Спосіб визначення теплофізичних характеристик металевої плівки

Реферат: Винахід належить до способів експрес-аналізу речовин і матеріалів. В способі попередньо визначають температуру плавлення та коефіцієнт температуропровідності основного матеріалу плівки, вибирають область плівки s, яку нагрівають тепловим імпульсом з тривалістю (t), яку заздалегідь визначають з критерію: t  співвідношення: E 0.9 f Tпл s 2 af s , та енергією імпульсу (E), яку визначають із af . Винахід дозволяє визначати теплофізичні характеристики t матеріалів у необхідному діапазоні. UA 111801 C2 (12) UA 111801 C2 UA 111801 C2 5 10 15 20 Винахід належить до способів експрес-аналізу речовин і матеріалів, у вигляді металевої плівки, з метою визначення їх теплофізичних характеристик і може бути використаний в матеріалознавстві, мікроелектроніці та інших. Відомий спосіб визначення теплофізичних характеристик тонкоплівкових термоелементів (П.І. Скоропад, Я.Т. Луцик, В.В. Паракуда. Методи визначення теплофізичних характеристик тонкоплівкових термоелементів// Вісн. Нац. унту "Львів, політехніка". - 2009. - № 639. - С. 149151), в якому вимірюваний тепловий потік від джерела тепла сталої потужності спрямовують вздовж досліджуваних тонких плівок, які попередньо пакетують, з метою підвищення точності визначення значення коефіцієнта теплопровідності  . Пакетування окремих тонкоплівкових термоелементів спричиняє їх взаємне теплове екранування, а здійснення спеціальних заходів дає змогу розглядати пакетовані тонкоплівкові термоелементи як адіабатично ізольований стрижень скінченної довжини, а  вирахувати за формулою, ідентичною для масивних матеріалів. Недоліками відомого способу є: те, що бічна поверхня досліджуваного пакета повинна бути теплоізольованою; необхідність здійснювати вимірювання виключно у вакуумній камері. Найближчим до способу, що заявляється у технічному плані та за одержуваним результатом, є спосіб експрес-аналізу теплофізичних характеристик плівок (Патент України № 43224 МПК G01N 25/18, G01N 25/20, опубл. 15.11.2001, Бюл. № 10), в якому нагрівають зразок товщиною L лазерним імпульсом, вимірюють щільність енергії Q , поглинутої поверхнею зразка s , на яку спрямовують лазерне випромінення, вимірюють зміну температури зразка на відстані від опроміненої області, вимірюють час t1/ 2 , за який ця температура досягне половини свого максимального значення Tm , причому попередньо визначають середню температуропровідність  f матеріалу плівки товщиною L , яка спільномірна з товщиною шару, що поглинає лазерне випромінювання, нагрівають плівку лазерним імпульсом тривалістю 25 i  L2 /  f , спрямовуючи випромінювання на край одної з вузьких сторін b прямокутної плівки довжиною r  b  L або в центр плівкового зразка, що має форму диска радіусом r  L , причому s значно менша за площу плівки S , реєструють зміну температури в напрямку вздовж плівки на протилежному краю від опроміненої лазером області та визначають a  r 2 / t 30 35 40 1  - розмірний коефіцієнт, який для 2 , де температуропровідність плівки з формули: прямокутної плівки дорівнює 0,14; а для плівки в формі диска - 1,4; r - довжина плівки або фольги, а теплоємність C і теплопровідність  визначають за формулами: C  SQ / Tm та   aC/ SL , відповідно. Недоліком відомого способу є неможливість адекватно задавати та регулювати параметри теплового імпульсу в необхідному діапазоні, враховуючи релаксаційні можливості матеріалу плівки, нехтування якими може призводити до утворення численних структурних дефектів і спотворює теплофізичні характеристики цілісного матеріалу плівки. В основу винаходу поставлена задача розробити спосіб визначення теплофізичних характеристик металевої плівки шляхом нагрівання плівки тепловим імпульсом, що надасть можливість регулювати тривалість ( t ) та енергію ( E ) імпульсу в необхідному діапазоні, враховуючи релаксаційні можливості матеріалу металевої плівки. Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення теплофізичних характеристик металевої плівки, що включає нагрівання плівки товщиною L тепловим імпульсом з контрольованою щільністю енергії Q , поглинутої областю плівки s , яка знаходиться під дією теплового імпульсу, вимірювання зміни температури плівки на відстані від області s , 45 вимірювання часу t1/ 2 , за який ця температура досягне половини свого максимального 50 значення Tm , попереднє визначення коефіцієнта середньої температуропровідності a f основного матеріалу плівки, спрямування енергії імпульсу на край одної з вузьких сторін b прямокутної плівки довжиною r  b  L , причому s менша за площу всієї плівки S , реєстрацію зміни температури в напрямку вздовж плівки на протилежному краю від області s , визначення коефіцієнта температуропровідності плівки a за формулою: a  r 2 / r 1 2 , (1) 1 UA 111801 C2 де  - розмірний коефіцієнт, який для прямокутної плівки дорівнює 0,14, визначення теплоємності плівки C за формулою: C  SQ / Tm , (2) 5 визначення коефіцієнта теплопровідності плівки  за формулою:   aC  SL , (3) згідно з винаходом, попередньо визначають температуру плавлення основного матеріалу плівки, вибирають область плівки s , яку нагрівають тепловим імпульсом з тривалістю ( t ), яку заздалегідь визначають з критерію: s a f , (4) 2 де s - площа плівки в області дії теплового імпульсу, м , t 10 a f - коефіцієнт середньої температуропровідності основного матеріалу плівки, м 2/с, та енергією імпульсу ( E ), яку визначають із співвідношення: E 0.9 f Tпл s 2 af t , (5) де Tm - температура плавлення основного матеріалу плівки, °C, 15 20 25 30  f - коефіцієнт середньої теплопровідності основного матеріалу плівки, Вт/(°См). Для нагрівання вибраної області плівки s використовують електричний розряд. Використовують розряд конденсатора, а тривалість теплового імпульсу ( t ) регулюють підключенням в розрядний ланцюг додаткового резистора. Запропонований спосіб реалізується наступним чином. Виходячи з довідкових даних про температуру плавлення та коефіцієнт середньої температуропровідності основного матеріалу металевої плівки, теплофізичні характеристики якої визначаються, попередньо вибирають область плівки s , яку нагрівають тепловим імпульсом, наприклад електричним розрядом, з тривалістю імпульсу розряду ( t ), яку визначають з критерію (4). Із співвідношення (5) визначають необхідну енергію розряду E та, у випадку реалізації електричного розряду, наприклад, за допомогою конденсатора ємністю С, включенням додаткового резистора R в розрядний ланцюг забезпечують значення t  RC , а енергію розряду забезпечують зарядженням його перед тим до напруги U . Довжину г плівки, теплофізичні характеристики якої вибирають, оцінюють зі співвідношення r  2 a f t . Розрядженням конденсатора забезпечують збудження теплового імпульсу на площі s одного з кінців прямокутної плівки завширшки b та довжиною r , реєстрацію на протилежному кінці плівки часу досягнення половини значення максимальної температури ( t1/ 2 ), визначення теплофізичних характеристик за відомими формулами. Приклад. Визначають теплофізичні характеристики плівки товщиною 1 мкм, виготовленої з сталі У 12 методом вакуумного розпилення мішені на нетеплопровідну підкладку з ситалу СТ2 35 40 45 -5 2 1. Виходячи з основної складової сталі - заліза, вибирають значення a f =2,210 м /с,  f =70 Вт/(°См), Tпл =1535 °C (Свойства элементов/ Справочник. Физические свойства. -М.: -8 2 Металлургия, 1976. - Ч. 1. - С. 223) та площу s =0,5610 м прямокутної плівки з вузькою стороною b =0,2 мм, на яку здійснюють розряд конденсатора. -3 З критерію (4) визначають тривалість розряду, яка t =0,2510 с, а зі співвідношення (5) максимальну критичну енергію розряду E =0,001 Дж. Енергія розряду є критерієм, що використовується для практичного застосування способу, який заявляється і не дає перевищити температуру плавлення основного матеріалу плівки Tпл . При напрузі U =5 В, яка є найбільш поширеним стандартом у обчислювально-вимірювальній апаратурі, розраховують значення ємності конденсатора C =80 мкФ та опір резистора R =3,1 -8 2 Ом. Через резистор R =3,1 Ом і площу s =0,5610 м прямокутної плівки з вузькою стороною b =0,2 мм здійснюють розряд конденсатора, зарядженого до напруги U =5 В та вимірюють час t1/ 2 досягнення половини значення максимальної температури ( Tm ) на протилежному кінці 2 UA 111801 C2 5 плівки r =2 мм, який склав 0,047±0,001 с, при Tm =10,2±0,1 °C. Таким чином, із формули (1) -5 2 знаходять, що a =1,210 м /с. За одержаним значенням a за формулою (4) уточнюють -3 величину тривалості розряду t , яка становить t =0,4710 с. Подальший розрахунок решти теплофізичних характеристик металевої плівки принципово не відрізняється від розрахунків цих величин для найближчого аналога і тому не наводиться. Запропонований спосіб може бути реалізований як у лабораторних, так і у промислових умовах. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 1. Спосіб визначення теплофізичних характеристик металевої плівки, що включає нагрівання плівки товщиною L тепловим імпульсом з контрольованою щільністю енергії Q, поглинутої областю плівки s, яка знаходиться під дією теплового імпульсу, вимірювання зміни температури плівки на відстані від області s, вимірювання часу t1/2, за який ця температура досягне половини свого максимального значення Tm, попереднє визначення коефіцієнта середньої температуропровідності αf основного матеріалу плівки, спрямування енергії імпульсу на край одної з вузьких сторін b прямокутної плівки довжиною r>>b>>L, причому s менша за площу всієї плівки S, реєстрацію зміни температури в напрямку вздовж плівки на протилежному краю від області s та визначення коефіцієнта температуропровідності плівки α за формулою:   r 2 t 1 / 2 , (1) де γ - розмірний коефіцієнт, який для прямокутної плівки дорівнює 0,14, визначення теплоємності плівки C за формулою: C=SQ/Tm, (2) визначення коефіцієнта теплопровідності плівки λ за формулою: λ=αC/SL, (3) який відрізняється тим, що попередньо визначають температуру плавлення основного матеріалу плівки, вибирають область плівки s, яку нагрівають тепловим імпульсом з тривалістю (t), яку заздалегідь визначають з критерію: t 30 s , (4) af 2 де s - площа плівки в області дії теплового імпульсу, м , 2 αf - коефіцієнт температуропровідності основного матеріалу плівки, м /с, та енергією імпульсу (Е), яку визначають із співвідношення: E 0,9 f Tпл s 2 35 40 , (5) af t де Тпл - температура плавлення основного матеріалу плівки, °C, λf - коефіцієнт теплопровідності основного матеріалу плівки, Вт  С  м . 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що для нагрівання вибраної області s використовують електричний розряд. 3. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що використовують розряд конденсатора, а тривалість теплового імпульсу (t) регулюють підключенням в розрядний ланцюг додаткового резистора.   Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3