Loredana CIOCIONOIU
Cercetri privind determinarea emisivitii aliajelor de
Cu-Ti-Gr
Cuprins
1.Introducere
......................................................................................................................3
2.Materiale compozite din Cu-Ti-Gr
.................................................................................6
2.1Nanomateriale i materiale compozite nanostructurate
.....................................6
2.2Elaborarea materialelor compozite pe baz de Cu-Ti-Gr
...................................12
3.Conceperea, proiectarea i realizarea practic a dispozitivului
pentru determinarea experimental a emisivitii materialelor
........................................................................20
3.1Emisivitatea materialelor
....................................................................................20
3.2Elemente de pirometrie IR
.................................................................................25
3.3Etapele determinrii emisivitilor materialelor
................................................28
3.4Proiectarea dispozitivului experimental
..............................................................28
3.4.1Alegerea elementului nclzitor
........................................................29
3.4.2Proiectarea sursei de alimentare
.......................................................30
3.4.3Alegerea sistemului de monitorizare prin efect
termoelectric ......33
3.4.4Alegerea sistemului de monitorizare a temperaturii prin
pirometrie IR
.....................................................................................................38
3.4.5Proiectarea sistemului de poziionare i fixare a
pirometrului IR ....39
3.4.6Realizarea sistemului de nclzire i monitorizare
...........................50
4.Program experimental de determinare a emisivitii materialelor
compozite ................56
4.1Stabilirea emisivitii materialului compozit
......................................................56
4.1.1Stabilirea manual a emisivitii
......................................................56
4.1.2Stabilirea automat a emisivitii
.....................................................58
4.2Experimentri de determinare a emisivitii materialului
compozit ...................59
5.Bibliografie
.....................................................................................................................64
Introducere
n accepiunea general expresia pies sinterizat definete o
component fabricat din materiale care n stare primar sunt sub form
de pulbere sau de granule. n cazul cel mai general, pentru obinerea
piesei sinterizate este necesar ca materialul s fie supus unei
operaii de prelucrare prin formare urmat de o operaie de tratament
termic numit tratament de sinterizare. Un material se consider
economic dac ndeplinete urmtoarele condiii: corespunde cerinelor
tehnice; prelucrarea lui se face fr dificultate; i se pot aplica
prelucrri ulterioare, mecanice i/sau termice; preul lui i al piesei
fabricate din el este ct mai sczut posibil.
Lucrarea de fa propune cercetarea experimental a procesului de
sinterizare a aliajelor de Cu-Ti-Gr utiliznd drept surs de nclzire
un generator de unde electromagnetice de nalt frecven. Dup cum se
cunoate din literatura de specialitate, una din probleme care apar
la sinterizarea cu microunde a materialelor este metoda de msurare
a temperaturii. Conform cercetrilor efectuate este aproape
imposibil utilizarea unor termocuple n cmp electromagnetic de nalt
frecven avnd n vedere influena cmpului electromagnetic asupra
efectului termoelectric, de aceea se recomand utilizarea
pirometriei ca metod de msurare non-contact a temperaturii.
Problema principal a pirometriei non-contact este dat de
emisivitatea materialelor. Dac pentru materiale cunoscute n natur
(aluminiu, cupru, fier, ceramic, plastic, etc.) este cunoscut
emisivitatea, pentru materiale compozite aceasta trebuie determinat
experimental.Lucrarea propune conceperea, proiectarea i realizarea
unui dispozitiv pentru determinarea emisivitii materialelor pentru
toate palierele de temperatur astfel nct s poat fi cunoscut
emisivitatea materialelor compozite care ulterior vor fi supuse
procesului de sinterizare cu microunde.Prezenta lucrare este
structurat n 4 capitole dup cum urmeaz: Primul capitol este unul
introductiv unde sunt prezentate condiiile care au condus la
studiul fenomenului. Tot n acest capitol este prezentat pe scurt i
sinteza studiilor efectuate n capitolele din lucrare Capitolul al
doilea se refer exclusiv la prezentarea studiul documentar al
materialelor compozite bazate pe aliaje de Cu-Ti-Gr pentru contacte
electrice cu prezentarea diverselor tehnologii care au condus la
obinerea de pastile pentru contacte electrice cu proprieti
superioare din punct de vedere electric i/sau mecanic Capitolul al
treilea reprezint partea de concepere, proiectare i realizare
practic a dispozitivului utilizat la determinarea experimental a
emisivitii materialelor compozite, pornind de la principiile de
msurare i paii care trebuie urmai astfel nct s se obin rezultatul
scontat. Etapele de proiectare vor fi: Cercetare documentar asupra
emisivitii materialelor Stabilirea temperaturii maxime necesare
radiate de ctre sursa termic Proiectarea sursei de putere pentru
alimentarea elementului radiant Alegerea termocuplei i a
dispozitivului pentru stabilirea temperaturii n procesul de nclzire
Proiectarea sistemului de fixare a pirometrului cu radiaie
infraroie Capitolul al patrulea este destinat programului de
cercetare experimental utiliznd echipamentul proiectat pentru
nivelul de temperatur solicitat de aplicaia de nclzire cu
microunde
Lucrarea se ncheie cu referinele bibliografice consultate de
autor i care reprezint att documentaia tehnic a echipamentelor
utilizate n dezvoltarea aplicaiei ct i alte informaii studiate de
studeni n cadrul notielor de curs de la disciplinele de
specialitate.
Materiale compozite din Cu-Ti-Gr
2.1 Nanomateriale i materiale compozite nanostructurate
Materialele nanostructurate constituie, la ora actuala, o
categorie de materiale de mare interes datorita unor proprietati
mecanice, fizice si chimice speciale si diferite de cele ale
materialelor conventionale (cu marimea grauntilor > 10 m) care
se datoreaza, in principal, starii de metastabilitate structurala
indusa de dimensiunile nanometrice ale grauntilor cristalini. Desi
termenul de nanometru (1 nm = 10-9m) reprezinta de cativa ani o
unitate de masura conventionala a grauntilor cristalini ai
materialelor nanostructurate, totusi secolul trecut este presarat
de cercetari sau estimari privind utilizarea nanomaterialelor
respectiv a nanotehnologiilor. Astfel, in 1905 Einstein publica o
lucrare stiintifica in care estimeaza ca diametrul moleculei de
zahar este de 1 nm. Pe masura dezvoltarilor instrumentelor
tehnologice avansate, in 1957 se atinge nivelul fabricatiei
tranzistorilor prin tehnologie planara. Peste cativa ani, in 1959,
cunoscutul fizician american Richard Feynman defineste, practic,
domeniul nano precizand ca Exist loc suficient la baz, domeniu ce
va avea sa devina cu adevarat posibil de cercetat abia dupa
dezvoltarea tehnologiilor avansate de analiza microscopica la nivel
nanometric. Astfel, in anul 1981 a aparut prima imagine a atomilor
individualizati (prin tehnica Scanning Tunneling Microscopy, STM)
de catre Binning si Rohrer, cercetatori la firma IBM.Din acel
moment, cercetatorii din domeniul ingineriei materialelor au fost
preocupati permanent de imbunatatirea proprietatilor materialelor
astfel incat acestea sa devina cat mai rezistente, rigide si usoare
simultan cu posibilitatea utilizarii acestora in medii agresive
(temperaturi ridicate, atmosfere corozive, presiuni inalte etc.)In
ultimele decenii s-au dezvoltat tehnologii avansate pentru
obtinerea de materiale cu structuri in afara de echilibru care sa
permita indeplinirea performantelor mai sus prezentate. Dintre
aceste tehnologii amintim: solidificarea rapida din stare lichida;
alierea mecanica; procesarea in plasma; depunerea in stare de
vapori. Scopul principal al procesarii materialelor prin aceste
tehnologii consta in realizarea de structuri metastabile (avand un
grad inalt de instabilitate structurala) prin parcurgerea a doua
etape: (1) activarea energetica a materialului prin transformarea
lui din faza solida in faza lichida sau gazoasa prin topire,
evaporare, iradiere, stocarea energiei mecanice etc.;(2) reducerea
nivelului energetic metastabil al structurii materialului prin
procedee de calire sau similare acestora in vederea obtinerii de
solutii solide suprasaturate, faze cristaline sau cvasicristaline
metastabile sau chiar amorfe care sa permita ulterior largi
posibilitati de modificare a structurii cristaline si/sau a
microstructurilor.
Materialele obtinute prin astfel de tehnologii sunt
caracterizate de valori superioare ale proprietatilor mecanice si
tehnologice fata de materiale similare elaborate prin tehnologii
clasice, conventionale. O noua varianta tehnologica de obtinere a
materialelor cu structuri metastabile este de reducere a
dimensiunii grauntilor cristalini in domeniul nanometric. Un
parametru definitoriu de caracterizare a nanograuntilor cristalini
este raportul dintre numarul de atomi de la limita acestora si
numarul de atomi din interiorul lor, raport ce poate fi cel putin
unitar. De asemenea, ordinea la mica distanta ce caracterizeaza
aranjamentul atomic la nivelul limitelor de graunti fata de ordinea
la mare distanta proprie structurii cristaline din interiorul
grauntilor reprezinta un alt parametru de definire a materialelor
nanocristaline. In figura urmatoare este reprezentata schematic si
comparativ structura grauntilor cristalini micrometrici respectiv
nanometrici.
a.
b.Fig.1.1 Reprezentarea schematica comparativa a structurii
grauntilor cristalini: a. micrometrici; b. nanometriciUn material
compozit reprezinta o combinaie ntre dou sau mai multe materiale
diferite din punct de vedere chimic, cu o interfa ntre ele.
Materialele constituente i menin identitatea separat (cel puin la
nivel macroscopic) n compozit, totui combinarea lor genereaz
ansamblului proprieti i caracteristici diferite de cele ale
materialelor componente n parte. Unul din materiale se numete
matrice i este definit ca formnd faza continu. Cellalt element
principal poart numele de armatura (ranforsare) i se adaug matricei
pentru a-i mbunti sau modifica proprietile. Armatura reprezint faza
discontinu, distribuit uniform n ntregul volum al matricei.Fibrele
sunt elementul care confer ansamblului caracteristicile de rezisten
la solicitri. n comparaie cu matricea, efortul care poate fi
preluat este net superior, n timp ce alungirea corespunztoare este
redus. Matricea prezint o alungire i o rezilien la rupere mult mai
mari, care asigur c fibrele se rup nainte ca matricea s cedeze.
Trebuie insa subliniat faptul c materialul compozit este un
ansamblu unitar, n care cele dou faze acioneaz mpreun, aa cum
sugereaz curba efort alungire pentru compozit. Considerate global,
principalele categorii de compozite armate cu fibre sunt urmtoarele
: Compozite cu matrice polimeric de obicei sunt rini termorigide
(epoxidice, poliimide sau poliesterice) sau termoplastice, armate
cu fibre de sticl, de carbon, de bor sau aramidice (Kevlar), cu
monocristale ceramice sau, mai recent, cu fibre metalice. Sunt
folosite mai ales n aplicaii care implic temperaturi relativ joase
de lucru (ajungnd, n mod excepional, pentru termoplastice fabricate
prin injecie, la nivelul maxim de 400 C). Compozite cu matrice
metalic cel mai frecvent se bazeaz pe aliaje de aluminiu, magneziu,
titan sau cupru, n care se introduc fibre de bor, de carbon
(grafit) sau ceramice (de obicei de alumin sau carbur de siliciu).
Temperatura de lucru (uzual de cel mult 800 C) a unui astfel de
compozit este limitat de nivelul punctului de nmuiere sau de topire
care caracterizeaz materialul matricei. Dac aplicaia avut n vedere
implic temperaturi mari, atunci se recomand folosirea ca matrice a
unor aliaje pe baz de nichel sau a unor superaliaje. Dezavantajul
acestora este c au greuti specifice mari, ducnd la creterea
masivitii structurii finale. Compozite cu matrice ceramic au fost
dezvoltate n mod special pentru aplicaiile cu temperaturi foarte
ridicate de lucru (peste 1000 C); cele mai utilizate materiale de
baz sunt carbura de siliciu (SiC), alumina (Al2O3) i sticla, iar
fibrele de armare uzuale sunt tot de natur ceramic (de obicei sub
form de fibre discontinue, foarte scurte). Compozite carbon-carbon
cu matrice de carbon sau de grafit i armare cu fibre sau esturi de
fibre de grafit; sunt foarte scumpe, dar i incomparabile cu alte
materiale prin rezistena la temperaturi nalte (de pn la 3000 C),
cuplat cu densitatea mic i coeficient mic de dilatere termica. Cele
mai rspndite sunt compozitele armate cu fibre sunt fibra de carbon,
fibra de sticla si Kevlar-ul.
esatura este una din cele mai rspndite forme in care se pot gsi
materialele compozite textile. Principalele tipuri de esturi de
carbon sunt: Plane: Acest mod de estur aterizeaz o alternant
simpla. Fiecare fir de urzeala trece alternativ peste i pe sub
fiecare fir de bttur. Orice tip de fir realizat din orice tip de
fibr poate fi utilizat pentru o astfel de estur. Avantajele acestei
esturi sunt stabilitatea i porozitatea rezonabil. Ca i dezavantaje
se numra draping-ul slab, nivelul nalt de ncreire al fibrelor care
provoac valori relativ joase ale proprietilor mecanice comparativ
cu alte esturi. Prin draping se nelege proprietatea unui material
textil de a se mula pe o suprafaa complex. Twill: Unul sau mai
multe fire de urzeala se es alternativ peste i pe dedesubtul a doua
sau mai multe fibre de bttur, ntr-o secven regulat i repetat,
astfel ncat sa se obin efectul vizual al unei linii diagonale
drepte sau ntrerupt, pe fata sau chiar pe dosul pnzei. Avantaje:
datorit increirii reduse, pnza are o suprafa plan i proprieti
mecanice mai bune. Satin: estura satin este n principiu o estur
diagonal modificat pentru a produce cteva intersectri ntre urzeala
i bttur, pentru a obine un aspect neted, deoarece punctele de
legatur nu sunt aranjate continuu. Ca rezultat al asimetriei, o
fata a pnzei are mai multe fire de urzeal, in timp ce cealalt are
mai multe fibre de bttur. estura crowfoot este o forma de estur
satin cu diferite zig-zaguri ntr-o figura repetat. Avantaje: estura
satin conduce la producerea de pnze cu greutate mare pe unitatea de
suprafa, foarte netede, cu un bun draping. Dezavantaje: trebuie
avut grij al asamblarea mai multor straturi ale acestei pnze pentru
a evita acumularea de tensiuni n produs datorit asimetriei.
Materialele compozite sunt materiale cu proprieti anizotrope,
formate din mai multe componente, a cror organizare i elaborare
permit folosirea caracteristicilor celor mai bune ale
componentelor, astfel nct materialul rezultat s posede proprieti
finale generale, superioare componentelor din care este alctuit.
Principalele proprieti ale materialelor compozite sunt: densitate
mic n raport cu metalele (compozitele din rini epoxidice armate cu
fibre de Si, B i C au densitate sub 2 g/cm3); rezisten sporit la
traciune, la oc i abraziune (de exemplu, n tabelul 1 se prezint
comparativ cinci materiale i lungimea la care se rupe o bar cu
seciunea de 1 cm2 sub greutatea proprie);
Tabel 2.1 Compararea rezistenei la rupere pentru unele
materialeMaterialOelTitanAluminiuSticlFibre de carbon
Lungine [km]5,4415,619,9524,678,8
coeficient de dilatare foarte mic n comparaie cu metalele;
durabilitate mare n funcionare (n aceleai condiii de funcionare, 1
kg de kevlar nlocuiete 5 kg de oel la o durat de funcionare
echivalent); capacitate mare de amortizare a vibraiilor (de circa 3
ori mai mare dect Al); siguran mare n funcionare (ruperea unei
fibre dintr-o pies fabricat din materiale compozite nu constituie
amors de rupere imediat a piesei); rezisten ndelungat la ageni
atmosferici (oxidare, coroziune etc.); stabilitate chimic i termic
la temperaturi nalte (fibrele de kevlar, teflon, hyfil pn la 500 0C
iar fibrele ceramice de tip SiC, S3N4 i Al203 pn la 1400 0C); n
procesul de elaborare nu solicit instalaii complexe i consumuri
energetice mari n comparaie cu materialele metalice.
Avnd n vedere proprietile deosebite ale materialelor compozite,
acestea se utilizeaz n numeroase domenii: domeniul construciei de
maini (lagre figura 1, rotoare de compresoare centrifugale, palete
de ventilatoare, biele, scule achietoare, scule pentru deformri la
rece sau la cald etc.); domeniul aerospaial (structuri de aeronave
figura 2, componente ale motoarelor funcionnd n regim termic
ridicat, sisteme de frnare etc.); domeniul transportului naval
(structuri pentru ambarcaiuni sportive i nave uoare, elemente
puternic solicitate ale motoarelor etc.); domeniul transportului
rutier (caroserii pentru autovehicule, sistemul de alimentare cu
combustibil, panoul de comand figura 3, sistemul de frnare etc.);
domeniul electronicii i electrotehnicii (componente pasive piese
diverse pentru imprimante, conductoare, conectoare, componente
active capsule pentru circuite integrate etc.); domeniul medical
(proteze), casnic etc.
2.2 Elaborarea materialelor compozite pe baz de Cu-Ti-Gr
Probele supuse procesului de sinterizare au fost mcinate i
presate n prealabil pentru a putea fi utilizate ca pastile.
Pulberea compozit a fost elaborat prin procedee mecanice prin
mcinarea acestora n moar planetar. Pentru experimentrile de
sinterizare au fost utilizate mai multe soluii de aliere i mcinare
mecanic pentru care au fost utilizai timpi diferii de procesare,
dup cum urmeaz: Raport pulbere/bile: 1:1, aliere mecanic timp de 1
or Raport pulbere/bile: 1:1, aliere mecanic timp de 2 ore Raport
pulbere/bile: 2:1, aliere mecanic timp de 1 or Raport pulbere/bile:
1:1, aliere mecanic timp de 2 ore
Pentru soluiile tehnologice propuse mai sus au fost nregistrai
parametrii de sistem termodinamic: temperatura procesului i
presiunea acestuia. Fiele procesului de aliere mecanic i graficele
obinute n urma nregistrrii valorilor sunt prezentate n cele ce
urmeaz.
FIA 1
Tabel 2.2 Parametrii de procesare pentru RPB 1:1, taliere = 1
hPulbere supus mcinriiCu-TiC(5%)-Gr(5%)
Viteza de rotaie a morii planetare600 rpm
Mediul de mcinareAer
Fig. 2.1 Temperatura i Presiunea cu RPB 1:1 i timp de aliere 1
h
FIA 2
Tabel 2.3 Parametrii de procesare pentru RPB 1:1, taliere = 2
hPulbere supus mcinriiCu-TiC(5%)-Gr(5%)
Viteza de rotaie a morii planetare600 rpm
Mediul de mcinareAer
Fig. 2.2 Temperatura i Presiunea cu RPB 1:1 i timp de aliere 2
h
FIA 3
Tabel 2.4 Parametrii de procesare pentru RPB 2:1, taliere = 1
hPulbere supus mcinriiCu-TiC(5%)-Gr(5%)
Viteza de rotaie a morii planetare600 rpm
Mediul de mcinareAer
Fig. 2.3 Temperatura i Presiunea cu RPB 2:1 i timp de aliere 1
h
FIA 4
Tabel 2.5 Parametrii de procesare pentru RPB 2:1, taliere = 2
hPulbere supus mcinriiCu-TiC(5%)-Gr(5%)
Viteza de rotaie a morii planetare600 rpm
Mediul de mcinareAer
Fig. 2.4 Temperatura i Presiunea cu RPB 2:1 i timp de aliere 2
hDup alierea mecanic a urmat comprimarea pulberilor n matrie. Au
fost realizate dou tipuri de comprimate crude n matri cilindric
unele cu diametrul de 8 mm, iar altele cu diametrul de 15 mm.
Pentru o organizare mai bun, au fost codificat probele i anume:
litera A reprezint amestecul utilizat (Cu-TiC(5%)-Gr(5%)): I
reprezint valoarea RPB 1:1 II reprezint valoarea RPB 2:1 literele
m/M reprezint bilele utilizate in proces (m-bile mici; M-bile
mari), cifra urmtoare reprezint tipul de aliere mecanic (1 o or AM;
2 dou ore AM), iar ultima cifr reprezint presiunea de compactare (5
- 500MPa; 7,5 750MPa). Rezultatele experimentale sunt prezentate n
tabelul 2.6.
Tabel 2.6 Parametrii probelor obinute prin presare dupa 1h/2h de
aliere mecanicCod probhmmmmmgVccm3g/cm3
A.I.m.1.51,980,550,954560,57
A.I.m.1.7,51,680,550,803840,68
A.I.M.1.51,880,540,904320,59
A.I.M.1.7,51,780,560,854080,65
A.I.m.2.52,180,551,055040,52
A.I.m.2.7,51,880,560,904320,62
A.I.M.2.51,880,560,904320,62
A.I.M.2.7,51,680,570,803840,70
A.II.m.1.52,180,561,055040,53
A.II.m.1.7,51,880,570,904320,63
A.II.M.1.52,180,571,055040,54
A.II.M.1.7,52,080,581,00480,57
A.II.m.2.52,080,571,00480,56
A.II.m.2.7,51,980,570,954560,59
A.II.M.2.52,080,561,00480,55
A.II.M.2.7,51,980,560,954560,58
Conceperea, proiectarea i realizarea practic a dispozitivului
pentru determinarea experimental a emisivitii materialelor
3.1 Emisivitatea materialelor
Emisivitatea (puterea de emisie) a unui material este cantitatea
de energie electromagnetic radiat cu lungimi de und cuprinse ntr-un
interval emis pe unitatea de timp de un element de suprafa al
materialului cu normala ntr-un unghi solid din jurul unei direcii
dat de unghiurile (, produsul scalar dintre normala i direcia
considerat) i raportat la ( este proiecia elementului pe planul
perpendicular pe direcia de emisie):
(3.1)
Ea depinde de temperatura absolut a materialului i poate depinde
nc de punctul ales pe suprafaa acestuia. Emisivitatea este legat de
absorptivitatea (puterea de absorbie) i reflectivitatea
materialului prin legile lui Kirchhoff:
(3.2)
unde AM este absorptivitatea, iar este o funcie independent de
material, numit "radiaia corpului negru". Uneori, se nelege prin
emisivitate raportul:
(3.3)
Acesta este un numr cuprins ntre 0 i 1, egal cu 1 numai atunci
cnd ("corpul negru"). n domeniul vizibil, emisivitatea mai este
numit i strlucirea materialului. Integrnd dup lungimile de und
obinem emisivitatea direcionat integral iar integrnd i dup unghiuri
obinem puterea de emisie total, care depinde numai de material i de
temperatur. Pentru un corp total absorbant (Corp absolut negru)
este adevrat legea lui Stefan:
(3.4)
unde = 5,65 10-12 W/(cm2K4)
Se spune c un material emite "dup legea lui Lambert", dac nu
depinde de unghiurile i . Fluxul luminos emis sub unghiul este
atunci:
(3.5)
Deoarece ochiul omenesc apreciaz strlucirea unui obiect raportnd
energia luminoas primit la suprafaa aparent ( ) a emitorului, un
obiect care emite "dup legea lui Lambert" pare la fel de luminos
independent de unghiul sub care e privit. n particular, un obiect
sferic "lambertian" care emite izotrop apare de la distan ca un
disc uniform luminat. Soarele este uor "nelambertian" deoarece este
mai luminos n centru dect pe margine.
Fig. 3.1 O sfer "lambertian" arat ca un disc uniform luminat
Informaiile din literatura de specialitate referitoare la
emisivitatea diverselor materiale sunt prezentate n tabelul
urmtor.
Tabel 3.2 Emisivitate unor materiale cunoscuteMATERIALDOMENIU
EMISIVITATESELECTARE IRtec
Aluminiu pur, plac polizat lustruit oxidat la 600 C plac de uz
curent 0,04 0,06 0,11 0,19 0,09LoE LoE LoE
Alam pur, plac polizat lustruit oxidat la 600 C 0,1 0,61 0,59LoE
LoE
Crom, polizat lustruit0,08 0,36LoE
Cupru polizat nclzit la 600C 0,05 0,57LoE LoE
Aur pur, polizat lustruit0,02 0,03LoE
Fier si otel (exclus inox) fier, polizat font, polizat font,
oxidat la 600C fier forjat, polizat fier forjat, oxidat mtuit fier,
plac ruginit otel, polizat otel, oxidat la 600C otel, plac laminat
otel, plac brut 0,14 0,38 0,21 0,64 0,78 0,28 0,94 0,69 0,07 0,79
0,66 0,94 0,97LoE LoE LoE LoE HiE LoE LoE LoE LoE HiE
Plumb, gri oxidat0,28LoE
Mercur0,09 0,12LoE
Molibden, filament0,10 0,20LoE
Nichel polizat plac, oxidat la 600C 0,07 0,37 0,48LoE LoE
Platin pur, plac polizat srm 0,05 0,10 0,07 0,18LoE LoE
Argint pur, polizat0,02 0,03LoE
Otel inox polizat tip 310, oxidat n cuptor 0,07 0,90 0,97LoE
HiE
Staniu, strlucitor0,06LoE
Tungsten, filament mbtrnit0,03 0,35LoE
Zinc pur, comercial, polizat plac galvanizat 0,05 0,21LoE
LoE
Azbest0,93 0,94HiE
Crmid rosie, brut argil refractar 0,93 0,75HiE HiE
Carbon filament negru de fum, depozit brut 0,53 0,78 0,84HiE
HiE
Sticl (Pyrex, cu plumb, carbonat)0,85 0,95HiE
Marmur, gri luminos, polizat0,93HiE
Vopsele, lacuri email alb lac negru de aluminiu de ulei, 16
culori 0,91 0,96 0,98 0,27 0,67 0,92 0,96HiE HiE LoE HiE
Portelan, glazurat0,92HiE
Cuart, opac0,68 0,92HiE
Ap0,95 0,96HiE
Lemn de stejar, neted0,90HiE
3.2 Elemente de pirometrie IR
Pirometru cu infrarou (cu radiaie spectral) este un echipament
care sesizeaz radiaiile infraroii emise de corpurile nclzite, n
funcie de emisivitatea materialului.
Fig. 3.2 Msurarea temperaturii cu pirometru cu infrarou
Acurateea msurtorilor este dependent de respectarea unor legi
caracteristice radiaiilor care indic gradul de absorie i reflexie
al acestora. La msurarea temperaturii cu pirometru cu infrarou
caracteristicile radiante ale corpului negru i sursele de cldur
pentru proba supus nclzirii determin relaia:
(3.6)
a.
b.Fig. 3.3 Principiul de msurare al pirometrului cu infraroua.
echilibrul undelor la interaciunea cu un corp, b. caracteristicile
radiante ale corpului negru
Senzorii de radiaie infrarou au la baz dou fenomene de conversie
a radiaiei infrarou n semnal electric. Acetia pot fi senzori
cuantici care poart numele de fotodiode al cror principiu de
funcionare const n apariia de perechi de sarcini electrice atunci
cnd sunt lovite de un fascicul de fotoni existent n unda emis n
spectrul infrarou, respectiv senzori termici al cror principiu de
detecie a temperaturii const n nclzirea proprie sub impactul undei
emise n infrarou. Senzorii termici funcioneaz ca un termocuplu ceea
ce conduce la apariia unei ntrzieri n afiarea temperaturii msurate,
ntrzierea fiind de ordinul mili- sau nanosecundelor.Constructiv
pirometrele cu infrarou sunt concepute n funcie de aplicaia
solicitat. n cazul unei msurri a temperaturii ntr-un mediu cu
puternice interferene electrice i magnetice (cum ar fi cmpul de
microunde) se utilizeaz pirometru cu infrarou cu fibr optic unde
datorit lipsei componentelor electronice nu exist pericolul unei
msurri eronate prezentat n figura. Un alt tip de pirometru cu
infrarou cu dou culori, denumirea provine datorit utilizrii a dou
lungimi de und diferite care conduc la modificarea culorii
vizibile, care sunt constituite din dou canale optice i electrice n
acelai dispozitiv, msurarea realizndu-se prin determinarea energiei
radiante ntre dou benzi nguste ale lungimilor de und care sunt
foarte apropiate. a.
b.Fig. 3.4 Pirometru infrarou cu fibr optica. pirometru CT
Laser, b. dependena suprafa vizat funcie de distana de msurare3.3
Etapele determinrii emisivitilor materialelor
n cazul prezentei lucrri au fost supuse sinterizrii cu microunde
compozite formate din cupru-carbur de titan-grafit cu un procent
foarte mare de curpu ceea ce a indicat caracterul metalic al
compozitului. Este evident c fiind vorba de un material compozit nu
se poate alege una din emisivitile prezentate n tabelul anterior. n
aceast situaie singura soluie este aceea de a determina
emisivitatea materialului prin metode experimentale. Sunt cinci
modalitti de a determina emisivitatea materialului, asigurnd
precizia msurtorilor de temperatur: 1. Se nclzete o prob dintr-un
material la o temperatur cunoscut folosind un senzor precis i se
msoar temperatura folosind aparatul IR. Se regleaz valoarea
emisivitii pn cnd indicatorul va arta temperatura corect. 2. Pentru
temperaturi relativ sczute (pn la 200 C), poate fi msurat o bucat
de band cu emisivitatea de 0,95. Apoi se regleaz valoarea
emisivitii pn cnd indicatorul va arta temperatura corect a
materialului. 3. Pentru temperaturi ridicate, poate fi spat n
obiect o gaur (a crei adncime este de cel putin 6 ori diametrul).
Aceasta se comport ca un corp negru cu emisivitatea de 1. Se msoar
temperatura n gaur, apoi se regleaz valoarea emisivitii pn cnd
indicatorul va arta temperatura corect a materialului. 4. Dac
materialul, sau o poriune din el, poate fi izolat, un strat de
vopsea neagr nelucios va avea o emisivitate de aproximativ 1,0. Se
msoar temperatura stratului de vopsea, apoi se regleaz valoarea
emisivitii pn cnd indicatorul va arta temperatura corect. 5. Exist
valori standard ale emisivitii pentru majoritatea materialelor.
Acestea pot fi introduse n aparat pentru a estima valoarea
emisivitii materialului.
3.4 Proiectarea dispozitivului experimental
Proiectarea dispozitivului experimental de determinare a
emisivitii materialului const n efectuare urmtoarelor etape:
Alegerea elementului nclzitor Proiectarea sursei de alimentare
Alegerea sistemului de monitorizare a temperaturii prin efect
termoelectric Alegerea sistemului de monitorizare a temperaturii
prin pirometrie IR Proiectarea sistemului de poziionare i fixare a
pirometrului IR Realizarea sistemului de nclzire i monitorizare
3.4.1 Alegerea elementului nclzitor
Pentru aplicaia propus de sinterizare a materialelor compozite
pe baz de Cu-Ti-Gr se apreciaz o temperatur de sinterizare de maxim
8500 C. Totui, prin proiectare, se dorete ca dispozitivul s poat fi
utilizat la determinarea emisivitilor unor materiale cu temperaturi
de sinterizare mai mari. Avnd n vedere c emisivitatea materialelor
variaz pe dou paliere de temperatur (2000 C, respectiv peste 6000
C), dispozitivul proiectat va atinge o temperatur de maxim 10000 C.
La acest nivel al temperaturii toate materiale au emisiviti stabile
i deci nu este necesar obinerea unei temperaturi apropiate de
temperatura de sinterizare.Se alege pentru aplicaia propus o bar
din silit, material utilizat cu preponderen la construcia
cuptoarelor de tratament termic i care este prezentat n figura
urmtoare:
Fig. 3.5 Element nclzitor
3.4.2 Proiectarea sursei de alimentare
Proiectarea sursei de alimentare impune calcul electromagnetic
al sursei de alimentare pentru asigurarea unei tensiuni necesare
optime astfel nct elementul nclzitor s poat atinge prin efect Joule
temperatura prescris de 10000 C. Conform literaturii de
specialitate, pentru silit se poate utiliza o tensiune alternativ
ca surs de alimentare. Calculul de proiectare impune determinarea
curentului maxim absorbit pentru dimensionarea corect att a sursei
ct i a cordoanelor de legtur. Determinarea rezistenei electrice a
barei de silitSe realizeaz prin msurare direct n dou puncte conform
figurii urmtoare. n urma procesului de msurare se obine o valoare a
rezistenei Rsilit = 8,34 .
Fig. 3.6 Msurarea direct a barei de silit Calculul curentului
maxim absorbit al surseiSe propune o surs de alimentare avnd Umax =
230 V curent alternativ care poate varia n intervalul 0 230 V c.a.
Determinarea curentului maxim se realizeaz la o valoare intermediar
pentru a proteja rezistena de silit la distrugere termic. Se aleg
pentru proiectare dou tensiuni de alimentare pentru care se vor
calcula curenii absorbii. U1 = 75 VSe aplic legea lui Ohm:
Se stabilete un curent maxim: I1 = 9 A.
U2 = 100 VSe aplic legea lui Ohm:
Se stabilete un curent maxim: I1 = 12 A.
Determinarea seciunii conductoarelor circuitului exterior pentru
curentul maximAvnd n vedere c n calculul de dimensionare al
conductorului de alimentare se utilizeaz cel mai mare curent, se
alege soluia tehnic cea mai defavorabil pentru un curent maximal de
12 A. Se alege pentru calcul de dimensionare un conductor
multifilar din cupru cu utilizare n regim permanent cu izolaie de
cauciuc sau PVC i care funcioneaz la temperatura mediului ambiant,
conform tabelului urmtor:
Tabel 3.3 Intensitile maxime admisibile ale curenilor i
seciunile acestoraSeciunea conductorului[mm]Intensitatea maxim
admisibil a curentului[A]
Conductoare de cupruConductoare de aluminiu
Libern aern tubLibern aern tub
234234
117161514----
1,523191716----
2,53027252524201919
44138353032282823
65046424039363230
108070605060504739
1610085807575606055
2514011510090105858070
351701351251151301009585
50215185170150165140130120
70270225210185210175165140
95330275255225255215200175
120385315290260295245225200
150440360330-340275265-
185510---390---
240605---465---
300695---535---
400830---645---
Se alege din tabel un conductor cu seciunea de 1 mmp pozat n aer
liber, fiecare din cele dou conductoare de alimentare putnd suporta
un curent maxim de 17 A. Alegerea sursei de alimentareAlegerea
sursei de alimentare presupune ndeplinirea urmtoarelor condiii
minime de funcionare: S poat susine curentul maxim absorbit de 12 A
la nivelul de tensiune solicitat de 100 V S poat asigura o variaie
a tensiunii de alimentare n intervalul 0 100 V astfel nct s se poat
crete sau descrete temperatura n funcie de aplicaie. Avnd n vedere
c determinarea emisivitii se va realiza pentru o temperatur sau un
set de valori ale temperaturii este necesar asigurarea unei
tensiuni electrice de alimentare care s limiteze n unele cazuri
curentul maxim absorbit pentru a menine o temperatur mai sczut
celei de 10000 C.Se alege prin proiectare un autotransformator
monofazat cu puterea maxim de 15 kW cu protecie la mpmntare,
prezentat n figura urmtoare:
Fig. 3.7 Surs de alimentare a barei de silit
3.4.3 Alegerea sistemului de monitorizare prin efect
termoelectric
Efectul termoelectric care mai poart numele i de efect Seebeck
poate fi enunat n felul urmtor: dac temperatura contactului dintre
dou metale difer de cea circuitului, apare o tensiune
electromotoare termoelectric. Relaia care guverneaz efectul
termoelectric este urmtoarea:
(3.7)Dac coeficienii Seebeck sunt de valoare constant, relaia
anterioar devine:
(3.8)
Sistemele de sesizare care au la baz efectul termoelectric
funcioneaz conform ilustraiei urmtoare:
Fig. 3.8 Efectul termoelectric
unde: SA, SB coeficientul Seebeck al materialului A i B, iar T1,
T2 temperatura primei i celei de a doua jonciuni. Ca i dispozitive
pentru msurarea temperaturii prin efect termoelectric se evideniaz
termocuplele. Termocupla este un senzor utilizat pentru msurarea
temperaturii ce funcioneaz pe baza efectului Seebeck, care conduce
la formarea unei diferene de potenial electric pe baza unei
diferene de potenial termic.
Fig. 3.9 Msurarea temperaturii cu termocuplu
Termocuplul se compune din dou fire din metale diferite, numite
termoelectrozi, sudate la un capt. Captul sudat se numete sudur
cald, iar celelalte capete se numesc capete libere ale
termocuplului, se leag prin conductoarele de legtur la aparatul
electric pentru msurarea forei termoelectromotoare. Legturile
dintre capetele libere i conductoarele de legtur constituie sudura
rece. Temperatura sudurilor reci trebuie meninut la o valoare
constant. Deoarece termoelectrozii au o lungime maxim de 200cm, din
care dou treimi intr n cuptorul n care se msoar temperatura, sudura
rece se va gsi totdeauna n apropierea cuptorului. Acesta fiind la
temperatur ridicat, degaj cldur i creeaz n jurul lui o temperatur
mai ridicat dect a camerei i variabil n timp. Din acest motiv, ct i
pentru c este incomod s se realizeze sudura rece n imediata
apropiere a cuptorului, s-a cutat s se deplaseze sudura rece n alt
parte, unde se poate menine o temperatur constant. Rezolvarea
problemei a fost prelungirea termoelectrozilor cu alte conductoare
de aceeai natur, n general chiar din acelai material. n felul
acesta la contactul dintre conductoarele de prelungire i firele
termocuplului nu se formeaz un termocuplu, deci nu ia natere fora
termoelectromotoare. Aceste fire se numesc cabluri de compensare i
sunt complet separate de termocuplu, legtura executndu-se numai la
montarea termocuplului. Principalele tipuri de termocuple cu
domeniile acestora de utilizare sunt prezentate n tabelul
urmtor.
Tabel 3.4 Caracteristicile i domeniile de utilizare ale
termocuplelorTermocupluSimbolPolaritateaLimita de utilizare
(oC)T.t.e.m.
MinimMaximMaxim
continuuintermitent(mV)
Fier-ConstantanJFe + Const --20060076042,922
Cupru-ConstantanTCu + Const --27040040020,869
Cromel-Constantan ECromel + Const --270600100076,358
Cromel-Alu-Mel(NiCr-Ni)KCromel+ Alumel --2701000137054,807
Cupru-Copel-Cu + Copel --2001001004,721
Cromel-Copel-Cromel + Copel - 060080066,470
PtRh(lo%)-PtSPtRh(l0) + Pt -01400176018,612
PtRh(13%)-PtRPtRh(13) + Pt -01400176021,006
PtRh(30%)-PtRh(6%)(PtRh-18)BPtRh(30) + PtRh(6)
-01700182013,814
PtRh(20%) PtRh(5%)-PtRh(20) + PtRh(5) -01700179012,509
IrRh(40%) Ir-IrRh(40) + Ir -02000215011,612
IrRh(5o%) Ir-IrRh(50) + Ir -02000214012,224
IrRh(60%) Ir -IrRh(60) + Ir -02000210011,654
WRo(5%) -WRo(25%)-WRo(5) + WRo(25) -02300250033,636
WRo(3%) -WRo(25%)-WRo(3) + WRo(25) -02300240040,678
Cromel -FeAu(0,07)-Cromel + FeAu(0,07) --273-052,629
Prin proiectare se alege, din tabelul de mai sus, pentru
aplicaia dat o termocupl tip K cu temperatura maxim de 10000 C la
msurarea n regim continuu. Termocupla utilizat n cadrul
experimentrilor se poate regsi n figura de mai jos.
Fig. 3.10 Alegerea sistemului de sesizare prin efect
termoelectricLa termocupla aleas prin proiectare se ataeaz un
sistem traductor care va afia temperatura pe un display LCD sau o
va transmite printr-o interfa serial RS 232 ctre un sistem de
calcul.
3.4.4 Alegerea sistemului de monitorizare a temperaturii prin
pirometrie IR
Alegerea sistemului de monitorizare a temperaturii prin
pirometrie IR presupune identificarea condiiilor de monitorizare
dup cum urmeaz: Stabilirea domeniului maxim de temperaturStabilirea
domeniului maxim de temperatur este dat de aplicaia solicitat.
Majoritatea aplicaiilor de sinterizare ating temperaturi de peste
5000 C n zona minim de msurare i depesc 14000 C la extremitatea
superioar a intervalului de msurare. Se prevede n acest mod un
sistem de msurare a temperaturii non-contact avnd un domeniu de
msurare ntre 500 14000 C. Se alege prin proiectare un pirometru
OPTRIS CT GLASS G5H existent n dotarea laboratorului de procesare a
materialelor n cmp de microunde, prezentat n figura urmtoare:
Fig. 3.11 Pirometru IR Opris CT Glass G5H
Determinarea distanei focale i a dimensiunii piesei
monitorizatePentru determinarea distanei focale este necesar a se
stabili care este dimensiunea maxim a pieselor supuse procesusului
de sinterizare. Aa cum s-a prezentat n capitolul anterior pentru
aplicaia de sinterizare cu microunde au fost elaborate piese cu
dimensiuni de 8 mm, respectiv 15 mm. Distana focal se va determina
din cartea tehnic a pirometrului din figura urmtoare.
Fig. 3.12 Determinarea distanei focale
Se observ din figura anterioar c pentru: Probe cu diametrul de 8
mm este necesar asigurarea unei distane de 400 mm Probe cu
diametrul de 15 mm este necesar asigurarea unei distane de 200
mm
3.4.5 Proiectarea sistemului de poziionare i fixare a
pirometrului IR
uruburile destinate fixrii se execut n general din oel carbon i
oel carbon de calitate, mai rar din oel aliat. innd seama de mrimea
solicitrilor, rezistena piesei i criteriul rezisten ridicat
greutate minim pre de cost sczut, se alege pentru urub, oel carbon
de calitate mare: OLC 45 n stare normalizat. Caracteristicile
mecanice ale acestuia sunt prezentate n tabelul 3.1:
Tabel 3.5 Caracteristicile mecanice ale oelului OLC
45MaterialSTASSimbolStareaCaracteristici mecanice
Limita de curgere[MPa]Rezistena de ruperela
traciune[MPa]Duritate
Miez [HB]Suprafa[HRC]
Oel carbon de calitate pentru t. t. de mbuntire880 80OLC
45N360610Max. 235
Piuliele se recomand s se execute din materiale antifriciune n
scopul evitrii uzurii premature a urubului. Deci acesta se execut
din materiale care mpreun cu oelul s dea un coeficient de frecare
ct mai mic. Din acest motiv se propune realizarea piuliei din font
cu grafit nodular marca Fgn 400. Cum piulia este parte component a
menghinei i menghina va fi confecionat din acelai material.
Tabel 3.6 caracteristicile mecanice al fontei Fgn
400MaterialulSTASSimbolCaracteristici mecanice
Rezistena la traciune[MPa]Limita de curgere[MPa]Duritate[HB]
Font cu grafit nodular turnat n piese6071 75Fgn 400400250150 -
200
Calculul de predimensionare urubului
Tija urubului este solicitat compus la traciune de ctre fora F i
la torsiune de ctre momentul de torsiune T. n aceast faz, se
consider c tija urubului este solicitat doar la traciune de ctre o
for Fc, dat de relaia:
Fc = F x K(3.9)unde: F este sarcina de fixare a pieselor
(acoperitor se consider c aceast for este egal cu F = 8000 N); K
este coeficientul de torsiune al tijei urubului care difer n funcie
de tipul sistemului, astfel la menghine simple K = 1,2..1,3.
Rezult aadar o for de calcul egal cu:Fc = 8000 1,27 = 10160
NDiametrul tijei urubului, se determin din solicitarea de
traciune:
(3.10)
unde: k: coeficient ce ine seama de solicitarea suplimentar la
torsiune (k = 1,251,3 1,27) rezistena admisibil la traciune: ,
at(c)= 0,3 x 360 = 108 Mpaunde: Cc coeficient de siguran (Cc=
0,3)
Rezult astfel diametrul predimensionat al tijei urubului:
ds ==11,99 mm
Se consider d = 16 [mm]. Valoarea lui d, calculat anterior, se
standardizeaz (STAS 2234 75, din care se alege diametrul urubului
de 16 mm), aceasta fcndu-se pentru ncadrarea ntr-o dimensiune din
irul 1. Dup standardizarea lui d, dimensiunile filetului ales se
trec n tabelul de mai jos:
Tabel 3.7 Dimensiunile principale ale filetului conform STAS
2234-75Diametrul nominal d [mm]PasP [mm]Diametrul
mediud2=D2[mm]Diametrul exteriorD4 [mm]Diametrul interior
Sir 1Sir2Sir341416,5d3(di)D1
1611,512
=>Simbolul filetului este M 16x4
Verificarea condiiei de autofrnareCondiia de autofrnare este
verificat dac:
2 condiia de autofrnare este satisfcut.
Calculul nlimii piulieiSe determin numrul de spire al piuliei
din condiia de rezisten la strivire a spirelor filetului ca
fiind:
(3.12)
unde: Fc fora (Fc = 10160N); d, D- dimensiunile filetului (din
tabelul 3.1);
p- are valori mici pentru evitarea expulzrii lubrifiantului
dintre suprafee i deci, uzura prematur a acestora p= 7..13
[MPa].
Se recomand ca z[5..12].
z =
deci numrul de spire ales este z = 10 spire. Stabilirea nlimii
piuliei se face cu ajutorul relaiei:
(3.13)
unde: - nalimea util a piuliei =zp=104=40 mm c teitura
filetului:
c
de unde rezult mm Determinarea diametrului exterior al piuliei
Se alege varianta de piuli fr guler, dat fiind faptul c piulia este
parte component cuprins n corpul menghinei, adoptnd constructiv
mrimea teiturilor:
c=c=2 mm n aceast situaie diametrul exterior se alege din
condiia de rezisten la traciune:
(3.14)
unde rezistena admisibil la strivire este: as = 0,8 360 = 288
Mpa.
Rezult:
Constructiv se alege De=22 mm. Nu toate dimensiunile rezult din
calcule, ele se aleg constructiv de ctre proiectant urmrind
ulterior s se verifice. De multe ori dimensiunile alese constructiv
trebuie s asigure un design al soluiei. n continuare se dau cteva
recomandri de alegere a acestor dimensiuni pentru cricul cu urub
rotitor.
ds3 =(1,71,9)d => ds3 = 1,816=28,8mm ds2 =(0,60,9)d => ds2
= 0,816=12,8mmds1= ds2 - (23) => ds1 = 12,8 2,8=10mmDc= ds2
+(12) => Dc = 12,8+1,2 =14 mmL1=(1,11,2) ds1=>
L1=1,1510=11,5mmL2=(0,30,4) d => L2=0,3516=5,6mmL3=(1,41,6) d
=> L3=1,3516=21,6mmL4=(1,52) p => L4=1,84=7,2mm
Verificare filetului urubului i piuliei la forfecare
Verificarea la forfecare se face cu ajutorul relaiei:
(3.15)
Pentru urub verificarea are forma:
(3.16)
(3.17)
De unde rezult:
Din relaii rezult faptul c:
deci condiia de rezisten la forfecare a tijei urubului este
ndeplinit. Pentru piuli verificarea are forma:
(3.18)
(3.19)
De unde rezult:
Din relaii rezult faptul c:
, deci condiia de rezisten la forfecare a piuliei este
ndeplinit. Verificare urubului (tijei) i piuliei (corpului) la
solicitri compuseurubul i piulia sunt solicitate compus la fora
axial i momentul de rsucire. Verificarea se face dup ipoteza cea
mai defavorabil, teoria tensiunilor tangenial maxime cu relaia:
(3.20)
Pentru urub verificarea are forma:
(3.21)
(3.22)
(3.23)
(3.24)
(3.25)
(3.26)
unde t reprezint tensiunea tangenial produs de solicitarea de
torsiune. Rezult:
care este tensiunea normal efectiv produs de solicitarea axial.
Rezistena admisibil la care trebuie fcut raportarea este o funcie
de limita de curgere a materialului urubului:
ac=360 x 0,4 = 144
Din relaii rezult faptul c:
deci condiia de rezisten la forfecare a piuliei este ndeplinit.
Pentru piuli verificarea are forma:
(3.27)
(3.28)
(3.29)
(3.30)
(3.31)
(3.32)
de unde rezult:
Rezistena admisibil la care trebuie fcut raportarea este o
funcie de limita de curgere a materialului piuliei:
ac = 250 x 0,4 = 100
Din relaii rezult faptul c:
deci condiia de rezisten la forfecare a piuliei este
ndeplinit.
3.4.6 Realizarea sistemului de nclzire i monitorizare
Realizarea sistemului de nclzire i monitorizare presupune de
fapt crearea unui cuptor de tratament termic n miniatur la care
sistemul de sesizare a temperaturii prin efect termoelectric
trebuie s fie n contact cu materialul compozit pentru a sesiza
temperatura acestuia i nu temperatura din interiorul cuptorului aa
cum se ntmpl n prezent. Aceast soluie tehnologic va permite
atingerea temperaturii prescrise pe suprafaa piesei ntr-un timp
foarte scurt fr a mai fi necesar stabilirea echilibrului
termodinamic n cuptor. Principial sistemul de nclzire i
monitorizare se poate vizualiza n figura urmtoare:
Fig. 3.13 Schem de principiu a dispozitivului proiectat
Descrierea dispozitivuluiDispozitivul este realizat din dou
crmizi refractare suprapuse (figura 3.14) care simuleaz o vatr de
tratament termic. n interiorul crmizii refractare inferioare este
realizat un canal n care este poziionat rezistena din silit.
Canalul urmrete profilul rezistenei astfel nct aceasta se sprijin
pe suprafaa crmizii cu cele dou extremiti cu seciuni mai mari.
Aceast soluie a fost adoptat pentru a putea realiza conexiunile
electrice la sursa de putere, aceste extremiti fiind utilizate doar
ca zon de conectare nefiind supuse efectului electrocaloric. Zona
de mijloc de seciune mai subire a rezistenei din silit nu este n
contact cu crmida refractar inferioar pentru a evita supranclzirea
rezistenei i evident distrugerea termic a acesteia.
Fig. 3.14 Crmizile refractare care formeaz vatra cuptorului
Se menioneaz faptul c extremitile supuse contactului electric
sunt situate sub nivelul suprafeei normale a crmidei refractare
inferioare. Aceast soluie a fost adoptat pentru a exista o zon de
sprijin pentru suportul metalic al materialului compozit. n contact
cu materialul compozit este pus termocupla de tip K (figura 3.15)
aleas prin proiectare i prezentat n paragrafele anterioare.
Fig. 3.15 Canalul pentru poziionarea termocupleiCea de a doua
crmid (superioar) este aezat pe crmida refractar inferioar. Pentru
a evita supranclzirea rezistenei de silit, n crmida refractar
superioar a fost realizat o decupare astfel nct spaiul radiant
creat s simuleze vatra unui cuptor de tratament termic. n zona
central a crmidei refractare superioare s-a efectuat o perforare
sub forma unui trunchi de con pentru accesul laserului de marcare
al pirometrului cu infrarou. S-a optat pentru o perforare sub forma
unui trunchi de con deoarece fasciculul de marcare laser i
principiul focal al pirometrului au o form geometric conic. O
perforare cilindric ar fi condus la riscul ca laserul de marcare s
ating pereii interiori ai crmidei refractare superioare i implicit
la o msurare eronat a temperaturii.
Fig. 3.16 Sistemul asamblat
Funcionarea dispozitivuluiDeterminarea emisivitii materialului
compozit se poate realiza dac sunt urmai cu strictee urmtorii pai:
Se poziioneaz materialul compozit pe suportul metalic n centrul
acestuia Se verific dac termocupla este n contact cu suprafaa
exterioar a materialului compozit. Este foarte important ca
elementul activ de sesizare al termocuplei s fie poziionat exact n
punctul marcat de fasciculul laser al pirometrului Se aeaz crmida
refractar superioar cu atenie, astfel nct perforarea conic s fie
exact pe materialul compozit supus studiului. Verificarea
poziionrii corecte se realizeaz prin aplicarea fasciculului laser
pe suprafaa materialului compozit. Se verific integritatea
conexiunilor electrice la rezistena din silit i la sursa de
alimentare Se verific funcionalitatea termocuplei prin pornirea
aparatului de msurare care va trebui s indice o temperatur egal cu
temperatura ambiant. n cadrul acestei verificri se va avea n vedere
ca aparatul de msurare s aib selectat de la butonul SENSOR opiune
K. n caz contrar valoarea msurat de termocupl i afiat de aparat va
fi una eronat. Se pornete pirometrul i se verific buna
funcionalitate a acestuia. n funcie de compoziia procentual a
materialului i culoarea acestuia se preseteaz cea mai apropiat
valoare a emisivitii Se pornete instalaia de alimentare i se comut
uor cursorul autotransformatorului la valoarea 100 V care poate fi
citit att de pe tablia cursorului ct i de la indicaia voltmetrului
ataat. Se verific vizual nclzirea rezistenei de silit i valorile
afiate att de pirometru ct i de termocupl Se ateapt pn cnd valoarea
nregistrat de termocupl este egal cu valoarea temperaturii la care
se dorete a se efectua sinterizarea, dup care se trece la
modificarea manual a tensiunii de alimentare pn cnd se obine o
temperatur constant a materialului compozit Se modific manual sau
automat emisivitatea pirometrului pn cnd valoarea nregistrat de
acesta corespunde cu cea furnizat de sistemul de msurare
termoelectric Se oprete alimentarea sursei de putere i se ateapt
rcirea materialului compozit
Program experimental de determinare a emisivitii materialelor
compozite
4.1 Stabilirea emisivitii materialului compozit
Emisivitatea unui material poate fi stabilit n dou moduri i
anume prin introducerea valorii emisivitii n mod manual sau prin
utilizarea unei aplicaii software specializate care de obicei este
furnizat de productorul pirometrului cu radiaie infraroie. Ambele
variante pornesc de la momentul msurrii temperaturii dorite cu
elementul de sesizare termoelectric.
4.1.1 Stabilirea manual a emisivitii
Procedura de stabilire manual a emisivitii poate fi realizat
prin introducerea manual a valorii emisivitii n componenta hardware
a pirometrului cu radiaie. n cazul aplicaiei de fa semnalul
furnizat de pirometru este procesat de ctre o component electronic
ce nsoete pirometrul i care este prezentat n figura 4.1. Rolul
convertorului analogic digital este de a transforma semnalul
analogic furnizat de ctre pirometru cu radiaie IR ntr-un semnal
digital care poate fi interpretat de un sistem de calcul.
Comunicarea dintre dispozitiv i calculator este realizat printr-o
interfa serial universal de tip USB. Convertorul poate furniza de
asemenea un semnal original de la pirometru ctre un alt dispozitiv
de analiz, nregistrare i comand a proceselor de nclzire.
Fig. 4.1 Convertor analogic digital cu interfa serial
Aplicaia hardware care nsoete pirometrul cu radiaie infraroie
permite introducerea manual a emisivitii dac este cunoscut
temperatura obiectului vizat la un moment dat. Modul n care se
poate realiza acest lucru este prezentat n paii urmtori: Se apas
butonul MODE de pe suprafaa interfeei electronice
Fig. 4.2 Interfaa electronic cu utilizatorulPrin apsarea
succesiv a butonului MODE se trece prin ntreaga secven programabil
a pirometrului. Setarea emisivitii devine posibil atunci cnd pe
ecranul LCD al interfeei apare simbolul E. n dreptul acestui simbol
va apare emisivitatea curent a pirometrului. Valorile acestei pot
fi ntre 0 1. Se apas succesiv butoanele UP sau DOWN pentru creterea
sau descreterea valorilor emisivitii. Se noteaz faptul c pirometrul
accept setarea unei emisiviti cu trei zecimale ceea ce arat
sensibilitatea ridicat a dispozitivului.
4.1.2 Stabilirea automat a emisivitii
Pe lng posibilitatea introducerii manuale a emisivitii aplicaia
software care nsoete pirometrul asigur o opiune care i permite s
calculeze o emisivitate necunoscut n funcie de temperatura
obiectului i lungimea de und a pirometrului. Modalitatea de a
efectua acest lucru ine de lansarea n execuie a aplicaiei software
ce nsoete pirometrul cu radiaie infraroie.
Fig. 4.3 Interfaa software a aplicaiei Compact Connect
Se ruleaz succesiv meniul DEVICE de unde se alege opiunea CHANGE
EMISSIVITY unde se va deschide fereastra din figura urmtoare:
Fig. 4.4 Modificarea manual sau calcularea automat a
emisivitii
n fereastra din figura de mai sus se poate introduce manual o
valoare cunoscut de utilizator a emisivitii sau se poate calcula
emisivitatea dac este cunoscut temperatura obiectului supus
monitorizrii n momentul respectiv.
4.2 Experimentri de determinare a emisivitii materialului
compozit
Determinarea experimental a emisivitii impune efectuarea
urmtorilor pai: Se alimenteaz dispozitivul din figura urmtoare i se
stabilete valoarea tensiunii de alimentare la U = 75 V.
Fig. 4.5 Dispozitivul utilizat n experimentri
Se urmrete creterea temperaturii pn la valoarea prescris de
aplicaie experimental, n cazul situaiei de fa la 7500 C.
Fig. 4.6 Monitorizarea temperaturii La atingerea temperaturii
prescrise i nregistrat de termocupl se verific valoarea nregistrat
de pirometrul cu radiaiei infraroie
Fig. 4.7 Monitorizarea dual a temperaturilor nregistrate
Se seteaz la interfaa software emisivitatea materialului pn cnd
temperaturile indicate pirometru cu radiaie i echipamentul
termocuplei sunt identice.
Fig. 4.8 Setarea emisivitii i egalizarea temperaturilor
nregistrateValorile nregistrate pe parcursul procedurii de
determinare a emisivitii au fost nregistrate la un interval de 1
minut timp de 20 minute. Se menioneaz ca pentru materialul utilizat
a fost aleas o emisivitate implicit de 0,7.
Tabel 4.1 Valori nregistate n timpul programului
experimentalInterval[min]Ttermocupla[0C]Tpirometru[0C]
18755
2215105
3289167
4344244
5400335
6489426
7534501
8604570
9623599
10635609
11644611
12659621
13669628
14689637
15694645
16713689
17728701
18744718
19753721
20753721
Analiza grafic a temperaturilor nregistrate se prezint n figura
urmtoare.
Fig. 4.9 Evoluia temperaturilor nregistrate de cele dou
echipamente
O prim concluzie se poate extrage din analiza graficului de mai
sus i anume faptul c setarea iniial a emisivitii a fost una corect
n jurul valorii emisivitii cuprului. Dac diferena dintre valorile
nregistrate n prima parte a procesului de nclzire este mai mare,
ncepnd cu temperatura de 5000 C materialul compozit sufer un proces
de oxidare i emisivitatea acestuia crete aproape de emisivitatea
introdus n faza iniial. Ca urmare a procesului de oxidare se poate
constata o egalizare a temperaturilor. Determinarea emisivitii
reale la temperatura de 7530 C se face prin ncercri succesive
valoarea real a acesteia fiind 0,85. Verificarea procesului de
determinare se face i prin calcularea emisivitii prin aplicaia
software a pirometrului care pentru temperatura obiectului vizat
msurrii afieaz o emisivitate de 0,854.
Bibliografie
1. Magnetron Muegge Electronic GmbH, Users manual2. Sirius IR
pyrometer, Users manual3. Tristan Matching Load Autotuner, Users
manual4. Homer Software Operation, Users manual5. SensorWin
software, Users manual6. Savu S. Sisteme computerizate de msurare
note de curs7. Savu S. Procesarea materialelor n cmp de microunde,
Editura Universitaria, 20138. G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, E.
Weibel, Surface Studies by Scanning unneling Microscopy,Vol. 49, No
1, 1982, p 579. T.R. Anantharaman, C, Suryanarayana, Rapid
solidified metals: A technological overview, 1987, Aedermannsdorf,
Switzerland, Trans. Tech. Publ.10. H.H. Liebermann, Rapid
solidified alloys: Processes, structures, properties and
applications, 1993, New York, Marcel Dekker11. C.C. Coch,,
Processing of metals and alloys, Materials Science and Technology,
vol.15, 193-245, 1991, Weinheim, Germany, VCH12. N. El-Kaddah
(ed.), Thermal plasma applications in materials and metallurgical
applications, 1992, Warrendale, PA, TMS], [K. Upadhya (ed.), Plasma
synthesis and processing of materials, 1993, Warrendale, PA,
TMS1