Пензенские ученые создали автоматизированный измеритель теплопроводности для микродуговых покрытий

Ученые Пензенского государственного университета (ПГУ) разработали автоматизированный измеритель теплопроводности для микродуговых оксидных (МДО) покрытий. Устройство, основанное на методе стационарного теплового потока, специально адаптировано для тонких пластин и позволяет проводить экспресс‑контроль качества защитных и функциональных слоев. Разработка призвана ускорить отработку технологических режимов нанесения покрытий в машиностроении, аэрокосмической промышленности и силовой электронике. На программное обеспечение для прибора получено государственное свидетельство о регистрации.

МДО‑покрытия — это керамикоподобные слои толщиной 10–300 мкм, которые наносят на детали из алюминиевых, магниевых и титановых сплавов, чтобы повысить их износостойкость, коррозионную стойкость и придать изделиям дополнительные функциональные свойства. Теплопроводность таких покрытий — ключевой параметр, от которого зависит, насколько эффективно деталь будет отводить тепло или, наоборот, защищать чувствительные элементы от перегрева.

«В одних случаях низкая теплопроводность защищает детали от перегрева, в других, напротив, мешает эффективному отводу тепла и снижает ресурс изделия. Например, в двигателестроении МДО‑покрытия на поршнях из алюминиевых сплавов должны обеспечивать оптимальный теплоотвод, а в силовой электронике — надежную теплоизоляцию чувствительных элементов», — рассказал один из разработчиков, студент кафедры «Информационно‑измерительная техника и метрология» ПГУ Никита Шалаев.

По словам ученых, существующие методы измерения теплопроводности плохо подходят для тонких покрытий и небольших образцов. Многие из них требуют сложной пробоподготовки, а такие техники, как метод лазерной вспышки, отличаются высокой стоимостью и жесткими требованиями к геометрии и качеству поверхности образцов. Коммерческие приборы, ориентированные на строительные и изоляционные материалы, не адаптированы для МДО‑слоев, а при уменьшении размеров образцов погрешности измерений существенно растут.

В ПГУ предложили решение, позволяющее обойти эти ограничения. В разработанном измерителе образец (пластина с МДО‑покрытием) помещают между двумя медными пластинами. Тепло от нагревателя на базе мощного полевого транзистора проходит через верхнюю пластину к образцу, а затем к нижней пластине‑радиатору. Температуру фиксируют на обеих сторонах образца с помощью кремниевых диодов, обеспечивающих высокую чувствительность и стабильность показаний.

«После выхода системы на стационарный режим, когда температура перестает меняться во времени, коэффициент теплопроводности рассчитывают по перепаду температур и известной мощности нагревателя. Ключевую роль здесь играет тепловая модель, построенная на основе электротепловой аналогии», — пояснил Никита Шалаев.

Такой подход позволяет учесть тепловые потери и контактные сопротивления, которые способны сильно исказить результаты.

Для повышения точности ученые внедрили двухэтапную процедуру калибровки. Она сочетает детерминированную физическую модель и эмпирическую регрессию. По словам разработчиков, это позволяет компенсировать систематические погрешности и добиться общей погрешности измерений не более 5 % без необходимости создавать идеально точную физическую модель или использовать сверхточные эталоны. Оригинальный алгоритм управления нагревом минимизирует градиент температур в образце и сокращает время выхода на стационарный режим, что особенно важно для материалов с низкой теплопроводностью. Автоматизация управления, сбора и обработки данных исключает субъективные погрешности, связанные с человеческим фактором.

На базе Студенческого конструкторского бюро «Элтран» кафедры «Информационно‑измерительная техника и метрология» ПГУ создан и протестирован действующий лабораторный макет прибора, включающий измерительный блок и измерительную камеру. Кроме того, коллектив разработал макеты автоматизированных программно‑аппаратных комплексов микродугового оксидирования, которые позволяют получать оксидные покрытия в разных технологических режимах и с различными свойствами.

По мнению авторов, применение нового измерителя позволит в машиностроении и двигателестроении оперативно оценивать качество теплозащиты поршней и других деталей, напрямую влияя на ресурс и надежность двигателей. В аэрокосмической отрасли прибор поможет анализировать теплофизические свойства покрытий на титановых и алюминиевых сплавах, где критичны износостойкость и контролируемая теплопроводность. В электронике и силовой технике контроль покрытий на деталях с критичным отводом тепла повысит долговечность изделий.

Источник: Официальный ресурс Министерства науки и высшего образования Российской Федерации