Файл: Бессонов А.Ф. Установки для высокотемпературных комплексных исследований.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.06.2024
Просмотров: 158
Скачиваний: 0
Начиная с некоторой толщины, соответствующей максимуму кривых 2, 3 (см. рис. 51), переход электронов из объема окисной пленки в металл оказывает преобладающее влияние на изменение работы выхода со временем. Это уменьшит количество электро нов в объеме пленки, а следовательно, на ее внешней поверхности, т. е. приведет к спаду кривых 2, 3 (см. рис. 51).
Спад продолжается до тех пор, пока ширина окисной пленки не станет больше суммарной ширины контактного и хемосорбционного барьеров, т. е. пока не установится распределение градиента потенциала электрического поля, согласно схеме I, б (рис. 52). При этом спад сменяется горизонтальным участком кривой. При определенных температурах этот участок будет соответствовать
механизму окисления по Вагнеру.
Участок кривых, на котором происходит спад работы выхода, может быть связан с малоизученным механизмом окисления в пе реходной области между тонкими и толстыми пленками.
С повышением температуры кривые становятся круче, а мак симум увеличивается, так как количество электронов, перешед ших из металла и объема окисной пленки на внешнюю поверх ность последней, возрастает.
На рис. 51 кривые 4, 5, 6 круче, чем кривые 1, 2, 3, так как объем пленки окиси цинка не обедняется, а обогащается элекронами вследствие перехода последних из металла в пленку (рис. 52, II, г). По той же причине на кривых 4, 5, 6 не наблю дается спада. Насыщение же наступает, как и в случае кривых 1, 2, 3, при толщинах окисной пленки больше суммарной ширины хемосорбционного и контактного барьеров (рис. 52, II, б).
Четко выделить участки кривых (для окислов n-типа), соот ветствующие тому или другому механизму, невозможно, так как работа выхода монотонно возрастает до насыщения. Однако можно предположить, что начальный подъем соответствует механизму окисления по Мотту, а участок насыщения, начиная с некоторой температуры, —• механизму Вагнера.
Таким образом, экспериментальные кривые изменений работы выхода электрона при повышенных температурах позволяют наблюдать различия в начальных стадиях окисления меди и цинка вследствие образования на этих металлах полупроводниковой окисной пленки p-типа (закись меди) или п-типа (окись цинка), а также выявить влияние контакта металла с окисной пленкой на процесс окисления (в начальных стадиях.)
Получены также кривые зависимости изменения работы вы хода электрона с температурой при окислении на воздухе вана дия, ниобия, тантала, металлического урана, ряда сплавов, при меняющихся при изготовлении слаботочных скользящих контакт
ных пар и др.
Итак, рассмотрение изложенных в данной главе методов и установок для высокотемпературных измерений позволяет сде лать наиболее общие выводы. Специфические особенности высоко
103
температурных исследований приводят к существенному ограни чению возможностей применения ряда экспериментальных мето дик для исследования электрических характеристик при темпе
ратуре выше 1000° С.
Удобным методом нагрева образцов при исследовании темпе ратурной зависимости электрических характеристик является пря мой нагрев их электрическим током. Кроме того, наибольшую точность имеют результаты исследований на постоянном токе.
Однако, когда образцы не могут быть изготовлены в виде про волок или тонких прутков, их нагрев до высоких температур по стоянным током становится затруднительным, ибо необходима ста билизация токов большой величины (порядка 1000— 1500 А). При использовании же переменного тока точность определений снижается, так как в этом случае отсутствуют достаточно точные приборы для измерений. Кроме того, осуществление надежных контактов на образцах для токов порядка 1000 А создает допол нительные трудности.
Наконец, исследования на тонких образцах во многих слу чаях связаны с погрешностями в измерении температуры, по скольку, она определяется пирометром (с использованием модели черного тела). В этих случаях лимитирующим фактором стано вится уже не точность измерения электрических характеристик, а точность измерений соответствующей температуры.
Ввиду изложенных причин часто приходится использовать метод косвенного (внешнего) нагрева образцов. При внешнем нагреве можно испытывать образцы в виде стержней или табле ток, что оказывается особенно удобным для исследования моно кристаллов и прессованных образцов. Здесь обеспечена надеж ность измерения температур по моделям черного тела, выполнен ным непосредственно на образце в виде радиальных цилиндриче
ских полостей.
При этом также возникают недостатки, из которых наиболее значительными являются ограничения максимальной рабочей температуры нагревателя и защитной оболочки.
Глава VII
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Из теплофизических характеристик в данной главе рассматри ваются теплопроводность, температуропроводность и теплоем кость.
1.НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Втех случаях, когда изделия или материалы работают в усло виях резкой смены температур или при больших ее градиентах, теплофизические свойства являются решающими. К числу таких свойств, в частности, относятся теплопроводность и температуро проводность.
Теплопроводность является свойством материалов, связанным с переносом по ним тепла за счет взаимодействия между собой отдельных атомов ионов или молекул. В газах и парах одна моле кула сталкивается с другой, имеющей меньшую кинетическую энергию, и передает ей некоторую долю своей энергии. В жидко стях перенос тепла за счет теплопроводности осуществляется по типу распространения продольных колебаний (аналогично рас пространению звука). В твердых же телах тепловая энергия пе реносится за счет взаимодействия соседних атомов (ионов) решетки. В металлах перенос тепла за счет теплопроводности в значитель ной мере определяется передачей энергии свободными электронами. Теплофизические характеристики относятся к таким свойствам материалов, которые показывают, какое большое значение имеет знание строения кристаллической решетки, состава и микро структуры материала при получении изделия с заданными свой ствами.
Вопросы теплопроводности и температуропроводности твер дых тел освещены в работах [114, 85, 100].
Предпринимаются исследования 1 с целью получения инфор мации о кинетике полиморфных превращений методом измерения теплопроводности (правда, в этом случае требуется высокая точ ность ±1% ).
1 Дмитриев В. |
А. К |
м етодике |
и сследован и я полим орф ны х превращ ений ве |
щ еств при вы соких |
тем п ер атур ах . |
— С б. научны х тр у до в В л ади м и р ск ого п ол и |
|
техн и ч еск ого института, |
1969, с . |
13. |
105
Важным теплофизическим свойством является теплоемкость. В связи с большими трудностями исследований при высоких температурах (повышенная химическая активность исследуемых веществ, длительность измерений, сложность аппаратуры) тепло емкость многих веществ до сих пор определена , с недостаточной точностью (или совсем неизвестна). Кроме того, изучается вопрос о фазовых переходах при высоких температурах на основе изме рения температурной зависимости теплоемкостей.
2. МЕТОДЫ И УСТАНОВКИ
Теплопроводность одних материалов (кристаллических) па дает с повышением температуры, в то время как у других (стекло, порошки) она повышается. Это значит, что мы не можем без риска использовать данные по теплопроводности материалов и изделий, полученные при комнатных температурах для расчета высоко температурных устройств. Кроме того, при изучении свойств ряда объектов необходимо знать теплопроводность при высоких темпе ратурах. Поэтому разработаны и разрабатываются методы для высокотемпературных измерений теплопроводности.
Кратко обсудим методы измерения тепловых характеристик твердых тел. Их можно разбить на две группы: методы стационар ного режима и методы нестационарного режима.
Методы стационарного режима определения коэффициента теп лопроводности и температуропроводности имеют более простое
теоретическое обоснование и полностью описаны в |
работах [85, |
|||
100, |
114]. |
|
|
|
В этом случае коэффициент теплопроводности К определяют |
||||
из уравнения Фурье: |
|
|
|
|
|
|
s x g r a d t |
’ |
|
где |
q — тепловой поток; |
|
|
|
|
s '— площадь |
изотермической |
поверхности; |
распростра |
|
grad t — градиент |
температуры в |
направлении |
|
|
нения теплового потока; |
|
|
|
|
т — время. |
|
|
|
Методы стационарного режима имеют большое значение для определения теплофизических параметров материалов, но обла дают существенными недостатками: длительность и большой интервал температур одного эксперимента, очень низкая точ ность (в частности, все это указывает на малую пригодность дан ных методов для исследования температурных зависимостей ха рактеристик вещества в области температур фазовых превраще-
Методы нестационарного режима имеют ряд преимуществ. 1 ак, ^некоторые из этих методов пригодны для проведения изме рении вне лаборатории, при меньших затратах времени на один
106
эксперимент, в значительно меньшем интервале температур и с большей точностью [85, 100, 114].
Внастоящее время имеется большое количество таких методов
иустановок. Рассмотрим некоторые из них, чтобы понять прин ципы работы установок измерения теплопроводности, а также ос
новы их конструирования.
Установка для определения теплопроводности строительных материалов при температурах до 800° С с записью результатов изме рений предложена Б. В. Спектровым и В. И. Рязанцевым х, а до 1000° С измерение тепло проводности твердых образцов приведено в работе [47].
Разработана рабочая мето дика 21 для определения тепло проводности огнеупорных мате риалов при температурах до 1100° С. Схема установки, по зволяющей определять на одном образце коэффициент теплопро водности до 1400° С и темпера туропроводности до 1000° С
Рис. 53. Схема установки для опреде ления теплопроводности и темпера туропроводности:
1 , 5 — торцовые изоляции; 2 — нагрева» тель; 3, 4 — отверстия для термопар; 6 — центрирующие алундовые шайбы; 7 — осе вая платинородиевая проволока; 8 — тон костенный цилиндр; 9 — образец
изоляционных материалов, показана на рис. 53 [102]. Коэффи циент теплопроводности, измеряемый радиальным методом (в этом случае осевая платинородиевая проволока служит нагревателем) рассчитывают по формуле
|
In ■ |
IV |
____, |
|
|
А = . 2 п! A t |
|
||
|
2 ’ dt |
|
||
где |
— внутренний диаметр |
цилиндра; |
d 2 и I — диаметр и |
|
длина |
осевого нагревателя; |
вычитаемый |
член — это поправка, |
учитывающая линейную зависимость коэффициента теплопровод
1 Спектров Б. В., Рязанцев В. И. Методика определения теплопроводности строительных материалов при повышенных температурах. «Строительные ма териалы, детали и изделия, Межведомственный республиканский научный сбор ник», вып. 8, Киев, 1967, с. 82.
2 Теплопроводность огнеупорного кирпича. — Экспресс-информация «Сили катные материалы», ВИНИТИ, 1962, № 32, реф. 343, с. 7.
107
ности от температуры. Величину тока / и напряжение V на осе вом нагревателе измеряют. Коэффициент температуропровод
ности определяют по методике, разработанной |
О. |
А. |
Крае |
вым [100]. |
1700° С) |
тепло |
|
Для высокотемпературных определений (до |
|||
проводности огнеупоров в вакууме разработан прибор |
с |
прово |
лочным нагревателем, действующий по принципу полого цилиндра при стационарном тепловом режиме, а для определения тепло-
8 1
Рис. 54. Схема при бора для определения теплопроводности\
I — медная шина;' 2, 9 — графитовые резервные контакты;. 3 — вольфра мовые провода для изме рения падения напряже ния; 4 — пластина из двуокиси циркония; 5 — образец; 6 — футеровочная молибденовая короб
ка; |
7 — асбоцементная |
|
прокладка; |
8 — каркас |
|
прибора; |
10 — экраны; |
|
II |
— надставки; 12 — на |
греватель; 13—подставка;
14 — медные |
электроды; |
|
15 — болт; |
16 — токо- |
|
подвод |
из набора медных |
|
фольг; |
17 — стенка ва |
куумной камеры
проводности огнеупорных материалов до 2400° С применен новый прибор, схема которого приведена на рис. 54 К
Каркасом прибора является арматура из железа в форме параллелепипеда, которая после отсоединения от токопроводя щих шин может быть вынута вместе со всем прибором из вакуум ной камеры. Выдвижной каркас создает большие удобства при ремонте и монтаже.
В качестве нагревателей применены графитовые трубки и вольфрамовый пруток диаметром 5 мм. Графитовые нагреватели очень прочны и позволяют получать весьма высокие температуры. Правда, при высоких температурах графит в отличие от вольфрама сильно испаряется, загрязняя образцы, реагирует с некоторыми испытуемыми материалами, образуя карбиды.1
1 Пустовалов В. В. Установка для определения теплопроводности огнеупор
ных материалов.— Сб. научных трудов, вып. 5, М., Металлургиздат, 1961,
с. 326.
108