СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ..................................................................... 5
Глава I. ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ОПТИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ В ОБЛАСТИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР.................................................................... 14
§ 1.1. Методы измерения оптических свойств материалов...........................14
§ 1.2. Методы измерения теплофизических свойств материалов......................16
§ 1.3. Измерения температурных зависимостей оптических и теплофизичсскнх
свойств в области высоких температур.:....'.:..............................17
І-, V; * . . > I
§ 1.4. Выводы к Главе 1.......*.................................................22
Глава II. КОМПЛЕКСНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ЭКСПРЕСС-МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ. КЕРАМИК И АЛМАЗНЫХ ПЛЕНОК В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР..................................24
§ 2.1. Экспериментальная установка..............................................24
§ 2.2. Компьютерное моделирование процесса нагрева лазерным излучением мишени с заданными величинами теплофизических характеристик. Оценка однородности температурного распределения по объему образца............................28
§ 2.3. Методика измерений.......................................................32
2.3.1. Оптические свойства реальной поверхности образцов.....................32
2.3.2 Пирометрическое определение температуры тел............................33
2.3.3. Определение истинной температуры и температурных зависимостей
оптических характеристик образцов......................................39
2.3.4. Оптический метод определения теплоемкости в области
высоких температур....................................................42
2.3.5. Определение теплопроводности и температуропроводности твердых тел
при высоких температу рах.............................................45
§ 2.4. Выводы к Главе II......................................................50
Глава 111. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ
ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ТЕПЛОЕМКОСТИ МЕТАЛЛОВ....................................52
§ 3.1. Измерения температурных зависимостей коэффициентов отражения Rx(T) и
поглощения АхСГ) мстаттов................................................53
§ 3.2. Влияние лазерного окисления и горения образцов в воздухе на измеряемые
параметры................................................................53
| 3. 3. Влияние фазовых превращений вещества на температурные зависимости
теплоемкостей исследованных материалов. Результаты измерений теплоемкости СР(Т). Эффект преобразования вакансий в металле перед его плавлением.62
§ 3.4. Выводы к Главе III.....................................................67
Глава IV. КЕРАМИКИ. ВЛИЯНИЕ ТИЛА ОКРУЖАЮЩЕЙ АТМОСФЕРЫ НА
ОПТИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КЕРАМИК.................................69
§ 4.1. Керамики SijN*. Влияние давления окружающей атмосферы на температуру
сублимации. Образование вакансий в керамике перед ее сублимацией.........73
§ 4.2. Керамики A1N. Образование оксидных пленок на поверхности образцов.
Температурное изменение структурного состава керамики....................77
§ 4.3. Керамики SiC и Ai:OySiC. Дегазация керамик. Фазовые переходы при высоких
температурах........................................................ 84
§ 4.4. Выводы к Главе IV...................................................94
Глава V. АЛМАЗНЫЕ ПЛЕНКИ. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ОПТИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ. ПОВЕРХНОСТНАЯ ГРАФИТИЗАЦИЯ В ПРОЦЕССЕ ЛАЗЕРНОГО НАГРЕВА.................................................97
§ 5.1. Изменения свойств алмазных пленок с разным содержанием углеродных
ассоциатов с sp1-связями..............................................97
§ 5.2. Выводы к Главе V...................................................107
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................„..109
ЛИТЕРАТУРА...............................................................111
ВВЕДЕНИЕ.
Актуальность темы. Настоящая работа посвящена разработке н реализации комплексного оптического нестационарного метода определения оптических и тсплофиличсских свойств металлов, керамик й алмазных пленок в области высоких температур.
Экспериментальные исследования оптических и теалофизнчсских свойств твердых тел при высоких температурах имеют чрезвычайно важное зиачение. Систематические исследования физических свойств, таких как коэффициенты тепло- и температуропроводности, оптические характеристики, теплоемкости твердых веществ при высоких температурах и их изменения в различных окружающих средах служат не только основой для дальнейшего развития высокотемпературной физики твердого тела, но и позволяют определить области практического использования новых материалов. Практическая значимость таких работ определяется стремительным развитием техники высоких температур, созданием высокотемпературных материалов. обладающих уникальными характеристиками, и внедрением современных лазерных технологий их обработки. Поскольку новые композиционные матсриазы, как правило, создаются в небольших количествах, особое значение приобретает разработка методик измерения, использующих эксперимснтазьныс образцы небольшого размера
Существующие в настоящее время экспериментальные данные по теплофизическим свойствам материалов при высоких температурах ограничены как в отношении числа изученных объектов, так и самого диапазона исследованных температур (1-7). Более того, даже для относительно хорошо изученных материалов (тутоплавких металлов) результаты исследований различных авторов довольно сильно отличаются друг от друга — для теплоемкости и теплопроводности эти отличия нередко составляют десятки процентов.
Такое положение объясняется в первую очередь существенными трудностями экспериментальных исследований в области высоких температур. Эти трудности в основном вызваны большой величиной теплообмена (в основном теплообмена ихпучением), учесть или исключить который весьма сложно.
Важнейшим условием повышения • эффективности высокотемпературных экспериментов является обеспечение высокой информативности и производительности всего цикла измерений, что требует разработки и создания комплексных методов исследования, обеспечивающих в ходе одного эксперимента получение всей совокупности оптических и теплофизических свойств материала [2. 8-231.
Цель работы состояла:
- в разработке комплексного метода и создании на его основе установки для одновременного определения оптических и тсплофизических свойств твердых тел в широком диапазоне температур;
- в измерении и исследовании полученных температурных зависимостей коэффициентов отражения, пропускания, поглощения, а также температуропроводности, теплоемкости и теплопроводности металлов и сплавов, керамик и алмазных пленок при высокотемпературном лазерном нагреве материалов.
В диссертации решены следующие научные задачи: разработан комплексный оптический метод, имеющий существенное значение для исследования физических свойств твердых тел; на основе данного метода получен ряд новых характеристик исследованных материалов.
Научная новизна работы состоит в том, что в результате проведенных исследований получены новые результаты, касающиеся как развития методов исследования, так и измеренных величин:
1. Разработана методика и создана установка для одновременного определения истинной температуры, коэффицие«гтов отражения, пропускания, поглощения, экстинкции. а
7
также температуропроводности, теплоемкости и теплопроводности твердых тел в широком диапазоне температур (800 :2700 °С). Созданная установка характеризуется значительным быстродействием (общее время для записи всех измеренных параметров — от миллисекунд до десятков секунд) и позволяет исследовать весьма малоразмерные образны (порядка нескольких миллиграмм), что имеет свои преимущества при изучении новых или дорогостоящих материалов.
2. Измерены температурные зависимости оптических и теплофизических свойств новых материалов: различных типов керамик (AIN, AI2O3. SijNj, SiC, AhCtySiC), металлов (стали С45, !6MnCrS5, U5CrV3. X5NiCrl8 9, XI2CrNil7 7, Sd. Stellite 6. медных и алюминиевых сплавов E-Cu, CuSn, AlMgSil и AlCuMgPb). поликристаглических (chemical vapor deposited) алмазных пленок при скоростях нагрева 103-г-104 град'сск в различных атмосферах — в окисляющей и нейтрашной при давлениях 1атм и 10°атм.
3. Показано, что процесс окисления исследованных высокотемпературных керамик в воздухе при высоких температурах переходит в горение.
4. На основе модели образования вакансий и полученных температурных зависимостей теплоемкостей исследованных металлов, керамик и алмазных пленок оценены величины энтальпий фазовых переходов. Продемонстрировано существенное влияние
• состава окружающей атмосферы и ее давления на значения этих величин.
5. Показано, что при высокотемпературном (1000-^1700 °С) кратковременном (единицы секунд) лазерном Haipeec полнкристалличсских алмазных пленок (в атмосфере аргона
0.5 торр) образование графнтоподобной фазы происходит в тонкой приповерхностной области толщиной до 100 нм.
6. Определен порог термического разрушения поликристаллических алмазных пленок ("-2300 °С).
8
Практическая значимость результатов.
Выполненная работа демонстрирует высокую эффективность и информативность предложенного метода исследования. С помощью разработанной методики и созданной на ее основе экспериментальной установки можно исследовать оптические и теплофизические свойства широкого класса металлов и диэлектрических материалов (в том числе и полупрозрачных) в области высоких температур вплоть до 2700 °С.
Данный комплексный оптический нестационарный метод позволяет проводить неразрушаюшие образец измерения на различных заранее выбранных длинах волн излучения с различными скоростями нагрева, типичными для современных технологий, использующих непрерывное лазерное излучение. Результаты исследований играют важную роль в создании высокотемпературных материалов с заданными свойствами, моделировании и оптимизации лазерной обработки материалов (резка сверление, отжиг, структурирование, лазерно-индуцированная модификация поверхности и др.). Полученные данные об оптических и теплофизических парамеграх изученных материалов и данные о сильном влиянии на эти параметры окружающей атмосферы могут быть использованы для построения теоретических моделей, описывающих их структуру и свойства в области высоких темперагур.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
Во введении сформулирована цель исследования и обоснована ее актуальность, рассмотрены возможные подходы к ее решению, отмечена научная новизна работы, практическая значимость результатов и кратко изложено содержание работы по главам.
В первой главе рассмотрены способы н методы определения оптических и теплофизических свойств веществ и проанализированы результаты исследований других авторов. Показано, что имеющимися в литературе данными охватывается далеко не полный интервал температур: чаще всего до 1000+1500 °С, в то время как
9
технологические процессы, в том числе и лазерная обработка, проводятся при более высоких температурах, где важную роль играют фазовые переходы. Многие из разработанных методов являются весьма трудоемкими и имеют ограниченную область применения, как в отношении исследуемого температурного диапазона, так и в отношении изучаемых материатов. Практически отсутствуют комплексные систематические исследования оптических и теплофизических свойств материатов в диапазоне температур 1500*3000 °С. Указанная неполнота данных связана в частности, с отсутствием универсатьных комплексных методов, позволяющих проводить полное и систематическое изучение свойств материатов разного химического состава в ратных окружающих средах. Кроме того, создается множество материатов, теплофизические свойства которых не изучатись и неизвестны. Особый интерес представляет изучение свойств новых сплавов, керамик и алмазных пленок, все более широко используемых в различных отраслях техники.
Во второй главе описаны предложенный автором и разработанный новый комплексный оптический метод одновременного определения оптических и теплофизических свойств твердых тел в широком диапазоне температур, а также экспериментальная установка созданная для таких измерений.
В качестве источника нагрева мишени и в качестве зондирующего ее поверхность луча в установке используется мощное непрерывное излучение ИАГ:1*И3* лазера. Использование тонких образцов в виде пластины небольшого размера и массы (от нескольких до десятков миллиграмм) позволяет достигать высоких максимальных температур при больших скоростях нагрева (103* 104 град е) с однородным объемным распределением температу р.
Определение истинной температуры образцов осуществляется с использованием оптического пирометра и фотометрического модуля. Специально разработанный фотометрический модуль, состоящий ю. фотометрической сферы и фотометрического полого цилиндра, позволяет проводить одновременные измерения величин коэффициентов отражения К(г) и
10 .
пропускания Щ в реальном масштабе времени / в различной окружающей атмосфере при изменении давлении от 1 атм до 10 4 атм с разрешением до 0.5 мс. Одновременно с данными зависимостями пирометром измеряется яркостная температура Тя(1). Истинная температура вычисляется из пирометрического соотношения, исходя из полученных Тя(0 и коэффициента поглощения А(0 практически на одной и той же длине волны.
Оптический метод определения теплоемкости СрО) термически тонких образцов [17] основан на предположении однородного распределения температуры по объему (с неоднородностью по температуре менее 1%). Применение нестационарного метода цикличного нагрева образца лазерным излучением, модулированным с помощью обтюратора, позволяет избежать погрешностей в определении тепл оф из и ческих свойств, вызываемых в том числе кзлучательными тепловыми потерями при высоких температурах. Для этого используется прямое экспериментальное "вычитание" теплопотерь при измерении наклонов температурных кривых при нагреве и при охлаждении в малой температурной окрестности, соответствующей каждому из моментов перекрытия лазерного излучения обтюратором.
Цикличность ншрева позволяет фиксировать температурный отклик на обратной поверхности образца в мометы перекрытия лазерного излучения, что при ювеезной геометрии нагреваемою образца позволяет определить температуропроводность, а также теплопроводность (используя определенную в этом же эксперименте теплоемкость) исследуемого материала в области высоких темпершур.
Преимуществами разработанной методики являются:
• Одновременное измерение оптических и теплофизических свойств материала в зависимости от температуры в широком диапазоне температур (вплоть до 2700 °С) при скоростях нагрева юМо* град/с.
• Отсутствие необходимости использовать эталонные вещества с заранее известными теплофизическими параметрами.
- Київ+380960830922