Топливно-энергетический комплекс
<<  Энергосбережение – не экономия, а умное потребление Угольная промышленность 10 класс  >>
Быстродействующие методы исследования теплофизических свойств веществ,
Быстродействующие методы исследования теплофизических свойств веществ,
План доклада
План доклада
S.V. Lebedev (1913-1990)
S.V. Lebedev (1913-1990)
Сергей Владимирович Лебедев - «пионер…»
Сергей Владимирович Лебедев - «пионер…»
Электрический вольфрамовой взрыв проволоки
Электрический вольфрамовой взрыв проволоки
Измерение теплового расширения жидкого тантала капиллярной методикой
Измерение теплового расширения жидкого тантала капиллярной методикой
Импульсная установка (конденсаторы ИКМ-25/12), построенная В.Н
Импульсная установка (конденсаторы ИКМ-25/12), построенная В.Н
СХЕМА ИМПУЛЬСНОЙ УСТАНОВКИ (6 мкФ) (Князьков А.М., Савватимский А.И.)
СХЕМА ИМПУЛЬСНОЙ УСТАНОВКИ (6 мкФ) (Князьков А.М., Савватимский А.И.)
Электросопротивление сплавов (как правило, двойных) в твердом и жидком
Электросопротивление сплавов (как правило, двойных) в твердом и жидком
Влияние скорости нагрева на положение диффузионного перехода
Влияние скорости нагрева на положение диффузионного перехода
О некорректности заявлений о перегреве металлов, сделанных при
О некорректности заявлений о перегреве металлов, сделанных при
Фазовый переход в чистом титане (различие по температуре 20К) E
Фазовый переход в чистом титане (различие по температуре 20К) E
Стационарные данные для твердого Zr (мартенситный переход)
Стационарные данные для твердого Zr (мартенситный переход)
Плавление Zr при импульсном нагреве
Плавление Zr при импульсном нагреве
Измерение плотности жидких металлов (при подсветке лазерным импульсом)
Измерение плотности жидких металлов (при подсветке лазерным импульсом)
1 - данные Коробенко и Савватимского
1 - данные Коробенко и Савватимского
Сравнение результатов (плотность циркония) 1- опубликовано Петуховым и
Сравнение результатов (плотность циркония) 1- опубликовано Петуховым и
Измерение теплового расширения жидкого железа
Измерение теплового расширения жидкого железа
Сравнение экспериментальных данных о плотности жидкого железа
Сравнение экспериментальных данных о плотности жидкого железа
Тепловое расширение жидкого гафния до 5000 К
Тепловое расширение жидкого гафния до 5000 К
Измерение температуры жидких металлов (при импульсном нагреве)
Измерение температуры жидких металлов (при импульсном нагреве)
Температурные измерения по электросопротивлению (Лебедев С.В., Можаров
Температурные измерения по электросопротивлению (Лебедев С.В., Можаров
Модель черного тела, состоящая из двух фольг (В
Модель черного тела, состоящая из двух фольг (В
Обработка цифровых осциллограмм (В
Обработка цифровых осциллограмм (В
Где начинается плавление металла; (с поверхности
Где начинается плавление металла; (с поверхности
Удельная теплоемкость жидкого циркония
Удельная теплоемкость жидкого циркония
Теплоемкость жидкого вольфрама
Теплоемкость жидкого вольфрама
Максимальная систематическая погрешность измерения удельной
Максимальная систематическая погрешность измерения удельной
Быстродействующие методы исследования теплофизических свойств веществ,
Быстродействующие методы исследования теплофизических свойств веществ,
Итоги по быстрому нагреву металлов
Итоги по быстрому нагреву металлов
Исследования плавления графита и жидкого состояния углерода
Исследования плавления графита и жидкого состояния углерода
Что необходимо для выполнения эксперимента (при быстром нагреве
Что необходимо для выполнения эксперимента (при быстром нагреве
Импульсный нагрев графита различной плотности (левая стрелка – начало
Импульсный нагрев графита различной плотности (левая стрелка – начало
Результаты нагрева плотного (2 г/см3) изотропного графита в воде
Результаты нагрева плотного (2 г/см3) изотропного графита в воде
Пиролитический графит Resistivity
Пиролитический графит Resistivity
Наклонное плато (отмечено вертикальными черточками) при плавлении
Наклонное плато (отмечено вертикальными черточками) при плавлении
Плоская стеклянная или кварцевая ячейка для исследования углерода под
Плоская стеклянная или кварцевая ячейка для исследования углерода под
Плавление графита при высоком давлении
Плавление графита при высоком давлении
Melting of the annealed pyrolytic graphite HOPG placed between thick
Melting of the annealed pyrolytic graphite HOPG placed between thick
КАЛИБРОВКА ТЕМПЕРАТУРНОЙ ШКАЛЫ Экспериментальные данные М.Шейндлина и
КАЛИБРОВКА ТЕМПЕРАТУРНОЙ ШКАЛЫ Экспериментальные данные М.Шейндлина и
Итоговое зарубежное исследование давления в тройной точке углерода
Итоговое зарубежное исследование давления в тройной точке углерода
Оценка расширения графита при плавлении (при малых Р
Оценка расширения графита при плавлении (при малых Р
Публикации по плавлению графита и свойствам жидкого углерода
Публикации по плавлению графита и свойствам жидкого углерода
The data of M.Togaya (Japan) The liquid carbon resistivity versus
The data of M.Togaya (Japan) The liquid carbon resistivity versus
Падение электросопротивления жидкой фазы в точке плавления с вводом Е
Падение электросопротивления жидкой фазы в точке плавления с вводом Е
23000 к
23000 к
Итоговые результаты по углероду
Итоговые результаты по углероду
Исследование металлов в сверхкритической области состояний при высоких
Исследование металлов в сверхкритической области состояний при высоких
Фотография экспериментальной сборки: полоска фольги и рубиновая
Фотография экспериментальной сборки: полоска фольги и рубиновая
Схема экспериментов по измерению давления
Схема экспериментов по измерению давления
Фотография развертки спектра люминесценции рубина (R1 и R2 линии) на
Фотография развертки спектра люминесценции рубина (R1 и R2 линии) на
Скорость звука в железе как функция внутренней энергии на изобаре P =
Скорость звука в железе как функция внутренней энергии на изобаре P =
Удельное сопротивление железа в области перехода металл-неметалл
Удельное сопротивление железа в области перехода металл-неметалл
Итоговые результаты
Итоговые результаты
В.Э.Пелецкий и В.Я.Чеховской «Теплофизические свойства и параметры
В.Э.Пелецкий и В.Я.Чеховской «Теплофизические свойства и параметры
Спасибо за внимание
Спасибо за внимание

Презентация на тему: «Быстродействующие методы исследования теплофизических свойств веществ, основанные на электрическом взрыве проводников Лаборатория электровзрывных процессов Объединенного института высоких температур РАН». Автор: aaa. Файл: «Быстродействующие методы исследования теплофизических свойств веществ, основанные на электрическом взрыве проводников Лаборатория электровзрывных процессов Объединенного института высоких температур РАН.ppt». Размер zip-архива: 5907 КБ.

Быстродействующие методы исследования теплофизических свойств веществ, основанные на электрическом взрыве проводников Лаборатория электровзрывных процессов Объединенного института высоких температур РАН

содержание презентации «Быстродействующие методы исследования теплофизических свойств веществ, основанные на электрическом взрыве проводников Лаборатория электровзрывных процессов Объединенного института высоких температур РАН.ppt»
СлайдТекст
1 Быстродействующие методы исследования теплофизических свойств веществ,

Быстродействующие методы исследования теплофизических свойств веществ,

основанные на электрическом взрыве проводников Лаборатория электровзрывных процессов Объединенного института высоких температур РАН

Савватимский А.И., Коробенко В.Н. komitet@iht.mpei.ac.ru Национальный комитет по теплофизическим свойствам веществ РАН

2 План доклада

План доклада

1. Что такое электрический взрыв и почему этот режим нагрева благоприятен для исследования теплофизических свойств проводящих веществ при высоких температурах и давлениях. 2. Пионерские работы Сергея Владимировича Лебедева по электрическому взрыву проводников. 3. Методика измерения плотности жидких тугоплавких металлов: - при нагреве в капиллярных трубках (работа совместно с В.В.Ивановым)- Al, Cu, Mo, Ta, W. - при подсветке лазерным излучением (Fe, Zr, Hf). 4. Методика измерения температуры при импульсном нагреве. 5. Методика исследования свойств жидкого углерода при импульсном нагреве. 6. Методика создания и измерения высокого импульсного давления (до 100 кбар) в лабораторных условиях (без применения взрывчатых веществ). 7. Преимущества и недостатки метода. Ошибочная позиция профессионалов стационарного нагрева.

3 S.V. Lebedev (1913-1990)

S.V. Lebedev (1913-1990)

4 Сергей Владимирович Лебедев - «пионер…»

Сергей Владимирович Лебедев - «пионер…»

В 1967 году С.В.Лебедев был приглашен академиком А.Е.Шейндлиным на работу в ИВТАН. Сергей Владимирович ЛЕБЕДЕВ (1913-1990) был выдающимся ученым, который (может быть первым) использовал микросекундный импульсный нагрев для исследования металлов при высоких температурах. W.G.Chase, издатель известных сборников, посвященных импульсному нагреву, назвал его «пионером исследования электровзрыва проводников". Напомним всего лишь две статьи , опубликованные С.В.Лебедевым еще в 1954 году: С.В.Лебедев и С.Э.Хайкин «Некоторые аномалии в металлах, нагреваемых импульсным током высокой плотности", ЖЭТФ, 1954, V.26, No5. pp. 629-639. .С.В.Лебедев «Явления в вольфрамовых проволоках перед их взрывом под действием электрического тока высокой плотности", ЖЭТФ, 1954, V.27, No5. pp. 605-614. С.В.Лебедев был основателем нашей лаборатории. 1) Быстрый микросекундный нагрев электрическим током предпочтителен в случае измерения объемных свойств при высоких температурах. Обнаружение аномальной электронной эмиссии металлов перед плавлением. 2) Модель черного тела в виде фольги свернутой в трубочку, разработана С.В.Лебедевым совместно с Г.И.Можаровым, что позволило измерять истинную температуру. 3) Капиллярный метод (нагрев в ограниченном объеме) использовался в лаборатории для измерения расширения жидкого металла.

5 Электрический вольфрамовой взрыв проволоки

Электрический вольфрамовой взрыв проволоки

Напряжение VR вольфрамовой проволоке и нагревающий ее ток i при взрыве (момент tC – tM) в ацетоне. Плотность тока j ~ 107 A/см2. Моменты выключения тока отмечены стрелками. Масштабы для рисунков а, б, в – одинаковые: одно деление по оси VR равно 1 кВ, по оси i равно 250А. tC – начало скачка напряжения (начало электрического взрыва); tM – момент максимума напряжения; tР – момент зажигания шунтирующего разряда вдоль проволоки.

6 Измерение теплового расширения жидкого тантала капиллярной методикой

Измерение теплового расширения жидкого тантала капиллярной методикой

(Иванов В.В., Лебедев С.В., Савватимский А.И. 1984)

Точки - V.V.Ivanov, S.V.Lebedev, and A.I.Savvatimskiy " Thermal expansion of liquid Al, Cu, Mo, Ta and W", J. Phys.F: Met. Phys. 1984. V.14. pp. 1641-1650. Сплошная линия - J.W. Shaner, G.R.Gathers, and C.Minichino High temp.- High Press, 1977. V.9. pp. 331- Пунктирная линия – начало плавления тантала; Вертикальная ось – завершение плавления.

7 Импульсная установка (конденсаторы ИКМ-25/12), построенная В.Н

Импульсная установка (конденсаторы ИКМ-25/12), построенная В.Н

Коробенко (72 мкФ)

8 СХЕМА ИМПУЛЬСНОЙ УСТАНОВКИ (6 мкФ) (Князьков А.М., Савватимский А.И.)

СХЕМА ИМПУЛЬСНОЙ УСТАНОВКИ (6 мкФ) (Князьков А.М., Савватимский А.И.)

Rзар – зарядный резистор (~200 кОм); C – конденсаторы ИКМ50-3 (6 мкФ); R1 – дисковые балластные сопротивления (0,53 Ом); R – исследуемый образец; М – монитор (датчик) тока; Т1, Т2 – тиратроны ТГИ!-1000/25; ВС-20-10 – выпрямительная установка

9 Электросопротивление сплавов (как правило, двойных) в твердом и жидком

Электросопротивление сплавов (как правило, двойных) в твердом и жидком

состояниях в зависимости от введенной энергии

Оси Коробенко В.Н., Савватимский А.И. Journal of Non-Crystalline Solids 1996 год, т.205-208, с.672-682 (в большинстве случаев начало плавления по свечению совпадало с началом плавления по электросопротивлению) Начало и окончание плавления отмечены стрелками. Приведены сплавы на основе никеля. На врезке - сплавы на основе меди. Знание электросопротивления жидкого сплава позволило (завод в Каменск-Уральске) проектировать электрические печи для плавки сплавов (одновитковый трансформатор). Особенность НИХРОМА

10 Влияние скорости нагрева на положение диффузионного перехода

Влияние скорости нагрева на положение диффузионного перехода

(Коробенко, Савватимский, J. Non-Crystall.Solids, 1996) В то же время смещение мартенситного перехода в твердом цирконии – не обнаружено

11 О некорректности заявлений о перегреве металлов, сделанных при

О некорректности заявлений о перегреве металлов, сделанных при

рассмотрении плавления сложных сплавов

Рис.2.4 из работы В.Э.Пелецкого и В.Я.Чеховского «Теплофизические свойства и параметры плавления металлов и сплавов в условиях быстрого нагрева электрическим током» Препринт ОИВТ РАН №1-496, 2008 год: «перегрев начала плавления сплава при скорости нагревания 107 К/c составлял 25-30 К» Возможно другое объяснение Сплав может иметь сложную фазовую диаграмму с диффузионными переходами. Поэтому может проявиться неоднородность нагрева, а не перегрев.

Титановый сплав 90Ti-6Al-4V Зависимость яркостной температуры от энтальпии: скорость нагрева 3000 К/c (1) 107 К/c (2)

12 Фазовый переход в чистом титане (различие по температуре 20К) E

Фазовый переход в чистом титане (различие по температуре 20К) E

Kaschnitz and P.Reiter Intern. J.of Thermophys., 2002, V.23, #5,P.1339-1345)

13 Стационарные данные для твердого Zr (мартенситный переход)

Стационарные данные для твердого Zr (мартенситный переход)

14 Плавление Zr при импульсном нагреве

Плавление Zr при импульсном нагреве

15 Измерение плотности жидких металлов (при подсветке лазерным импульсом)

Измерение плотности жидких металлов (при подсветке лазерным импульсом)

Металл в виде проволоки натянут между электродами; нагревается импульсом тока за 5-7 микросекунд. В требуемое время подсвечивается коротким (7 нс) лазерным импульсом. Однократная фотография дает радиальное расширение металла. (1 микросекунда – это 1000 наносекунд) Причем, в твердой фазе металл (также как и в жидкости) расширяется только по радиусу, так как из-за жесткой фиксации электродов на торцах проволоки достигается предел текучести и металл выдавливается в радиус из-за осевого сжатия. Это предположение подтверждено расчетом давления сжатия (В.Н.Коробенко).

16 1 - данные Коробенко и Савватимского

1 - данные Коробенко и Савватимского

Сплошная кривая - линейная аппроксимация без учета начальной точки ? = 6517 - 471?Е, кГ/м3. SD = 50 кГ/м3. Пунктирная кривая – оценка, опубликовано в: Шипков Н.Н., Костиков В.И., Непрошин Е.И., Демин А.В. Рекристаллизованный графит. М.: Металлургия, 1979

Плотность циркония в зависимости от удельной энтальпии

17 Сравнение результатов (плотность циркония) 1- опубликовано Петуховым и

Сравнение результатов (плотность циркония) 1- опубликовано Петуховым и

Фортовым на сессии МАГАТЭ (стационар); 2 – Paradis, Rhim (левитация) ; 3 – импульсный нагрев Несовпадение 1 и 3 в твердой фазе – менее 5%

18 Измерение теплового расширения жидкого железа

Измерение теплового расширения жидкого железа

Image (with photometrical scale) of iron (with 0.1% of carbon content) wire diameter, horizontal axis, on CCD -camera. Above - initial diameter (0.2 mm) of iron specimen. Lower - expanded diameter of the same specimen during the experiment (under imparted energy 2.05 kJ/g, that corresponds to an iron temperature of 2500 K).

19 Сравнение экспериментальных данных о плотности жидкого железа

Сравнение экспериментальных данных о плотности жидкого железа

The start (1.06 kJ/g) and the end (1.33 kJ/g) of iron melting are shown with arrows according to Pottlacher et al.4. Square points – our data, initial point is shown under E = 0. Dashed curve – polynomial fit of our data. The errors of density and imparted energy measurements are given for the value datum close to 2.5 kJ/g. Dashed curve 1 - our data for solid and liquid iron (with 0.1% carbon content), obtained in air. Circle points 2 - data of Hixson et al.5 for liquid iron, obtained with pulse electrical heating under high argon pressure (2 kbars). According to this reference: E = 3 kJ/g corresponds to 3950 K. Solid line 3 - data of Beutle et al.3 for liquid iron, obtained in water with pulse electrical heating under high pressure (up to 3.8 kbars). The full time of heating is 55 microseconds. According to 3: E = 3 kJ/g corresponds to 3861 K.

20 Тепловое расширение жидкого гафния до 5000 К

Тепловое расширение жидкого гафния до 5000 К

Фотографии одного и того же проволочного образца, полученные лазерной подсветкой (в течение 7 нс). В исходном состоянии, т.е. до нагрева (верхняя). Во время нагрева (нижняя), при удельной введенной энергии 1.62 кДж/г (соответствует температуре 5750 К). Благодаря быстрому нагреву инерционные свойства вещества не позволяют сместиться образцу (центральная ось проволоки остается неизменной). Давление пинча не препятствует испарению с поверхности (на поверхности Р = 0)

21 Измерение температуры жидких металлов (при импульсном нагреве)

Измерение температуры жидких металлов (при импульсном нагреве)

22 Температурные измерения по электросопротивлению (Лебедев С.В., Можаров

Температурные измерения по электросопротивлению (Лебедев С.В., Можаров

Г.И. 1976) М.М.Мартынюк (1972) опубликовал работу о «перегреве» металлов (и Pb) при плавлении. В США не обнаружен «перегрев» свинца (1972)

23 Модель черного тела, состоящая из двух фольг (В

Модель черного тела, состоящая из двух фольг (В

Н.Коробенко) Ток ? сверху вниз (или снизу вверх). Наконечник световода ? сбоку, вблизи зазора (0.1-0.2 мм) между фольгами (ширина фольги 3 мм). Измерение температуры плавления графита на модели черного тела привело к температуре плавления 4800 К (В.Н. Коробенко).

1- модель; 2- световод; 3- линза; 4 – фильтр; 5 - фотодетектор

24 Обработка цифровых осциллограмм (В

Обработка цифровых осциллограмм (В

Н.Коробенко)

Спектральная (855 нм) яркость плоской фольги циркония в зависимости от времени: 1 - сигнал пирометра на менее чувствительном канале, 2 - сигнал пирометра на более чувствительном канале. Нижняя кривая - сшитый сигнал (сдвинуто по оси ординат). Точка сшивки (соответствующая определенному моменту времени) указана правой стрелкой внизу рисунка.

25 Где начинается плавление металла; (с поверхности

Где начинается плавление металла; (с поверхности

Принято считать, что плавление образца металла начинается с поверхности. В случае нагрева импульсом тока тепловыделение происходит во всем объеме образца (по закону Джоуля). В общем случае: плавление начинается по границам зерен (для поликристалла). Поверхность поликристалла целиком состоит из границ зерен, - именно поэтому можно считать, что плавление образца начинается с поверхности. Когда поверхность покроется жидкой пленкой (расплавятся границы зерен), в объеме образца плавление самих зерен еще может не успеть закончиться. И когда образец целиком расплавиться, то температура поверхностной пленки может быть несколько выше внутренних слоев (например на 10-20 К). Однако это не имеет никакого отношения к термодинамическому перегреву. Это есть неравномерность нагрева, которая должна быстро выравниваться.

26 Удельная теплоемкость жидкого циркония

Удельная теплоемкость жидкого циркония

1 - Наш результат от 2150 К до 4100 К для 2-х полосной модели черного тела. На зависимости указано стандартное отклонение от среднего для трех исследованных образцов. 2 - Эксперимент (Кац С.А., Чеховской В.Я., Коваленко М.Д. ТВТ, т.23, №2, с.395-397, 1985) в диапазоне температур 2128-2200 К, левитационный метод. 3 - данные Fink J.K. (http://www.insc.anl.gov/matprop/zirconium/zrhfus99.pdf). 1999.

27 Теплоемкость жидкого вольфрама

Теплоемкость жидкого вольфрама

28 Максимальная систематическая погрешность измерения удельной

Максимальная систематическая погрешность измерения удельной

теплоемкости Cp

1. В зависимости от удельной энергии: твердое состояние – вплоть до 0.7кДж/г; жидкое состояние – выше 0.85 кДж/г. 1 – из-за наклона температурного плато при плавлении (рост на 20 К), 2 – из-за погрешности в измерении мощности, 3 – суммарная систематическая погрешность. 2. В зависимости от температуры

29 Быстродействующие методы исследования теплофизических свойств веществ,
30 Итоги по быстрому нагреву металлов

Итоги по быстрому нагреву металлов

Метод быстрого (микросекунды) импульсного нагревания позволяет измерять удельные теплофизические свойства твердых и жидких металлов до высоких температур в едином акте нагревания (т.е.для одного и того же образца). Стационарные методы – дают одну точку. Получены экспериментальные результаты по электросопротивлению тугоплавких металлов, а также сплавов (на основе меди и никеля) в точке плавления и в жидком состоянии (без измерения температуры). Универсальная двухполосная модель абсолютно-черного тела была разработана и протестирована на измерениях температуры жидкого циркония с целью использования этой модели в дальнейших экспериментах по исследованию теплофизических свойств жидких гафния и углерода. Получены экспериментальные результаты по плотности, электросопротивлению, теплоемкости (в зависимости от температуры) для жидкого циркония (до 4100 К); для жидких гафния и вольфрама (до 5000 К).

31 Исследования плавления графита и жидкого состояния углерода

Исследования плавления графита и жидкого состояния углерода

32 Что необходимо для выполнения эксперимента (при быстром нагреве

Что необходимо для выполнения эксперимента (при быстром нагреве

графита импульсом электрического тока)

Выбор графитового образца высокой плотности (2 - 2.2 г/см куб) Отжиг образца при Т=3000 С (для снижения начального удельного сопротивления до ? 100 мкОм см) Обеспечение быстрого нагревания (время до плавления 1-5 мкс) Нагрев графита коротким импульсом электрического тока большой плотности позволяет: ограничить сублимацию графита с поверхности (начинается при Т? 3000К; снизить тепловые потери всех видов вплоть до долей процента; за 1 импульс фиксировать все фазы нагрева: твердое тело, плавление и жидкое состояние, т.е проводить измерения свойств для всех фазовых состояний одного и того же образца. Цифровая регистрация параметров (напряжение, ток, время, температура) позволяет повысить точность обработки измерений. Обеспечение повышенного давления (к моменту плавления) за счет расширения самого графита – путем ограничения объема вокруг образца: размещение графита в капиллярной трубке или в ячейке из плоских изолирующих изделий (кварц, сапфир).

33 Импульсный нагрев графита различной плотности (левая стрелка – начало

Импульсный нагрев графита различной плотности (левая стрелка – начало

плавления, правая – окончание) Графиты низкой плотности и высокой (более 2 г/см3) Стрелками отмечено начало и окончание плавления.

34 Результаты нагрева плотного (2 г/см3) изотропного графита в воде

Результаты нагрева плотного (2 г/см3) изотропного графита в воде

(Князьков, Савватимский, 2008)

Получение жидкого углерода – невозможно при давлении близком к атмосферному. Осциллограмма нагрева изотропного графита высокой плотности сечением 0,63?0,14 мм, длиной 16 мм в кипяченой воде (синяя линия – ток, голубая – напряжение). Временная развертка 1 мкс на одно большое деление. Еще до начала плавления (Е ? ?9.5 кДж/г, Т ? 4600 К) начинается объемная потеря проводимости. Сопротивление от исходного ? 1000 мкОм?см достигает ? 10000 мкОм?см. 1) Структурный переход ? 2) «Объемная сублимация» ?

35 Пиролитический графит Resistivity

Пиролитический графит Resistivity

µ??m (without expansion included) of the annealled cylindrical pyrolytic graphite specimens versus specific imparted energy (W, kJ/g). 1 – in the water; 2 – in sapphire tube (Vtube/Vgraphite = 1.7); 3 – in sapphire tube (Vtube/Vgraphite = 1.4). Finish of melting – at 20.5 kJ/g.

36 Наклонное плато (отмечено вертикальными черточками) при плавлении

Наклонное плато (отмечено вертикальными черточками) при плавлении

графита УПВ1-Т (оценка давления ~ 50 кбар при завершении плавления) в сапфировом толстостенном капилляре. Ось ординат - электросопротивление ? (верхняя кривая); Температура Т, К (нижняя кривая) Тпл ? 4800 К; Р ? 50 кбар; dP/dT = 54 бар/K (Верещагин Л.Ф) Ось абсцисс - введенная удельная энергия. Е1= 10.5 кДж/г; E2= 20.5 кДж/г СV как (dE/dT) ? 3 Дж/г?К

Плавление графита в сапфировом капилляре при высоком импульсном давлении

37 Плоская стеклянная или кварцевая ячейка для исследования углерода под

Плоская стеклянная или кварцевая ячейка для исследования углерода под

высоким импульсным давлением

38 Плавление графита при высоком давлении

Плавление графита при высоком давлении

39 Melting of the annealed pyrolytic graphite HOPG placed between thick

Melting of the annealed pyrolytic graphite HOPG placed between thick

glass plates (Left and rifht sides – one and the same experiment) Left side. 1 - current(modeling by A.D.Rakhel); 2 - current (experiment); 3 - voltage U (experiment), melting region marked with arrows. Five lines lower – calculated pressure (A.D.Rakhel); upper line – in the center of the graphite plate (10-15 kbar at melting), the lower line – for the surface graphite layer. Right side. Melting of the graphite (thickness of the plate 0.4 mm) during 2 µs heating. U – voltage; T –temperature. Squares –exp. data of V.Senchenko.

40 КАЛИБРОВКА ТЕМПЕРАТУРНОЙ ШКАЛЫ Экспериментальные данные М.Шейндлина и

КАЛИБРОВКА ТЕМПЕРАТУРНОЙ ШКАЛЫ Экспериментальные данные М.Шейндлина и

В.Сенченко о зависимости энтальпии от температуры для графита УПВ1-Т

Энтальпия Н = 9.1 кДж/г соответствует температуре Т = 4500 К (получено при миллисекундном нагреве в 1988 году, при давлении Р = 1 кбар). Полые кружки – литературные данные стационарных измерений 1972 года; сплошные кружки – 1984 года. Выгнутость кривой свидетельствует о росте теплоемкости Сp с ростом температуры. Ошибка измерения энтальпии не более чем 2.5% при температурах до 4500 K. Ошибка измерения температуры 2%.

41 Итоговое зарубежное исследование давления в тройной точке углерода

Итоговое зарубежное исследование давления в тройной точке углерода

(David Haaland, Sandia Laboratory, 1976, 40 страниц) Статья получена Михаилом Турчаниновым из США

Автор рассмотрел все предшествующие экспериментальные работы по плавлению графита и выполнил собственные многочисленные эксперименты. Давление 107 бар было установлено как давление тройной точки углерода. David Haaland (цитата): «Результаты, представленные в этом докладе, должны снять последние надежды, что углерод плавится при давлении ниже 100 атмосфер в равновесных условиях». Автору не удалось точно измерить калиброванным пирометром Т плавления (измерения дали 4000-5500 К), так как струйки (“plume”) графитового сублимата возникали на поверхности графита, быстро остывали и затеняли поверхность. Время лазерного импульса – доли секунды. Уже после публикации этой работы, появляются публикации Э.И.Асиновского, где утверждается, что параметры тройной точки углерода: 1-3 бар, Т = 3700-4000 К

42 Оценка расширения графита при плавлении (при малых Р

Оценка расширения графита при плавлении (при малых Р

Наш эксперимент дает величину введенной энергии в начале плавления для твердой фазы Етв = 10.5 kJ/g. Введенная энергия для жидкого состояния при плавлении: Еж = 20.5 kJ/g. Тогда теплота плавления: Епл = 10 kJ/g. Запишем уравнение Клапейрона-Клаузиуса в следующей форме для точки плавления графита, при условии, что это уравнение справедливо также для анизотропного вещества (графит): Vж /Vтв = 1 + Епл ? Vтв (Tпл ? dP/dT), где Vж - объем жидкой фазы в точке плавления; Vтв - объем твердой фазы в точке плавления (? 1.2V0 – литературные данные); Епл – теплота плавления (10 kJ/g – наши измерения); Tпл - температура плавления ( 4800 ±200K) – наши измерения (ток) и (4800 ±100K) - А.Ю.Башарин (лазер); dP/dT = 54 bar/K согласно измерениям Л.Ф.Верещагина с коллегами. Тогда мы имеем : Vж /Vтв ? 1.7 Как оказалось, графит расширяется значительно, расширение составляет ? 70 % только за время плавления (при малых давлениях). Этот расчет подтверждается экспериментом (нашим, а также Сенченко В.Н. + Шейндлин М.А. и Pottlacher G., Австрия) Исследование плавления графита завершено тремя основными публикациями, в которых содержится вывод: Тплавления ? 4800±100 К; Р ?100 бар (Башарин А.Ю. + Авторы)

43 Публикации по плавлению графита и свойствам жидкого углерода

Публикации по плавлению графита и свойствам жидкого углерода

44 The data of M.Togaya (Japan) The liquid carbon resistivity versus

The data of M.Togaya (Japan) The liquid carbon resistivity versus

pressure (at the melting point only !)

Initial pyrolytical graphite with the density 2.2 g/cm3. The specimens were heated in the wall material MgO. Solid lines – experiments with the graphite melting under pressure; Dashed line - experiments under pressure but without heating. M. Togaya show the parameters of the points (in the Figure) of the dependence resistivity ? against imparted energy E for melting point.

45 Падение электросопротивления жидкой фазы в точке плавления с вводом Е

Падение электросопротивления жидкой фазы в точке плавления с вводом Е

Стрелками показано начало жидкой фазы (окончание плавления). Они также отмечают момент начала регистрации удельного сопротивления в изохорическом процессе нагрева: постоянство плотности с вводом энергии, начиная с окончания плавления(стрелки). 1 – плотность ? = 1.10 g/cm3 = const; (V/Vo = 2); 2 - плотность ? = 1.76 g/cm3 = const; (V/Vo = 1.25); 3 - плотность ? = 1.88 g/cm3 = const; V/Vo = 1.17). Величины электросопротивлений согласуются с данными М.Тогайя: с увеличением давления электросопротивление жидкой фазы (в точке плавления) - падает .

800

690

640

46 23000 к

23000 к

18000 к

1

4800 к

1 Электросопротивление (мкОм*см) жидкого углерода при высоких температурах и давлениях (падение сменяется ростом при Р?50 кбар) Изохорный нагрев: 1 -плотность ? = 1.1 g/cm3; 2 - ? = 1.76 g/cm3; 3 –? = 1.88 g/cm3 Нагрев графита в сапфировых трубках. Стрелки – начало жидкого состояния

2.Переход углерода от полупроводниковых свойств к металлоподобным. 3.Большая плотность имеет большее сопротивление

V/Vo=1.25

V/Vo=1.17

V/Vo=2

47 Итоговые результаты по углероду

Итоговые результаты по углероду

Для высоких давлений (до ~ 50 кбар) согласно данным Мотохиро Тогайя (Япония) электросопротивление жидкого углерода в точке плавления имеет падающее сопротивление с ростом давления (что наблюдается и в наших импульсных экспериментах). При давлениях ~ более 50 кбар жидкий углерод в точке плавления переходит к металлическому характеру проводимости (растущее сопротивление). Новое в наших экспериментах Падение сопротивления жидкого углерода сразу после плавления сменяется ростом далеко от точки плавления (новый эффект для жидкого углерода, но может быть совпадающий с эффектом Тогайя в точке плавления для Р ? 50 кбар). Начиная с Е ~ 25-35 кДж/г, для большей плотности жидкого углерода удельное сопротивление – выше при одинаковой введенной энергии. Это новый эффект для жидкого углерода, обнаруженный в данной работе. Несмотря на металлоподобность в области высоких энергий (Е ? 40 кДж/г), удельное сопротивление жидкого углерода (? = 1000-3000 мкОм?см) – выше, чем для области низких энергий (Е ? 40 кДж/г, ? = 600-800 мкОм?см) для полупроводниковой жидкости. Заявленный нами на 2008-2009 годы международный грант с Японией № 08-08-91201-ЯФ_а «Свойства жидкого углерода при высоком давлении», направление 08-202) по расширенному исследованию свойств жидкого углерода при высоком давлении с участием Мотохиро Тогайя (университет г.Осака) не получил поддержки РФФИ. Данное исследование жидкого углерода было выполнено в рамках отечественного гранта РФФИ № 07-08-00070-а (на 2007-2009 годы) «Плотность и электросопротивление жидкого углерода». Авторы благодарны Льву Рувимовичу ФОКИНУ за плодотворные обсуждения проблемы жидкого углерода.

48 Исследование металлов в сверхкритической области состояний при высоких

Исследование металлов в сверхкритической области состояний при высоких

давлениях и температурах

НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ (Коробенко В.Н., Рахель А.Д., Фортов В.Е.)

49 Фотография экспериментальной сборки: полоска фольги и рубиновая

Фотография экспериментальной сборки: полоска фольги и рубиновая

пластина, зажатые вместе между двумя сапфировыми пластинами (толщиной 3 мм, длиной 10 мм и шириной 10 мм

50 Схема экспериментов по измерению давления

Схема экспериментов по измерению давления

51 Фотография развертки спектра люминесценции рубина (R1 и R2 линии) на

Фотография развертки спектра люминесценции рубина (R1 и R2 линии) на

экране стрик камеры. Рубиновая пластинка сжимается давлением, возникающим при нагреве полоски алюминиевой фольги импульсом электрического тока.

52 Скорость звука в железе как функция внутренней энергии на изобаре P =

Скорость звука в железе как функция внутренней энергии на изобаре P =

30 кбар для пяти значений плотности (кружки).

53 Удельное сопротивление железа в области перехода металл-неметалл

Удельное сопротивление железа в области перехода металл-неметалл

54 Итоговые результаты

Итоговые результаты

1. Преимущества быстрого (микросекунды) импульсного нагрева электрическим током при исследовании теплофизических свойств: Достижение высоких температур (до 20000 К) и высоких импульсных давлений (до 100 кбар); без значительных затрат на оборудование. Возможность проведения измерений свойств для состояний недостижимых для других методов. Прямое измерение температуры на плавящейся модели черного тела (до 8000 К) в условиях локального термодинамического равновесия (0.1пс-0.1нс); время передачи энергии от внешних электронов решетке – 1пс; Регистрация всех фазовых состояний для одного и того же образца, в едином акте нагревания при сохранении исходной чистоты материалов (даже в жидком состоянии); Быстрое получение результатов (но не «экспресс-метод») приемлемой точности. Возможность регистрации неравновесных процессов. 2. Недостатки быстрого (микросекунды) нагрева током: Невозможность исследования фазовых переходов диффузионного типа, требующих длительного времени (типа твердофазного перехода в нихроме или химического разложения, требующих времени); Более сложная интерпретация переходных точек, от твердого к началу плавления; от плавления к жидкому (неоднородность Т на поверхности ? 20 К дает скачок теплоемкости вблизи плавления); Иногда меньшая точность измерений, чем в стационаре высокого качества, определяемая возможностями регистрации быстропротекающих процессов. Отметим недоверие некоторых уважаемых специалистов стационарной теплофизики к результатам быстрого импульсного нагрева (Пелецкий В.Э., Асиновский Э.И.). 3. Доклад подготовлен при поддержке РФФИ наших исследований по графиту (грант № 07-08-00070а).

55 В.Э.Пелецкий и В.Я.Чеховской «Теплофизические свойства и параметры

В.Э.Пелецкий и В.Я.Чеховской «Теплофизические свойства и параметры

плавления металлов и сплавов в условиях быстрого нагрева электрическим током» Препринт ОИВТ РАН №1-496, 2008 год, С.1-37.

1. Это утверждение направлено на дискредитацию всех динамических методов (токовых, лазерных и ударно-волновых). Авторы ни слова не говорят о локальном термодинамическом равновесии. 2. «Перегрев» меди был снят в наших работах. Перегрев свинца – не подтвердился в тщательных исследованиях американских ученых (1972). 3. Подобные нерецензируемые работы – результат борьбы старого мышления с новыми более эффективными экспериментальными методиками.

1.Авторы утверждают: «использование интенсивных динамических режимов в принципе означает уход от равновесных термодинамических условий» (с.2) 2. «температура плавления металла в импульсном методе из-за перегрева начала плавления может на сотни градусов превышать равновесную температуру плавления» (с.27) 3. В качестве базовых данных авторы принимают «перегрев» металлов в точке плавления М.М.Мартынюка (на 70 % перегрев меди, на 18% для свинца, и т.д.). Собственных измерений авторы не имеют.

56 Спасибо за внимание

Спасибо за внимание

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ Национальный комитет по теплофизическим свойствам веществ (komitet@iht.mpei.ac.ru) Все консультации по электронной почте

«Быстродействующие методы исследования теплофизических свойств веществ, основанные на электрическом взрыве проводников Лаборатория электровзрывных процессов Объединенного института высоких температур РАН»
http://900igr.net/prezentacija/ekonomika/bystrodejstvujuschie-metody-issledovanija-teplofizicheskikh-svojstv-veschestv-osnovannye-na-elektricheskom-vzryve-provodnikov-laboratorija-elektrovzryvnykh-protsessov-obedinennogo-instituta-vysokikh-temperatur-ran-128174.html
cсылка на страницу
Урок

Экономика

125 тем
Слайды
900igr.net > Презентации по экономике > Топливно-энергетический комплекс > Быстродействующие методы исследования теплофизических свойств веществ, основанные на электрическом взрыве проводников Лаборатория электровзрывных процессов Объединенного института высоких температур РАН