mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2019-4-241-245mateltech-357Research ArticleМатематическое моделирование в материаловедении электронных компонентовMATHEMATICAL MODELING IN MATERIALS SCIENCE OF ELECTRONIC COMPONENTSИсследование тепловых характеристик нагревательного элемента из алюминия с нанопористым оксидом алюминияInvestigation of the thermal characteristics of a heating element based on aluminum with nanoporous aluminahttps://orcid.org/0000-0002-4181-6669МуратоваЕ. Н.MuratovaE. N.SokolovaEkNik@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6500-5492МошниковВ. А.MoshnikovV. A.https://orcid.org/0000-0002-6616-4353ЧерняковаК. В.ChernyakovaK. V.https://orcid.org/0000-0002-6796-8994ВрублевскийИ. А.VrublevskyI. A.Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376, РоссияРоссияSaint Petersburg Electrotechnical University “LETI”, 5 Prof. Popova Str., St. Petersburg 197376 RussiaRussian FederationБелорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, ул. П. Бровки, д. 19, Минск, 220072, БеларусьБеларусьBelarusian State University of Informatics and Radioelectronics, 6 P. Brovka Str., Minsk 220013, BelarusBelarus201907042020224241245Copyright © Муратова Е.Н., Мошников В.А., Чернякова К.В., Врублевский И.А., 20202020Муратова Е.Н., Мошников В.А., Чернякова К.В., Врублевский И.А.Muratova E.N., Moshnikov V.A., Chernyakova K.V., Vrublevsky I.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/357

Одной из актуальных задач в сфере стационарного отопления, на решение которой направлены усилия многочисленных разработчиков, является экономия электрической энергии. Нагревательные системы могут иметь самые разнообразные конструкции, но существуют основные требования к их разработке, а именно: обеспечение высокой надежности при эксплуатации, экономичность, устойчивость к внешним воздействиям и стабильность электрических характеристик. Основной элемент любого нагревательного устройства — нагреватель. В настоящее время плоские резистивные нагреватели нашли широкий спектр применения в нагревательных устройствах, предназначенных для формирования здорового микроклимата в помещениях, поддержания заданных параметров в различных технологических процессах, в системах антиобледенения, в сельском хозяйстве и в промышленности. Исследованы тепловые характеристики плоских нагревателей, изготовленных из алюминия, с ленточным элементом нагрева в виде углеродного волокна. С целью обеспечения необходимой изоляции нагревательного элемента от металлического основания на поверхности алюминия формировали слой пористого анодного оксида алюминия толщиной 20 мкм. Концы нити из углеродного волокна металлизировали слоем меди для последующей пайки в процессе сборки электрического нагревателя. Электрическое сопротивление нагревателя с нитью из углеродного волокна составляло 60 Ом. Исследования распространения тепловых потоков в объеме платы из алюминия с нанопористым оксидом алюминия проводили с использованием тепловизионных измерений. Представлена зависимость изменения температуры на поверхности крышки нагревательного элемента из алюминия и на противоположной теплоотдающей стороне от времени нагрева. Полученные результаты показали, что тепло, генерируемое линейным нагревательным элементом из углеродной нити, быстро перераспределятся по всему объему алюминиевой пластины с нагревательным элементом. Это свидетельствует о высокой теплопроводности алюминиевой основы нагревателя, параметры которой позволяют обеспечить достижение требуемых тепловых характеристик нагревателя.

In this work, we studied the thermal characteristics of flat heaters made of aluminum with a strip heating element in the form of carbon fiber. In order to provide the necessary insulation of the heating element from the metal base, a layer of porous anodic aluminum oxide with a thickness of 20 μm was formed on the aluminum surface. The ends of the carbon fiber filament were metallized with a layer of copper for subsequent soldering during the assembly of the electric heater. The carbon fiber filament of electric heater had an electrical resistance of 60 Ohms. Studies of the propagation of heat fluxes in the volume of a board made of aluminum with nanoporous aluminum oxide were carried out using thermal imaging measurements. The paper presents the dependence of temperature changes on the surface of the lid of a heating element made of aluminum and on the opposite side — heat transfer side with heating time. The results showed that the heat generated by a linear heating element of carbon fiber, quickly distributed throughout the entire volume of the aluminum plate of the heating element. This indicates a high thermal conductivity of the aluminum base of the heater, the parameters of which allow to achieve the required thermal characteristics of the heater.

нагревательный элементалюминийпористый анодный оксид алюминияуглеродное волокнотермограмматепловизионные исследованияheating elementaluminumporous anodic aluminacarbon fiberthermogramthermographic studiesReferencesДинь Х. Т., Лушпа Н. В., Чернякова Е. В., Врублевский И. А. Исследование распространения тепла в плате из алюминия с нанопористым анодным оксидом алюминия тепловизионным методом // Доклады БГУИР. 2019. № 1. С. 45—50.Dinh H. T., Lushpa N. V., Chernyakova K. V., Vrublevsky I. A. Study of distribution of thermal fluxes in a plate of aluminum with nanoporous aluminum oxide by means of thermal imaging measurements. Doklady BGUIR, 2019, no. 1, pp. 45—50. (In Russ.)Симин А., Холодняк Д., Вендик И. Многослойные интегральныесхемы сверхвысоких частот на основе керамики с низкой температурой обжига // Компон. и технол. 2005. № 5. С. 190—196.Simin A., Holodnyak D., Vendik I. Multilayer integrated circuits of ultrahigh frequencies based on ceramics with a low firing temperature. Komponenty i tekhnologii = Components and technologies, 2005, no. 5, pp. 190—196. (In Russ.)Муратова Е. Н., Мошников В. А., Лучинин В. В., Бобков А. А., Врублевский И. А., Чернякова К. В., Теруков Е. И. Теплопроводящие платы на основе алюминия с наноструктурированным слоем Al2O3 для изделий силовой электроники // Ж. технич. физ. 2018. Т. 88, Вып. 11. С. 1678—1680. DOI: 10.21883/JTF.2018.11.46629.2480Muratova E. N., Moshnikov V. A., Luchinin V. V., Bobkov A. A., Vrublevsky I. A., Chernyakova K. V., Terukov E. I. Thermal-conductive boards based on aluminum with an Al2O3 nanostructured layer for products of power electronics. Tech. Phys., 2018, vol. 63, pp. 1626—1628. DOI: 10.1134/S1063784218110191Муратова Е. Н., Врублевский И. А., Чернякова Е.В. и др. // Материалы XIV Международной конференции «Физика диэлектриков» (Диэлектрики-2017). СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2017. С. 136.Muratova E. N., Vrublevsky I. A., Chernyakova E. V. et al. Materialy XIV Mezhdunarodnoi konferentsii “Fizika dielektrikov” (Dielektriki-2017) = Materials of the XIV International Conference “Physics of Dielectrics” (Dielectrics-2017). St. Petersburg: Izd-vo RGPU im. A. I. Gertsena, 2017, p. 136. (In Russ.)Andreev S., Chemyakova K., Tzaneva B., Videkov V., Vrublevsky I. Investigation of the efficiency of the heat dissipation for the heat-conducting circuit boards made of aluminum with the nanoporous alumina layer // 40th International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE). Sofia (Bulgaria): IEEE, 2017. P. 1—6. DOI: 10.1109/ISSE.2017.8000899Andreev S., Chemyakova K., Tzaneva B., Videkov V., Vrublevsky I. Investigation of the efficiency of the heat dissipation for the heat-conducting circuit boards made of aluminum with the nanoporous alumina layer. 40th International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE). Sofia (Bulgaria): IEEE, 2017, pp. 1—6. DOI: 10.1109/ISSE.2017.8000899Чернякова E., Врублевский И., Видеков В., Тучковский А. Применение наноструктурированного анодного оксида алюминия при изготовлении теплонагруженных плат для силовых модулей // Научни известия на НТСМ. 2016. Т. XXV, № 12. С. 257—263.Chernyakova E., Vrublevsky I., Videkov V., Tuchkovsky A. Application of nanostructured anodic aluminum oxide in the manufacture of heat-loaded boards for power modules. Scientific Proceedings of STUME, 2016, vol. XXV, no. 12, pp. 257—263. (In Russ.)Врублевский И., Чернякова E. Видеков В., Тучковский А. Сравнительный анализ работы плоского нагревательного элемента на основании из анодированного алюминия // Научни известия на НТСМ. 2015. Т. XXIII, № 9. С. 422—428.Vrublevsky I., Chernyakova E. Videkov V., Tuchkovsky A. Comparative analysis of the operation of a flat heating element based on anodized aluminum. Scientific Proceedings of STUME, 2015, vol. XXIII, no. 9, pp. 422—428. (In Russ.)Vrublevsky I., Chernyakova K., Videkov V., Tuchkovsky A. Improvement of the thermal characteristics of the electric heater in the architecture with aluminum, nanoporous alumina and resistive component of carbon fiber // Nanoscience & Nanotechnology. 2016. N 1. P. 1—2. URL: https://libeldoc.bsuir.by/handle/123456789/10898Vrublevsky I., Chernyakova K., Videkov V., Tuchkovsky A. Improvement of the thermal characteristics of the electric heater in the architecture with aluminum, nanoporous alumina and resistive component of carbon fiber. Nanoscience & Nanotechnology, 2016, no. 1, pp. 1—2. URL: https://libeldoc.bsuir.by/handle/123456789/10898Vorozhtsova M., Drbohlavova Ja., Hubalek Ja. Chemical Microsensors with Ordered Nanostructures // In: Microsensors. Ed. by I. Minin. IntechOpen, 2011. DOI: 10.5772/18066Vorozhtsova M., Drbohlavova Ja., Hubalek Ja. Chemical Microsensors with Ordered Nanostructures. In: Microsensors. Ed. by I. Minin. IntechOpen, 2011. DOI: 10.5772/18066Ersching K., Dorico E., da Silva R. C., Zoldan V. C., Isoppo E. A., Viegas A. D. C., Pasa A. A. Surface and interface characterization of nanoporous alumina templates produced in oxalic acid and submitted to etching procedures // Mater. Chem. and Phys. 2012. V. 137, Iss. 1. P. 140—146. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2012.08.058Ersching K., Dorico E., da Silva R. C., Zoldan V. C., Isoppo E. A., Viegas A. D. C., Pasa A. A. Surface and interface characterization of nanoporous alumina templates produced in oxalic acid and submitted to etching procedures. Mater. Chem. and Phys., 2012. vol. 137, no. 1, pp. 140—146. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2012.08.058Муратова Е. Н. Искусственно и естественно упорядоченные микро- и наноразмерные капиллярные мембраны на основе анодного оксида алюминия: дисc. … канд. техн. наук. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. 118 с. URL: https://etu.ru/assets/files/nauka/dissertacii/2014/Dissertaciya-Muratovoj-EN.pdfMuratova E. N. Artificially and naturally ordered micro- and nanosized capillary membranes based on anodic aluminum oxide: Dis. Cand. Sci. (Eng.). St. Petersburg: Saint Petersburg Electrotechnical University “LETI”, 2014, 118 p. (In Russ.). URL: https://etu.ru/assets/files/nauka/dissertacii/2014/Dissertaciya-Muratovoj-EN.pdfEftekhari A. Nanostructured Materials in Electrochemistry. Weinheim (Germany): Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008. 489 p.Eftekhari A. Nanostructured Materials in Electrochemistry. Weinheim (Germany): Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008, 489 p.Александрова О. А., Алексеев П. А., Кононова И. Е., Максимов А. И., Мараева Е. В., Мошников В. А., Муратова Е. Н., Налимова С. С., Пермяков Н. В., Спивак Ю. М., Титков А. Н. Диагностика материалов методами сканирующей зондовой микроскопии: учеб. пособие / Под ред. проф. В. А. Мошникова. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. 172 с.Aleksandrova O. A., Alekseev P. A., Kononova I. E., Maksimov A. I., Maraeva E. V., Moshnikov V. A., Muratova E. N., Nalimova S. S., Permyakov N.V., Spivak Yu. M., Titkov A. N. Diagnostika materialov metodami skaniruyushchei zondovoi mikroskopii [Diagnostics of materials by scanning probe microscopy]. Ed. by Prof. V. A. Moshnikov. St. Petersburg: Izd-vo SPbGETU “LETI”, 2012, 172 p. (In Russ.)Muratova E. N., Matyushkin L. B., Moshnikov V. A., Chernyakova K. V., Vrublevsky I. A. Thermal radiation shielding by nanoporous membranes based on anodic alumina // J. Phys.: Conf. Series. 2017. V. 872, N 1. P. 012020. DOI: 10.1088/1742-6596/872/1/012020Muratova E. N., Matyushkin L. B., Moshnikov V. A., Chernyakova K. V., Vrublevsky I. A. Thermal radiation shielding by nanoporous membranes based on anodic alumina. J. Phys.: Conf. Series, 2017, vol. 872, no. 1, p. 012020. DOI: 10.1088/1742-6596/872/1/012020Врублевский И. А., Дик С. К., Терех А. С., Смирнов А. В., Чернякова К. В. Структура пленок пористого оксида алюминия, формируемых в электролитах на основе органических кислот // Пробл. физ., матем. и техн. 2012. № 3. С. 101—105.Vrublevsky I. A., Dick S. K., Tereh A. S., Smirnov A. V., Chernyakova K. V. Structure of the porous aluminium oxide films formed in the solutions of organic acids. PFMT, 2012, no. 3, pp. 101—105. (In Russ.)Пат. полезн. модель 122385 (РФ). Электрохимическая ячейка для получения пористых анодных оксидов металлов и полупроводников / П. Г. Травкин, Е. Н. Соколова, Ю. М. Спивак, В. А. Мошников, 2012.Patent 122385 (RF). Elektrokhimicheskaya yacheika dlya polucheniya poristykh anodnykh oksidov metallov i poluprovodnikov [An electrochemical cell for the production of porous anodic metal and semiconductor oxides]. P. G. Travkin, E. N. Sokolova, Yu. M. Spivak, V. A.Moshnikov, 2012. (In Russ.)Муратова Е. Н., Спивак Ю. М., Мошников В. А. Пористые структуры на основе оксидов алюминия для солнечной энергетики и антиотражательных покрытий // В кн.: Наноструктурные оксидные материалы в современной микро-, нано- и оптоэлектронике: монографии / Под ред. В. А. Мошникова, О. А. Александровой. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. С. 32—62.Muratova E. N., Spivak Yu. M., Moshnikov V. A. Poristye struktury na osnove oksidov alyuminiya dlya solnechnoi energetiki i antiotrazhatel’nykh pokrytii [Porous structures based on aluminum oxides for solar energy and antireflection coatings]. In: Nanostructured oxide materials in modern micro-, nano- and optoelectronics. Ed. by V. A. Moshnikov, O. A. Alexandrova. St. Petersburg: Izd-vo SPbGETU “LETI”, 2017, pp. 32—62. (In Russ.)Муратова Е. Н., Спивак Ю. М., Мошников В. А., Петров Д. В., Шемухин А. А., Шиманова В. В. Влияние технологических параметров получения слоев нанопористого Al2O3 на их структурные характеристики // Физ. и хим. стекла. 2013. Т. 39. С. 473—480.Muratova E. N., Spivak Y. M., Moshnikov V. A., Shimanova V. V., Petrov D. V., Shemukhin A. A. Influence of technological parameters of nanoporous Al2O3 layers preparation on their structural characteristics. Glass Physics and Chemistry, 2013, vol. 39, no. 3, pp. 320—328. DOI: 10.1134/S1087659613030140Yanagishita T., Kato A., Masuda H. Preparation of ideally ordered through-hole anodic porous alumina membranes by two-layer anodization // Jpn. J. Appl. Phys. 2017. V. 56, N 3. P. 035202. DOI: 10.7567/JJAP.56.035202Yanagishita T., Kato A., Masuda H. Preparation of ideally ordered through-hole anodic porous alumina membranes by two-layer anodization. Jpn. J. Appl. Phys., 2017, vol. 56, no. 3, p. 035202. DOI: 10.7567/JJAP.56.035202Chen C.-K., Chen S.-H. Multi-electrolyte-step anodic aluminum oxide method for the fabrication of self-organized nanochannel arrays // Nanoscale Res. Lett. 2012. V. 7. Art. No. 122. DOI: 10.1186/1556-276X-7-122Chen C.-K., Chen S.-H. Multi-electrolyte-step anodic aluminum oxide method for the fabrication of self-organized nanochannel arrays. Nanoscale Res. Lett., 2012, vol. 7, art. no. 122. DOI: 10.1186/1556-276X-7-122Александрова О. А., Алешин А. Н., Белорус А. О., Бобков А. А., Гузь А. В., Кальнин А. А., Кононова И. Е., Левицкий В. С., Мазинг Д. С., Мараева Е. В., Матюшкин Л. Б., Москвин П. П., Мошников В. А., Муратова Е. Н., Налимова С. С., Пономарева А. А., Пронин И. А., Спивак Ю. М. Новые наноматериалы. Синтез. Диагностика. Моделирование: лаб. практикум. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2015. 248 с.Aleksandrova O. A., Aleshin A. N., Belorus A. O., Bobkov A. A., Guz’ A. V., Kal’nin A. A., Kononova I. E., Levitsky V. S., Mazing D. S., Maraeva E.V., Matyushkin L.B., Moskvin P. P., Moshnikov V. A., Muratova E. N., Nalimova S. S., Ponomareva A. A., Pronin I. A., Spivak Yu. M. Novye nanomaterialy. Sintez. Diagnostika. Modelirovanie [New nanomaterials. Synthesis. Diagnostics. Modeling]. St. Petersburg: Izd-vo SPbGETU “LETI”, 2015, 248 p. (In Russ.)Афанасьев А. В., Ильин В. А., Мошников В. А., Соколова E. Н., Спивак Ю. М. Синтез нано-и микропористых структур электрохимическими методами // Биотехносфера. 2011. № 1–2. С. 39—45.Afanasyev A. V., Ilin V. A., Moshnikov V. A., Sokolova Ye. N., Spivak Yu. M. Synthesis of nano- and microporous structures by electrochemical methods. Biotechnosphere, 2011, no. 1–2, pp. 39—45. (In Russ.)Врублевский И. А., Чернякова К. В., Горбачев Д. В., Муратова Е. Н., Мошников В. А. Тепловые и электрические характеристики плоских нагревателей из алюминия с нанопористым анодным оксидом алюминия и резистивным элементом из углеродной нити // Сб. материалов 28-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Москва: КНТЦ им. Попова, 2018. С. 1013—1016.Vrublevsky I. A., Chernyakova K. V., Gorbachev D. V., Muratova E. N., Moshnikov V. A. Thermal and electrical characteristics of flat heaters made of aluminum with nanoporous anodic aluminum oxide and a resistive element made of carbon filament. Sb. materialov 28-i Mezhdunarodnoi Krymskoi konferentsii “SVCh-tekhnika i telekommunikatsionnye tekhnologii” = Proceedings of 28th International Crimean Conference “Microwave Engineering and Telecommunication Technologies”. Moscow: KNTTs im. Popova, 2018, pp. 1013—1016. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.