Савватимский А.И. «Плавление графита и свойства жидкого углерода»

Аннотация

Монография посвящена экспериментальному исследованию проблемы плавления углерода и получению физических свойств жидкого углерода, в частности, таких свойств:  электросопротивление, энтальпия, теплоемкость С_P и  C_V,  тепловое расширение, теплота плавления. Рассмотрен вопрос об измерении температуры плавления углерода, отмечено влияние сублимации углерода на измерение температуры выше 3000 К. Приведено описание  ключевых экспериментальных  работ, начиная с 1911 года и последовательное установление параметров тройной точки углерода ( Р – 107-110 атмосфер; Т – 4800-4900 К), полученных как нагревом тока, так и лазерным нагревом. Приведены оригинальные данные автора (совместно с С.В.Лебедевым, В.Н.Коробенко, А.Д.Рахелем) для свойств жидкого углерода, начиная от точки плавления до температур 20-35 кК при быстром нагреве импульсом электрического тока.  Проведено сравнение результатов измерения свойств, полученных  при быстром нагреве (микросекунды) и при медленном нагреве (миллисекунды). Показана металличность свойств жидкого углерода и ее изменчивость при высоком давлении. Книга предназначена для теплофизиков, исследующих углерод при высокой температуре и при высоком давлении; специалистов широкого профиля, занимающихся углеродом, а также импульсным нагревом тугоплавких веществ. Изложенный материал также может быть полезен студентам и аспирантам соответствующих специальностей.

Монография издана на личные средства автора.

Предисловие

В монографии подробно рассмотрены экспериментальные исследования свойств углерода, нагреваемого до высоких температур, как стационарными методами, так и импульсными (начиная от долей секунды вплоть до наносекунд). Представлены ключевые исследования по углероду, начиная с 1911 года.

Детально рассмотрены работы классика углеродной тематики Фрэнсиса Банди (миллисекундный нагрев) при высоких давлениях; стационарные исследования НИИГРАФИТА; работы нескольких коллективов ОИВТ РАН при нагреве током и лазером. Рассмотрены параметры тройной точки углерода, в том числе необходимость применения давления не менее 100 бар для плавления графита. Установлено значение температуры плавления углерода 4800-4900 К. Металличность расплавленного графита высокой исходной плотности в настоящее время не вызывает сомнений.

Показано соответствие результатов автора (полученных совместно с В.Н. Коробенко) для области плавления углерода (при микросекундном нагреве графита током в сапфировых капиллярах) как с результатами работ Фрэнсиса Банди, так и Тогайя (Япония), полученными при миллисекундном нагреве током при высоких статических давлениях (14-94 кбар). В последнем случае речь идет о снижении электросопротивления жидкого углерода в точке плавления (при введенной энергии ~ 21 кДж/г) при одновременном росте давления до 50 кбар, а также о повышении электросопротивления жидкого углерода для давлений свыше 50 кбар.

Кроме теплоемкости при постоянном давлении (С_P) измерена теплоемкость жидкого углерода при постоянном объеме (С_V) при нагреве графита в ограниченном объеме (сапфировые трубки). Знание (С_V) позволило оценить температуру жидкого углерода значительно выше точки плавления. Применение сапфировых капиллярных трубок при быстром (микросекунды) нагреве током позволило достигнуть температур жидкого углерода 20 000 К (по крайней мере). При этом обнаружен переход для жидкого углерода типа металл-неметалл гораздо выше точки плавления (при вводе энергии около 35 кДж/г), аналогичный обнаруженному Тогайя в точке плавления. Электросопротивление жидкого углерода (значительно выше точки плавления) растет с вводом энергии при давлении выше 50 кбар.

Обсуждаются методические вопросы импульсного нагрева, в частности роль пинчевого давления в получении жидкого состояния углерода. Приведены схемы импульсных установок и их инструментальное обеспечение. Исследована роль внешней среды (воздух, вода, капиллярные трубки) для получения высокого компрессионного давления.

Подробно рассмотрены опубликованные результаты лаборатории электровзрывных процессов с 1972 года (начало графитовых исследований) под руководством С.В. Лебедева. Показано последовательное развитие импульсного нагрева в ОИВТ РАН применительно к графиту.

В Приложении 1 представлены установки для исследования высокотемпературных свойств углерода; в Приложении 2 - фотографии научных сотрудников, а также фотографии примечательных событий последних лет в мире углерода и в мире теплофизики, в том числе всемирные конференции по углероду (Carbon-2009 во Франции, Carbon-2011 в Китае, Carbon-2012 в Польше).

savva@iht.mpei.ac.ru