Диссертация (1024675), страница 19
Текст из файла (страница 19)
На Рисунках 1.37 – 1.39 приведены графики k(T) дляэтих материалов в сравнении с соответствующими кривыми, полученными автором настоящейработы для монокристаллических аналогов.Видно, что по величине теплопроводности прессованные CaF2 и BaF2 в области комнатной температуры превосходит монокристаллические. Особенно сильны и труднообъяснимы этиразличия в случае BaF2.
Очевидно, однако, что соотношение величин теплопроводностей монокристаллического и обладающего фононным рассеянием на границах кристаллитов прессованного материала должно быть в пользу первого. Поэтому график k(T) в случае LiF (Рисунок 1.39)представляется более реалистичным.Таким образом, приведенные в [251] данные следует отнести к сомнительным. С другойстороны, они могут свидетельствовать о способности фторидов к малому фонон-граничномурассеянию, что может иметь отношение к рассматриваемым в настоящей работе оптическим88наноструктурированным фторидным керамикам. К сожалению, сведениями о технологии изготовления прессованных образцов фторидов, теплопроводность которых приведена в [251],автор не располагает.k, Вт/(м К)10012101Тпл.100T, К1000Рисунок 1.37.
Температурная зависимость теплопроводностипрессованного (1) [251] и монокристаллического (2) СaF2k, Вт/(м К)1001210Тпл.100T, К1000Рисунок 1.38. Температурная зависимость прессованного (1) [251]и монокристаллического (2) BaF2k, Вт/(м К)891100210Тпл.100T, К1000Рисунок 1.39.
Температурная зависимость теплопроводностипрессованного (1) [251] и монокристаллического (2) LiFРасчет (проведенный автором настоящей работы) из данных [251] по теплопроводности итеплоемкости прессованных фторидов температурной зависимости средней длины свободногопробега фононов l(T) дает следующие результаты (см. Рисунок 1.40).12-810l, м3-910Тпл.-1010100T, К1000Рисунок 1.40. Температурная зависимость средней длины свободногопробега фононов в прессованных СaF2 (1), BaF2 (2) и LiF (3) из данных [251]90При повышении температуры до точки плавления величина l(T), по крайней мере в случаеCaF2 и LiF, резко снижается от величин, значительно превосходящих параметр элементарнойячейки, до сравнимых с междоузельными расстояниями в этих соединениях.
Однако, в связи сотмеченной выше сомнительностью базовых численных данных, к этим результатам также следует относиться с осторожностью.Выводы к главе 11. Можно констатировать, что в области теории теплопереноса сделано немало попытоксоздать теоретические модели для априорного предсказания величины коэффициента теплопроводности твердотельных материалов в зависимости от температуры, химического состава,особенностей структуры и других факторов. В большинстве случаев расчетные формулы представляют собой сложные выражения, включающие большое количество параметров. Оценкасамих этих параметров зачастую является проблематичной.
Удовлетворительное согласие результатов расчетов в рамках предложенных моделей и эксперимента достигается в сравнительно простых случаях – для модельных кристаллических матриц, типа Si, KCl и т. п.2. Химический состав и кристаллическая структура большинства исследованных в настоящей работе объектов к настоящему времени изучены в достаточной степени для возможностианализа экспериментальных результатов по теплопроводности. Однако полнота имеющейсяинформации о связанных с теплопроводностью физических характеристиках материалов неоднородна.
Для некоторых новых разрабатываемых материалов надежные экспериментальныеданные отсутствуют.3. Теплопроводность кристаллов ортованадатов редкоземельных элементов RVO4 былапрактически не исследована. Недавние публикации разных авторов подтвердили наличие у нихвысокой теплопроводности, обнаруженное впервые автором настоящей работы [400].Теплопроводность кристаллов со структурой граната исследовалась различными авторскими коллективами. В том числе автором настоящей работы экспериментально исследованатеплопроводность ряда гранатовых кристаллических матриц, изучено влияние химическогоматричного состава, различных легирующих добавок, особенностей технологии выращивания,облучения и других факторов [9].
Однако невозможность достаточно точного прогнозированиявеличины теплопроводности новых разрабатываемых гранатовых кристаллов с различнойструктурной дефектностью требует расширения экспериментальных исследований в этомнаправлении.Обзор литературных источников по теплопроводности фторидных кристаллов выявил малый объем соответствующей информации, а зачастую и ее противоречивость или сомнитель-91ную обоснованность. Особенно остра необходимость получения экспериментальных данных потеплопроводности для твердых растворов фторидов, активно разрабатываемых в качестве лазерных материалов.Практически не изученными в плане теплопроводности были материалы, представляющиесобой оптически прозрачную керамику.4.
Из литературного обзора вытекают следующие задачи данного исследования: В широких температурных диапазонах экспериментально исследовать поведение коэффициента теплопроводности ряда перспективных материалов оптоэлектроники – какматричных, так и легированных оптических кристаллов и твердых растворов, керамики стекол. Экспериментально исследовать температурные зависимости теплоемкости и тепловогорасширения некоторых оптических кристаллов. Проанализировать полученные результаты с учетом составов и структурных особенностей образцов, симметрии кристаллической решетки, особенностей технологии изготовления, облучения, термической обработки и других факторов.92Глава 2 Экспериментальные методики2.1 Методика калориметрических измеренийДля исследования температурной зависимости изобарной теплоемкости твердотельныхобразцов были использованы две различные установки.Одна из них – Установка низкотемпературная теплофизическая образцовая (УНТО) производства НПО "Дальстандарт".
Описание установки и методики работы на ней, с небольшимиизменениями, взято из [93].Принцип измерения теплоемкости – абсолютный адиабатический с периодическим вводом тепла [462]. Блок-схема калориметрической установки приведена на Рисунке 2.1.Рисунок 2.1. Блок-схема калориметрической установки:1 – калориметр, 2 – следящий экран, 3 – 5 – кольцо следящего и термоэкрана, 4 – термоэкран,6 – высокоточный регулятор температуры ВРТ-3,7 – система измерения мощности нагрева,8 – система измерения температуры, 9-термометрДля работы установки используется стандартный метод поддержания адиабатическихусловий калориметрического опыта [463, 464].
Калориметр 1 с исследуемым образцом окружендвумя медными экранами: следящим 2 и термоэкраном 4, по которым проклеены клеем БФ-2подходящие к калориметру провода. Провода проклеены и по двум кольцам: следящего экрана3 и термоэкрана 5, а также по внутренней стороне трубки из нержавеющей стали, являющейсянесущей частью калориметрического устройства и служащей для напуска газообразного гелияи вакуумирования калориметрического устройства.
На экранах и кольцах проклеены константановые нагреватели, являющиеся нагрузкой для усилителей мощности высокоточных регуля-93торов температуры (ВРТ-3). В обратную связь системы регулировки температурных режимоввключены дифференциальные термопары. Спаи термопар приклеены к поверхностям, разностьтемператур которых регулируется. При разбалансе этой разности термопара выдает определенный сигнал в зависимости от знака и величины разбаланса. Сигнал поступает через предусилитель (микровольтамперметр Ф-116/1) на вход регулятора температуры. Регулятор температурывырабатывает сигнал, который через усилитель мощности поступает на нагреватель более холодного экрана.
После того, как температуры регулируемых поверхностей сравняются, системаработает в динамически равновесном режиме.В качестве термодатчика между калориметром и следящим экраном используется двенадцатиспайная батарея термопар медь – медь + 0.12 % железа (по 6 спаев на каждой поверхности), счувствительностью 60 – 80 мкВ/град в интервале температур 4 – 10 К и ≈ 40 мкВ/град в интервалетемператур 250 – 300 К.
Термопарный электрод медь + 0.12 % железа был имел диаметрd = 0.08 мм. В остальных каналах регулирования температуры использованы восьми- и шестиспайные медь-константановые дифференциальные термопары. Автоматическая система регулировкитемпературы позволяет получить температурный ход калориметра с образцом не более 0.01 К/час.Калориметрическое устройство помещено в вакуумную камеру, которая герметизируетсярезьбовым соединением (12 болтов М5) через фторопластовую прокладку и откачивается додавления 1×10-4 Торр. Измерение температуры осуществлялось платиновым термометром сопротивления ТСПН-3 с точностью не хуже 0.01 К.Калориметрическая ячейка представляет собой медную пластинку, плотно обжимающуюцилиндрический образец (или контейнер с образцом) за счет двух стягивающих ее края болтиков М2.5 (Рисунок 2.2).Рисунок 2.2.
КалориметрНагреватель из константановой проволоки d = 0.1 мм бифилярно наклеивался непосредственно на цилиндрическую поверхность калориметра. Объем ячейки составлял около 2 см, весприблизительно 4 г. Учитывая, что температура следящего экрана автоматически поддерживается равной температуре калориметра с точностью не хуже 0.001 К, и чтобы не ухудшать (тоесть не уменьшать) отношение масс образца и калориметра, оба термометра укреплены на сле-94дящем экране. Для лучшего теплового контакта они помещены в медные гильзы 9 (Рисунок 2.1), припаянные к экрану и наполненные вакуумной смазкой «рамзай».Теплоемкость калориметрической ячейки определялась в результате серии калибровочных измерений, проведенных как на незаполненном калориметре, так и с образцовым веществом [345, 465 – 467].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
