CC BY
19
ПЛАВЛЕНИЕ ИЗОТРОПНОГО ГРАФИТА ПРИ ИМПУЛЬСНОМ НАГРЕВЕ
А. М. Князьков, А. И. Савватимский
В работе описываются эксперименты по импульсному нагреву графита (единицы микросекунд) с регистрацией электросопротивления, жидкого углерода. Подтверждено, что нагрев в воде при атмосферном давлении не позволяет получить и исследовать жидкий углерод, в лучшем, случае достигается, начало области жидкого состояния. Нагрев в сапфировых трубках приводит к возникновению импульсного давления, (вплоть до десятка кбар) после упора, расширяющегося, графита, в стенку трубок. Это растущее давление (в течение единиц микросекунд) позволяет исследовать жидкое состояние углерода в ограниченном, объеме. Изохорный нагрев привел, к возможности измерения, удельного электросопротивления, жидкого углерода, при высоких удельных энергиях (до ~ 32 кДж/г) и высоких давлениях. Такого рода, измерения крайне затратны при стационарных ■исследованиях.
Ключевые слова: изотропный графит, изохорный нагрев, плавление.
Нагрев импульсом тока имеет важнейшее преимущество (перед импульсным лазерным нагревом) в объемном тепловыделении5 что позволяет более точно измерять удельные свойства веществах ^плотность5 электросопротивление, введенную энергию). Эксперименты показали, что импульсный нагрев током при повышенном давлении обеспечивает плавление графита за короткое время эксперимента (микросекунды). Преимущества этих экспериментов состоят: во-первых, в быстром нагреве (что не позволяет расплавленному жидкому образцу изменить форму за время нагрева); во-вторых при размещении образцов в диэлектрических толстостенных трубках создаются изохорньте условия нагрева (на короткое время эксперимента) при высоком импульсном давлении. Ранее итоговые результаты по исследованию жидкого углерода импульсным методом опубликованы в [1].
Учреждение Российской академии наук Объединенный институт высоких температур РАН, 125412, Москва, Ижорская ул., д.13, корп.2, ОИВТ РАН; e-mail: [email protected]
Для исследования образцов графита и карбидов металлов построена импульсная конденсаторная установка, генерирующая импульс тока 5 20 кА при рабочем напряжении 5 20 кВ. В силовой схеме установки использованы дисковые малоиндуктивные 6âJI ЛсХСТНЫе резисторы (0.2 0.8 Ом), формирующие импульс тока. Пуск установки обеспечивается включением первого водородного тиратрона ТГИ1-1000/25, обрыв греющего тока (шунтирование) обеспечивается включением второго тиратрона ТГИ1-1000/25. Срабатывание обоих тиратронов производится от одного импульсного генератора Г5-63 через усилительные каскады. Такая простая схема позволяет гибко варьировать величину греющего тока путем изменения напряжения зарядки конденсатора (емкость 6 мкФ) от 3 до 15 кВ. Общее время нагрева (до обрыва тока) составляло 2 10 мкс.
Регистрация всех параметров проводилась с использованием цифрового осциллографа Tektronix TDS-3000B. Величина греющего тока измерялась монитором тока (Pearson Probe) 110А. чувствительностью 0.1 В/А. Причем монитор устанавливался в высоковольтную цепь тока, так как он не требует электрической связи с землей силовой схемы. В первых контрольных опытах было измерено электросопротивление при плавлении и теплота плавления никеля (проволока диаметром 0.15 мм). Были получены результаты, совпадающие с прежними измерениями [2]. выполненными без применения цифровой техники.
Исследование плавления графита проводилось на образцах плотного (2 г/см3) изотропного графита японского производства. От блока графита алмазной резкой нарезались тонкие стержни (0.3x0.3 мм) длиной 15 мм. Эти образцы размещались в кварцевых и сапфировых капиллярных трубках, таким образом. что отношение внутреннего объема трубки VT к начальному объему графита Vr составляло VT/Vr = 1.4 — 2. Достаточно плотное расположение графита в трубке обеспечивало, с одной стороны5 отсутствие шунтирующего разряда вдоль образца, а с другой, обеспечивало возникновение д£ьв~ ления при упоре расширяющегося твердого графита в стенку трубки (как известно, графит можно расплавить только при давлении выше 0.10 0.12 кбар). Расчет введенной удельной энергии E, поглощенной единицей массы графита (джоулево тепловыделение), производился по измеренному току I и напряжению U, с учетом индуктивности образца:
t
e {t)=í mm л,
J m
о
где m - масса образца; I - ток; R(t) - электрическое сопротивление, которое рассчи-ТЫВШ10СБ ПО формуле R(t) = [U(t) — L(dI/dt)]/I(t), U - напряжение на образце; L -
индуктивность образца. Суммарная погрешность измерения удельной введенной энергии Е не превышала 5%. Начальное электросопротивление - 1250 мкОм.
В данной работе представлены результаты измерения свойств плотного изотропного графита вплоть до жидкого состояния (рис. 1).
Рис. 1: Удельное электросопротивление р°; отнесенное к исходным размерам (ниою-няя кривая), и с учетом расширения р (верхняя кривая) в зависимости от удельной введенной энергии (кДж/г).
Левая нижняя стрелка отмечает начало плавления (10.5 кДж/г), а правая нижняя - окончание плавления (20.5 кДж/г). Эти величины получены в прежних работах при импульсном нагреве графита [3, 4]. Правая верхняя стрелка указывает момент разрушения сапфировой трубки при импульсном нагреве графита в сапфировом капилляре.
р
лерода (верхняя кривая) до 2000 мкОм-см выше точки плавления для невысокого уровня давлений (предположительно 10-20 кбар) при введенной удельной энергии вплоть до 32 кДж/г.
р
ми М. Тогайа [5], выполненными при миллисекундном импульсном нагреве током при статическом давлении около 20 кбар.
Авторы благодарны завлаб, к.ф-м.н. В.В. Милявскому (ОИВТ РАН) за предоставленный для исследования блок графита марки MF-307 производства Nippon TechnoCarbon Co.,Ltd.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант N 07-08-00070-а).
ЛИТЕРАТУРА
[1] А. I. Sawatimskiy, J. Phys.: Condens. Matter 20, 114112 (2008).
[2] В. H. Коробенко. А. И. Савватимский. Теплофизика высоких температур 28. 914 (1990).
[3] А. И. Савватимский. Успехи физических наук 173(12). 1371 (2003).
[4] A. I. Sawatimskiy. Measurements of the melting point of graphite and the properties of liquid carbon (a review for 1963-2003). Carbon 43(6), 1115 (2005).
[5] M. Togaya, Phys. Rev. Lett. 79, 2474 (1997).
По материалам Я Всероссийской молодежной школы-семинара 'Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики", Москва, ФИАН, октябрь 2009 г.
Поступила в редакцию 28 декабря 2010 г.
