книги из ГПНТБ / Бессонов А.Ф. Установки для высокотемпературных комплексных исследований

В ячейке образец в виде таблетки зажимают между плати­ новыми пластинками, которые контактируют с платиновыми токоподводами. При помощи изогнутой кварцевой трубки не только зажимают образец, но и осуществляют подачу соответствующего газа непосредственно к образцу. Алундовый стержень укрепляют на резиновой пробке, плотно пригнанной к фарфоровой трубе. Предусмотрена возможность для циркуляции газа. Нагрев об­ разца производят при помощи электрической печи.

Электросопротивление измеряют контактным методом при по­ мощи моста переменного тока (Уитстона) на частоте 3000Гц с элек­ тронным осциллографом в качестве нуль-индикатора.

LgR

Рис. 39. Изменение сопротивления R во времени т в про­ цессе восстановления 1Юз (/) и 11з08 (//) водородом при

450° С

Таблетки для измерения диаметром 10 и высотой 3—4 мм при­ готовляют прессованием тщательно растертых порошков. Чтобы обеспечить надежность контактов, на торцы таблеток напрессо­ вывают тонкие платиновые слои.

В установке для измерения электросопротивления при темпе­ ратурах до 2100° С в контролируемой атмосфере для нагрева образца применяют рефлекторную печь типа двойной раковины (рис. 40) [190]. При использовании в качестве источников свето­ вой энергии двух ксеноновых дуговых ламп мощностью 5000 Вт максимальная температура образца составляет 2138 К. Образец подвешивают в печи на электродах, плотно его обжимающих. Температуру образца измеряют термопарой.

Для измерения электросопротивления штабиков из тугоплав­ ких материалов при нагреве до 2500° С сконструирована вакуум­ ная высокотемпературная установка [167]. Установка предста­ вляет собой печь, помещенную под колпак из молибденового стекла. Образец регулируемым винтом зажимают между двумя прутковыми вольфрамовыми контактами. Для уменьшения тепло­ вых потерь вокруг образца имеются экраны. Температуру измеряют пирометром через отверстие в экране. В экране есть еще два от­ верстия для электродов из вольфрама в случае использования так

90

называемого зондового метода измерения электросопротивления. Однако при этом методе в местах контакта зонд— образец могут образоваться большие приконтактные сопротивления, которые затрудняют измерение.

Всвязи с развитием ряда областей новой техники для работы

вусловиях высоких температур все более широко применяют то­ копроводящие материалы, изделия из которых изготовляют ме­ таллокерамическим способом. Исследование электрических свойств подобных материалов при высоких температурах сопряжено с ни­ которыми трудностями эксперименталь­

фрамовый цилиндрик, который с помощью вольфрамовых тяг прижимает образец к нижней опоре. Тяги служат вторым токопроводом. Установку закрывают металлическим водоохлаждаемым вакуумным колпаком.

Образец нагревают низкоомным трехфазным трубчатым воль­ фрамовым нагревателем. Постоянный ток величиной 1 А является измерительным током. Температуру на концах исследуемого участка образца определяют двумя вольфрам-молибденовыми термопарами, одни из ветвей которых служат также и зондами для измерения падения напряжения на этом участке. Измерения производят в вакууме или в среде инертного газа. В установке предусмотрена также возможность измерения температуры пиро­ метром.

На рис. 42 показана установка с электронным нагревателем, обеспечивающим равномерный всесторонний нагрев опытного об­ разца до 1200—2900 К [39].

Использование внешнего обогрева, осуществляемого электрон­ ной бомбардировкой всей поверхности образца в вакууме 10~4—

91

10"5 мм рт. ст., позволяет исключить некоторые недостатки методов, основанных на измерениях постоянным током. Действи- тельно, в этом случае возможно исследовать образцы в виде спрес- -сованных таблеток и стер­ жней диаметром Д—14 мм .и длиной порядка пяти-шести диаметров. Обеспечивается надежность измерения темпе­ ратур по моделям черного тела. Нагрев конструктив-

ных элементов незначителен по сравнению с температурой иссле­ дуемого образца, что облегчает выбор материалов для создания экспериментальной установки и позволяет получать на образце максимально высокие температуры. Практически исключается

92

загрязнение металла в течение опыта продуктами возгонки посто­ ронних веществ. Наконец, повышается точность измерения раз­ меров образца.

В данной экспериментальной установке для исследования электросопротивления образца электронный (катодный) нагре­ ватель выполнен по схеме вакуумного диода, в котором образец, являясь анодом, нагревается за счет энергии торможения электро­ нов, эмитируемых катодом и ускоренных в потенциальном поле системы катод—анод.

Со стороны смотрового окна вакуумной камеры экранная сетка образует щель, через которую производят измерение темпе­ ратуры пирометром.

Рис. 43. Схема высокотемпературной камеры высокого давления для измере­ ния электросопротивления:

1 — образец; 2 — уплотнение из пирофил­ лита; 3 — боковая термопара; 4 — внутрен­ няя оболочка ячейки; 5 — изолятор из окиси алюминия; 6 — центральная термо­ пара; 7 — поршень-электроввод; 8 — нагре­ ватель; 9 — корпус камеры; 10 — внешняя

оболочка ячейки; 11 — поршень

Измерение электросопротивления образца осуществляют по известному компенсационному методу постоянного тока.

Геометрические размеры образца, необходимые для расчета удельного электросопротивления, определяют обычными спосо­ бами с достаточной точностью: диаметр — с помощью микрометра, расстояние между потенциометрическими электродами —■с по­ мощью катетометра КМ-6.

При изучении различных превращений в металлах и сплавах основным источником информации являются аномалии темпера­ турной зависимости электросопротивления, причем относитель­ ная величина их часто мала. В работе [74] предлагается метод обнаружения и исследования особенностей температурной зави­ симости электросопротивления образцов проходящим током в ва­ кууме с учетом того, что лимитирующим фактором является не точность измерения собственно электросопротивления, а точность измерения соответствующей температуры, особенно при исполь­ зовании пирометра, т. е. при высоких температурах.

Обзор исследований по измерению электросопротивления и плотности металлов в закритическом состоянии (область высоких температур и давлений) приведен в работе [4].

На рис. 43 показана камера типа цилиндр-поршень установки, позволяющей исследовать влияние квазигидростатического да­ вления до 350 кбар и температуры до 1500° С на электросопроти­

93

вление порошкообразных диэлектриков [169]. Основная особен­ ность конструкции установки заключается в наличии составной камеры высокого давления, обе части которой изолированы друг от друга уплотнением из пирофилита. При этом ток к внутреннему нагревателю подводится через корпус камеры, что позволяет изо­ лировать поршни от нагревателя и не допустить их нагрева выше 400° С в опытах продолжительностью более 10 ч.

Для изучения электросопротивления порошкообразных диэ­ лектриков внутри нагревателя помещают измерительную ячейку в виде коаксиального цилиндрического конденсатора, в который запрессовывают образец. Выводы от оболочек конденсатора по­ очередно подключают либо к потенциометру для измерения темпе­ ратуры, либо к измерительной схеме для определения сопроти­ вления и емкости исследуемого образца.

Для работы с составной камерой создана установка высокого давления, состоящая из трех гидравлических прессов с независи­

мым перемещением штоков.

Существуют установки для бесконтактного измерения электро­ сопротивления полупроводников [74,75, 187].

В работе 174] рассмотрен бесконтактный емкостной метод измерения электросопротивления образца. В основу изготовлен­ ной аппаратуры положена схема последовательного включения образца в измерительный контур. При введении образца в контур изменяется полное сопротивление этого контура. Точность изме­ рения этим методом равна ±10%.

Другой бесконтактный метод основан на возникновении вих­ ревых токов в исследуемом образце [187]. Точность метода также

равна ±10% .

Разработан бесконтактный способ измерения электросопроти­ вления расплавов при повышенных температурах [75].

Для измерения электросопротивления расплавов при темпера­ турах до 1700° С сконструирован прибор, принцип действия ко­ торого основан на измерении сопротивления между двумя ча­ стично погруженными в расплав проволочными электродами [152]. Прибор градуируют, проводя измерения на ряде стандартных растворов с различной проводимостью.

Ряд методик определения электросопротивления расплавлен­

ных солей рассмотрен в работе [60].

На рис. 44 показана установка для измерения электросопро­ тивления жидких химических активных тугоплавких металлов [64]. Так как электросопротивление расплавленных металлов обычно измеряют в условиях контакта металла с огнеупорными материалами, что при исследовании электрических свойств хими­ чески активных тугоплавких металлов приводит к искажению по­ лученных результатов из-за загрязнения металла в процессе эксперимента, то разработан новый метод «падающей струи». Этот метод заключается в том, что измерение производят в струе жидкого металла при его свободном или принудительном исте­

94

чении из тигля. Установку использовали для измерений электро­ сопротивления расплавленных химически активных титана, цир­ кония, молибдена, ниобия и др.

В последние годы метод измерения электросопротивления стали значительно чаще применять не только для изучения физико­ химического состава тех или иных веществ (прежде всего окислов),

Рис. 44. Схема установки для измерения электросопротивления химически актив­ ных тугоплавких металлов в жидком состоянии методом «падающей струи»:

но и для исследования процессов, происходящих при нагревании образцов [36, 161], Метод измерения электросопротивления ис­ пользуют при изучени процессов окисления металлов и окислов, восстановления окислов металлов газообраными и твердыми вос­ становителями [36], процессов спекания [161]. Этот метод, кроме того, применяют при изучении термодинамических свойств, опре­ делении изменения свободной энергии, энергии активации и т. п.

Примеры других методов и конструкций установок для изме­ рения электросопротивления при высоких температурах для

95

различных целей можно найти также в работах [28, 33, 80, 121, 161]. Среди этих высокотемпературных исследований нужно отметить: определение удельного электросопротивления четырехзондовым методом [121]; повышение точности при проведении параллельных измерений на постоянном и переменном токе [28]; определение электросопротивления без применения высокотемпе­ ратурных печей [80] и работы, связанные с повышением надеж­ ности контактов между электродом и исследуемым образцом [33].

Кроме того, большое влияние на результаты измерений элект­ росопротивления твердых материалов оказывают пористость об­ разцов [161], а также дислокации в их решетках [22, 81].

Пот енциомет р

т ипа ППТВ1

Рис. 45. Ячейка с газовыми электродами для исследования характера проводимости методом э. д. с.:

/ — алундовое кольцо; 2 — образец; 3 — алундовая трубка со шлифом на торце; 4 трубка для подвода газов к образцу; 5 — платиновые токоотводы; 6 — экран из асбо­ цемента; 7 — тяги из жаростойкого сплава; 8 — пружина; 9 — муфта из эластичной ре­ зины; 10 — резиновая пробка; 11 — термопара; 12 — платиновые наконечники; 13

фарфоровая труба (помещающаяся в трубчатую электрическую печь)

Высокотемпературный метод измерения э. д. с. с твердым электролитом при тщательном проведении эксперимента стано­ вится весьма распространенным и перспективным при изучении свойств (чаще всего термодинамических) простых и сложных твер­ дых композиций, изучении кинетики и механизма реакции в твер­ дом состоянии, устойчивости соединений и некоторых других

вопросов [67, 119, 134, 178].

При исследовании э. д. с. образца ячейку для измерения элект­ росопротивления несколько видоизменяют (рис. 45) [134]. Обра­ зец для исследования в этом случае представляет собой круглую таблетку диаметром 16— 18 мм и толщиной 2,2—2,6 мм. Торцовые поверхности таблеток тщательно шлифуют, полируют и на сред­ нюю их часть наносят тонкие достаточно пористые слои из мелко­ дисперсной платины, которые выполняют роль газовых электро­ дов. Установку с такой ячейкой можно применять для нагрева только до 1000° С, поскольку в нагреваемой части имеется

кварцевая трубка.

В статье И. Н. Еременко и С. И. Филиппова [67] изложены ре­ зультаты исследования термодинамических свойств ферромонти-

96

изолирующую трубу из глинозема и кварца, которая обеспечи­ вает непрерывный доступ воздуха к ячейке.

Большое количество работ выполнено с целью разработки ме­ тодов и конструирования приборов для определения термо- э. д. с. в твердых образцах [1, 49, 176, 248].

Создана компактная, малогабаритная установка для измере­ ния термо- э. д. с. образца (или же электросопротивления) при температурах до 1700°С в ва­ кууме (порядка 10"6 мм рт. ст.)

или инертной атмосфере [176]. Предусмотрена возможность по­ лучения градиента температуры (до 250° С) на образцах.

Разработана установка для

2500° С [49].

Установка сконструирована на базе вакуумной (10~4 мм рт ст.) печи ТВВ-4, максимальная рабочая температура которой соста­ вляет 2500° С. Схема измерительной головки показана на рис. 48. Образец длиной 60—70 мм крепят между зажимами 6 и 9. Пере­ пад температуры (50— 100° С) создается за счет погружения ниж­ ней части образца в зону нагревателя печи. Температуру горячего и холодного концов образца измеряют термопарами ВР-5/ВР-20. В образце просверливают отверстия диаметром 1,0 мм, в которые с помощью танталовых штифтов плотно вставляют тер­ мопары. Величину термо- э. д. с. измеряют относительно ветвей термопар ВР-5 и ВР-20.

98

В работе [248] исследовано влияние конструкции зажимного устройства образца на точность-измерения термо- э. д. с. образ­ цов в контролируемой атмосфере, а в работе [1] предлагается способ быстрого измерения коэффициента термо- э. д. с.

Определение работы выхода электрона с поверхности образ­ цов широко применяется при изучении их физико-химических свойств.

Существует несколько методов экспериментального опреде­ ления и теоретического расчета работы выхода электрона: термо­ электронный, фотоэлектронный, автоэлектронный, контактной разности потенциалов и др. Но существующие методы позволяют определять работу выхода электрона либо при комнатной темпе-

Рис. 49. Схема высокотемпературной установки для измерения работы выхода электрона

ратуре в различных газовых средах, либо при нагревании в ваку­ уме. Поэтому возникла необходимость измерять эту характери­ стику непосредственно при высоких температурах и различных газовых средах, чтобы максимально приблизить условия опыта к реальным.

Разработана 1 установка, позволяющая измерять работу вы­ хода электрона в процессе нагревания образца от комнатной тем­ пературы до 1000° С в воздухе (или в другом газе). Основная часть / установки (рис. 49) представляет собой высокотемпера­ турную камеру (рис. 50), состоящую из металлического цилиндра, помещенного в трубчатую печь.

Внутри цилиндра находятся образец и эталон, относительно которого измеряется работа выхода электрона с поверхности на­ греваемого образца. Эталон для стабилизации по температуре выполняют в виде тонкостенной латунной трубки, по которой пропускают воду. В области образца трубка позолочена.

При вибрации эталона относительно образца, который электри­ чески связан с первым через сопротивление 100 Мом и потенцио­ метр Р-300 (рис. 49), в цепи возникает переменный ток, а на соп­