту питомої теплоємності титанового сплаву на ~15 %, що пояснюється більш високою теплоємністю Al, а коефіцієнт теплопровідності при цьому зменшується приблизно на 35 %;

– визначено ТФХ високопористих електросталеплавильних і доменних шлаків в діапазоні 20–1000 С. Встановлено, що збільшення густини обох шлаків призводить до зменшення їхньої питомої теплоємності. Це обумовлено відмінністю різних сполук і структурних утворень, які формуються за різною густиною шлаку. Значення k(T) доменного шлаку вище значень цієї характеристики сталеплавильного шлаку, що пояснюється наявністю в ньому більшої кількості окису кальцію (приблизно в два рази), а також тим, що коефіцієнт теплопровідності CaО при кімнатній температурі в 30 разів більше цієї характеристики SiO₂, яка є основою сталеплавильного шлаку.

7. Розроблено методику визначення коефіцієнта теплопровідності надтвердих матеріалів, що за своєю суттю близька до методів неруйнівного контролю. Визначено температурну залежність коефіцієнта теплопровідності композита алмаз-SiС в діапазоні 20–400 С. Хоча у матеріалі усього 11 % SiС, проте його прошарки блокують контакти між частинками і, з огляду на те, що його коефіцієнт теплопровідності майже в 15 разів менше цієї характеристики штучного алмазу, в цілому для композита алмаз-SiС коефіцієнт теплопровідності істотно менше в порівнянні з чистим алмазом.

8. Розроблено і захищено патентами конструкції теплоприймача – зразка досліджуваного матеріалу з термопарами і відповідною теплоізоляцією для визначення одномірних температурних полів у зразках компактних, надтвердих, теплозахисних, порошкових і інших матеріалів.

9. На базі представленого в роботі комплексного підходу визначення коефіцієнта теплопровідності матеріалів розроблено автоматизований комплекс.

10. Вперше створено Базу даних теплофізичних характеристик ТЗМ з органічною матрицею і температурних полів в зразках цих ТЗМ, випробуваних у різних умовах однобічного нагрівання, що моделюють експлуатаційні.

Основні результати дисертації надруковані у роботах:

Статті в журналах.

1. Исаев К. Б. Влияние некоторых факторов на средний эффективный коэффициент теплопроводности расплава стеклопластиков // Теплофизика высоких температур. – 1986. – Т. 24, № 3. – С. 310-312.

2. Исаев К. Б. Влияние различных факторов на температурное поле при квазистационарном режиме нагрева материалов // Промышленная теплотехника. – 1987. – Т. 9, № 3. – С. 39-43.

3. Исаев К.Б., Яценко В.А. Фенюк П.Ф. Система автоматизации для теплофизических исследований // Механизация и автоматизация управления. – 1988. – № 1. – C. 41-43. (Ісаєв К.Б. – розробка концепції і структури системи автоматизації, написання статті).

4. Исаев К.Б. Полежаев Ю.В. Теплопроводность в квазистационарном режиме нагрева материалов // ИФЖ. – 1989. – Т. 56, № 3. – С. 368-373. (Ісаєв К.Б. – постановка мети та завдань досліджень, розробка математичної моделі теплопереносу у теплозахисних матеріалах з органічною матрицею, проведення розрахунків для прямої та оберненої задач теплопровідності, аналіз отриманих результатів, формулювання висновків, написання статті).

5. Исаев К.Б. Теплоперенос в разрушающихся при односторонних нагревах композиционных материалах // ИФЖ – 1993. – Т. 65, № 6. – С. 645-651.

6. Исаев К.Б. Теплопроводность углепластиков при радиационном одностороннем нагреве // ТВТ. – 1994. –Т. 32, № 2. – С. 310-312.

7. Аветисян. А.О. Гиндис Я.П., Исаев К.Б., Малоголовец А.В. Исследование теплофизических свойств доменных и электросталеплавильных шлаков // Сталь. – 1994. – № 5. – С. 79-81. (Ісаєв К.Б. – постановка мети та завдань досліджень, визначення температурних полів в зразках шлаків і їх коефіцієнта теплопровідності, аналіз отриманих результатів, формулювання висновків, участь у написанні статті).

8. Isayev K.B. and Schur D.V. Study of thermophysical properties of metal-hydrogen system // Int. J. Hydrogen Energy. – 1996. – Vol. 21, No 11/12. – 1129-1132. (Ісаєв К.Б. – постановка мети та завдань досліджень, розробка математичної моделі теплопереносу у металогідридах, розробка конструкції теплоприймача для визначення експериментальних температурних полів, аналіз отриманих результатів, формулювання висновків, написання статті).

9. Исаев К.Б., Картузов В.В., Лаптева А.К. Классификация и база данных теплофизических характеристик теплозащитных материалов // ИФЖ – 2000. – Т. 73, № 1. – С. 39-43. (Ісаєв К.Б. – постановка мети та завдань досліджень, розробка: концепції бази даних теплофізичних характеристик, класифікації і маркування теплозахисних матеріалів, формулювання висновків, написання статті).

10. Исаев К.Б. Шерман Я.И. Теплофизические характеристики композитов на основе сплава АЛ25 // Промышленная теплотехника. – 2001. –Т. 23, № 1/2. – С. 102-105. (Ісаєв К.Б. – постановка мети та завдань досліджень, розробка конструкції теплоприймача, проведення експериментального визначення температурних полів, визначення коефіцієнту теплопровідності композитів, аналіз отриманих результатів, формулювання висновків, написання статті).

11. Исаев К.Б. Автоматизированный комплекс для исследования коэффициента теплопроводности материалов // Промышленная теплотехника. –2001. –Т. 23, № 6. – С. 159-164.

12. Исаев К.Б. Исследование теплофизических характеристик теплозащитных материалов с органической матрицей. Ч.1.Удельная теплоемкость и температура начала деструкции связующего ТЗМ при нулевой скорости нагрева // Промышленная теплотехника. – 2003. – Т. 25, № 2. – С. 77-81.

13. Исаев К.Б. Исследование теплофизических характеристик теплозащитных материалов с органической матрицей. Ч.2. Экспериментальное определение температурных полей в образцах ТЗМ // Промышленная теплотехника. – 2003. – Т. 25, № 3. – С. 71-78.

14. Исаев К.Б., Биленко Л.Д. Ерошкин С.В. Экспериментальное определение температурных полей в образцах материалов космической техники // Космічна наука і технологія. – 2003. –Т. 9, № 2. – С. 380-389. Додаток (CD). (Ісаєв К.Б. – постановка мети та завдань досліджень, розробка конструкції теплоприймача для вуглець/вуглецевих матеріалів, експериментальне визначення температурних полів, аналіз отриманих результатів, формулювання висновків, написання статті).

15. Исаев К.Б., Бочко А.В., Кузин Н.Н. Определение коэффициента теплопроводности сверхтвердых материалов // Порошковая металлургия. – 2003. – № 5/6. – С. 106-111. (Ісаєв К.Б. – постановка мети та завдань досліджень, розробка конструкції теплоприймача надтвердих матеріалів, експериментальне визначення температурних полів, визначення коефіцієнту теплопровідності, аналіз отриманих результатів, формулювання висновків, написання статті).

16. Разработка эталона теплопроводности для теплоизоляционных материалов / Исаев К.Б., Шевченко А.В., Круковский П.Г., Левинскас Р.Е., Чеснене Ю., Крюкене Р. // Пром. теплотехника. – 2003. – Т. 25, № 4. – С. 479-481. Прилож. к журналу.

17. Исаев К.Б. Определение коэффициента теплопроводности материалов // Пром. теплотехника. – 2004. – Т. 26, № 2. – С. 46-55.

18. Isayev K., evenko A., Brinkine K., esniene U. and Kriukiene R. Investigation of the properties of zirconia based ceramics. – Materials science. – 2005. – V. 11, No 3. – P. 263-267. (Ісаєв К.Б. – постановка мети та завдань досліджень, розробка конструкції теплоприймача, експериментальне визначення температурних полів в зразках кераміки, визначення коефіцієнту теплопровідності кераміки шляхом розвязання оберненої задачі, аналіз отриманих результатів, формулювання висновків, участь у написанні статті).

19. Brinkien K., snien J. and Isayev K. Processing and Characterization of Thermophysical Properties of Advanced Zirconium Ceramics. Chemin technologija. – 2005. – Nr 4 (38). – P. 45-49. (Ісаєв К.Б. – постановка мети та завдань досліджень, експериментальне визначення температурних полів, визначення коефіцієнту теплопровідності кераміки шляхом розвязання оберненої задачі теплопровідності, аналіз отриманих результатів, формулювання висновків, участь у написанні статті).

20. Исаев К.Б., Степаненко А.В., Заблодский В.А Влияние особенностей структуры композита алмаз-SiC на его коэффициент теплопроводности // Доповіді НАН Україны. – 2006. – № 4. – С. 92-96. (Ісаєв К.Б. – експериментальне визначення температурних полів, визначення коефіцієнту теплопровідності кераміки розвязанням оберненої задачі теплопровідності, аналіз отриманих результатів, формулювання висновків, участь у написанні статті).

Патенти

21. Проволока с жаростойкой изоляцией // Пилиповский Ю.Л., Листовничая С.П., Василенков Ю.М., Крисон М.Е., Клименко В.С., Пасичный В.В., Цыганенко В.С., Исаев К.Б., Кисель В.М. // А.с. № 1545823. 1989. (Ісаєв К.Б. – експериментальне випробування покриття в коксівних теплозахисних матеріалах при високих температурах, аналіз отриманих результатів, участь у формулюванні висновків та формули винаходу).

22. Ісаєв К.Б., Іценко А.І. Василенков Ю.М. Жаростійке покриття на термоелектродах // Патент України № 37823 А. – 15.05.2001. – Бюл. № 4. (Ісаєв К.Б. – участь у виборі оптимального складу покриття, у формулюванні висновків, опису та формули винаходу).

23. Ісаєв К.Б., Іценко А.І. Теплоприймач-зразок для визначення одномірних температурних полів в компактних матеріалах // Патент України № 39369 А. – 15.06.2001. – Бюл. № 5. (Ісаєв К.Б. – розробка та експериментальне випробування конструкції теплоприймача, участь у формулюванні висновків, опису та формули винаходу).

24. Ісаєв К.Б., Іценко А.І., Сова А.М. Теплоприймач-зразок для визначення одномірних температурних полів в порошкових матеріалах // Патент України № 62379 А. – 15.12.2003. – Бюл. № 12. (Ісаєв К.Б. – розробка та експериментальне випробування конструкції теплоприймача, участь у формулюванні висновків, опису та формули винаходу).

25. Ісаєв К.Б., Іценко А.І., Картузов В.В., Кисіль В.М., Степаненко А.В. Теплоприймач-зразок для визначення одномірних температурних полів в надтвердих матеріалах // Патент України № 70008 А. 15.09.2004. Бюл. № 92004. (Ісаєв К.Б. – розробка та експериментальне випробування конструкції теплоприймача, участь у формулюванні висновків, опису та формули винаходу).

Статті в сбірниках.

26. Исаев К.Б. Теплоприемник для определения температурных полей в деструктирующих материалах // Тр. межд. форума: Тепло-и массоперенос–1992 (ММФ-92). – Т.3. Минск: АНК ИТМО НАНБ, 1992. – С. 180-183.

27. Исаев К.Б. Исследование влияния скорости нагрева на теплопроводность теплозащитных материалов решением обратных задач // Идентификация динамических систем и обратные задачи. Тр. 2-ой Межд. конф. С.-Пет. 22-25 авг. 1994. – М.: МАИ, 1994. Т. 2. – С. В3-1 – В3-8.

28. Исаев К.Б., Малоголовец А.В. Влияние различных факторов на удельную теплоемкость композиционных материалов на органических связующих // Сб. н. тр. “Электронное строение и свойства тугоплавких соединений и металлов”. – Киев: ИПМ НАНУ, 1995. – С. 138-144.

29. Isayev K.B. The Influence of Some Factors on Thermophysical Properties of Destruction Materials // Proceed. 4^th Ukraine–Russian–China Sympos. on Space Science and Technology. 1996. V. 2, P. 600-602.

30. Isayev K., Bochko A., Lapteva A., Bloschanevich A. and Kuzin N. Investigation of Thermal Conductivity of Hexanite-R by Solving of Ill-Defined Problems. // Proceed. 1998 Powder Metallurgy World Congress. Granada, Spain. Oct. 18-22 1998. – P. 119-123.

31. Исаев К.Б. Теплофизические характеристики теплозащитных материалов в широких диапазонах температур и скоростей нагрева // Тр. межд. симпозиума “Передовые термические технологии и материалы” 22-26 сент. 1997. – Кацивели, Крым, Украина. – М.: МГТУ. – Ч. 2. – 1999. – С. 135-139.

32. Исаев К. Б., Лаптева А.К. Автоматизированная система исследования теплопроводности теплозащитных материалов // Тр. межд. симпозиума “Передовые термические технологии и материалы” 22-26 сент. 1997. – Кацивели, Крым, Украина. – М.: МГТУ, 1999. – Ч. 2. – С. 140-143.

33. Исаев К.Б. Конструкции теплоприемника для определения одномерных температурных полей в компактных и порошковых материалах // Тр. межд. форума: Тепло-и массоперенос–2000. Т.3. Теплопроводность и задачи оптимизации теплообмена. – Минск: АНК ИТМО НАНБ, 2000. – С. 394-397.

34. Isayev K.B. Thermophysical Properties of Alloy on the Basis of Al and Si with Different Powder Components // Proceed. European Congress and Exhibition on Powder Metallurgy. Nice, France, Oct. 22-24, 2001 (EURO PM2001). Copyright 2001, EPMA. – V. 2. – P. 207-212.

35. Isayev K.B. Research of Thermal Conductivity of Different Materials by the Solving of Heat Conduction Inverse Problems. // Proceed. 4th Int. Conf. on Inverse Problems in Engineer. Theory and Practice. May 26-31, 2002. Angra dos Reis. Brazil. 2002. V. 2. – P. 13-20.

36. Isayev K.B. Application of the inverse problems solution for research of materials thermal conductivity // Proceed. 2d Int. Conf. “Materials and Coatings for Extreme Performances”. Katsiveli, Crimea, Ukr. – 2002. – P. 432-433.

37. Isayev K.B. Thermal conductivity research of powder and superhard materials by solving of heat conduction inverse problems. // Proceed. Int. Conf. “Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges”. 4-8 Nov. 2002. Kyiv, Ukraine. V. 2. – P. 689-690.

38. Isayev K.B. High-temperature diagnostics of thermal conductivity for materials of internal combustion engines // New materials for Power Engineering and Transport. – Catalogue of project suggestions. – 2002. – P. 9-10.

39. Isayev K. Application of solutions of inverse heat conduction problems for research of materials thermal conductivity in wide range of its values and temperatures // Proceed. 4-th Baltic Heat Transfer Conference. “Advances in Heat Transfer Engineering”. Aug. 25-27, 2003. – Kaunas. Lithuania. – P. 201-208.

40. Исаев К.Б., Картузов В.В., Лукович В.В., Круковский П.Г. Математическое моделирование температурного поля теплоприемника // Тр. ИПМ НАНУ. Сер. Моделирование в материаловедении. Математические модели и вычислительный эксперимент в материаловедении. – 2003. – С. 167-174.

41. Исаев К.Б. К вопросу об учете конечной скорости распространения тепла в твердом теле. // Тр. V Минского межд. форума по тепломассообмену ММФ-2004. – Минск: ИТМО НАНБ, 2004. – S. 3-07. – С. 1-6. (CD).

42. Исаев К.Б., Полежаев Ю.В. Теплофизические характеристики теплозащитных материалов с органической матрицей. // Тр. 3-й Межд. конф. “Материалы и покрытия в экстрерисьных условиях”. – Понизовка, Крым, Украина. – Киев: ИПМ НАНУ, 2004. – С. 13-14.

У публікаціях [26-42] Ісаєвим К.Б. виконано: постановку мети та завдань досліджень, розробку конструкцій теплоприймача, експериментальне визначення температурних полів в зразках матеріалів, визначення коефіцієнту теплопровідності матеріалів шляхом розвязання обернених задач теплопровідності, аналіз отриманих результатів, формулювання висновків, написання або участь у написанні статтей).