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.