Экспериментальные методы определения теплофизических свойств: от однородных твердых тел до высокотемпературных композитных материалов



Experimental methods for determining thermophysical properties: from homogeneous solids to high-temperature composite materials

The article is devoted to a review of experimental methods for determining the thermophysical properties of solids, such as heat capacity, thermal conductivity and thermal diffusivity. According to the type of heat load applied to the sample of the studied material, the known methods are divided into stationary and pulsed. The evolution and historical significance of such methods is briefly described.

heat capacity, thermal conductivity, thermal diffusivity, thermophysical properties, high-temperature materials


Том 24, выпуск 3, 2023 год



Статья посвящена обзору экспериментальных методов определения теплофизических свойств твердых тел, таких как теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность. По типу подачи тепловой нагрузки на образец исследуемого материала известные методы разделены на стационарные и импульсные. Кратко отображена эволюция и историческая значимость таких методов.

теплоемкость, теплопроводность, теплофизические свойства, высокотемпературные материалы


Том 24, выпуск 3, 2023 год



Лившиц Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Машгиз, 1959. 352 с.
Е.П. Симоненко, Н.П. Симоненко, В.Г. Севастьянов, Н.Т. Кузнецов. Ультравысокотемпературные керамические материалы: современные проблемы и тенденции // М.: ИОНХ РАН, 2020, 324 с.
Фигуровский Н. А. Очерк общей истории химии. От древнейших времён до начала XIX века. — М.: Наука, 1969. — С. 414
Кикоин А.К. Температура. Теплота. Теплоемкость (Из истории физики) //Квант. — 1983. — № 11. — С. 26-28.
Фигуровский Н. А. Очерк общей истории химии: от древнейших времен до начала XIX в. – Nauka, 1969.
Bacon, Francis. Novum organum. Clarendon press, 1878. (english translation of Latin 1620)
Храмов Ю. А. Физики : Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. — Изд. 2-е, испр. и доп. — М. : Наука, 1983. — С. 63. — 400 с.
Lavoisier AL, de Laplace PS. Mémoire sur la chaleur. Mémoires de l’Académie royale des sciences, 1780, pp. 355- 408
Joule, James P. "XXXI. On the existence of an equivalent relation between heat and the ordinary forms of mechanical power: To the editors of the Philosophical Magazine and Journal." The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 27.179 (1845): 205-207.
W.J. Parker; R.J. Jenkins; C.P. Butler; G.L. Abbott (1961). "Method of Determining Thermal Diffusivity, Heat Capacity and Thermal Conductivity". Journal of Applied Physics. 32 (9): 1679
Breathnach C. S. Joseph Black (1728–1799): an early adept in quantification and interpretation //Journal of Medical Biography. – 2000. – Т. 8. – №. 3. – С. 149-155.
Bandinelli A. The Isolated System of Quantifiable Experiences in the 1783" Mémoire sur la chaleur" of Lavoisier and Laplace //Ambix. – 2007. – Т. 54. – №. 3. – С. 274-284.
Фукс Г. и др. Биографии великих химиков. – 1981.
Хеммингер В., Хёне Г. Калориметрия. Теория и практика. — М.: Химия, 1984.
Pouillet C. S. M. Memoire sur le chaleur solaire //Paris. – 1838.
https://studfile.net/preview/9400475/ дата обращения 09.02.2023
Fredrickson D. R. et al. A drop calorimeter with an electron beam heated furnace //Review of Scientific Instruments. – 1969. – Т. 40. – №. 8. – С. 1022-1025.
Eucken A. Über die temperaturabhängigkeit der wärmeleitfähigkeit fester nichtmetalle //Annalen der Physik. – 1911. – Т. 339. – №. 2. – С. 185-221.
Krauß F. Die Messung der spezifischen Wärme von Metallen bei hohen Temperaturen //International Journal of Materials Research. – 1958. – Т. 49. – №. 7. – С. 386-392.
Klinghardt H. Messung von wahren spezifischen Wärmen bei hohen Temperaturen durch Heizung mit Glühelektronen. Ann. Phys. 1927;84:167-200.
В. А. Кириллин, А. Е. Шейндлин, В. Я. Чеховской, В. А. Петров, “Экспериментальное исследование энтальпии вольфрама в интервале температур 2400÷2820∘ С”, Докл. АН СССР, 144:2 (1962), 390–391.
В. А. Кириллин, А. Е. Шейндлин, В. Я. Чеховской, “Энтальпия и теплоемкость вольфрама в интервале температур 0−2400∘ С”, Докл. АН СССР, 142:6 (1962), 1323–1326
В. А. Кириллин, А. Е. Шейндлин, В. Я. Чеховской. Теплоэнергетика, № 2, 63, 1962.
Levinson L. S. High Temperature Drop Calorimeter //Review of Scientific Instruments. – 1962. – Т. 33. – №. 6. – С. 639-642.
С. В. Лебедев, С. Э. Хайкин Некоторые аномалии в металлах, нагреваемых импульсным током высокой плотности — ЖЭТФ, 1954, т. 26, №5, с. 629-639.
С. В. Лебедев Явления в вольфрамовых проволоках перед их взрывом под действием электрического тока высокой плотности — ЖЭТФ, 1954, т. 27, №5 с. 605-614.
С. В. Лебедев, А. И. Савватимский, Металлы в процессе быстрого нагревания электрическим током большой плотности, УФН, 1984, том 144, номер 2, 215–250.
И. Я. Дихтер, С. В. Лебедев, Теплоемкость вольфрама вблизи точки плавления, ТВТ, 1970, том 8, выпуск 1, 55–58
И. Я. Дихтер, С. В. Лебедев, Исследование некоторых теплофизических свойств вольфрама и молибдена вблизи точки плавления методом электрического взрыва, ТВТ, 1971, том 9, выпуск 5, 929–933
С. В. Лебедев, “Возможность использования “электрического взрыва” проволок для исследования металлов при высоких температурах”, ТВТ, 6:1 (1968), 157–159
J.A. Cape; G.W. Lehman (1963). "Temperature and Finite-Pulse-Time Effects in the Flash Method for Measuring Thermal Diffusivity". Journal of Applied Physics. 34 (7): 1909
R.D. Cowan (1963). "Pulse Method of Measuring Thermal Diffusivity at High Temperatures". Journal of Applied Physics. 34 (4): 926.
Larson K. B., Koyama K. Correction for finite‐pulse‐time effects in very thin samples using the flash method of measuring thermal diffusivity //Journal of Applied Physics. – 1967. – Т. 38. – №. 2. – С. 465-474.
Краев О. А., Стельмах А. А. Температуропроводность вольфрама в интервале температур от 1600 до 2960^∘ C //Теплофизика высоких температур. – 1963. – Т. 1. – №. 1. – С. 8-11.
Л. П. Филиппов, И. Н. Макаренко, “Метод измерения комплекса тепловых характеристик металлов при высоких температурах”, ТВТ, 6:1 (1968), 149–156
Н. И. Макаренко, Л. Н. Труханова, Л. П. Филиппов, Тепловые свойства молибдена при высоких температурах, ТВТ, 1970, том 8, выпуск 2, 445–447
Л. П. Филиппов, Л. А. Пигальская, Измерение температуропроводности металлов при высоких температурах. I. Теория метода переменного нагрева в высокочастотной печи, ТВТ, 1964, том 2, выпуск 3, 384–391
Л. А. Пигальская, Л. П. Филиппов, “Измерение температуропроводности металлов при высоких температурах. II. Осуществление метода переменного нагрева в высокочастотной печи”, ТВТ, 2:4 (1964), 558–561.
Schick H. L. Thermodynamics of certain refractory compounds //V 1, 1966, 632 P.
Крафтмахер Я.А. Теплоемкость при высоких температурах и образование вакансий в тугоплавких металлах // Исследования при высоких температурах / Под ред. Новикова И.И., Стрелкова П.Г. Новосибирск: Наука, 1966. С. 5.
И. И. Петрова, В. Я. Чеховской, Определение истинной теплоемкости карбидов циркония, ниобия и тантала импульсным методом, ТВТ, 1978, том 16, выпуск 6, 1226–1231
А. С. Болгар, E. А. Гусева, В. В. Фесенко. Порошковая металлургия, № 1, 40, 1967.
А. Е. Шейндлин, И. С. Белевич, И. Г. Кожевников, Исследование энтальпии и теплоемкости материалов на основе карбида ниобия при высоких температурах, ТВТ, 1973, том 11, выпуск 1, 88–92
Navrotsky A. Progress and new directions in calorimetry: A 2014 perspective //Journal of the American Ceramic Society. – 2014. – Т. 97. – №. 11. – С. 3349-3359.
https://analyzing-testing.netzsch.com/ru дата обращения 09.02.2023
Hayun S., Navrotsky A. Formation enthalpies and heat capacities of rear earth titanates: RE2TiO5 (RE= La, Nd and Gd) //Journal of Solid State Chemistry. – 2012. – Т. 187. – С. 70-74.
Panneerselvam G. et al. Heat capacity and thermal expansion of samarium titanate //Materials Letters. – 2011. – Т. 65. – №. 12. – С. 1778-1780.
Panneerselvam G. et al. Thermophysical measurements on dysprosium and gadolinium titanates //Journal of nuclear materials. – 2004. – Т. 327. – №. 2-3. – С. 220-225.
Kandan R. et al. Calorimetric measurements on rare earth titanates: RE2TiO5 (RE= Sm, Gd and Dy) //Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. – 2016. – Т. 124. – №. 3. – С. 1349-1355.
Nagarajan K, Saha R, Babu R, Mathews CK. Thermodynamic function of barium and strontium zirconates from calorimetric measurements. Thermochim Acta. 1985;90:297–304.
Kopan, A.R., Gorbachuk, N.P., Lakiza, S.M. et al. High-Temperature Enthalpy of La2Hf2O7 in the Temperature Range 490–2120 K. Powder Metall Met Ceram 56, 697–706 (2018).
Nash P., Meschel S., Gu Q. Two Decades of Calorimetry and Thermal Analysis at the Thermal Processing Technology Centre at Illinois Institute of Technology //Russian Journal of Physical Chemistry A. – 2020. – Т. 94. – С. 2624-2639.
Руководство по эксплуатации FLASHLINE™ 5000 THERMAL PROPERTIES SYSTEM
Manab Mallik, Ansu. J. Kailath, K.K. Ray, R. Mitra Effect of SiC content on electrical, thermal and ablative properties of pressureless sintered ZrB2-based ultrahigh temperature ceramic composites // Journal of the European Ceramic Society 37 (2017) pp. 559–572
Ling Weng, Wenbo Han, Xueying Li, Changqing Hong High temperature thermo-physical properties and thermal shock behavior of metal–diborides-based composites // Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials 28 (2010), pp. 459–465
Wang Z. et al. Microstructure and thermal shock behavior of ZrB2–SiC–graphite composite //Materials Chemistry and Physics. – 2009. – Т. 113. – №. 1. – С. 338-341.
Luning Zhang, Dugan A. Pejakovic´, and Jochen Marschall Thermal and Electrical Transport Properties of Spark Plasma-Sintered HfB2 and ZrB2 Ceramics // Journal of the American Ceramic Society—Zhang et al. Vol. 94, No. 8, pp. 2562–2570, August 2011.
M. M. Opeka, I. G. Talmy, E. J. Wuchina, J. A. Zaykoski, and S. J. Causey, ‘‘Mechanical, Thermal, and Oxidation Properties of Refractory Hafnium and Zirconium Compounds,’’ J. Eur. Ceram. Soc., 19, 2405–14 (1999).
А. И. Савватимский, С. В. Онуфриев, А. С. Седегов, С. Н. Юдин, Д. О. Московских, Теплофизические свойства высокоэнтропийного карбида (HfTaTiNbZr)C при температурах от 2500 до 5500 К, ТВТ, 2022, том 60, выпуск 5, 672–675
С. В. Онуфриев, А. М. Кондратьев, А. И. Савватимский, Г. Е. Вальяно, С. А. Мубояджян, “Исследование высокотемпературных свойств нитрида циркония методом нагрева импульсом тока”, ТВТ, 53:3 (2015), 478–480; High Temperature, 53:3 (2015), 455–457
А. И. Савватимский, Теплоемкость и электросопротивление металлов Ta и W от точки плавления до 7000 К при импульсном нагреве током, ТВТ, 2021, том 59, выпуск 5, 686–692
M. Gasch, S. Johnson, and J. Marschall, “Thermal Conductivity Characterization of Hafnium Diboride-Based Ultra-High-Temperature Ceramics,” // Journal of the American Ceramic Society, vol. 91, no. 5, pp. 1423–1432, May 2008.
M. M. Opeka, I. G. Talmy, E. J. Wuchina, J. A. Zaykoski, and S. J. Causey, ‘‘Mechanical, Thermal, and Oxidation Properties of Refractory Hafnium and Zirconium Compounds,’’ J. Eur. Ceram. Soc., 19, 2405–14 (1999).
R. Loehman, E. Corral, H.-P. Dumm, P. Kotula, and R. Tandon, ‘‘Ultra High Temperature Ceramics for Hypersonic Vehicle Applications’’; SAND2006-2925, Albuquerque, NM, June 2006.
Петров В. А. Излучательная способность высокотемпературных материалов. – Наука, 1969.