Montagpena.ru

Строительство и Монтаж
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

69. Различные металлы, их свойства и применение

69. Различные металлы, их свойства и применение.

Температуры плавления металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.

В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22.6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.

Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0.003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым.

Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.

Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.

Гладкая поверхность металлов отражает большой процент света — это явление называется металлическим блеском. Однако в порошкообразном состоянии большинство металлов теряют свой блеск; алюминий и магний, тем не менее, сохраняют свой блеск и в порошке. Наиболее хорошо отражают свет алюминий, серебро и палладий — из этих металлов изготовляют зеркала. Для изготовления зеркал иногда применяется и родий, несмотря на его исключительно высокую цену: благодаря значительно большей, чем у серебра или даже палладия, твёрдости и химической стойкости, родиевый слой может быть значительно тоньше, чем серебряный.

Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.

Характерные свойства металлов можно понять, исходя из их внутреннего строения. Все они имеют слабую связь электронов внешнего энергетического уровня (другими словами, валентных электронов) с ядром. Благодаря этому созданная разность потенциалов в проводнике приводит к лавинообразному движению электронов (называемых электронами проводимости) в кристаллической решётке. Совокупность таких электронов часто называют электронным газом. Вклад в теплопроводность, помимо электронов, дают фононы (колебания решётки). Пластичность обусловлена малым энергетическим барьером для движения дислокаций и сдвига кристаллографических плоскостей. Твёрдость можно объяснить большим числом структурных дефектов (междоузельные атомы, вакансии и др.).

Из-за лёгкой отдачи электронов возможно окисление металлов, что может приводить к коррозии и дальнейшей деградации свойств. Способность к окислению можно узнать по стандартному ряду активности металлов. Этот факт подтверждает необходимость использования металлов в комбинации с другими элементами (сплав, важнейшим из которых является сталь), их легирование и применение различных покрытий.

Для более корректного описания электронных свойств металлов необходимо использовать квантовую механику. Во всех твёрдых телах с достаточной симметрией уровни энергии электронов отдельных атомов перекрываются и образуют разрешённые зоны, причём зона, образованная валентными электронами, называется валентной зоной. Слабая связь валентных электронов в металлах приводит к тому, что валентная зона в металлах получается очень широкой, и всех валентных электронов не хватает для её полного заполнения.

Принципиальная особенность такой частично заполненной зоны состоит в том, что даже при минимальном приложенном напряжении в образце начинается перестройка валентных электронов, т. е. течёт электрический ток.

Та же высокая подвижность электронов приводит и к высокой теплопроводности, а также к способности зеркально отражать электромагнитное излучение (что и придаёт металлам характерный блеск).

Металлы используются как в качестве хороших проводников электричества (медь, алюминий), так и в качестве материалов с повышенным сопротивлением для резисторов и электронагревательных элементов (нихром и т. п.).

Читайте так же:
Сколько меди в латуни

Общие физические и химические свойства металлов

Благодаря наличию свободных электронов (“электронного газа”) в кристаллической решетке все металлы проявляют следующие характерные общие свойства:

1) Пластичность – способность легко менять форму, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы.

2) Металлический блеск и непрозрачность. Это связано со взаимодействием свободных электронов с падающими на металл светом.

3) Электропроводность. Объясняется направленным движением свободных электронов от отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. При нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение “электронного газа”.

4) Теплопроводность. Обусловлена высокой подвижностью свободных электронов, благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая теплопроводность – у висмута и ртути.

5) Твердость. Самый твердый – хром (режет стекло); самые мягкие – щелочные металлы – калий, натрий, рубидий и цезий – режутся ножом.

6) Плотность. Она тем меньше, чем меньше атомная масса металла и больше радиус атома. Самый легкий – литий (ρ=0,53 г/см3); самый тяжелый – осмий (ρ=22,6 г/см3). Металлы, имеющие плотность менее 5 г/см3 считаются “легкими металлами”.

7) Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл – ртуть (т.пл. = -39°C), самый тугоплавкий металл – вольфрам (t°пл. = 3390°C). Металлы с t°пл. выше 1000°C считаются тугоплавкими, ниже – низкоплавкими.

fizicheskie-svojstva-metallov

Общие химические свойства металлов

Сильные восстановители: Me 0 – nē → Me n +

Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.

1. Реакции металлов с неметаллами

1) С кислородом:
2Mg + O2 → 2MgO

2) С серой:
Hg + S → HgS

3) С галогенами:
Ni + Cl2 – t° → NiCl2

6) С водородом (реагируют только щелочные и щелочноземельные металлы):
2Li + H2 → 2LiH

2. Реакции металлов с кислотами

1) Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до H восстанавливают кислоты-неокислители до водорода:

2) С кислотами-окислителями:

При взаимодействии азотной кислоты любой концентрации и концентрированной серной с металлами водород никогда не выделяется!

vzaimodejstvie-metallov-s-kislotami-okislitelyami1

3. Взаимодействие металлов с водой

1) Активные (щелочные и щелочноземельные металлы) образуют растворимое основание (щелочь) и водород:

2) Металлы средней активности окисляются водой при нагревании до оксида:

3) Неактивные (Au, Ag, Pt) – не реагируют.

4. Вытеснение более активными металлами менее активных металлов из растворов их солей:

obshhie-svojstva-metallov

В промышленности часто используют не чистые металлы, а их смеси — сплавы, в которых полезные свойства одного металла дополняются полезными свойствами другого. Так, медь обладает невысокой твердостью и малопригодна для изготовления деталей машин, сплавы же меди с цинком (латунь) являются уже достаточно твердыми и широко используются в машиностроении. Алюминий обладает высокой пластичностью и достаточной легкостью (малой плотностью), но слишком мягок. На его основе готовят сплав с магнием, медью и марганцем – дуралюмин (дюраль), который, не теряя полезных свойств алюминия, приобретает высокую твердость и становится пригодным в авиастроении. Сплавы железа с углеродом (и добавками других металлов) – это широко известные чугун и сталь.

Металлы в свободном виде являются восстановителями. Однако реакционная способность некоторых металлов невелика из-за того, что они покрыты поверхностной оксидной пленкой, в разной степени устойчивой к действию таких химических реактивов, как вода, растворы кислот и щелочей.

Например, свинец всегда покрыт оксидной пленкой, для его перехода в раствор требуется не только воздействие реактива (например, разбавленной азотной кислоты), но и нагревание. Оксидная пленка на алюминии препятствует его реакции с водой, но под действием кислот и щелочей разрушается. Рыхлая оксидная пленка (ржавчина), образующаяся на поверхности железа во влажном воздухе, не мешает дальнейшему окислению железа.

Под действием концентрированных кислот на металлах образуется устойчивая оксидная пленка. Это явление называется пассивацией. Так, в концентрированной серной кислоте пассивируются (и после этого не реагируют с кислотой) такие металлы, как Ве, Вi, Со, Fе, Мg и Nb, а в концентрированной азотной кислоте – металлы А1, Ве, Вi, Со, Сг, Fе, Nb, Ni, РЬ, Тh и U.

При взаимодействии с окислителями в кислых растворах большинство металлов переходит в катионы, заряд которых определяется устойчивой степенью окисления данного элемента в соединениях (Nа + , Са 2+ ,А1 3+ ,Fе 2+ и Fе 3+ )

Восстановительная активность металлов в кислом растворе передается рядом напряжений. Большинство металлов переводится в раствор соляной и разбавленной серной кислотами, но Сu, Аg и Нg – только серной (концентрированной) и азотной кислотами, а Рt и Аи – «царской водкой».

Коррозия металлов

Нежелательным химическим свойством металлов является их коррозия, т. е. активное разрушение (окисление) при контакте с водой и под воздействием растворенного в ней кислорода (кислородная коррозия). Например, широко известна коррозия железных изделий в воде, в результате чего образуется ржавчина, и изделия рассыпаются в порошок.

Коррозия металлов протекает в воде также из-за присутствия растворенных газов СО2 и SО2; создается кислотная среда, и катионы Н + вытесняются активными металлами в виде водорода Н2 (водородная коррозия).

Читайте так же:
Станок для обработки пяток

Особенно коррозионно-опасным может быть место контакта двух разнородных металлов (контактная коррозия). Между одним металлом, например Fе, и другим металлом, например Sn или Сu, помещенными в воду, возникает гальваническая пара. Поток электронов идет от более активного металла, стоящего левее в ряду напряжений (Ре), к менее активному металлу (Sn, Сu), и более активный металл разрушается (корродирует).

Именно из-за этого ржавеет луженая поверхность консервных банок (железо, покрытое оловом) при хранении во влажной атмосфере и небрежном обращении с ними (железо быстро разрушается после появления хотя бы небольшой царапины, допускающей контакт железа с влагой). Напротив, оцинкованная поверхность железного ведра долго не ржавеет, поскольку даже при наличии царапин корродирует не железо, а цинк (более активный металл, чем железо).

Сопротивление коррозии для данного металла усиливается при его покрытии более активным металлом или при их сплавлении; так, покрытие железа хромом или изготовление сплава железа с хромом устраняет коррозию железа. Хромированное железо и сталь, содержащая хром (нержавеющая сталь), имеют высокую коррозионную стойкость.

Влияние температуры на свойства полимеров

Инженеры, получившие классическое образование в области материаловедения, хорошо знают металлы и привыкли к определенному температурно-зависимому поведению материалов, которое не характерно для полимеров. Даже металл с относительно низкими эксплуатационными характеристиками, такой как алюминий, имеет практически одинаковые механические свойства и при комнатной температуре, и при 250-300°C, и даже при приближении к температуре плавления сохранение свойств остается на уровне 80% от его показателей при комнатной температуре. Еще большую способность к сохранению свойств демонстрируют медь, латунь, сталь, хотя их температура плавления значительно выше. Такая особенность обусловлена тем, что частицы металлов имеют небольшие размеры и легко организуются в четко определенную и предсказуемую кристаллическую структуру.

В случае с полимерами все совершенно иначе. Отдельные молекулы, из которых состоят полимерные материалы, очень большие и имеют форму протяженной цепочки, в результате чего их структура весьма запутана. В каких-то моментах это свойство даже полезно, ведь способность полимеров к растяжению без разрушения в значительной степени обусловлена именно переплетением цепей. Однако с другой стороны такая структура ограничивает свободу, необходимую на молекулярном уровне для организации кристаллов. Следовательно, ни один полимер при нормальных условиях обработки не может быть полностью кристаллическим, а некоторые полимеры вообще не способны кристаллизоваться в какой-либо значительной степени.

Отсутствие предсказуемой и повторяемой структуры и является причиной того, что любые изменения температуры влияют на механические свойства этих материалов, что легко подтверждается в процессе тестировании свойств какого-либо полимера при различных температурах. Одним из простейших способов определить устойчивость материала к нагрузкам в широком диапазоне температур является способ, известный как динамический механический анализ (ДМА). Этот метод позволяет измерить такое огромное количество свойств полимеров, что этой теме посвящены целые книги. Однако для наших целей мы можем сосредоточиться на одном небольшом аспекте: способности измерять модуль упругости материала как функцию температуры.

Зависимость модуля упругости о температуры

На рисунке 1 представлен график зависимости модуля упругости от температуры для двух хорошо известных и широко используемых полимеров: нейлон 6 и поликарбонат (ПК), оба не армированы. Нейлон 6 является полукристаллическим полимером, поликарбонат — аморфным, и отображенные на графике результаты абсолютно типичны для этих двух классов материалов. При комнатной температуре значения модуля упругости и модуля упругости при растяжении с точностью до 2–3% совпадают с данными в техническом паспорте полимеров. Зачастую в паспортах информация о влиянии температуры на свойства материалов практически отсутствует. График же на рисунке 1 отображает полную карту температурно-зависимого поведения этих полимеров.

Аморфный поликарбонат имеет только одну температуру фазового перехода, называемую температурой стеклования (Tg). При достижении данной температуры полимерные цепи становятся достаточно подвижными на молекулярном уровне, чтобы двигаться независимо, сохраняя при этом запутанную структуру. Данный процесс сопоставим с температурой размягчения металлов, по достижении которой материал теряет всю несущую способность. При анализе зависимости модуля упругости ПК от температуры, наблюдается относительная стабильность значения модуля в диапазоне температур от комнатной до 135°С с изменением в пределах 20%, и именно это значение указывается в качестве деформационной теплостойкости материала в техническом паспорте, а все промежуточные данные опускаются.

Поведение полукристаллического нейлона 6 несколько отличается от поведения аморфного поликарбоната. Структура нейлона 6, как и у всех полимеров этого класса, представляет собой смесь кристаллических и аморфных областей. При повышении температуры аморфные области становятся подвижными, и в диапазоне от 50°C до 100°C со средней точкой около 70-75°C начинается процесс стеклования, что приводит к снижению модуля упругости на примерно 20% от его значения при комнатной температуре. Но он не падает до нуля, как у поликарбоната, из-за наличия кристаллической структуры.

Нейлон сохраняет такую структуру до тех пор, пока температура не достигнет точки плавления кристаллов нейлона, а это около 220-225°C. Все аморфные полимеры, такие как АБС, ПВХ, полисульфон, под воздействием температуры ведут себя так же, как и поликарбонат, разница заключается лишь в температуре стеклования. Нейлон 6 служит моделью температурно-зависимого поведения всех полукристаллических полимеров. Отличительные особенности полукристаллических полимеров включают температуру стеклования, точку плавления и степень снижения модуля упругости при переходе в стеклообразное состояние. Для большинства неармированных полукристаллических полимеров степень снижения составляет 60-90% от его значения до достижения температуры стеклования. Чем более кристаллической является структура полимера, тем меньше процент снижения.

Важно подчеркнуть, что температура стеклования (Tg) и температура плавления (Tm) являются фундаментальными свойствами для каждого полимера. Мы можем повлиять на значение модуля упругости при температуре стеклования полукристаллического полимера путем добавления наполнителей и армирующих элементов. То же самое можно сделать и с аморфными. Однако сама температура перехода не меняется. Данные температуры представляют собой верхний предел, при котором полимер может работать в среде в течение очень короткого периода времени, определяемого минутами.

Подобный динамический механический анализ позволяет увидеть полную картину зависимости модуля от температуры, но он не дает информации о фактической прочности материала. Для получения этих данных необходимо составить кривую зависимости деформации от напряжения и изучить их взаимосвязь в зависимости от изменения температуры (см. Рис. 2, сравнение кривых для нейлона 66, армированного стекловолокном на 43%).

Читайте так же:
Сварка ацетиленом и кислородом оборудование

Несмотря на то, что почти половина компаунда состоит из стекловолокна, форма кривой напряжения-деформации существенно меняется. Прочность и жесткость снижаются при повышении температуры, в то время как удлинение при разрыве, относительный показатель пластичности, увеличивается. Хотя все три кривые построены на основе температур, близких к комнатной, характеристики материала значительно изменяются по сравнению со значениями, указанными в паспорте полимера. А при 85°C предел текучести этого материала составляет менее 60% от значения при комнатной температуре, указанного в техническом паспорте.

Кроме того, в технических спецификациях отображаются только отдельные конкретные точки (координаты) кривой в континууме, а модуль упругости представляет собой значение наклона этой кривой зависимости на участке, где две эти величины пропорциональны. Для точного моделирования структурного поведения полимера важно знать форму кривой напряжения-деформации при требуемой температуре, а также точку, в которой зависимость перестает быть линейной, так называемый пропорциональный предел. Например, для термопластов деформация обычно составляет от 3% до 10%, на пределе пропорциональности она редко превышает 1%, а для многих материалов составляет менее 0,5%.

Шестьдесят лет назад пластик часто воспринимался в качестве дешевого заменителя древесины, металла и стекла, и использовался в областях, где устойчивость материала к нагрузкам и влияние на него изменений температуры были не критичны. Сегодня же пластмассы используются в самых разных сферах, в том числе с высокими требованиями к степени надежности в широком диапазоне температур и в течение продолжительных периодов времени. А наше понимание свойств этих материалов должно соответствовать этим требованиям.

Чем обусловлена температура плавления металлов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

Название Теплопроводность и температуропроводность расплавов редкоземельных металлов

Руководитель Савченко Игорь Васильевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ07.2017 — 06.2019

Конкурс Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 — Инженерные науки, 09-202 — Теплофизические свойства веществ и материалов, в том числе в экстремальных состояниях

Ключевые слова Теплопроводность, температуропроводность, редкоземельные металлы, лантаноиды, жидкое состояние, металлический расплав, высокие температуры, метод лазерной вспышки, плавление

Код ГРНТИ 29.17.27

Статус Успешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Интерес к изучению свойств лантаноидов связан с возможностью получить информацию о влиянии локализованных электронов на макроскопические характеристики металлов. Такие данные являются ключом к решению одной из важнейших задач — определения связи электронного строения вещества с его структурой и физическими свойствами в конденсированном состоянии. Интерес к изучению свойств РЗМ стимулируется также потребностями практики, т.к. их применение в современных технологиях непрерывно возрастает. Новые, надежные данные по транспортным свойствам РЗМ и их изменениям при фазовых превращениях могут служить научной базой для оптимизации промышленных процессов производства и использования этих материалов. Активное изучение свойств лантаноидов началось с конца 50-х годов прошлого столетия, когда были разработаны методики их очистки и получены металлы со сравнительно малым содержанием примесей. Тем не менее, до настоящего времени многие свойства РЗМ экспериментально не исследованы, либо изучены недостаточно. В настоящее время теплопроводность и температуропроводность лантаноидов изучена наиболее тщательно в низкотемпературной области и области умеренных температур (вблизи 293 К). В 1991 году в своей докторской диссертации Андрей Дмитриевич Ивлиев охарактеризовал данные о теплофизических характеристиках РЗМ в области высоких температур как фрагментарные, а в ряде случаев противоречивые. Результаты упомянутой диссертации, а также результаты других, более поздних исследований, включая наши (проект РФФИ № 14-08-00602 А) существенно дополняют информацию о свойствах РЗМ в области высоких температур, однако речь идет о температурах соответствующих области существования твердой фазы. Анализ литературы показал, что данные по тепло- и температуропроводности легких РЗМ получены в единичных работах и плохо согласуются между собой (отличие в температурных коэффициентах теплопроводности достигает 400 %). По-видимому, по этой причине в известных справочных изданиях не приводятся даже приблизительные оценки значений коэффициентов переноса тепла расплавов РЗМ. Такое положение дел связано не только со сложностью высокотемпературного эксперимента, как такового, но в большей степени со спецификой физико-химических свойств этих металлов — высокой химической активностью, агрессивностью (в жидком состоянии РЗМ взаимодействуют со всеми материалами, интенсивное окисление многих из них происходит уже при комнатной температуре), высокой упругостью паров. Имеющийся у автора уникальный опыт исследований свойств металлических расплавов (включая жидкие РЗМ), наличие прецизионной установки, апробированных методик измерений теплопроводности жидких и высокопластичных металлов, дает основание ожидать получения экспериментальных данных в наиболее широких интервалах параметров состояния с погрешностью соответствующей или превосходящей мировой уровень. Экспериментальное определение тепло- и температуропроводности жидких РЗМ предполагается провести методом лазерной вспышки (флэш-метод). В современном мире, большинство измерений температуропроводности твердых материалов выполняется этим методом. Такая популярность обусловлена некоторыми преимуществами флэш-метода перед традиционными методиками, которые состоят в его универсальности, бесконтактности и малом времени проведения единичного измерения (порядка 1 секунды). В распоряжении авторов проекта имеется реализующая данный метод установка LFA-427 фирмы NETZSCH (Германия). По своим эксплуатационным параметрам и, прежде всего, по точности измерений (2 — 5 %) и максимальной температуре опытов (до 2000C), LFA-427 является одной из лучших установок в мире, предназначенной для измерений высокотемпературной температуропроводности веществ и материалов в твердом состоянии. LFA-427 адаптирована к работе с расплавами и пластичными материалами, разработаны конструкции измерительных ячеек и держателей, методика измерения теплопроводности и температуропроводности чистых металлов и сплавов в жидком состоянии, а также алгоритмы и программы математической обработки данных. Апробация новой методики на ряде жидких металлов (ртуть, индий, олово, свинец) подтвердила высокую надежность получаемых результатов. К настоящему моменту методика аттестована в государственной службе стандартных справочных данных (ГСССД МЭ 202-2012), и признана стандартным способом определения тепло- и температуропроводности расплавов. В результате выполнения проекта будут получены новые достоверные экспериментальные данные по теплопроводности и температуропроводности четырех легких редкоземельных металлов ( La, Ce, Nd, Sm) в широком интервале температур жидкого состояния. Результаты будут представлены как в виде таблиц рекомендуемых значений, так и в виде аналитических зависимостей от параметров состояния. Будет выполнен поиск корреляционных зависимостей тепло- и температуропроводности от других свойств, проанализирована природа этих зависимостей на основе экспериментальной информации и имеющихся модельных представлений. Новые экспериментальные данные по тепло- и температуропроводности легких РЗМ, а также полученные в работе выводы и обобщения представляют интерес для теории теплофизических свойств веществ, физики металлов, жидкостей и фазовых превращений, фактический числовой материал может быть использован в разнообразных тепловых расчетах. Все полученные в рамках проекта результаты будут опубликованы согласно требованиям Российского научного фонда.

Читайте так же:
Обозначение редуктора на схеме

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут получены новые достоверные экспериментальные данные по теплопроводности и температуропроводности четырех легких редкоземельных металлов ( La, Ce, Nd, Sm) в широком интервале температур жидкого состояния. Результаты будут представлены как в виде таблиц рекомендуемых значений, так и в виде аналитических зависимостей от параметров состояния. Будет выполнен поиск корреляционных зависимостей тепло- и температуропроводности от других свойств, проанализирована природа этих зависимостей на основе экспериментальной информации и имеющихся модельных представлений. Новые экспериментальные данные по тепло- и температуропроводности легких РЗМ, а также полученные в работе выводы и обобщения представляют интерес для теории теплофизических свойств веществ, физики металлов, жидкостей и фазовых превращений, фактический числовой материал может быть использован в разнообразных тепловых расчетах.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В отчетный период получены новые надежные экспериментальные данные по теплопроводности и температуропроводности неодима и самария в температурном интервале 293 — 1773 K твердого и жидкого состояний, включая области фазовых превращений. Для опытов использовались образцы неодима и самария марок НМ-1 и СмМ-1, соответственно. Выполненный химический анализ исследуемых редкоземельных металлов методами атомно-эмиссионной спектроскопии и масс-спектроскопии показал их соответствие техническим условиям (чистота исходного неодима не ниже 99.85%, самария не ниже 99.82%). Впервые лазерно-импульсным методом определены теплопроводность и температуропроводность самария и неодима во всем запланированном температурном интервале. При температурах примерно на 200 К ниже температуры плавления опыты выполнялись по стандартной методике, уже опробованной нами для твердых РЗМ [1, 2]. Использовался образец, имеющий форму диска, диаметром 12.6 мм и толщиной около 2 мм. Перед началом измерений образец механически очищался от окислов, после чего выполнялись контрольные измерения массы и линейных размеров, сразу после которых образец устанавливался на игольчатый держатель, находящийся внутри высокотемпературной электропечи установки. Объем, в котором размещался образец, герметизировался и вакуумировался. Опыты проводились в безмасляном вакууме

Читайте так же:
Ремонт заклепочника ручного своими руками

2×10-5 мбар. Использовался держатель, изготовленный из тантала. Нижняя поверхность образца нагревалась лазерным импульсом длительностью 0.8 мс и энергией до 4 Дж и регистрировалась температура верхней поверхности образца с помощью ИК-детектора на основе антимонида индия, охлаждаемого жидким азотом. Из полученной термограммы рассчитывался коэффициент температуропроводности. Измерения проводились после длительного термостатирования образцов при постоянной температуре в серии из трех “выстрелов”. Интервал времени между “выстрелами” составлял 5 мин. Расчет коэффициента температуропроводности проводился с учетом тепловых потерь со всех поверхностей образца по модели [3]. Вводилась поправка на конечную длительность лазерного импульса и его реальную форму [4]. При определении температуропроводности не учитывалось тепловое расширение образцов. Высокая пластичность металлов вблизи точки плавления не позволяла проводить измерения на "свободных" образцах. По этой причине эксперименты в этой области были выполнены на образцах, заплавленных в танталовую ячейку. Ее конструкция и геометрические размеры были аналогичны [5]. Образец представлял плоский слой толщиной около 2.5 мм, который формировался между дном тигля и вставкой. Предварительно очищенный образец самария вместе с ячейкой отжигались в вакууме

2×10-5 мбар при температуре

900 К в течении 4 часов и помещались в перчаточный бокс с аргоновой атмосферой. Внутри бокса проводились измерения масс образца и деталей ячейки, после чего ячейка герметизировалась с помощью дуговой сварки. Такой подход позволял максимально исключить влияние окислов на результаты опытов. Для создания контакта образца с деталями ячейки, измерения начинались от максимальной температуры (1773 К), существенно превышающей температуру плавления. Для получения значений теплопроводности и температуропроводности использовалась расчетная модель, подробно описанная в [5]. Оцененная по методике [5] погрешность измерения температуропроводности "свободных" образцов составила 2-3%, а заплавленных – 4-6%. По результатам экспериментов разработаны справочные таблицы по температуропроводности и теплопроводности неодима и самария с оценкой их погрешностей, определены температурные зависимости коэффициентов переноса тепла. Проведено сопоставление результатов измерений с известными литературными данными. Определены изменения теплопроводности и температуропроводности при твердофазных превращениях и плавлении. Проверка закона Видемана-Франца показала, что он удовлетворительно (с погрешностью 10-15%) выполняется для твердого самария, для жидкого самария отсутствуют данные по электропроводности. В случае с неодимом, этот закон хорошо выполняется для расплава и β-фазы. Коэффициенты переноса тепла жидкого самария исследовались впервые. Полученные температурные зависимости тепло- и температуропроводности оказались существенно нелинейными. Такое поведение хорошо коррелирует с результатами измерения теплоемкости [6] и теплового расширения [7], где так же было установлено нелинейное изменение исследуемых свойств в жидком состоянии. В [6, 7] аномалию температурной зависимости связывали с размытым валентным превращением Sm(+3)→Sm(+2), предсказанным в [8]. Обнаруженное отклонение температурной зависимости температуропроводности от линейной функции качественно подтверждает это предположение. Во время отчетного периода подготовлены и приняты к публикации две статьи, а результаты исследований представлены на двух конференциях. 1. Самошкин Д.А., Агажанов А.Ш., Савченко И.В., Станкус С.В., Яцук О.С. Температуропроводность диспрозия в интервале температур 293-1273 К // Перспективные материалы. 2016. № 10. С. 76–80. 2. Самошкин Д.А., Агажанов А.Ш., Савченко И.В., Станкус С.В. Температуропроводность гадолиния в интервале температур 287-1277 К // Теплофизика высоких температур. 2017. Т. 55, № 2. С. 228–232 3. Cape J.A., Lehman G.W. Temperature and Finite Pulse-Time Effects in the Flash Method for Measuring Thermal Diffusivity // Journal of Applied Physics. 1963. Vol. 34, No. 7. P. 1909–1913. 4. Blumm J., Opfermann J. Improvement of the mathematical modeling of flash measurements // High Temperatures-High Pressures. 2002. Vol. 34, No. 5. P. 515–521. 5. Станкус С.В., Савченко И.В. Измерение коэффициентов переноса тепла жидких металлов методом лазерной вспышки // Теплофизика и аэромеханика. 2009. Т. 16, № 4. С. 625–632. 6. Багинский А.В., Ляпунов К.М., Станкус С.В. Калорические свойства самария при высоких температурах // Теплофизика высоких температур. 1996. Т. 34, № 4. С. 536–540. 7. Станкус С.В., Тягельский П.В. Электронный фазовый переход в жидком самарии // Теплофизика высоких температур. 2002. Т. 40, № 5. С. 714–719. 8. Herbst J.F., Wilkins J.W. Lattice-constant dependence of 4f levels in Sm metal: Evidence for a bulk valence transition // Physical review B. 1981. Vol. 24, No. 4. P. 1679–1686.

1. Савченко И.В., Самошкин Д.А. Experimental Investigation of the Thermal Conductivity of Neodymium and Samarium Melts by a Laser Flash Technique Proceedings of 20th International Conference on Materials and Thermal Properties, — (год публикации — 2018).

2. Самошкин Д.А., Савченко И.В., Станкус С.В., Агажанов А.Ш. Thermal diffusivity and thermal conductivity of neodymium in the temperature range 293 – 1773 K Journal of Engineering Thermophysics, — (год публикации — 2018).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector