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

ротивлении, следовательно, — разность потенциалов. Вибрация осуществляется электромагнитом, питаемым от генератора ГЗ-7А. Полученная на сопротивлении разность потенциалов подается на электрометрический усилитель II, а с него—на низкочастотный усилитель III. Затем сигнал попадает на осциллограф IV.

При равенстве контактной разности потенциалов, возникаю­ щей между образцом и эталоном, напряжению потенциометра (и при их противоположности знаков) на экране осциллографа сигнал имеет нулевую амплитуду. Данное показание потенциометра фиксируют и по нему находят работу выхода электрона с поверх­ ности образца.

Рис. 50. Конструкция измерительной камеры-ячейки:

1 — электрод сравнения; 2 — электромагнит; 3 — подвесная скоба; 4 —

продольными с целью уменьшения помех. Измерения на этой установке осуществляются автоматически.

В качестве образцов были выбраны медь М2 и цинк Ц2, оки­ сление которых приводит к образованию полупроводниковых окисных пленок соответственно /7-типа (закись меди) и н-типа (окись цинка). Образцы перед экспериментом тщательно шлифовали, промывали в спирте и просушивали на воздухе.

Измерения (рис. 51, 52) проводили (в течение 10 мин) в про­ цессе роста окисной пленки на металле в среде воздуха при темпе­ ратуре 160, 240, 340° С.

На рис. 52 показаны энергетические схемы контакта металла (работа выхода срм) с полупроводниковой окисной пленкой (ра­ бота выхода ф) соответственно р-типа (закись меди) или п-типа (окись цинка).

100

Рис. 51. Зависимость из­ менения работы выходаДф от времени окисления ме­ ди (кривые 1,2,3) и цинка (кривые 4, 5, 6) при тем­

пературе (°С):

При нагревании данных систем уровень Ферми р, в окисной пленке будет смещаться к середине ее запрещенной зоны (схемы 1,6 и II, б). Это приведет к образованию антизапорного барьера в случае контакта металла с окисной пленкой p-типа (схема I, б).

На схемах I, в и II, б учтено также влияние хемосорбции кисло­ рода на внешней поверхности окисной пленки в виде потенциаль-

101

ного барьера, вырастающего к границе раздела окисел—газ. Величина этого барьера зависит от количества электронов, пере­ шедших из металла («туннельный» эффект) и объема окисной пленки на внешнюю поверхность последней в результате хемосорбции кислорода на ней. В начальных стадиях роста окисной пленки на границе окисел—газ преобладает переход «туннельных» электро­ нов, а начиная с некоторой толщины, — электронов из объема пленки. Следовательно, величина хемосорбционного барьера за­ висит от толщины окисной пленки.

На схемах I , а, б и II, а, б (рис. 52) толщина окисной пленки х по величине больше, чем суммарная ширина хемосорбционного Lx и контактного LK барьеров. Если уменьшать толщину окисной пленки, то барьеры, сблизятся, а затем перекроются, как пока­ зано на схемах I, в, г и II, в.

Ход потенциала на схемах I, в и II, в объясняется тем, что электроны (схема I, в) из объема окисной пленки переходят как на внешнюю ее поверхность, так и в металл; в другом случае (схема II, в) электроны, наоборот, переходят из металла в окисную пленку, а оттуда уже в большем количестве — на внешнюю поверхность пленки.

При толщинах окисной пленки х, меньших, чем ширина хемо­ сорбционного Lx и контактного LK барьеров, потенциал в окисных пленках р- и «-типа возрастет от металла к границе окисел— газ (схемы I, г и II, г), что связано с переходом электронов из металла и объема окисной пленки к ее внешней поверхности. Для окисления пленки «-типа возрастание гораздо круче, элек­ троны переходят из металла в окисел, что приводит к увеличению числа электронов на внешней поверхности пленки.

Таким образом, из рассмотрения энергетических схем (рис. 52) следует, что с ростом толщины окисной пленки p-типа работа выхода электрона вначале возрастает до максимума, а начиная с некоторой толщины, убывает до определенного значения. Рост же пленки «-типа приводит только к возрастанию работы выхода до насыщения.

Рост окисной пленки на металле (в соответствии с механизмом Мотта) определяется градиентом потенциала электрического поля внутри окисла. Последний же зависит от величины, ширины и взаимного расположения потенциальных барьеров, вызванных контактом металла с окисной пленкой и хемосорбцией кислорода на ней. Величина и ширина барьеров зависит от температуры, а их взаимное расположение — от толщины окисной пленки (вре­ мени окисления).

Подъем кривых на рис. 51 можно объяснить преобладающим влиянием на изменение работы выхода перехода электронов из металла и объема растущей окисной пленки на внешнюю поверх­ ность (рис. 52, I, г и II, г). Характер этого участка кривых можно объяснить с помощью механизма окисления по Мотту.

102

Начиная с некоторой толщины, соответствующей максимуму кривых 2, 3 (см. рис. 51), переход электронов из объема окисной пленки в металл оказывает преобладающее влияние на изменение работы выхода со временем. Это уменьшит количество электро­ нов в объеме пленки, а следовательно, на ее внешней поверхности, т. е. приведет к спаду кривых 2, 3 (см. рис. 51).

Спад продолжается до тех пор, пока ширина окисной пленки не станет больше суммарной ширины контактного и хемосорбционного барьеров, т. е. пока не установится распределение градиента потенциала электрического поля, согласно схеме I, б (рис. 52). При этом спад сменяется горизонтальным участком кривой. При определенных температурах этот участок будет соответствовать

механизму окисления по Вагнеру.

Участок кривых, на котором происходит спад работы выхода, может быть связан с малоизученным механизмом окисления в пе­ реходной области между тонкими и толстыми пленками.

С повышением температуры кривые становятся круче, а мак­ симум увеличивается, так как количество электронов, перешед­ ших из металла и объема окисной пленки на внешнюю поверх­ ность последней, возрастает.

На рис. 51 кривые 4, 5, 6 круче, чем кривые 1, 2, 3, так как объем пленки окиси цинка не обедняется, а обогащается элекронами вследствие перехода последних из металла в пленку (рис. 52, II, г). По той же причине на кривых 4, 5, 6 не наблю­ дается спада. Насыщение же наступает, как и в случае кривых 1, 2, 3, при толщинах окисной пленки больше суммарной ширины хемосорбционного и контактного барьеров (рис. 52, II, б).

Четко выделить участки кривых (для окислов n-типа), соот­ ветствующие тому или другому механизму, невозможно, так как работа выхода монотонно возрастает до насыщения. Однако можно предположить, что начальный подъем соответствует механизму окисления по Мотту, а участок насыщения, начиная с некоторой температуры, —• механизму Вагнера.

Таким образом, экспериментальные кривые изменений работы выхода электрона при повышенных температурах позволяют наблюдать различия в начальных стадиях окисления меди и цинка вследствие образования на этих металлах полупроводниковой окисной пленки p-типа (закись меди) или п-типа (окись цинка), а также выявить влияние контакта металла с окисной пленкой на процесс окисления (в начальных стадиях.)

Получены также кривые зависимости изменения работы вы­ хода электрона с температурой при окислении на воздухе вана­ дия, ниобия, тантала, металлического урана, ряда сплавов, при­ меняющихся при изготовлении слаботочных скользящих контакт­

ных пар и др.

Итак, рассмотрение изложенных в данной главе методов и установок для высокотемпературных измерений позволяет сде­ лать наиболее общие выводы. Специфические особенности высоко­

103

Глава VII

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Из теплофизических характеристик в данной главе рассматри­ ваются теплопроводность, температуропроводность и теплоем­ кость.

1.НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Втех случаях, когда изделия или материалы работают в усло­ виях резкой смены температур или при больших ее градиентах, теплофизические свойства являются решающими. К числу таких свойств, в частности, относятся теплопроводность и температуро­ проводность.

Теплопроводность является свойством материалов, связанным с переносом по ним тепла за счет взаимодействия между собой отдельных атомов ионов или молекул. В газах и парах одна моле­ кула сталкивается с другой, имеющей меньшую кинетическую энергию, и передает ей некоторую долю своей энергии. В жидко­ стях перенос тепла за счет теплопроводности осуществляется по типу распространения продольных колебаний (аналогично рас­ пространению звука). В твердых же телах тепловая энергия пе­ реносится за счет взаимодействия соседних атомов (ионов) решетки. В металлах перенос тепла за счет теплопроводности в значитель­ ной мере определяется передачей энергии свободными электронами. Теплофизические характеристики относятся к таким свойствам материалов, которые показывают, какое большое значение имеет знание строения кристаллической решетки, состава и микро­ структуры материала при получении изделия с заданными свой­ ствами.

Вопросы теплопроводности и температуропроводности твер­ дых тел освещены в работах [114, 85, 100].

Предпринимаются исследования 1 с целью получения инфор­ мации о кинетике полиморфных превращений методом измерения теплопроводности (правда, в этом случае требуется высокая точ­ ность ±1% ).

105

Важным теплофизическим свойством является теплоемкость. В связи с большими трудностями исследований при высоких температурах (повышенная химическая активность исследуемых веществ, длительность измерений, сложность аппаратуры) тепло­ емкость многих веществ до сих пор определена , с недостаточной точностью (или совсем неизвестна). Кроме того, изучается вопрос о фазовых переходах при высоких температурах на основе изме­ рения температурной зависимости теплоемкостей.

2. МЕТОДЫ И УСТАНОВКИ

Теплопроводность одних материалов (кристаллических) па­ дает с повышением температуры, в то время как у других (стекло, порошки) она повышается. Это значит, что мы не можем без риска использовать данные по теплопроводности материалов и изделий, полученные при комнатных температурах для расчета высоко­ температурных устройств. Кроме того, при изучении свойств ряда объектов необходимо знать теплопроводность при высоких темпе­ ратурах. Поэтому разработаны и разрабатываются методы для высокотемпературных измерений теплопроводности.

Кратко обсудим методы измерения тепловых характеристик твердых тел. Их можно разбить на две группы: методы стационар­ ного режима и методы нестационарного режима.

Методы стационарного режима определения коэффициента теп­ лопроводности и температуропроводности имеют более простое

Методы стационарного режима имеют большое значение для определения теплофизических параметров материалов, но обла­ дают существенными недостатками: длительность и большой интервал температур одного эксперимента, очень низкая точ­ ность (в частности, все это указывает на малую пригодность дан­ ных методов для исследования температурных зависимостей ха­ рактеристик вещества в области температур фазовых превраще-

Методы нестационарного режима имеют ряд преимуществ. 1 ак, ^некоторые из этих методов пригодны для проведения изме­ рении вне лаборатории, при меньших затратах времени на один

106

эксперимент, в значительно меньшем интервале температур и с большей точностью [85, 100, 114].

Внастоящее время имеется большое количество таких методов

иустановок. Рассмотрим некоторые из них, чтобы понять прин­ ципы работы установок измерения теплопроводности, а также ос­

новы их конструирования.

Установка для определения теплопроводности строительных материалов при температурах до 800° С с записью результатов изме­ рений предложена Б. В. Спектровым и В. И. Рязанцевым х, а до 1000° С измерение тепло­ проводности твердых образцов приведено в работе [47].

Разработана рабочая мето­ дика 21 для определения тепло­ проводности огнеупорных мате­ риалов при температурах до 1100° С. Схема установки, по­ зволяющей определять на одном образце коэффициент теплопро­ водности до 1400° С и темпера­ туропроводности до 1000° С

Рис. 53. Схема установки для опреде­ ления теплопроводности и темпера­ туропроводности:

1 , 5 — торцовые изоляции; 2 — нагрева» тель; 3, 4 — отверстия для термопар; 6 — центрирующие алундовые шайбы; 7 — осе­ вая платинородиевая проволока; 8 — тон­ костенный цилиндр; 9 — образец

изоляционных материалов, показана на рис. 53 [102]. Коэффи­ циент теплопроводности, измеряемый радиальным методом (в этом случае осевая платинородиевая проволока служит нагревателем) рассчитывают по формуле

учитывающая линейную зависимость коэффициента теплопровод­

1 Спектров Б. В., Рязанцев В. И. Методика определения теплопроводности строительных материалов при повышенных температурах. «Строительные ма­ териалы, детали и изделия, Межведомственный республиканский научный сбор­ ник», вып. 8, Киев, 1967, с. 82.

2 Теплопроводность огнеупорного кирпича. — Экспресс-информация «Сили­ катные материалы», ВИНИТИ, 1962, № 32, реф. 343, с. 7.

107

ности от температуры. Величину тока / и напряжение V на осе­ вом нагревателе измеряют. Коэффициент температуропровод­

лочным нагревателем, действующий по принципу полого цилиндра при стационарном тепловом режиме, а для определения тепло-

8 1

Рис. 54. Схема при­ бора для определения теплопроводности\

I — медная шина;' 2, 9 — графитовые резервные контакты;. 3 — вольфра­ мовые провода для изме­ рения падения напряже­ ния; 4 — пластина из двуокиси циркония; 5 — образец; 6 — футеровочная молибденовая короб­

греватель; 13—подставка;

куумной камеры

проводности огнеупорных материалов до 2400° С применен новый прибор, схема которого приведена на рис. 54 К

Каркасом прибора является арматура из железа в форме параллелепипеда, которая после отсоединения от токопроводя­ щих шин может быть вынута вместе со всем прибором из вакуум­ ной камеры. Выдвижной каркас создает большие удобства при ремонте и монтаже.

В качестве нагревателей применены графитовые трубки и вольфрамовый пруток диаметром 5 мм. Графитовые нагреватели очень прочны и позволяют получать весьма высокие температуры. Правда, при высоких температурах графит в отличие от вольфрама сильно испаряется, загрязняя образцы, реагирует с некоторыми испытуемыми материалами, образуя карбиды.1

1 Пустовалов В. В. Установка для определения теплопроводности огнеупор­

ных материалов.— Сб. научных трудов, вып. 5, М., Металлургиздат, 1961,

с. 326.

108

Образцы и нагреватели изготовляют путем прессования ци­ линдров необходимых размеров, затем сверлят центральное от­ верстие и разрезают цилиндр вдоль оси на две половинки. Кроме того, в образце предусматривают термопарные канавки (и пиро­ метрические отверстия) для выводов термопарной проволоки. Перепад температур измеряют оптическим пирометром через стеклянное смотровое окно в крышке вакуумной камеры. По раз-

Рис. 55. Схема установки для определения теплопроводности (с электронным на­ гревом образца):

работанному методу проведены измерения температурной зави­ симости ряда материалов, в частности двуокиси циркония, диборида циркония и др.

Проведено экспериментальное измерение теплопроводности тугоплавких металлов в интервале температур 1000—2230° С [35, 144]. В первом случае образец разогревали в вакууме про­ пусканием электрического тока. А при определении коэффи­ циента теплопроводности на проволочных образцах использо­ вали две измерительные мостовые схемы (благодаря этому повы­ шалась точность измерений).

Во втором случае применяли экспериментальную установку, работающую по методу продольного теплового потока с электрон-

109