Теплофизические свойства материалов. Зависимость свойств материалов от температуры.

Теплофизические свойства. Отношение к тепловому воздействию определяет технологические и эксплуатационные показатели качества материалов.

Мат-лы, используемые при строит-ве тепловых устано-вок: огнеупорные, теплоизоляционные, общестроительные. Св-ми данных мат-лов являются следующие:

- огнеупорность – способ-ть мат-ла выдерживать воздей-ствие высоких t-ур, не рас-плавляясь. Огнеупор-ть оце-нивается пар-ром огнеупор-ти, который показ-ет t-ру, при которой пирамида под наклоном коснется основания (пироскоп). По огнеупор-ти изделия классиф-ся: огнеупорные (1540-1770С), высокоогнеупорные (1770-2000С), высшей огнеупор-ти (>2000С). Все материалы, имеющие t-ру <1540С – легкоплавкие, к огнеупорам не относятся.

- строительная прочность опр-ся t-рой деформации под нагрузкой (изделие помещается в печь, сверху подается нагрузка Р=0,2МПа, далее следят с помощью микро-скопа за поведением образца: (ув-ся в размерах или под действием жидкой фазы сжимается). t-ра, при которой усадка составляет 4% сжатия (по отношению к h образца), наз-ся t-рой начала дефор-мации. t-ра полного разру-шения соотв-ет 40% сжатия.

- термостойкость – способ-ть мат-ла выдерживать пере-пад t-ур, не разрушаясь. Коэффициент термического расширения: .

Термостойкость огнеупоров оценивается показателем – количеством теплосмен, которые огнеупор выдерживает до потерь в массе 20%. Самый нетермостойкий материал – динас (выдерживает 1-2 теплосмены); Термостойкость увеличивается с повышением теплопроводности и прочности, уменьшением модуля упругости, увеличением однородности материалов.

-химический состав;

-фазовый состав;

-КТР.

Мера тепловой энергии, необходимая для повышения температуры материала на 1°С, называется теплоемкостью. Теплоемкость определяют экспериментально с помощью калориметров с использованием уравнения теплового баланса системы. Теплоемкость зависит от химического состава, строения материалов, их температуры и влажности. Удельная теплоемкость для стекла различных видов в интервале температур 15—100° С колеблется от 0,335 до 1,047 кДж/(кг-° С), природных и искусственных каменных материалов — от 0,754 до 0,921 кДж/(кгХ Х°С), для органических материалов она значительно выше, чем для неорганических.

При различии температур в материале происходит передача теплоты от более нагретых поверхностей к менее нагретым. Теплопроводность обусловлена колебательным движением частиц (керамика, природные камни, стекло) или движением электронов и столкновением их с атомами (металлы). Для минеральных кристаллических материалов теплопроводность уменьшается с повышением температуры, для аморфных материалов характерна обратная зависимость.

Мерой теплопроводности I является количество теплоты, передаваемое за единицу времени через единицу поверхности материала при разности температур в ГС. Ее находят экспериментально, основываясь на уравнении:

где 0 — количество теплоты, Дж; И — площадь сечения, перпендикулярная направлению теплового потока, м2; т — время прохождения теплового потока; А/ — разность температур, °С; б — толщина материала, м.

Величина, обратная теплопроводности, называется термическим сопротивлением. Теплопроводность уменьшается по мере усложнения химического состава материалов, строения их пространственной решетки, перехода от кристаллического строения к аморфному, однако в наибольшей мере она чувствительна к изменению пористости.

По мере увеличения пористости материалы насыщаются воздухом, имеющим наименьшую теплопроводность из известных веществ [0,023 Вт/(м-°С)]. Для материалов пониженной теплопроводности желательно мелкопористое строение, так как в этом случае практически незначителен перенос теплоты за счет конвекции, т. е. перемещения нагретого воздуха.

Теплопроводность — один из определяющих показателей качества теплоизоляционных материалов и материалов, применяемых для возведения стен и покрытий зданий.

Увеличение амплитуды колебаний при нагревании приводит к изменению межатомного расстояния и к тепловому расширению твердых тел. Для характеристики теплового расширения используют обычно температурный коэффициент линейного расширения, учитываемый при устройстве температурных швов, нанесении защитных покрытий, подборе составов композиционных материалов. Он характеризуется относительным удлинением образца при нагревании его на ГС. Температурный коэффициент линейного расширения органических полимерных материалов значительно больше, чем неорганических. Так, если для кварцевого стекла он равен 0,5-10~6, дюралюминиевого сплава 2,2-10~6, стали 12-10~6, то для поливинилхлорида (80—90) X ХЮЛ полиэтилена (160—230) • 10~~6 град"'.

При высоких температурах материалы могут разрушаться до начала плавления. Способность материалов противостоять химическому и механическому разрушению при высокой температуре называется жаростойкостью, а сохранять физико-механические свойства при воздействии огня в условиях пожара — огнестойкостью. Предел огнестойкости — продолжительность сопротивления воздействию огня до потери прочности. Предел огнестойкости, например, незащищенных металлических конструкций составляет 0,54, железобетона 1—2, бетона 2—5 ч. По степени пожарной опасности материалы делят на сгораемые, трудносгораемые и несгораемые. Примерами сгораемых являются многие органические материалы, а трудносгораемых — материалы органо-минерального происхождения (арболит, фибролит и др.). Для повышения огнестойкости применяют защитные вещества — антипирены (аммонийные соединения, борно- и фосфорнокислые соли, силикаты и др.).

27. Общая хар-ка печестроительных мат-лов.

При строит-ве промыш-х печей исп-ся 3 типа печестроительных мат-лов:

1- огнеупорные: это мат-лы, способные длительно выдерживать воздействие высоких t-ур в реальных условиях службы (например, физиические и химические воздействия, перепад t-ур). Данные мат-лы хар-ются св-ми: огнеупор-ть, строитель-ная проч-ть, термостойкость, химическая стойкость, фазовый состав.

Огнеупорность – способ-ть мат-ла выдерживать воздействие высоких t-ур, не расплавляясь. Огнеупор-ть оценивается пар-ром огнеупор-ти, который показывает t-ру, при которой пирамида под наклоном коснется основания (пироскоп). По огнеупор-ти изделия классифицируются: огнеупорные(1580-1770С), высокоогнеупорные(1770-2000С), высшей огнеупорности(>2000С). Все мат-лы, имеющие t-ру <1540С – легкоплавкие, к огнеупорам не относятся. (Механическая) строительная проч-ть опр-ся t-рой деформации под нагрузкой (изделие помещается в печь, сверху подается нагрузка Р=0,2МПа, далее следят с помощью микроскопа за поведением образца: (ув-ся в размерах или под действием жидкой фазы сжимается). t-ра, при которой усадка составляет 4% сжатия (по отношению к высоте образца), называется t-рой начала деформации. t-ра полного разрушения соотв-ет 40% сжатия.

Термостойкость – способ-ть мат-ла выдерживать перепад t-ур, не разрушаясь. Коэффициент термического расширения: . Термостойкость огнеупоров оценивается показателем – кол-вом теплосмен, которые огнеупор выдерживает без разрушения при последовательном нагревании до 1300⁰С и охлаждении в проточной воде (до потерь в массе 20%). Самый нетермостойкий материал – динас (выдерживает 1-2 теплосмены).

Химическо-минералогический состав 11 групп (больше 60-ти типов):

- кислые (динас SiO_{2 ,}больше 93%- в непрерывно действующих печах, в сводах печей, в зоне отжига туннельных печей)

- нейтральные (на основе Al₂O₃ - алюмосиликаты)

· Полукислые

· Шамотные

· Муллитовые, муллитокорундовые, муллитокремнеземистые, корундовые –высокоглиноземистые;

- основныеМагнезиальные (периклазовые MgO, доломитовые, магнезиально-шпинелидные MeOMe₂O₃, магнезитохромитовые, магнезиально-периклазовые, форстеритовые MgOSiO₂);

Классификация по форме и размеру:

- нормальные 23х113х65мм – прямоугольные

- клиновидные 230х113(65-55) мм

- фасонные, крупноблочные, пята свода, блоки шамотные для дна ванны (1х0,3х0,4)