Введение
Молибден уже несколько десятилетий доступен в качестве стандарта удельной теплоты от NIST [1], хотя о его свойствах, таких как тепловое расширение, теплопроводность и теплопроводность, имеется не так много информации. Согласно литературным данным [1, 2, 3, 4], чистый молибден не должен демонстрировать никаких фазовых изменений вплоть до температуры плавления. Однако это очень важно, поскольку при повышенных температурах он чувствителен к кислороду. Из-за высокого давления пара оксидов молибдена материал, как правило, не меняет своих свойств из-за поверхностного окисления. Образовавшиеся оксиды просто испаряются с поверхности. Все эти особые свойства молибдена делают его подходящим веществом для стандартного материала с несколькими свойствами.
Экспериментальный
Измерение различных теплофизических свойств, таких как тепловое расширение, изменение плотности, удельная теплота и теплопроводность, проводилось на чистом (99,99%) молибденовом материале. Для измерения теплового расширения и определения изменения плотности использовалась дилатометрия с толкателем (DIL). Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) использовалась для измерения удельной теплоты. Теплопроводность определялась с помощью метода лазерной вспышки (LFA). Результаты испытаний позволяют получить подробное представление о поведении материала при термической обработке, а также определить теплопроводность. Было проведено сравнение всех результатов испытаний с имеющимися литературными данными.
Испытания проводились на различных образцах, подготовленных из исходного блока, и измерялись в диапазоне от -125°C до 1400°C. Таким образом, удалось оценить этот материал как возможного кандидата на роль стандартного материала для различных теплофизических свойств в широком диапазоне температур.
Чистый молибден (99,99 %) был предоставлен компанией Plansee SE, Ройтте, Австрия. Для анализа использовался блок large диаметром 30 мм и длиной 120 мм. Из блока цилиндров были подготовлены различные образцы для различных методов испытаний. Для каждого метода измерения готовились два образца, которые испытывались два-три раза. Проверялась термическая стабильность и однородность материала, а также определялась повторяемость результатов испытаний.
Результаты испытаний
На рисунке 1 представлены результаты измерения теплового расширения для двух различных образцов молибдена, измеренные дважды. Разброс данных между образцами и различными экспериментами, как правило, находится в пределах ±1,5%. Учитывая точность и повторяемость используемого прибора, влияние поверхностных эффектов и испарения оксидов, разброс данных находится в приемлемом диапазоне. Результаты не указывают на неоднородность материала или изменения в значениях теплового расширения между различными прогонами нагрева.
На рисунке 2 показаны объемное расширение и изменение плотности молибдена в зависимости от температуры. Объемное расширение было определено на основе измеренного теплового расширения в предположении изотропного поведения материала и, следовательно, одинакового поведения расширения во всех направлениях. Расчет плотности был основан на объемном расширении и комнатной насыпной плотности 10,216 г.см-3. Насыпная плотность при комнатной температуре была определена из первоначально поставленного блока образцов путем измерения массы и объема.
На рисунке 3 показаны значения удельной теплоты, измеренные с помощью дифференциального сканирующего калориметра. Оба образца были дважды измерены в низкотемпературной стальной печи (от -125°C до 300°C) и в высокотемпературной платиновой печи (от 300°C до 1275°C). Отклонение между отдельными результатами находилось в пределах ±2,0% и, следовательно, в пределах заявленной погрешности прибора, использованного для испытаний. Значения показывают сильное увеличение в зависимости от температуры в низкотемпературном диапазоне. Такое поведение можно ожидать в соответствии с известной теорией Дебая [5]. При высоких температурах значения увеличиваются почти линейно. Это полностью согласуется с физикой твердого тела (правило Дюлонга и Пети, [5]). В этом диапазоне температур не было обнаружено никаких перекрывающихся переходов или других тепловых эффектов, что явно указывает на отсутствие фазовых изменений в материале между -125°C и 1275°C. Это удовлетворяет условию стандартного материала, поскольку в интересующем нас температурном диапазоне не происходит никаких структурных изменений.
На рисунке 4 показаны результаты измерений тепловой диффузии, полученные с помощью различных вспышек, использованных для испытаний. Хорошо видно, что тепловая диффузия уменьшается в зависимости от температуры. Уменьшение происходит в соответствии с поведением T-1 при температурах ниже 600°C, что приводит к почти линейному уменьшению при более высоких температурах. Такое поведение характерно для материалов с преобладанием фононной проводимости, таких как керамика или графит. Поэтому, возможно, для данного металлического материала вклад электронов в теплопередачу составляет small. Рассеяние результатов измерений варьируется от пробы к пробе и от образца к образцу и обычно находится в пределах ±2%. Только при 1000°C было получено немного большее рассеяние (±3%). Возможным объяснением этого может быть испарение оксидов молибдена в этом температурном диапазоне, влияющее на излучательную способность образцов и, следовательно, на поглощение лазерного излучения и излучение инфракрасного света.
На рисунке 5 представлены результаты теплопроводности, определенной путем перемножения измеренных значений плотности, удельной теплоемкости и температуропроводности. Данные по плотности ниже комнатной температуры и удельной теплоемкости выше 1275°C были определены путем линейной экстраполяции измеренных данных. Хорошо видно, что теплопроводность следует температурной зависимости теплопроводности. Также было проведено сравнение с литературными значениями [6]. При допущении 5% точности литературных значений и 3% неопределенности значений, полученных в результате измерений, результаты находятся в очень хорошем согласии.
Заключение
На высокочистом молибдене были измерены различные теплофизические свойства (тепловое расширение, изменение плотности, удельная теплота, теплопроводность, температуропроводность). Сравнение с литературными значениями показало качество результатов измерений и надежность материала. По результатам испытаний можно предположить, что чистый молибден может быть подходящим кандидатом для использования в качестве стандартного материала до высоких температур выше 1200°C.libraОн может быть использован в качестве стандарта для определения различных теплофизических свойств. Для подтверждения возможностей материала было бы желательно провести дополнительные испытания в различных лабораториях и испытательных институтах.