Тепловое излучение жидких сплавов системы Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

К. Б. Панфилович, И. Л. Г олубева, В. В. Сагадеев

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЖИДКИХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ

ВИСМУТ - ИНДИЙ

Абсолютным радиационным методом измерены нормальные интегральные степени черноты жидких сплавов системы висмут - индий при различных концентрациях металлов и температурах. Погрешность измерений ± 7%. Данные получены впервые.

Изучение теплофизических свойств расплавов является одной из важнейших фундаментальных и прикладных задач современной теплофизики. Развитие техники постоянно требует создания новых материалов с заданными характеристиками. В существующих технологиях большинство металлических или полупроводниковых материалов получают кристаллизацией из расплавов. В связи с этим, актуальной проблемой остается создание и совершенствование научной базы, обеспечивающей получение и прогнозирование данных по свойствам высокотемпературных жидкостей. Тепловое излучение жидких сплавов металлов практически не исследовано. Имеется ограниченное число измерений теплового излучения сплавов никель - алюминий, железо - алюминий, кремния с железом, кобальтом и никелем [1, 2, 3].

В настоящей работе представлено экспериментально определенное тепловое излучение сплавов системы висмут - индий в жидкой фазе. Измерения теплового излучения сплавов проведены абсолютным радиационным методом. Описание экспериментальной установки и методики измерения приведены в [4]. Исследуемые сплавы готовились из чистых металлов индий и висмут с содержанием основного элемента не хуже 99, 99%. Точность навесок для получения различных концентраций сплавов достигалась взвешиванием чистых элементов на аналитических весах класса точности 2. Для обработки результатов измерений массовые доли пересчитывались в атомные. Минимальные температуры эксперимента были ограничены линией ликвидуса на фазовой диаграмме температурного состояния сплавов. Результаты измерений теплового излучения сплавов системы висмут - индий 8П - нормальной интегральной степени черноты -приведены в таблице 1.

Степени черноты при плавлении изменяются. Характер таких изменений определяется происходящей структурной перестройкой. Для всех металлов (в том числе и для 1п) тепловое излучение при плавлении растет. В случае полуметалла Ы плавление сопровождается разрушением ковалентных связей, в жидком виде он металл, его степень черноты в процессе плавления падает на 12% (рис.1).

Сплавы системы висмут - индий относятся к системам с соединениями в твердом состоянии. Эта система интересна тем, что в твердой фазе существуют соединения: 1пВ1 и !п2В1. Электронографически исследовались три сплава с содержанием (ат.%) висмута 33, 50 и 75 [5]. Положения максимумов интенсивности рассеяния для жидких сплавов состава 1п2В1 и !пВ1 очень близки к положениям наиболее ярких линий для твердого состояния (данные при 20°С). Это указывает в какой-то мере на близость структур твердого и жидкого сплавов.

Таблица 1 - Степени черноты сплавов системы висмут - индий (доли атомные)

Т, К £п т, К £п т, К £п

0,680Б1 0,357Б1 615 0,1564

443 0,1556 363 0,108 640 0,1628

474 0,1676 400 0,116 659 0,1676

508 0,1798 434 0,125 680 0,1724

530 0,1886 466,6 0,133 708 0,1774

550 0,1942 488 0,1386 725 0,1814

579 0,2048 507 0,1444 750 0,1862

607 0,2144 528 0,151 770 0,1902

636 0,2234 547 0,1556 794 0,1942

662 0,2314 566 0,1596 818 0,2

693 0,241 586 0,1644 850 0,2056

716 0,2468 619 0,174 0,121Б1

730 0,25 633 0,1774 393 0,0936

754,7 0,2548 655 0,183 418 0,096

0,451Б1 678 0,1894 440 0,1

383 0,126 696 0,1942 464 0,1048

418 0,1346 724 0,2032 486 0,1096

450 0,1426 739 0,208 518 0,116

474 0,15 762 0,2144 543 0,1224

500 0,158 778 0,2192 577 0,129

526 0,166 800 0,225 600 0,133

550 0,1726 819 0,2298 626 0,1386

586 0,1846 0,270Б1 650 0,1442

603 0,191 353 0,0952 680 0,1495

621,4 0,1976 386 0,102 718 0,1572

643 0,2046 406 0,1064 750 0,1628

664 0,2096 431 0,1128 776 0,1676

685 0,216 455 0,1184 795 0,1718

704 0,2208 500 0,129 816 0,175

738 0,2314 539 0,1378 842 0,1798

759 0,2362 562 0,1426 862 0,183

777 0,2426 583 0,1484

Твердый сплав !п2В1 обладает

кристаллической решеткой типа А1В2 гексагональной сингонии. Считается, что наиболее

вероятным является хаотическое распределение атомов индия и висмута по узлам решетки, а не строго упорядоченное. Предположено [5], что и в жидком состоянии нет упорядоченного расположения атомов разных сортов, тогда получено среднее

координационное число 7 - 8 (в пределах

ошибки опыта). Эта величина совпадает с координационным числом 7 - 8 для

жидкого висмута и 8 для жидкого индия.

Сплав состава !пВ1 в твердом состоянии относится к структурному типу РЬО. При этом из восьми атомов

висмута, окружающих каждый атом индия, четыре находятся на расстоянии 3,09А, а другие четыре - на расстоянии 3,32 А. Первый максимум кривой радиального распределения приходится на Г=3,28 А, что весьма близко к среднему значению из двух кратчайших

расстояний между

атомами сплава в твердом состоянии. Авторы работы [5] полагают, что ближний порядок в сплаве при плавлении сохраняется. Расчет

координационных чисел в соответствии с этой гипотезой показывает, что каждый атом индия окружен 8,3 атома висмута, и среднее

координационное число атомов индия около атома висмута равно 8,3.

Таким образом, структура жидких сплавов индий - висмут при температуре близкой к линии ликвидуса напоминает во многом ближний порядок в твердых сплавах.

На рис. 2 представлены зависимости степеней черноты от концентрации сплава при температурах 543К и 723К. При концентрации, соответствующей интерметаллическому соединению IП2Вi (0.33 Bi), на изотермах степеней черноты наблюдается перегиб. При концентрации, соответствующей интерметаллическому соединению InBi (0.50 Bi), наблюдается максимум

отклонения от аддитивной прямой. С ростом температуры отклонение изотерм степеней черноты от аддитивной зависимости возрастает. Эта же закономерность прослеживается и при анализе других теплофизических свойств сплава: поверхностного натяжения [6,7] и энтальпии смешения сплава [5].

Таким образом, тепловое излучение жидких сплавов металлов, как и другие теплофизические и термодинамические свойства, определяется структурой сплава, ее перестройкой при изменении состава и температуры.

Литература

1. Шварев К.М., Байтураев С.Х., Баум Б.А. // ИФЖ. 1983. Т.44. №2. С.322-324.

2. Шварев К.М., Байтураев С.Х., Баум Б.А. // ИФЖ. 1984. Т.46. №2. С.823-825.

3. Шварев К.М., Баум Б.А., Гельд П.В. // ТВТ. 1973. Т.11. №1. С.78-80.

4. Панфилович К.Б., Сагадеев В.В. // Пром. теплотехника, 1990. Т. 19. №5. С.66-71.

5. ЕвсеевАМ., ВоронинГ.Ф. Термодинамика и структура жидких металлических сплавов. М.: Изд-во МГУ, 1966. 132с.

Рис. 1 - Степени черноты сплавов Б1 — 1п. Содержание висмута: 1 - 0,680; 2 - 0,451; 3 -0,357; 4 - 0,270; 5 - 0,121 (доли атомные)

Рис. 2 - Степени черноты сплавов Б1 — 1п при Т=543К (1) и Т=723К (2) (доли атомные)

6. Ниженко В.И., Флока Л.И. Поверхностное натяжение жидких металлов и сплавов (одно- и двухкомпонентные системы). М.: Металлургия, 1981. 208с.

7. Ковальчук В.Ф., Кузнецов В.А., Грекова Н.Д. // ЖФХ. 1969. Т.43. №1. С.184-187.

© К. Б. Панфилович - д-р техн. наук, проф. каф. вакуумной техники КГТУ; И. Л. Голубева - ст. препод. каф. инженерной графики КГТУ; В. В. Сагадеев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры.