|
|
|
|
Савватимский А.И. «Carbon at high temperatures»
12.02.2016
Аннотация Монография посвящена экспериментальному (и частично расчетному) исследованию проблемы плавления углерода (в том числе, высокотемпературным свойствам графена) и получению физических свойств жидкого углерода, в частности, таких как: электросопротивление, энтальпия, теплоемкость СP и CV, тепловое расширение, теплота плавления. Рассмотрен вопрос об измерении температуры плавления углерода, отмечено существенное влияние сублимации углерода на измерение температуры выше 3000 К. Предложен выбор модели черного тела для получения истинной температуры. Приведено описание ключевых экспериментальных работ, начиная с 1911 года и последовательное установление параметров тройной точки углерода (Р 120 атмосфер; Т 4800-4900 К), полученных как нагревом тока, так и лазерным нагревом. Предложена эволюция фазовой Р-Т диаграммы углерода в течение последнего 50-летия, включая смещение фазовой диаграммы для малых углеродных частиц. Подробно рассмотрены авторские исследования основоположников импульсного нагрева током при высоких давлениях: Фрэнсиса Банди (США); Л.Ф. Верещагина (СССР) и Мотохиро Тогайя (Япония). Показана металличность свойств жидкого углерода и ее изменчивость при высоком давлении. Отмечена роль ОИВТ РАН в исследовании высокотемпературных свойств углерода, с рассмотрением конкретных достижений авторов (М.А.Шейндлин, В.Н.Сенченко, А.В.Кириллин, А.В.Костановский, А.Ю.Башарин и др.). Рассмотрены работы исследователей, работающих в США (Газерс, Шанер, Хиксон); в Австрии (Гернот Поттлахер); во Франции (Мишель Бовину). Приведены оригинальные данные автора (совместно с С.В.Лебедевым, В.Н.Коробенко, А.Д.Рахелем, С.В.Онуфриевым, А.М.Кондратьевым) для свойств жидкого углерода, начиная от точки плавления до температур 12 кК при быстром нагреве импульсом электрического тока. Проведено сравнение результатов измерения свойств, полученных при быстром нагреве (микросекунды) и при медленном нагреве (миллисекунды). На примере экспериментальных результатов убедительно представлена независимость температуры плавления углерода от скорости его нагревания. В этой связи рассмотрены результаты расчетов по определению температуры плавления (для различных межатомных потенциалов). Отмечено эффективное исследование Владимира Стегайлова и Никиты Орехова, которые получили сравнительную характеристику для различных потенциалов. С сожалением отмечено, что развитие расчетных методов часто происходит независимо от результатов экспериментальных работ; эти два метода исследования начинают развиваться в отрыве друг от друга. Отдельная глава посвящена исследованию свойств графена (эксперимент плюс расчет) при высоких температурах, на примере работ А. Баландина (США). Приведены результаты американских ученых при быстром нагреве алмазной пластинки (ударное нагружение) при давлениях до 60 Мбар и температурах до 30 000 К, с регистрацией области плавления. В заключение автор монографии приводит ссылки на работы последних лет: - отсутствие термодинамического перегрева металлов при микросекундном нагреве; - быстрый нагрев карбидов и нитридов, приводящий к соответствию результатов равновесной фазовой диаграмме соединений; - появление неравновесных эффектов при быстром нагреве металлов и соединений (увеличение теплоемкости СР перед плавлением и быстрая релаксация после плавления), в связи с предполагаемым возникновением парных дефектов Френкеля (вакансия и междоузельный атом) быстро нагреваемых веществ. 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 как справочник по современным исследованиям высокотемпературных свойств веществ. Заключение (в английском варианте книги) Углерод представлен многими различными формами. Он тугоплавкий, и при этом хорошо обрабатывается. Это обеспечивает его эффективное применение в промышленности (энергетике, авиации, космической отрасли, ядерных технологиях, электронике и медицине). Благодаря высокой температуре плавления (4800-4900 К) изучение жидкого состояния углерода возможно, как правило, только в импульсных процессах нагрева. Жидкий углерод – область наших новых знаний, с возможным использованием в будущих импульсных технологиях. В дополнение к углероду промышленность требует знания высокотемпературных физических свойств соединений углерода, таких как, например, карбиды. Свойства этих тугоплавких соединений (как и графита) – важны для практических приложений, поскольку тугоплавкие карбиды, нитриды и углерод входят в защитные покрытия газотурбинных трактов, сопла ракет, защитные плитки ракетных систем, матрицы ядерных топлив.
Содержание
1 The First Attempts of Carbon Melting and Obtaining Diamond Phase of Carbon (1911–1939) 1.1 Astrophysical and Terrestrial Aspects of the Carbon Study 1.2 State of the Art with Graphite Melting in 1911 Year 1.3 The First Substantial Experiments of Stationary Study of Graphite by Pirani 1925–1939 1.4 Estimated Study for Obtaining Diamond by Leipunsky 1939
2 Resistivity and Heat Capacity for Solid Graphite up to 3000 K
3 Carbon Triple Point (Graphite/Liquid/Vapor) 3.1 First Attempts to Obtain Triple Point Parameters (1939–1976) 3.1.1 The First Experimental Evidence of the Pressure at the Triple Point Slightly Higher 100 Bar 3.1.2 Effort to Search Phase Boundary SolidLiquid at a Pressure up to 1000 Bar 3.1.3 Detailed Investigations of Carbon Under Laser Heating by Haaland and His Critical Review of Previous Determination of Triple Point Parameters (All the Conclusion Made by Haaland, but not the Author of the Monograph) 3.2 The Role of the Condensed Graphite Vapor at the Laser Heating 3.3 The Start of Graphite Melting Recorded by the Enthalpy 3.4 Start of Melting Obtained at Milliseconds Heating 3.5 Temperature at the Melting Point Obtained in the Experiments with the Different Velocity of Heating 3.6 Temperature of the Triple Point Under Steady State Laser Heating 3.7 The Result of the Discussion on the Triple Point Parameters 3.8 Give the Experimental Facts on Carbon (Just Near the Melting Point)
4 Resistivity up to Melting and the Recording of Melting Area 4.1 Graphite Resistivity (Versus Inserted Energy Only) Under Pulse Current Heating 4.1.1 Graphite Resistivity (Versus Inserted Energy) at High Pressure 4.1.2 Correspondence of the Author with Francis Bundy, 1999 4.1.3 Resistance Against Inserted Energy up to Melting (Fast Electrical Heating) 4.2 Melting Area Recorded Under Pulse Heating and Emissivity Estimation 4.2.1 The Start of Melting and Graphite Emissivity at Milliseconds Current Heating 4.2.2 The Whole Temperature Plateau Recording (First Published) for Graphite of Low Initial Density 4.2.3 Particular Feature of Recording of Graphite Melting Under Laser Heating
5 Stationary Experiments on Physical Carbon Properties (Enthalpy and Thermodynamic Functions) Against Temperature 5.1 Enthalpy Against Temperature (Steady State Experiments up to 3800 K, and Further Calculation up to 4900 K) 5.2 Expansion Graphite upon Melting (Calculation)
6 Liquid Carbon Properties Against Input Energy Only 6.1 Resistivity Against Input Energy Near the Melting Point 6.1.1 Liquid Carbon Resistivity just at the Melting Point (Experiments by Togaya 1997 and 2000) 6.1.2 Resistivity Against Pressure Just After the Melting 6.1.3 Experiment by Togaya 2010 6.1.4 Discussion on the Resistivity at the Carbon Melting Point 6.2 The Fast Electrical Heating of Different Grades of Carbon 6.2.1 Resistivity and Expansion at the Melting Point (Gathers et’al.) 6.2.2 Advantages of Fast Heating (Microseconds) by Electrical Pulse Current Before Slow (Milliseconds) Heating 6.2.3 Resistivity of the Carbon in a Broad Range of Liquid State (with the Expansion Included) 6.2.4 Resistivity of Dense Isotropic Graphite MF307 Higher Melting Point (with the Expansion Included) 6.2.5 Critical Sensitivity of Graphite Melting to the Magnitude of the Pressure (Experiments in the Sapphire Capillary Tubes) 6.2.6 Pulse “Pinch” Pressure at Fast Electrical Heating
7 Experimental Setup in Fast Heating of Carbon 7.1 Pulse Experimental Arrangements in Laboratory of Electroexploding Processes (JIHT) 7.1.1 Introduction 7.1.2 Pulse Experimental Setup for Training Students and Postgraduates 7.1.3 Powerful Pulse Installation for Fast Heating of Graphite Plates 7.1.4 Specimens 7.2 Choice of a Blackbody Design and Fast Pyrometer for Recording Melting and Liquid State of Carbon 7.2.1 Select a Blackbody Design 7.2.2 Fast Pyrometer Made by V.N. Korobenko (JIHT) 7.3 Melting and Liquid State Recorded at Fast Pulse Heating 7.3.1 Melting of Anisotropic Graphite Placed Between Two Sapphire Plates 7.3.2 Melting of Anisotropic Graphite Placed Inside the Sapphire Capillary Tube 7.3.3 Estimation of Sapphire Melting and the Possible Destruction of a Sapphire Tubes 7.4 Input Energy Versus Temperature for Liquid Carbon State (up to 12,000 K)
8 The Evolution of Experimental Carbon Phase Diagram 8.1 Phase Diagram by Vereshchagin (1963 Year) 8.2 Phase Diagram for Carbon Obtained by Francis Bundy 8.3 Phase Diagram for Carbon, Obtained by Motohiro Togaya 8.4 The Dependence of Tmelting Against Pressure 8.5 Phase Diagram for Small Particles of Carbon 8.6 Modeling of Carbon Phase Diagram8.6.1. Data of Ghiringhelli and Meijer. 8.6.2. Data of Glosli and Ree. 8.6.3. Data of Umantsev, and Akkerman. 8.6.4. Data of Colonna, Fasolino, and Meijer. 8.6.5. Data of Shabalin. 8.6.6. Data of Orekhov and Stegailov. 8.6.7. The resume for all considered papers of the Chapter 8.6.
9 Pulse Heating Application to Study High Pressure Carbon State 9.1 The Advantages of Fast Carbon Heating to Measure Properties at High Temperatures and Some Practical Applications 9.2 From Diamond—to Liquid Carbon with Temperature Recording (Experiment by Eggert et’al. USA) 9.3 From Diamond—to Liquid Carbon at the Highest Pressure (Experiment by R.F. Smith, Gilbert Collins et’al. 2014, USA) 9.4 Methods Summary
10 Graphene Investigation 10.1 Calculation of Graphene Melting [1] 10.2 Thermal Properties of Graphene: Experiments and Theory of Alexander Balandin and Coauthors 10.3 Measuring of Melting Temperature of the HAPG Graphite Under Fast Electrical Heating in 2015 Year
11 Conclusion
Как мы видим, углерод многолик и многогранен; даже в чистом виде углерода дает много форм, а в различных соединениях углерод охватывает целые отрасли промышленности: от медицины до ракетной техники. Во многих странах продолжается активное исследование углерода в связи с важными практическими приложениями. Поэтому эта тематика (в том числе и в теплофизическом варианте), безусловно, будет исследоваться и далее. В будущем исследование углерода будет развиваться в области еще более коротких процессов нагрева, по крайней мере, в области наносекундных времен. Переход к минимальному размеру образцов (в том числе к тонким напыленным слоям микронного и субмикронного размера), наряду с переходом к наносекундным временам нагрева, позволит ввести в углеродные соединения очень высокие удельные энергии. Это даст возможность изучить как неравновесные процессы, так и экстремальные состояния вещества при высоких температурах и давлениях, соответствующих звездным мирам. В последнее время наметилось новое направление исследований импульсным методом – нагрев не только углерода, но и более сложных соединений, в частности, карбидов [157, 158]. Кроме того, при магнетронном напылении есть возможность создавать на подложках нанометровые слои различных металлов, углерода их соединений, - это дает возможность исследовать высокоскоростную диффузию, сопровождаемую тепловыми эффектами. Напомним, что однородность импульсного нагрева электрическим током возможна только для тех проводников, которые имеют растущее электросопротивление с вводом энергии (с ростом температуры), что имеет место для карбидов (кроме SiC) и нитридов [121]. Высокотемпературные свойства этих тугоплавких соединений (как и графита) важны для практики, так как тугоплавкие карбиды и нитриды входят в состав покрытий газотурбинного тракта и сопел летательных аппаратов, защитных плиток ракетных систем, матриц ядерных топлив. Помимо исторического аспекта исследования углерода при высоких температурах, результаты, представленные в данной монографии, могут найти практическое применение в отраслях промышленности (космонавтике, ядерной технике и авиации), в которых используются графиты и их соединения с металлами для использования в условиях высоких температур. Conclusion remarks As we can see, carbon is diverse and multifaceted, even the pure form of carbon gives a lot of forms, and the various compounds of carbon cover the whole industries - from medical to rocket technology. The experiment proves that the melting point of carbon is the highest of all substances on Earth (4800-4900 K). In addition, the melting can take place only at pressures above 110 bar. These high parameters, along with good strength properties make carbon universal working material in mechanical engineering. Even the seemingly negative property of carbon to begin actively sublimate at pressures below 110 bar and temperatures above 3000 K has practical application. At the entrance of missile systems to the atmosphere a sublimation of carbon protects from overheating the surface, carrying away the excess energy. Worldwide, it is continuing the active study of carbon due to important practical applications. Therefore, carbon (including in thermophysical aspects) will surely be explored further. In the future study of carbon it will be developed in the field even more short processes of heating, at least in the range of nanosecond times. The transition to the minimum size of specimens (including thin sputtered layers of micron and submicron size), along with the transition to nanosecond time heating will allow you to input to the carbon compounds very high specific energy. This will provide an opportunity to investigate as non-equilibrium processes as extreme states of matter at high temperatures and pressures corresponding cosmic star worlds. In recent years, there has been a new area of research pulse method – heating not only carbon, but also more complex compounds, in particular, carbides [163]. In addition, under using the magnetron sputtering we have the opportunity to create substrates nanometer layers of different metals or carbon-based compounds - this gives you the opportunity to explore the high-speed diffusion, accompanied by thermal effects. Recall that the homogeneity of pulsed electric heating is only possible for those conductors who have increasing resistance with the input energy (or with increasing temperature), which is the case for carbides [169,170] (except SiC), and nitrides [171]. High temperature properties of these refractory compounds (as well as graphite) are important for practice, because refractory carbides and nitrides are included in the coating composition used in gas turbine tracts and nozzles of aircraft, protective plates of missile systems, matrix of nuclear fuels. Besides the historical aspect of the carbon study at high temperatures during last more than 70 years, the results presented in this monograph, can find practical application in different branches of industry (aerospace, nuclear engineering and aviation), which elaborate different graphite grades and their compounds with metals for use at high and the highest temperatures. We emphasize again that the study of the properties of carbon at temperatures 4000-10000 K is possible only with rapid pulsed heating that is convincingly demonstrated in this monograph.
|
