6.2. Теплофизические свойства

Температура в значительной мере влияет на самые разнообразные свойства материалов и изделий на их основе: электрические характеристики, деформационно-прочностные свойства и др. В частности, свойства конструкционных и электроизоляционных материалов при изменении температуры в широких пределах претерпевают существенные изменения, определяющие возможность использования этих материалов. Например, в электрических машинах и аппаратах увеличение допустимого превышения температуры, которое в подавляющем большинстве случаев лимитируется именно материалами электрической изоляции, дает возможность получить более высокую мощность в неизменных габаритах или при сохранении мощности достигнуть уменьшения габаритных размеров, массы и стоимости изделий. Повышение рабочей температуры особо важно для тяговых и крановых электродвигателей, самолетного электро- и радиооборудования и других передвижных устройств, где вопросы уменьшения массы и габаритных размеров играют решающую роль.

Основными теплофизическими свойствами различных групп материалов являются: теплоемкость, теплопроводность, температурный коэффициент линейного расширения, термостойкость.

Теплоемкость синтетических полимеров меняется в широких пределах в зависимости от химической структуры полимера и температуры. Ниже температуры стеклования значения теплоемкости для одного и того же полимера, находящегося в аморфном и кристаллическом состоянии, близки. Для аморфных полимеров переход из стеклообразного состояния в высокоэластическое состояние сопровождается скачкообразным возрастанием теплоемкости. Скачок теплоемкости наблюдается и при стекловании кристаллических полимеров, причем его значение зависит от степени кристалличности полимера.

Теплопроводность полимеров зависит от температуры, химической структуры и физического состояния.

Для температурной зависимости теплопроводности аморфных полимеров характерно наличие пологого максимума при температуре стеклования. Теплопроводность кристаллических полимеров больше, чем аморфных. С повышением температуры от 180 до 150С теплопроводность одних кристаллических полимеров падает (полиэтилен, полиамид), других – растет (полипропилен, политетрафторэтилен), причем по абсолютному значению теплопроводность полимеров первой группы выше, чем второй. Для всех полимеров с ростом степени кристалличности теплопроводность увеличивается, при плавлении – сильно уменьшается.

Температурный коэффициент линейного расширения TK_L полимеров зависит от химической структуры, физического состояния и температуры.

Теплоемкость кристаллического материала весьма сильно меняется при низких температурах и незначительно при высоких, особенно выше 1000С.

Теплопроводность керамических материалов зависит от состава кристаллической и стекловидной фаз, а также от пористости.

Теплопроводность спеченной керамики кристаллического строения, особенно оксидной, с повышением температуры, как правило, сильно падает. Исключение составляет диоксид циркония, теплопроводность которого с повышением температуры возрастает.

Теплопроводность керамики, содержащей значительное количе­ство стекла одной фазы, например муллитокремнеземистой, с повышением температуры увеличивается.

Термическое расширение для подавляющего большинства керамических материалов возрастает с повышением температуры. Значения коэффициента линейного расширения различных видов технической керамики колеблется от 0 до (13 – 14)^.10^–6.K^–1.

Теплоемкость стекол растет по мере увеличения концентрации легких элементов. Наиболее низкой теплоемкостью обладают системы с высоким содержанием тяжелых элементов типа бария или свинца.

Для силикатных стекол коэффициент теплопроводности изменяется в зависимости от состава в широких пределах. Наиболее высокое значение коэффициента теплопроводности характерно для кварцевого стекла. При повышении в составе стекла содержания модификаторов теплопроводность уменьшается.

Термическое расширение стекол, вследствие их изотропности, является одинаковым. В серии силикатных стекол минимальным расширением обладает кварцевое стекло (TK_L = 5^.10^–7.K^–1). Для бинарных щелочно-силикат­ных стекол при повышении концентрации щелочного компонента от 0 до 33 % величина TK_L возрастает, а при введении многозарядных ионов типа Fe, Ge, B, Al, Zr наблюдается снижение коэффициента термического расширения.

Для ситаллов, кроме химического состава, на величину TK_L особое влияние оказывают вид и содержание кристаллической фазы. Поэтому, меняя режим термообработки, можно получать ситаллы с заданным значением TK_L.

Термостойкость неорганических материалов характеризует их способность выдерживать без разрушения резкие смены температуры. Мерой термостойкости является максимальная разность температур, которую выдерживает изделие, не разрушаясь:

Т = Т_max  Т_k ,

где Т – термостойкость, К; Т_max – максимальная температура изделия; Т _k – температура после мгновенного охлаждения.

Главными факторами, определяющими термостойкость стекол и ситаллов, являются температурный коэффициент линейного расширения TK_L, прочность при растяжении _в, модуль упругости Е, причем действие TK_L проявляется наиболее сильно.

При внезапном охлаждении уменьшение размеров внешних слоев образца вызывает возникновение внутренних напряжений растяжения на поверхности и сжатия внутри (внутренние слои из-за низкой теплопроводности не успевают охладиться (сжаться) и растягивают внешние слои). Как известно, стекло и ситаллы значительно хуже работают на растяжение, чем на сжатие (_в составляет 5 – 7  от _сж), поэтому при высоком значении TK_L возникает опасность разрушения даже при значительной прочности материала.

При резком нагреве поверхности внешние слои будут испытывать сжимающее напряжение, поэтому опасность разрушения будет значительно меньше, а термостойкость в 4 – 5 раз выше. На термостойкость стекол и ситаллов также оказывают влияние форма, толщина изделий, теплопроводность, условия нагрева и охлаждения.

Прочность ситаллов, как правило, значительно выше прочности стекла, поэтому и термостойкость их при равных значениях TK_L имеет более высокое значение.

Чем более массивно (утолщено) изделие, тем ниже его термическая стойкость в связи с влиянием масштабного фактора и естественным увеличением градиента температур по толщине. Так как основными показателями, определяющими термостойкость, являются TK_L и прочность, то все факторы, влияющие на эти показатели, а именно химический состав, термообработка (закалка), ситаллизация, будут влиять на термостойкость.

Дефекты поверхности (трещины, царапины), снижающие прочность стекла и ситаллов, понижают и термостойкость.

Термостойкость стекол находится в сложной зависимости от свойств материала, поэтому очень трудно проследить влияние одного или нескольких компонентов стекла на изменение этой характеристики. В ряду силикатных стекол наиболее высокой термостойкостью обладает кварцевое стекло (порядка 1000С).

В зависимости от значения коэффициента термостойкости стекла делятся на три группы: 1) нетермостойкие (до 100С); 2) термостойкие (до 160С); 3) высокотермостойкие (до 220С).

Кварцевое стекло, малощелочные высокоглиноземистые боросиликатные стекла являются не только термостойкими, но и жаропрочными, т.е. выдерживают неоднократное воздействие высоких температур при одновременном действии нагрузки без значительной остаточной деформации.