Файл: Бессонов А.Ф. Установки для высокотемпературных комплексных исследований.pdf

зуют, таким образом, термостолбик. Концы одинаковой поляр­ ности двух термостолбиков сваривают, а два других присоеди­ няют к потенциометру. Горячие их спаи помещают в тигли с иссле­ дуемой и эталонной массами, а холодные— в сосуд Дьюара. Диаметр тиглей 12 мм, высота 15 мм. Для смещения нулевой линии в цепь последовательно включали источник регулируе­ мого напряжения типа ИРН-53.

Запись кривой изменения линейных размеров и деформации под нагрузкой осуществляли автоматически с помощью гигро­ графа М-21, в конструкцию которого внесены некоторые измене­ ния. Принцип работы установки заключается в следующем. На испытываемый образец устанавливают кварцевую трубочку. С из­ менением размеров образца движение трубочки передается через пластину дуге, вращающейся вокруг оси. Действие первой дуги передается второй дуге, которая вращает ось и вместе с ней пере­ мещает перо по диаграмме. Барабан с диаграммой приводится в движение часовым механизмом. Продолжительность одного оборота барабана может быть 26 и 176 ч.

Взаимная замена зубчатых колес, не вызывающая особых затруднений, позволяет расширить пределы времени проведения эксперимента и точнее отразить изменения линейных размеров образца при термической обработке. Пометки на диаграмме произ­ водят нажатием кнопки. Для определения деформации под нагруз­ кой на пластину устанавливают необходимый груз.

Кроме автоматической записи изменения линейных размеров, возможно визуальное наблюдение по индикатору, устанавливае­ мому на пластину или груз.

При конструкции печи с горизонтальным входом для опреде­ ления деформации под нагрузкой усилие на образец передается за счет пружины. Один конец пружины опирается в неподвижную стойку, другой — в подвижную пластину. Движение от пластины через гибкий привод передается к вращающемуся барабану. Смена пружинок и их градуировка для создания различных на­ грузок на образец несложны.

Подъем температуры печи производится равномерно, автома­ тически, со скоростью 10° С/мин. На комплексной установке ис­ следовали различные природные материалы. В подтверждение правильности результатов, полученных при исследовании мате­ риала на данной установке, в процессе обжига дополнительно проводили рентгенографические и микроскопические исследования.

Образцы диаметром 12 мм и высотой 20 мм для измерения элек­ тросопротивления, изменения линейных размеров и деформации под нагрузкой готовили методом пластического формования. На

дифференциально-термический анализ материал брали в виде порошка.

Например, исследовали ортофир порфировой структуры. Вкрапления породы представлены в основном калиевым шпатом (ортоклазом) и реже плагиоклазом.

142

При нагревании ортофира до 250° С кривая изменения электро­ сопротивления (рис. 81) в основном обусловлена выходом воды, внесенной в массу при формовании образца, а также содержа­ щейся в самой породе. Выход воды сопровождается эндотермиче­ ским эффектом с максимумом при 180° С, ростом удельного сопро­ тивления и увеличением линейных размеров. Этому соответствует и основная потеря массы при прокаливании (определение выпол­ нено на отдельной установке).

Дальнейшее повышение температуры приводит к уменьшению удельного сопротивления. Слабый эндотермический эффект при

Рис. 81. Комплексная термо­ грамма ортофира:

1 — температурная кривая нагре­ вания; 2 — логарифмическая кри­ вая электросопротивления; 3 —диф­ ференциальная кривая электросо­ противления; 4 — дифференциаль­ ная кривая нагревания; 5 — кривая измерения линейных размеров; 6 ~ кривая деформации под нагрузкой

350° С совпадает с незначительным изменением удельного сопро­ тивления, после которого оно снова уменьшается. Пик при 380° С на дифференциальной кривой электросопротивления соответствует уменьшению интенсивности дифракционных максимумов альбита и микроклина (дополнительные рентгенографические исследо­ вания).

Линейные размеры образца начинают более быстро увеличи­ ваться с температуры 500° С. С этой же температуры на рентгено­ грамме заметно наблюдается рост пиков ортоклаза. Здесь, повидимому, происходит упорядочение и упрочнение его структуры. Аналогичные явления наблюдаются у альбита, кварца и других минералов с 600° С, когда действия внутренних сил возрастают настолько, что увеличиваются линейные размеры образца, нахо­ дящегося под нагрузкой. О физико-химических процессах, проис­ ходящих в ортофире в этом температурном интервале, также сви­ детельствуют незначительные пики на кривой дифференциального термического анализа и дифференциальной кривой электросопро­ тивления.

н а

Рост удельного электросопротивления наблюдается, начиная с температуры 950 до 990° С, который более четко выражен на дифференциальной кривой электросопротивления. При этом из­ менения линейных размеров незначительны. На рентгенограм­ мах при этих температурах хорошо виден рост пиков ортоклаза и микроклина, которые, видимо, переходят в более стабильную

высокотемпературную модификацию.

Жидкая фаза в ортофире заметно появляется при температуре 1000° С. С ее образованием начинается спекание образцов и умень­ шение их линейных размеров. Быстрое образование жидкой фазы идет, начиная с температуры 1050° С, которое наблюдается по резкому излому кривой электросопротивления. Наибольшее ко­ личество жидкой фазы отмечается на дифференциальной кривой электросопротивления при 1090° С. При этой температуре проч­ ностные свойства образца резко снижаются, так как он полностью

раздавливается действующей нагрузкой.

С температуры 1150°С образец начинает плавиться. На рент­ генограммах, снятых с образцов, обожженных при температуре 1170° С, остались в основном пики ос-кварца и гематита. Под микроскопом в шлифах видно, что порфировые выделения опла­ влены. В основной массе выделения кварца частично оплавлены. В целом же основная масса несколько расплавлена и в ней имеется обилие округлых и неправильной формы образований стекла.

При охлаждении со скоростью 10° С/мин резких изменений на кривой электросопротивления не наблюдается. На термограммах

пики не фиксировались.

Снятые рентгенограммы с образцов, обожженных до темпера­ туры 1170° С и охлажденных вместе с печью, показали сходство с рентгенограммами образцов до той же температуры, но резко охлажденных. Это говорит о том, что существенных фазовых превращений в процессе охлаждения не происходит.

Таким образом, рассмотренная аппаратура для комплексного анализа точнее определяет фазовые изменения в изучаемых ма­ териалах, но требует дополнительных исследований, например

рентгенографических.

Установки для одновременного измерения электросопроти­ вления и эффекта Холла описаны в работе [158] и в статье сбор­

ника \ Для измерения электросопротивления и эффекта Холла в по­

следней работе использовали обычный компенсационный метод. Образец устанавливали в зажим, сделанный из латунных блоков (рис. 82). На блоках зажима делали пазы в виде «ласточкина хвоста», в которые вставляли изолированные от блоков угольные электроды. После закладки образца шириной а к нему контакт­

144

Измерения производили потенциометром постоянного тока и зеркальным гальванометром. При измерении ток меняли по на­ правлению, и падение потенциалов измеряли при каждом напра­ влении тока по 3 раза, затем брали средние значения.

Постоянную Холла находили по формуле

Д= 10s Гх. ср

~П Г ’

где Vx. ср — среднее значение падения потенциала на холловских зондах при разных направлениях напряженности магнит­ ного поля Н и тока I.

При этом дополнительно мож­ но рассчитать ширину запрещен­ ной зоны и определить тип про­ водимости.

При техническом применении полупроводниковых материалов часто необходимо детальное изу­ чение таких основных характери­ стик, как удельное электросопро­ тивление, коэффициент Холла, термо-э. д. с., термомагнитные эффекты.

Рис. 82. Установка для измерения элек­ тросопротивления и эффекта Холла:

1 — угольные электроды; 2 — пружина; 3 — винт предварительного зажима; 4 — нагрева­ тельный элемент; о — холодильник; 6 — об­ разец

Методику, которая позволяет измерять все эти характеристики в один прием без перемещения исследуемого образца, применяет Н. В. Сиукаев \

Главное затруднение при создании установки здесь состоит в том, что снятие характеристик с образца производится в магнит­ ном поле, где обычно, приходится бороться против каждого лиш­ него миллиметра межполюсного зазора. Отсюда ясно, что кристаллодержатель прежде всего должен быть компактным. На рис. 83 изображен примененный кристаллодержатель.

Падение потенциала вдоль исследуемого образца определяют между любыми двумя зондами, расположенными на одной и той же грани кристалла. Холловскую разность потенциалов снимают с любой из двух пар зондов, расположенных на противоположных гранях кристалла.1

1 С иукаев Н. В. К м етоди ке и зм ерен и я к и н ети чески х эф ф ектов в п о л у п р о в о д ­

н ик ах. С б. 1. «И ссл едован и я п о ф и зике п ол уп р оводн и к ов и п о геоф изик е». О р д ж о ­ н и к и дзе, 1968, с. 59 .

к каждому винтику, стягивающему хомутик, прикрепляют начало провода, соединяющего зонд с измерительной схемой. В случае порчи зонда его легко заменить, не снимая провод, иду­

щий к измерительной схеме.

Ток к исследуемому образцу подводится через алюмелевую ветвь хромель-алюмелевой термопары.

от состояния равновесия не более чем на 1—5%. Это позволяет исследовать процессы, протекающие с большой скоростью, на­ пример, при высокотемпературном отжиге.

В работе [51 описана методика и результаты исследования удельного электросопротивления и коэффициента теплопровод­ ности пористого молибдена в диапазоне температур 400— 1200 К.

146

На примере пористого молибдена показано, что влияние радиа­ ционной составляющей коэффициента теплопроводности при ис­ следовании диапазона пористости (до 36%) несущественно.

Метод комплексного определения электросопротивления, те­ плопроводности и степени черноты на одном образце при темпе­

рения теплопроводности, удельного электросопротивления и ин­ тегральной степени черноты тугоплавких металлов в интервале температур от 1000 до 1700°С [133].

Образец нагревается постоянным электрическим током от ба­ тареи. Напряжение от батареи к образцу подается через двух­ полюсный рубильник, позволяющий изменять направление ра­ бочего тока. Нагреватели из вольфрама позволяют регулировать температуру концов образца. Ток проходит от одного электрода к другому через образец, нагревая его.

В центральной зоне образца находится рабочий участок, огра­ ниченный потенциальными проводами. Его длину измеряют катето­ метром КМ-6. При перемещении пирометра вдоль оси образца определяют температуру в любой точке рабочего участка.

При высоких температурах данные для ниобия, тантала и воль­ фрама удовлетворительно согласуются с результатами боль­ шинства авторов, что свидетельствует в пользу выбранного метода и осуществления его в описанной экспериментальной установке.

Сконструирована автоматическая установка [150] для одно­ временного определения теплопроводности, температуропровод­ ности, теплоемкости и тепловых эффектов керамических материа­

две установки: одна с медным блоком (диаметр блока 90 мм, вы­ сота 90 мм) для измерения термо- э. д. с. и теплопроводности при комнатной температуре и вторая — со стальным блоком (диаметр 50 мм, высота 120 мм) для измерения термо- э. д. с. и электросо­ противления в интервале температур от комнатной до 1200 С.

При измерении термо- э. д. с. и теплопроводности стационар­ ным методом необходимо поддерживать на образце постоянный во времени перепад температур при различных средних темпера­ турах опыта. Для этого помещают образец в пространственно­ переменное температурное поле или пропускают через образец постоянный во времени тепловой поток.

Создание устойчивого и постоянного перепада температур на образце требует такого же устойчивого потока тепла через обра­ зец, а это возможно лишь при наличии надежного холодильника,

с поверхности образца, а температурное равновесие устанавли­ вается через длительное время). Таким холодильником может слу­ жить блок большой теплоемкости.