научная статья по теме ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ ОПРЕДЕЛЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ ГРАФИТА Физика

Текст научной статьи на тему «ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ ОПРЕДЕЛЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ ГРАФИТА»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 1, с. 64-71

УДК 536.421

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ ОПРЕДЕЛЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ

ПЛАВЛЕНИЯ ГРАФИТА

© 2004 г. А. Ю. Башарин*, М. В. Брыкин**, М. Ю. Марин*, И. С. Пахомов*, С. Ф. Ситников**

*Институт теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН, Москва **Институт высоких температур ОИВТ РАН, Москва Поступила в редакцию 08.08.2003 г.

Реализована экспериментальная методика с импульсным лазерным нагревом, позволяющая исследовать фазовые превращения в графите и исключающая гомогенную конденсацию пара углерода над образцом. Получены данные по температуре плавления графита и температуре кристаллизации жидкого углерода при давлении 15 МПа. Выявлено отсутствие отличия температуры плавления графита при скорости нагрева 100 МК/с и кристаллизации жидкого углерода при скорости охлаждения ванны расплава 1.6 МК/с, свидетельствующее о квазиравновесности процесса плавления. На этом основании температурные данные осреднены единым значением 4800 ± 100 К. Показано, что при кристаллизации углеродного расплава в жидкой пленке толщиной 5 мкм на графитовой подложке образуется высокоупорядоченный графит с кристаллитами, достигающими 250 мкм.

ВВЕДЕНИЕ

Появление работ [1-3] возобновило дискуссию, начатую в [4], об области существования карбина на фазовой диаграмме углерода. В [2] предполагалось, что существенное различие в данных по температуре плавления графита (Тпл ~ ~ 4000 К [4-8] и Тпл ~ 5000 К [9-13]) имеет физическую причину. В [3] на основе анализа литературных данных сделан вывод о том, что значения, близкие к 4000 К, как правило, получались при темпе нагрева ниже 500 К/с ("медленный" фазовый переход). С другой стороны, в условиях медленного фазового перехода в [2, 4] были найдены следы карбина на поверхности образцов, нагреваемых в стационарных условиях при давлении 0.1 МПА. Все это, как считают авторы [2, 4], дает основание предположить, что в условиях медленного фазового перехода осуществляется твердофазный переход графит-карбин, но не при 10 МПа, а при давлении ~ 0.1 МПа. При более высоком темпе нагрева такой переход не реализуется и фиксируется точка плавления графита, близкая к 5000 К [7], при давлении 10 МПа. Таким образом, "карбиновая" тройная точка существенно отличается по параметрам от "графитовой" тройной точки. Из публикации [3] можно заключить, что в термодинамическом смысле плавление графита является неравновесным процессом.

Выдвинутые предположения заставляют по-новому подойти к изучению так называемых "быстрых" фазовых переходов в графите. Необходимо попытаться отыскать признаки отклонения от

равновесности процессов в экспериментах, уделяя особое внимание как зависимости фиксируемых параметров от темпа нагрева (охлаждения), времени выдержки и отличию характеристик, полученных при плавлении и кристаллизации, так и изучению структуры новообразованных углеродных фаз.

Большие возможности в отличие от метода быстрого нагрева электрическим током дает метод импульсного лазерного нагрева, позволяющий изучать и стадию нагрева, и стадию охлаждения образца. Однако метод лазерного нагрева образца в газовой среде высокого давления имеет недостаток, связанный с взаимодействием лазерного излучения с гомогенным углеродным конденсатом, образованным в паре при контакте углеродного пара и более холодного буферного газа. Так, в [14] было показано, что такое взаимодействие в среде Не вызывает "вспышку излучения", интенсивность которого зависит от давления Не и плотности мощности лазерного излучения. Эффективная яркость вспышки достигала значения, соответствующего температуре образца 4000 К. В то же время в окислительной среде вспышка излучения не зарегистрирована. Влияние конденсата и при других способах нагрева является существенным. В работе [15] при нагреве графита током был обнаружен рост Тпл с увеличением парциального давления кислорода. Это вполне можно объяснить последовательным уменьшением массы конденсата с ростом давления кислорода, связанным с выгоранием части конденсата. В таких экспериментах конденсат, не

8

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - интерференционный фильтр; 2 - фильтр (То.65 = 0.75, Т106 = 0); 3 -пирометр; 4 - камера высокого давления; 5 - образец; 6 - набор фильтров (То.65 = 0 , т^.об = уаг); 7-9 - импульсный лазер; 10,13,15 - линзы; 11 - оптический клин; 12 - дихроичное зеркало (^х.об = 0.75, Т0.65 = 0.95); 14 - кварцевые окна; 16,17 - регистраторы излучения; 18 - диафрагма, 19 - непрозрачный экран.

подвергаемый дополнительному нагреву, как при лазерном воздействии, не вызывает дополнительного излучения в пирометрическом канале, а приводит лишь к ослаблению пирометрического сигнала. Существенное влияние конденсата на измеренные значения Тпл также отмечалось в [5, 12], а в [16] было детально проанализировано влияние как конденсата, так и конвекции в "медленных" экспериментах.

Очевидно, что изучение как "быстрых", так и "медленных" фазовых переходов в графите необходимо проводить в условиях, по крайней мере исключающих гомогенную конденсацию углеродного пара. Пионерской в этом направлении можно считать работу [9], в которой был значительно сокращен оптический путь пирометрического канала в газе с помощью введения специального кварцевого световода. Прием полного исключения газового промежутка был успешно применен в [11] к методу быстрого нагрева электрическим током. Экспериментальная установка с лазерным нагревом для исследования плавления графита, при проведении экспериментов на кото-

рой гарантируется отсутствие контакта углеродного пара с более холодным буферным газом, описана в настоящей работе, а также представлены полученные на ней первые результаты.

Экспериментальная установка

Общая схема установки с лазерным нагревом образца в камере высокого давления показана на рис. 1, а рабочая ячейка для крепления образца -на рис. 2. Особенностью конструкции рабочей ячейки была возможность нагрева образца и измерения его яркостной температуры через кварцевую пластину, закрепляемую с очень малым зазором над образцом. Образец 1 (рис. 2) мог устанавливаться отдельно или совместно с кварцевой пластиной 2. Величина зазора В фиксировалась прокладкой 3.

Образец высоко ориентированного графита марки УПВ-1ТМО (10 х 10 х 0.5 мм3) нагревался импульсом сфокусированного лазера

перпендикулярно его а - поверхности в атмосфере Не. Параметры лазера были следующие: длина

Г

Е-

3

Рис. 2. Рабочая ячейка для крепления образца в камере высокого давления: 1 - образец, 2 - кварцевая пластина, 3 - прокладка, 4 - камера высокого давления, 5 -окно камеры высокого давления.

волны - 1.06 мкм, плотность мощности 0.5 МВт/см2, пятно фокусировки 1-3 мм.

V до

Были приняты специальные меры для предотвращения попадания лазерного излучения, отраженного от образца, на приемник излучения пирометра. С этой целью использовалась схема пирометра с интерференционным фильтром 1 (к =

= 0.65 мкм, пятно визирования 0.5 мм, постоянная времени 1 мкс) рис. 1, а не с дифракционной решеткой. В тракт пирометра помещался оптический фильтр 2, блокирующий излучение с длиной волны к = 1.06 мкм.

При градуировке пирометра 3 камера высокого давления 4 (рабочее давление до 300 МПа) убиралась и на место образца 5 помещалась лента пирометрической лампы (на рис. 1 не показана). Регулировка плотности мощности V производилась набором оптических фильтров 6. При такой регулировке временной ход импульса оставался во всех экспериментах неизменным. Система сбора данных эксперимента (на рис. 1 не показана) включала четырехканальный цифровой осциллограф, имеющий память с граничной частотой 1 МГц. В процессе эксперимента регистрировались временные диаграммы яркостной температуры образца Тъ(), по которым рассчитывались временные зависимости истинной температуры начиная с 2750 К и лазерного импульса !() в относительных единицах. Пример измерения 1(г) в одном из экспериментов показан на рис. 3а. При пересчете

I, отн. ед

30 г

20-

10-

0

т, к

5000 4500 4000 3500 3000 2500

т, к 5000

4500

4000

3500

3000

2500

т, к 5000

4500

4000

3500

3000

^ 2500 0.6

г, мс

(б)

(г)

ТР3

0.2

0.4

0.6

г, мс

Рис. 3. Термограммы нагрева образца графита марки УПВ-ТМО от Т = 2750 К до температуры плавления (В = 20 мкм и Р0 = 15 Мпа) в зависимости от времени при Щотн.ед.): форма лазерного импульса - (а) и (б) - ТР1 - №0 , (в) - ТР2 - 1.2 №0 ,

(г) - ТР3 - 1.22 №0. Единичная стрелка - момент касания поверхности расплава кварцевой пластины, двойные стрелки - плато плавления, наклонная стрелка - момент кристаллизации.

5

4

0

Временные характеристики термограмм

Характеристика Тип термограммы Числовое значение

Скорость нагрева графита до плавления, МК/с ТР1-ТР3 ~100

Скорости охлаждения, МК/с жидкой фазы ТР3 ~1.6

твердой фазы ТР1-ТР3 10-12

Длительность плато плавления, мкс ТР1, ТР2 50-80

яркостной температуры в истинную монохроматическая направленная степень черноты принималась равной 0.65 [17] в диапазоне от 2750 К до точки плавления.

Определение температуры плавления и кристаллизации графита

Основной набор экспериментальных данных получен при давлении Не, равном 15 МПа, превосходящем давление в тройной точке графита, и при Б = 20 мкм.

Термограммы. Типичные термограммы в зависимости от Цг можно было разделить на три основных типа: ТР1, ТР2, ТР3 - показанных на рис. 3. Термограмма на рис. 36 имела особенность (отмечена сдвоенными вертикальными стрелками) в виде горизонтального плато, а в области г > 0.3 мс наблюдалось монотонное уменьшение Т(г). На ТР2 (рис. 3в) имел место резкий спад температуры в момент времени, обозначенный одной вертикальной стрелкой, и флуктуации температуры на плато полностью отсутствовали. В конце лазерного им-

пульса термограмма ТР2 имела излом при г ~ 0.37 мс, показанный горизонтальной стрелкой на рис. 3в. Термограмма ТР3 (рис. 3г) характеризовалась также спадом температуры, отсутствием плато, наличием излома при г ~ 0.26 мс (отмечен наклонной стрелкой) и аналогичным ТР2 изломом в конце лазерного импульса. Подчеркнем, что температуры на участках те

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.

Показать целиком