УДК 535.3+535.36+535.20
ИЗЛУЧЕНИЕ РАСПЛАВА ОКСИДА АЛЮМИНИЯ В СРЕДНЕЙ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА ПРИ ЕГО ЗАТВЕРДЕВАНИИ В ПРОЦЕССЕ СВОБОДНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ © 2011 г. В. К. Битюков, В. А. Петров
Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) Поступила в редакцию 16.11.2009 г.
Приведены результаты измерения интенсивности излучения в средней ИК-области спектра от 3 до 11 мкм при охлаждении и затвердевании в окружающем воздухе как "толстых" слоев расплава чистого оксида алюминия толщиной в несколько мм, так и "тонких" слоев расплава толщиной в десятые доли мм. В первом случае расплав удерживался в порошковой засыпке из того же вещества, во втором случае бассейн с расплавом формировался на поверхности керамики. Результаты представлены как зависимости от времени сигналов инфракрасного спектрометра, пропорциональных интенсивности выходящего из расплава излучения, для различных длин волн. Кроме того, для толстых слоев расплава на плато затвердевания представлены данные по зависимости излучательной способности от времени. На основании полученных результатов, а также результатов предшествующих исследований и расчетов радиационно-кондуктивного теплопереноса при охлаждении и затвердевании показано, что интенсивность выходящего излучения определяется при кристаллизации не только оптическими свойствами расплава и кристалла, но зависит также от толщины расплава и поля температуры в расплаве, существовавшем перед началом охлаждения. Наличие почти горизонтального участка на плато затвердевания обусловлено существованием изотермической двухфазной зоны, однако при толщине расплава в несколько миллиметров такой участок разной продолжительности наблюдается лишь в диапазоне длин волн от 5 до 11 мкм.
ВВЕДЕНИЕ
Оксид алюминия является полупрозрачным веществом не только в твердом состоянии, но и в жидком. В расплаве при температуре, близкой к температуре плавления, эта область простирается в диапазоне длин волн от видимой части спектра примерно до 5 мкм [1]. В этой связи излучение, выходящее из поверхности расплава, определяется полем температуры и оптическими свойствами слоя некоторой конечной толщины, в общем случае зависящей от уровня температуры и длины волны. Для того чтобы характеризовать излучение слоя расплава определенной толщины монохроматической излучательной способностью б х, нужно обеспечить изотермичность всего излучающего слоя. Это обычно осуществляется в квазистационарном температурном состоянии и используется для определения коэффициента поглощения кх расплава. Так, например, в [2] была
измерена бх слоя расплава, образованного на верхней половине частично оплавленной тонкой сапфировой нити диаметром 250 мкм. Расплав находился в контакте с нижней кристаллической частью и имел температуру, очень близкую к температуре плавления. В [3] была измерена бх расплава, сформированного в центральной части монокристаллического образца толщиной 1 мм и
диаметром 10 мм. Расплав находился в контакте с нерасплавленной частью образца и удерживался силами поверхностного натяжения, поэтому максимальная температура лишь немного превышала температуру плавления и составляла 2360 К. Аналогичная методика и исследуемые образцы использовались и в [4]. Здесь получены данные по 6х при температурах 2340 и 2360 К. Во всех трех упомянутых выше работах расплав был изотермическим и изменение излучательной способности в процессе охлаждения и затвердевания не исследовалось.
В работах [5—7], относящихся к исследованию излучения расплава оксида алюминия в процессах нагрева или охлаждения, ошибочно предполагали, что излучение расплава характеризуется излучательной способностью, которую можно определять косвенно путем измерения отражательной способности в предположении, что расплав является непрозрачным и излучает с поверхности.
Результаты прямых исследований излучения расплава оксида алюминия в процессе охлаждения и затвердевания опубликованы в [8—10]. Результаты [8] представлены как зависимости интенсивности излучения в Вт/(см2 мкм ср) в функции времени для некоторых длин волн и как
зависимости интенсивности излучения от длины волны в диапазоне от 0.26 до 1.6 мкм для трех моментов времени (расплав, переохлажденное состояние, начало затвердевания) для капель расплава диаметром 1.2—1.5 мм. Спектрометры были градуированы по излучению вольфрамовой ленточной лампы. Радиационно-кондуктивный теп-лоперенос в охлаждающейся и затвердевающей капле в этой работе не рассматривался, а различным моментам охлаждения были поставлены в соответствие некоторые условные температуры, которые рассчитывались тремя различными методами: методом теплового баланса; по яркост-ной температуре на длине волны 0.63 мкм в предположении, что бх на этой длине волны определена, и по яркостной температуре на длине волны 0.26 мкм в предположении, что на этой длине волны излучает очень тонкий слой и тем самым измеряется яркостная температура поверхности. Подробно методы определения температуры не описаны, но сообщается, что расхождения в значениях, полученных разными методами, для различных стадий процесса охлаждения были большими и составляли несколько десятков градусов, что, по-видимому, является следствием влияния неоднородного распределения температуры в излучающем слое. На начальной стадии затвердевания, которую авторы [8] рассматривали как переход из жидкой фазы в метастабильную кристаллическую фазу у-Л1203 при температуре 2310 К, были получены данные по зависимости коэффициента поглощения кх от длины волны в предположении, что на этой стадии образец является изотермическим и его излучение можно характеризовать излучательной способностью. Работа [9] является продолжением и дальнейшим развитием [8]. Спектральный диапазон исследований был расширен на область от 1.6 до 8.5 мкм. В отличие от [8], в этой работе помимо зависимостей интенсивности излучения от длины волны для различных характерных моментов времени (переохлажденное состояние, начало затвердевания и условный момент, соответствующий, по мнению авторов [9], началу перехода метастабильной кристаллической у-Л1203 в стабильную а-Л1203) даются зависимости б х , относящиеся к некоторым весьма условным температурам. Влияние поля температуры в охлаждающейся и затвердевающей капле не принималось во внимание, хотя видно, что горизонтальный участок интенсивности излучения при затвердевании на длине волны 0.26 мкм в три раза продолжительнее, чем аналогичный участок на длине волны 0.63 мкм, а на длине волны 3.38 мкм горизонтального участка вообще нет. Последнее явно свидетельствует о том, что в момент начала затвердевания приповерхностного слоя более глубокие слои расплава продолжают охлаждаться за счет излучения.
В [10] представлены результаты исследований излучательных характеристик капли расплава оксида алюминия диаметром около 3 мм в условиях аэродинамической левитации при обдуве потоками различных газов при охлаждении и затвердевании после отключения греющего излучения С02-лазера. Измерения проведены в диапазоне длин волн от 2 до 6 мкм. Температура поверхности капли измерялась пирометром, регистрирующем излучение в узком спектральном интервале примерно от 8.5 до 9.5 мкм с максимумом пропускания фильтра на длине волны 9 мкм. При этом предполагалось, что из-за близости спектрального диапазона к длине волны Христиансена поверхность излучает как абсолютно черное тело во всем интервале температур во всех газовых средах. Наблюдавшееся переохлаждение могло превышать 200 К. Опорным для пирометра служил максимальный сигнал после рекалесценции (начало слабо наклонного плато затвердевания), которому ставили в соответствие температуру затвердевания 2327 К. В квазистационарном состоянии перед началом охлаждения разница температур между верхом и низом капли могла доходить до 200 К. Авторы считают, что примерно через 100 мс от начала охлаждения температура выравнивалась, и в этой связи излучение можно было характеризовать спектральной излучательной способностью бх, относя ее к температуре поверхности. Левитация осуществлялась в кислороде, аргоне и смеси Аг + 5% Н2. Было получено, что при левитации в аргоне и его смеси с водородом капля расплава непрозрачна для всех температур и характеризуется очень малым переохлаждением или его отсутствием. Для левитации в кислороде в [10] представлены данные по спектральной излуча-тельной способности в диапазоне от 2 до 6 мкм при температурах поверхности 2800, 2500, 2300 и 2100 К. Две последние температуры относятся к переохлажденному состоянию, правда, для первой из них переохлаждение очень мало. Отметим, что при длинах волн, превышающих примерно 4.7 мкм, кривые для всех температур в пределах погрешности измерений совпадают. В более коротковолновой части значения б х для температур 2500 и 2800 К очень близки, а их величины превышают 0.9, что говорит о наличии в капле при этих температурах оптически бесконечного слоя. В дополнение к описанным выше результатам в [10] представлены данные по зависимости спектральной излучательной способности бх и показателя
поглощения кх для длины волны 3 мкм от
4п
температуры. Эти данные охватывают область расплава (от 2800 до 2327 К), переохлажденного расплава (от 2327 до 2070 К), промежуточную зону вблизи температуры затвердевания (от 2327 до 2200 К) и область твердой фазы от 2200 до 1500 К.
Характер изменения 6 х и кх с температурой в этих областях различен. После выхода из переохлаждения уменьшение коэффициента поглощения с температурой происходит гораздо более резко, чем при тех же температурах в переохлажденной жидкости. Авторы [10], считая этот факт нуждающимся в изучении, отмечают, что "после рекалесценции во время затвердевания капля состоит из смеси жидкость—твердая фаза с толстым твердым слоем, растущим от поверхности, который может иметь оптические свойства, отличающиеся от свойств как жидкой, так и твердой фаз". Эта сделанная авторами [10] очень краткая формулировка особенностей процесса затвердевания капли ставит больше вопросов, чем дает ответов. Между тем на специфику быстрой кристаллизации расплава А1203 имеются две
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.