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