Исследование теплоемкости тугоплавких металлов (и их напыленных пленок) методом импульсного нагрева электрическим током

                                               Содержание

 

1. Введение…………………………..…………………………………………….. 3

2. Литературные данные……………..,……………………………………………5

3  Экспериментальная установка  и методика исследования…..………………..9  

   3.1 Экспериментальная  установка ………………………...................................9                                                                         

   3.2. Регистрирующие оборудование…………………………………………….11

   3.3 Методика импульсного  нагрева электрическим током.…………………...12

   3.4 Измерение температуры. Калибровка пирометра……………..…………..17

4 Основные результаты работы……..…………………………………………….21

    4.1  Эксперимент  для образцов молибдена в виде фольги…………………...21

    4.2  Эксперимент  для образцов тантала в виде фольги…………………..…..28

    4.3  Эксперимент  для образцов тантала в виде  модели абсолютно черного тела……………………………………………………………………………….....37

     4.4 Эксперимент  для напыленных образцов тантала…………..………….....46

_{5 Заключение………………………….……………………………………………57}

6. Библиографический список …………..………………………………….….....60

 

 

 

 

 

 

1.Введение

Cуществует практическая необходимость в исследовании теплофизических свойств различных веществ, в том числе, металлов и их сплавов, применяемых в высокотемпературных технологиях.

          Способом их изучения может быть импульсный нагрев электрическим током (однократный нагрев за десятки наносекунд - единицы микросекунд). Как правило, импульсный нагрев током может дать более однородное тепловыделение по объему исследуемого вещества, нежели импульсный лазерный нагрев с поверхности. Естественно, что импульсный нагрев током возможен только для веществ обладающих хорошей проводимостью (металлы, сплавы, графит, карбиды металлов). Однако его не удается использовать для быстрого нагрева плохо проводящих веществ, например окислов. Проблема не только в высоких значениях удельного сопротивления этих веществ, но также и в том, что окислы имеют падающее (с ростом температуры) электросопротивление.  Это может привести к неоднородному нагреву (выделяющаяся мощность будет концентрироваться на участках с меньшим сопротивлением).

       При нагреве за единицы микросекунд (вплоть до двух десятков мкс), за счет инерционный свойств, нагреваемый образец не может изменить исходную форму и положение в пространстве; все джоулево тепло выделяется в веществе (однородно по объему, если материал достаточно однороден); потери энергии за время нагрева ничтожны. Такой быстрый нагрев на последних стадиях приводит к электрическому взрыву: при определенной введенной энергии (до введения энергии, сравнимой с энергией сублимации) жидкий образец начинает резко увеличиваться в объеме (теряется проводимость по объему), что отражается на резком росте электросопротивления.

Потеря проводимости жидкого  металла при электрическом взрыве связана с объемными процессами в жидком проводнике. Жидкий металл, имеющий возможность расширяться, теряет проводимость из-за того, что флуктуации плотности вещества становятся сравнимыми с длиной пробега электрона в металле. Причина такого состояния была указана еще Я.И.Френкелем:  в проводнике, с вводом энергии, образуются поверхности разрыва металлических связей (флуктуации плотности), которые делят металл на все более мелкие микрообласти [1,2].

          В данной работе использовался быстродействующий фотодетектор фирмы Thorlabs PDA-10A, который калибровался в лаборатории ОИВТ РАН по известной стандартной методике на температурной лампе СИ-10-300. Это позволило получать температурные зависимости измеряемых в эксперименте свойств. Получены данные по энтальпии начала и окончания плавления, а также,  удельного электрического сопротивления в точке плавления для образцов тантала и молибдена методом импульсного нагрева. В работе исследованы напыленные на кварцевую подложку образцы, а также образцы металлов в виде фольг. Внимание напыленным образцам металла было уделено потому, что защитные металлические покрытия, используемые в авиации, требуют самостоятельного исследования. Это следует из различия таких покрытий: по толщине, по плотности, а следовательно, возникает вопрос об их отличиях о свойств сплошного металла при высоких температурах. Для того чтобы получить образцы малой толщины был применен способ магнетронного напыления (использовались возможности Института им. Баумана). Плюсы в применении тонких образцов (для быстрого нагрева) заключаются еще и в том, что для их исследования нужны меньшие токи; их применение связано с меньшими электромагнитными помехами при воздействии электромагнитного поля. Следует ожидать, что полученный напыленный образец будет иметь меньшую плотность. По литературным данным магнетронное напыление позволяет получить плотность металла не более 0,9-0,95 от сплошного металла. Предварительно, нами были изготовлены кварцевые подложки (с помощью станка алмазной резки) для последующего напыления (рис.1.1).

Рис.1.1. Станок с алмазным диском.

 

2. Литературные данные 

Тугоплавкие металлы — класс химических элементов (металлов), имеющих очень высокую температуру плавления (выше 2200 С) и стойкость к изнашиванию. Основными представителями данного класса элементов являются элементы пятого периода — ниобий и молибден; шестого периода —тантал, вольфрам и рений .

Тугоплавкие металлы используются в качестве источников света, изготовления стойких деталей,  в ядерной промышленности в качестве конструкционных материалов, иногда в качестве катализаторов. Из-за высоких температур плавления тугоплавких металлов, иногда их получают путем спекания при температурах меньших их температур плавления. В порошкообразном виде материал уплотняют в высокотемпературных печах. Тугоплавкие металлы можно переработать в проволоку, слиток, арматуру, жесть или фольгу.

Молибден - светло-серый металл с кубической объёмноцентрированной решёткой. Механические свойства, как и у большинства металлов, определяются чистотой металла и предшествующей механической и термической обработкой (чем чище металл, тем он мягче). Обладает крайне низким коэффициентом теплового расширения. Молибден является тугоплавким металлом c температурой плавления 2896 К.

Молибден используется для легирования сталей, как компонент жаропрочных и коррозионностойких сплавов,  служит для изготовления высокотемпературных печей, вводов электрического тока в стеклянных лампочках. Молибден - один из немногих легирующих элементов, способных одновременно повысить прочностные, вязкие свойства стали и коррозионную стойкость.

В таблице 2.1 приводятся известные в литературе [4,5,6] теплофизические свойства молибдена.   Курсивом выделено плавление.                                                                                  Таблица 2.1

T, К	Сp, Дж/(К*моль)	Ср, Дж/(г*К)	Ср, Дж/(кг*К)	H (T)–H(0), кДж/моль	ρ, мкОм*см
100 200 298,15 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2896 2896 2900 3000	13,52 21,480 23,932 23,970 25,315 26,005 26,479 26,886 27,291 27,722 28,195 28,720 29,301 29,943 30,648 31,416 32,249 33,148 34,114 35,146 36,245 37,411 38,645 39,946 41,316 42,753 44,258 45,830 47,471 49,111 40,000 40,000 40,000	0,240 0,246 0,252   0,257   0,263   0,267   0,274   0,280     0,286     0,320     0,396     0,460     0,462	249,3 261,4 269,7 275,9 281,0 285,9 290,8 295,8 307,3   321,5   338,8   358,2   380,9   407,3   438,3   478,4   536,6   573,9 420,6   420,6	0,491 2,332 4,580 4,624 7,098 9,666 12,292 14,960 17,669 20,419 23,215 26,060 28,960 31,922 34,951 33,054 41,237 44,506 47,868 51,331 54,900 58,582 62,384 66,313 70,376 74,579 78,929 83,432 88,097 92,732 132,732 132,892 136,892	5,52 8,02 10,56 13,15 15,78 18,45 21,26 23,91 29,51   35,23   41,08   47,02   53,06   59,18   65,37   71,61   77,90   80,86 97,0

В таблице 2.2 приводятся известные  в литературе [4,5,6] теплофизические  свойства тантала.

Тантал - при обычных условиях - металл серого цвета. Обладает высокой температурой плавления (3295 К), плотность 16,6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.2. Теплофизические свойства Та. Курсивом выделено плавление.

T, К	Сp, Дж/(К*моль)	Ср, Дж/(г*К)	H (T)–H(0), кДж/моль	ρ, мкОм*см
100 200 298,15 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 3100 3200 3295 3295 3300 3400	19,820 24,100 25,290 25,302 25,985 26,610 27,143 27,581 27,932 28,207 28,416 28,573 28,691 28,783 28,863 28,944 29,040 29,164 29,331 29,553 29,844 30,219 30,690 31,272 31,978 32,821 33,816 34,977 36,316 37,847 39,585 41,543 43,735 46,045 44,000 44,000 44,000	0,136 0,137 0,139   0,141   0,145   0,148   0,152   0,156     0,163     0,169     0,178     0,188     0,200	0,997 3,251 5,680 5,727 8,291 10,922 13,610 16,347 19,123 21,931 24,763 27,612 30,476 33,350 36,232 39,122 42,021 44,931 47,856 50,799 53,769 56,771 59,816 62,913 66,074 69,313 72,644 76,082 79,645 83,351 87,221 91,276 95,538 99,800 130,800 136,020 140,420	13,48 18,22 22,95 27,45 31,88 36,04 40,26 44,24   51,93   59,23   66,25   73,22   79,94   86,68   93,22   99,77   106,3   112,7   119,1 122,2 130 130 130

Тантал используется: в  коррозионно-устойчивой аппаратуре для  химической промышленности, лабораторной посуде; в изготовлении тиглей для плавки; литья редкоземельных элементов, а также иттрия и скандия; теплообменниках для ядерно-энергетических систем (тантал наиболее из всех металлов устойчив в перегретых расплавах и парах цезия); в производстве боеприпасов тантал применяется для изготовления металлической облицовки перспективных кумулятивных зарядов. улучшающих бронепробиваемость; в производстве электролитических конденсаторов высокой удельной емкости.

3. Экспериментальная установка и методика исследования.

     3.1 Экспериментальная  импульсная установка.

Силовой контур выделен жирной линией. Батарея конденсаторов С разряжается (через балластные сопротивления R₁) на образец R при запуске от пускового генератора любого типа. Сигнал запуска при входе на сетку тиратрона (или электрод поджига) должен быть достаточно высоковольтным (500 В и выше), поэтому пусковой сигнал в 30 вольт от стандартного генератора (типа Г5-63) должен быть усилен до 500 вольт. Обрыв греющего импульса тока (точнее, шунтирование через тиратрон Т₂) может быть обеспечен запуском синхронного задержанного сигнала от того же пускового генератора.

 

 

 

 

Рис. 3.1- Электрическая схема экспериментальной установки при использовании напряжения до 12 кВ. Rзар – зарядный резистор (~ 800 кОм); C – конденсаторы ИКМ50-3 (6 мкФ); R₁ – дисковые балластные сопротивления (0,3-1 Ом); R – исследуемый образец; М – монитор тока (Pearson Electronics); Т₁, Т₂ – тиратроны ТГИ1-1000/25(рис.3);  ВС-20-10 – выпрямительная установка.

Рис. 3.2- схема регистрации излучения: 1 – подложка; 2  – образец; 3 – фокусирующая линза; 4 – световод; 5 – коллимирующая линза; 6 – светодиод (вводится при юстировке образца); 7 – интерференционный фильтр (λ = 856 нм; Δλ = 11,5 нм); 8 – фокусирующая линза; 9 – быстродействующий фотодетектор типа PDA10A-EC (фирма THORLABS).   

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  Рис.3.3. Запускающий тиратрон с высоковольтным трансформатором поджига.

 

3.2. Регистрирующее оборудование.

Результатом проведения эксперимента являются три полученные на осциллограммах зависимости:

Напряжение U(t), ток I(t) и излучение образца: U(t)-падение напряжения на образце в зависимости от времени, I(t)- ток в цепи в зависимости от времени, а также излучение поверхности образца (либо образца в виде модели черного тела)  от времени.

Ток в цепи регистрируется бесконтактным способом с помощью  датчика тока   марки Pearson Current Monitor 110A. Монитор 110А (рис. 3.4) рассчитан на работу при 20 МГц, время нарастания тока составляет 20 нс. Это позволяет применять его при времени нагрева порядка нескольких микросекунд. Паспортная погрешность измерения тока 0.4%.

Рис.3.4. Датчик тока Pearson Electronics 110A (вверху) и аттенюатор тока А-10 (внизу).