Исследование тепловых характеристик нагревательного элемента из алюминия с нанопористым оксидом алюминия

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.

нагревательный элемент, алюминий, пористый анодный оксид алюминия, углеродное волокно, термограмма, тепловизионные исследования

1. Динь 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.

2. 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.

3. 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.2018.11.46629.2480

4. Муратова 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.

5. 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.2017.8000899

6. Чернякова 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.

7. 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.

8. 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/123456789/10898

9. Vorozhtsova M., Drbohlavova Ja., Hubalek Ja. Chemical Microsensors with Ordered Nanostructures // In: Microsensors. Ed. by I. Minin. IntechOpen, 2011. DOI: 10.5772/18066

10. Ersching 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.2012.08.058

11. Муратова 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.pdf

12. Eftekhari A. Nanostructured Materials in Electrochemistry. Weinheim (Germany): Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008. 489 p.

13. 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.

14. 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: 10.1088/1742-6596/872/1/012020

15. Врублевский 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. Yanagishita 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.56.035202

20. Chen 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-7-122

21. Александрова 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.

22. 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.

23. 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.