Введение к работе
Актуальность работы. Экспериментальные данные о теплофизических свойствах твердых тел необходимы для понимания особенностей механизмов переноса тепла в этих веществах, разработки и создания новых конструкционных материалов, способных работать в экстремальных условиях, а также при решении многих задач в области новой техники.
Одной из черт современного научно-технического прогресса является все возрастающее использование криогенных технологий, развитие которых невозможно без тщательного изучения теплофизических свойств материалов при низких температурах. Экспериментальные данные о теплофизических свойствах веществ при низких температурах важны и для развития таких отраслей науки и техники как физика твердого тела, экспериментальная физика, энергетика, химия, металлургия, биология, медицина, пищевая промышленность, авиация и космонавтика.
Дальнейший прогресс в теплофизике низких температур связан с разработкой новых высокоэффективных методов измерения теплофизических свойств веществ. Исследования последних лет показали, что использование для физических экспериментов излучения оптических квантовых генераторов в качестве считывающих устройств позволяет создавать принципиально новые приборы для измерения физических свойств веществ. Суть лазерной диагностики состоит в том , что исследуемое вещество зондируется лазерным лучом и измеряются параметры либо прошедшего, либо рассеянного излучения. Так как лазерный луч характеризуется совокупностью параметров (направлением распространения, мощностью, поляризацией, частотой и фазой), то по изменению этих параметров можно судить о процессах, происходящих в исследуемом веществе. В частности, излучение оптических квантовых генераторов эффективно применяется в качестве считывающих устройств и при исследовании температурных полей.
Методы лазерной диагностики обладают рядом достоинств по сравнению с традиционными: они являются бесконтактными, кроме того, лазерный луч можно рассматривать как зонд, позволяющий одновременно измерять несколько физических свойств изучаемого объекта.
В данной работе разработана новая методика измерения температуропроводности металлов, сплавов и оптически прозрачных материалов, использующая принцип лазерной диагностики и лазерной интерферометрии в сочетании с классическим импульсным методом Паркера.
-4-,
Цель работы состоит в обосновании и разработке новой методики измерения температуропроводности твердых тел при низких и средних температурах, основанной на сочетании принципа лазерной диагностики и импульсного метода Паркера, создании установки, реализующей эту методвку, и в получении и анализе новых экспериментальных данных о теплофизических и кинетических свойствах твердых тел при низких температурах.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-разработана новая методика измерения температуропроводности металлов, сплавов и оптически прозрачных материалов, сочетающая в себе импульсный метод Паркера и зондирование образца лучом He-Ne-лазера. прошедшего через интерферометр Майкельсона;
-на основе этой методики создана экспериментальная установка для исследования температуропроводности твердых тел в диапазоне температур 80 - 350 К;
-сформулирована и решена краевая задача для уравнения теплопроводности при импульсном нагреве образца с учетом пространственно-неоднородного распределения энергии по пятну нагрева и реальной длительности теплового импульса, в результате чего получено новое выражение для расчета температуропроводности образца;
-впервые выполнены экспериментальные исследования температуропроводности сплавов системы Fe-Co в интервале температур от 80 К до 293 К и показано, что механизмы рассеяния электронов при низких температурах этих сплавов могут быть описаны в рамках двухзонной модели s-d рассеяния Мотта;
- впервые выполнены низкотемпературные измерения температу
ропроводности литейных титановых сплавов ВТЗ-1Л, ВТ5Л и ВТ14Л в
интервале температур 80-293К и установлено, что при этих температурах
их температуропроводность и теплопроводность значительно ниже, чем
у чистого титана;
впервые получены экспериментальные данные о температуропроводности многокомпонентных силикатных стекол ЛК5, К8, С94-1 и С95-3, а также данные о теплопроводности стекол С94-1 и С95-3 в интервале температур от 213K до ЗЗЗК;
уточнена область применимости для расчетов теплопроводности многокомпонентных силикатных стекол модели, основанной на независимости вкладов, вносимых каждым окислом, входящим в состав стекла, в теплопроводность этих веществ и показано, что эта модель не может применяться в случае силикатных стекол, содержащих большое количество окислов РЬО и СаО.
На защиту выносится:
методика измерения температуропроводности твердых тел, реализующая принцип лазерной диагностики;
решение краевой задачи для уравнения теплопроводности при импульсном нагреве образца с учетом пространственно-неоднородного распределения энергии по пятну нагрева и реальной длительности теплового воздействия на образец;
экспериментальная установка для измерения температуропроводности металлов, сплавов и оптически прозрачных материалов в диапазоне температур 80-350К;
результаты исследования теплофизических свойств железа , кобальта, сплавов системы Fe-Co и литейных титановых сплавов ВТЗ-ІЛ, ВТ5Л и ВТ14Л в интервале температур 80-293К;
результаты исследования теплофизических свойств многокомпонентных силикатных стекол ЛК5, К8, С94-1 и С95-3 в интервале температур от 21ЗК до ЗЗЗК.
Практическая ценность работы:
разработаны методика и экспериментальная установка для измерения температуропроводности твердых тел, основанные на принципе лазерной диагностики, позволяющие исследовать температурно-концентрационные зависимости теплофизических свойств металлов и сплавов, а также теплофизические свойства оптически прозрачных материалов при низких и средних температурах;
экспериментальные данные о теплофизических свойствах железа, кобальта, сплавов системы Fe-Co , литейных титановых сплавов и многокомпонентных силикатных стекол могут быть использованы в качестве справочных;
материалы работы нашли применение при выполнении госбюджетных исследований на кафедре физики Уральской государственной горно-геологической академии и в НИТИ «Прогресс» (г. Ижевск) для расчетов надежности работы изделий из титановых сплавов;
по результатам работы получено 3 авторских свидетельства на изобретения.
Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены на XII европейской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Австрия, Вена, 1990 г.); ХИІ симпозиуме по теплофизическим свойствам веществ (США, Боулдер, Колорадо, 1997 г.);Ш российской
университетско-академической научно-практической конференции (Ижевск, 1997 г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и библиографического списка (134 источника). Она содержит 146 страниц машинописного текста, 29 рисунков и 26 таблиц.