Моделирование нестационарных процессов теплопроводности в образцах шаровой формы при измерении температуропроводности металлов и сплавов импульсным методом
Диссертация
Систематизация экспериментальных исследований комплекса указанных свойств в окрестности фазовых переходов I и II рода позволяет выработать адекватные теоретические представления о процессах, происходящих в З-d переходных металлах при высоких температурах, и ответить на вопросы, касающиеся особенностей электронной структуры, механизмов рассеяния носителей электрического заряда и тепловой энергии… Читать ещё >
Содержание
- ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ
- 1. 1. Метод температурных волн
- 1. 2. Импульсный метод
- 1. 3. Метод монотонного нагрева
- 1. 4. Измерение тепло физических свойств в жидком состоянии
- 1. 5. Выводы
- ГЛАВА 2. ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБРАЗЦОВ ШАРОВОЙ ФОРМЫ
- 2. 1. Решение нестационарного уравнения теплопроводности для шара под действием точечного источника с учетом теплообмена на поверхности
- 2. 1. 1. Математическая постановка задачи и метод решения
- 2. 1. 2. Определение теплофизических свойств
- 2. 2. Учет длительности теплового импульса
- 2. 3. Учет пространственного распределения излучения
- 2. 4. Применение численного метода для решения нестационарной трехмерной задачи теплопроводности образцов ограниченных эллиптической поверхностью
- 2. 4. 1. Конечно-разностные методы решения задач теплопроводности
- 2. 4. 2. Математическая постановка нестационарной тепловой задачи для эллипсоида
- 2. 5. Выводы
- 2. 1. Решение нестационарного уравнения теплопроводности для шара под действием точечного источника с учетом теплообмена на поверхности
- ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТФС И УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
- 3. 1. Экспериментальная установка для определения ТФС металлов и сплавов в твердом и жидком состояниях
- 3. 2. Методика определения пространственно-временной характеристики лазерного излучения
- 3. 3. Анализ погрешности эксперимента
- 3. 4. Измерение удельного электросопротивления
- 3. 5. Тестовые измерения
- 3. 5. 1. Никель
- 3. 5. 2. Олово
- 3. 6. Выводы
- ГЛАВА 4. ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
- 4. 1. Объект исследования
- 4. 1. 1. Сплавы никель-германий
- 4. 1. 2. Сплавы никель-кремний
- 4. 2. Приготовление образцов
- 4. 3. Температуропроводность твердых растворов кремния и германия в никеле
- 4. 3. 1. Температуропроводность в окрестности температуры Кюри
- 4. 3. 2. Температуропроводность в окрестности температуры плавления
- 4. 4. Удельное электросопротивление твердых растворов кремния и германия в никеле
- 4. 5. Выводы
- 4. 1. Объект исследования
Список литературы
- Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. -М.: Наука. 1964. — 488 с.
- Лыков А.В. Теория теплопроводности. -М.: Высшая школа. 1967. -599 с.
- Филиппов Л.П. Измерение тепловых свойств твердых и жидких металлов при высоких температурах. -М.: Изд-во МГУ. 1967. 325 с.
- Parker W.J., Jenkins R.S., Buttler С.Р., Abbott G.L. Flash method of determining thermal diffusivity, heat capacity and thermal conductivity // J. Applied. Phys. -1961. -V. 32. >9. -P. 1679−1684.
- Sheikh M.A., Taylor S.C., Hayhurst D.R., Taylor R. Measurement of thermal diffusivity of isotropic materials using a laser flash method and its validation by finite element analysis // J. Phys. D: Appl. Phys. 2000. v. 33. p. 1536−1550.
- Филиппов Л.П. Измерение теплофизических свойств веществ методом периодического нагрева. -М.: Энергоатомиздат. 1984. 106 с.
- Морилов В.В., Ивлиев А. Д. Теплоемкость гадолиния в окрестности температуры ГПУ ОЦК — превращения. Измерение методом температурных волн // Теплофизика высоких температур. 1995. -Т. 33. № 3. с. 367 — 372.
- Zobel W., Hetfleisch J., Fricke J. Measurement of thermal diffusivity with a guarded-hot-plane device using a dynamic method // Meas. Sci. Technol. 1994. v. 5 p. 842−846.
- Schlamp S., Schmid L. Error surface topology in the data analysis of laser-induced thermal acoustics signals //Meas. Sci. Technol. 2001. v. 12. p. 2160−2171.
- Benamar N., Lahjomri F., Chatri E., Achour E.M. Analysis of pulsed photo-acoustic signal: theoretical study of the diffusion of chromophores in the human skin // Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2002. v. 19. p. 63−68.
- Wong P.K., Fung P.C.W., Tam H.L., Gao J. Thermal-diffusivity measurements of an oriented superconducting-film-substrate composite using the mirage technique // Physical Review B. 1995. v. 51. № 1. p. 523−533/
- Velinov Т., Panev N. The influence of thermal expansion of solids on the mirage-effect signal //Meas. Sci. Technol. 1997. v. 8. p. 1001−1005.
- Кравчун С.Н., Давитадзе С. Т., Мизина Н. С., Струков Б. А. Измерение тепловых свойств тонких диэлектических пленок зондовым методом периодического нагрева. I. Теория метода // Физика твердого тела. 1997. т.39. № 4. с. 762−767.
- Давитадзе С.Т., Кравчун С. Н., Струков Б. А., Тараскин С. А., Гольцман Б. М., Леманов В. В., Шульман С. Г. Исследование тепловых свойств тонких пленок BaixSrxTiC>3 методом зондового периодического нагрева // Физика твердого тела. 2000. т. 42. с. 1839−1841.
- Давитадзе С.Т., Кравчун С. Н., Струков Б. А., Гольцман Б. М., Леманов В. В., Шульман С. Г. Экспериментальное исследование тепловых свойств тонких пленок зондовым методом периодического нагрева// Физика твердого тела. 1997. т.39. № 7. с. 1299−1302.
- Hatta I., Fujii К., Sakibara A., Takahashi F., Hamada Y., Kenada Y. Two-Dimensional Effects on Measurement of Thermal Difusifity by AC Calorimetric Method: I. Conditions for Precise Measurement // Jpn. J. Appl. Phys. 1999. v. 38. № 5a. p. 2988−2992.
- Takahashi F., Hamada Y., Hatta I. Two-Dimensional Effects on Measurement of Thermal Difusifity by AC Calorimetric Method: II. Effects of Heat Toss // Jpn. J. Appl. Phys. 1999. v. 38. № 9a. p. 5278−5282.
- Takahashi F., Hamada Y., Hatta I. Two-Dimensional Effects on Measurement of Thermal Difusifity by AC Calorimetric Method: III. Advantage of Double-Heating Method // Jpn. J. Appl. Phys. 2000. v. 39. № 11. p. 6474−6477'.
- Sheu L.-J., Lin J.-D. An Analysis for Mesurement of Thermal Diffisivity Components of Anisotropic Platelike Samples by AC Calorimetric Method // Jpn. J. Appl. Phys. 2000. v. 39. № 7a. p. L690-L693.
- Поздеев А.Н. Учет конечных размеров образца и теплового потока при определении теплофизических свойств веществ методом модуляционного нагрева / В кн.: Физические свойства металлов и сплавов. Свердловск, изд. УПИ. 1983. с. 130−134.
- Hatta I., Yamane Т. Size Effects of a Temperature Detector in an AC Calo-rimetric Thermal Diffusivity Measurement // Jpn. J. Appl. Phys. 2001, v. 40, № 1, p. 393−396.
- Delgado-Vasallo O., Marin E. The application of the photoacoustic technique to the measurement of the thermal effusivity of liquids // J. Phys. D: Appl. Phys. 1999. v. 32. p.593−597.
- Delgado-Vasallo O., Valdes A.C., Marin E., Lima J.A.P.da Silva, M G, Sthel M., Vargas H., Cardoso S.L. Optical and thermal properties of liquids measured by means of an open photoacoustic cell// Meas. Sci. Technol. 2000. v. 11. p.412−417.
- Menon С P, Philip J Simultaneous determination of thermal conductivity and heat capacity near solid state phase transitions by a photopyroelectric technique// Meas. Sci. Technol. 2000. v. 11. p. 1744−1749.
- Sheikh M.A., Taylor S.C., Hayhurst D.R., Taylor R. Measurement of thermal diffusivity of isotropic materials using a laser flash method and its validation by finite element analysis // J. Phys. D: Appl.Phys. 2000. v. 33. p. 1536−1550
- Meist C., Froment A.K., Moulinier D. Determination of gadolinium thermal conductivity using experimentally measured values of thermal diffusivity // J. Phys. D: Appl.Phys. 1993. v. 26. p.560−562.
- Armstrong J.V., McLoughlin M., Lunney J.G., Coey J.M.D. Thermal diffusivity of YBa2Cu307 superconductor// Supercond. Sci. Technol. 1991. v. 4. pp. 8992.
- Azumi Т., Takahashi Y. Novel finite pulse-width correction in flash thermal diffusivity measurement // Rev. Sci. Instrum. 1981. v. 52. № 9. p. 1411−1413.
- Taylor R.E., Cape J.A. Finite pulse-time effects in the flash diffusvity technique //Appl. Phys. Lett. 1964. v. 5. № 10. p. 212−213.
- Перевозчиков C.M., Загребин JT.Д. Автоматизированная система измерения теплофизических параметров металлов и сплавов // ПТЭ. 1998. № 3, с. 155−158.
- Jo о Y., Park Н., Chae Н.-В., Lee J.-K., Baik Y.-J. Measurements of Thermal Diffusivity for Thin Slabs by a Converging Thermal Wave Technique // Int. J. Thermophys. 2001. v. 22. № 2. p. 631−643.
- Chae H.-B, Park H, Hong J.-S., Han Y.-J, Joo Y., Baik Y.-J., Lee J.-K., Lee S.-W. Thermal Diffusivity of Diamond Wafers Deposited with Multicathode dc Plasma-Assisted CVD // Int. J. Thermophys. 2001. v. 22. № 2. p. 645−654.
- Ikebe M, Fuujishiro H, Naito T, Noto K. Simulations Measerement of Thermal Diffusivity and Conductivity Applied to Bi-2223 Ceramic Superconductors // J. Phys. Soc. Jpn. 1994. v. 63. № 8. p. 3107−3114.
- Fujishiro H., Okamoto T, Ikebe M, Hirose K. A New Method for Simultaneous Determination of Anisotropic Thermal Conductivities Based on Two-Dimensional Analysis // Japanese Journal of Applied Physics. 2001. v. 40, № 1, pp. 388−392.
- Загребин Л.Д., Байметов А. И. Измерение температуропроводности твердых тел с осесимметрично расположенным источником теплового импульса //ИФЖ. 2001. т.74. с.75−80.
- Kato Н., Baba Т, Okaji М. Anisotropic thermal-diffusivity measurements by a new laser-spot-heating technique //Meas. Sci. Technol. 2001. v. 12. p. 2074−2080.
- Зиновьев B. E, Баскакова А. А, Коршунова Н. Г, Баронихина H. A, Загребин Л. Д. Температуропроводность и теплопроводность твердого и жидкого олова// ИФЖ 1973. т.25. № 3. с. 490−494.
- Баскакова А. А, Зиновьев В. Е, Загребин Л. Д. Измерение температуропроводности полусферических образцов (висмут) // ИФЖ 1974. т.26. № 6. с. 1058−1061.
- Загребин Л. Д, Зиновьев В. Е, Сипайлов В. А. Измерение температуропроводности массивных металлических образцов импульсным методом // ИФЖ 1978. т.35. № 3. с. 450−454.
- Загребин Л.Д., Зиновьев В. Е., Сипайлов В. А. Определение импульсным методом коэффициентов температуропроводности и теплопроводности полусферических образцов. Никель // ИФЖ. 1981. т.40. № 5. с. 864−869
- Краснов В.И., Петров Н. А., Харламов А. Г., Юкович В. Н. Новый метод регистрации теплофизических характеристик в импульсном эксперименте // ТВТ. 1978. т. 16. № 1. с. 82−86.
- Baba Т., Опо A. Improvement of the laser flash method to reduce uncertainty in thermal diffusivity measurements // Meas. Sci. Technol. 2001. v. 12. p. 20 462 057.
- Ogawa M., Mukai K., Fukui Т., Baba T. The development of a thermal diffusivity reference material using alumina//Meas. Sci. Technol. 2001. v. 12. p. 20 582 063.
- Karawasky E., Suleiman B.M. Dynamic plane source technique, for simultaneous determination of specific heat, thermal conductivity and thermal diffusivity of metallic samples //Meas. Sci. Technol. 1991. v. 2. p. 744−750.
- Szegalowsky H., Taylor R. Measurement of thermal diffusivity of liquid metals // HTHP. 1998. v. 30. № 3. p. 343−350.
- Jin W.-Q, Nagashima Т., Yoda S., Liang X.-A., PanW Z.-L. Thermal Diffusivity Measurements of Li2B407 and KNb03 Solution by Laser Flash Method // Chin.Phys.Lett. 2002. v. 19. № 4. p. 569−571.
- Коробенко B.H., Саватимский А. И. Удельная теплоемкость жидкого циркония до 4100 К // ТВТ. 2001. т. 39, № 5. с. 712−719.
- Egry I., Diefenbach A., Dreier W., Piller J. Containerless Processing in Space-Thermophysical Property Measurements Using Electromagnetic Levitation // Int. J. of Thermophysics. 2001. v.22. № 2. p.569−578.
- Wunderlich R.K., Ettl Ch., Fecht H.-J. Specific Heat and Thermal Transport Measurements of Reactive Metallic Alloys by Noncontact Calorimetry in Reduced Gravity//Int. J. of Thermophysics. 2001. v.22. № 2. p.579−591.
- Lohofer G., Schneider S., Egry I. Thermophysical Properties of Undercooled Liquid Co80Pd20 // Int. J. of Thermophysics. 2001. v.22. № 2. p.593−604.
- Загребин Л.Д., Бузилов С. В. Импульсный метод измерения температуропроводности образцов ограниченных сферической поверхностью // Вестник ИжГТУ. 1998. № 1. с. 16−17.
- Бузилов С.В., Загребин Л. Д. Импульсный метод измерения температуропроводности сферических образцов // ИФЖ. 1999. т.72. № 2. с.236−239.
- Волкова А.А., Костогрыз В. Н., Гальперин Л. Г., Зиновьев В. Е. Импульсный метод определения температуропроводности для сферических и цилиндрических образцов / Сб. физические свойства металлов и сплавов. Труды вузов. Свердловск. 1976. вып.1. с. 102−107.
- Бузилов С.В. Влияние пространственно-временной неоднородности лазерного излучения в импульсном методе измерения температуропроводности // Тезисы XXXII научно-технической конференции ИжГТУ. Ижевск. Изд-во ИжГТУ. 2000. ч.1. с. 102−103.
- Тихонов А.Н., Самарский А. А. Уравнение математической физики. М.: Наука. 1972. 736 с.
- Амосов А.А., Дубинский Ю. А., Копченова Н. В. Вычислительные методы для инженеров. М.: Высшая школа. 1994. 544 с.
- Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ. М.: Мир. 1982. -238 с.
- Берковский Б.М., Ноготов Е. Ф. Разностные методы исследования задач теплообмена. Минск.: Наука и техника. 1976. -144 с.
- Яненко Н.Н. Метод дробных шагов решения многомерных задач математической физики. Новосибирск: Наука. 1967. 195 с.
- Панов Д.Ю. Справочник по численному решению дифференциальных уравнений в частных призводных. ОГИЗ-ГИТТЛ. 1943. -128 с.
- Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука. 1978.- 512 с.
- Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. М.: Мир. 1990. -384 с.
- Clements B.M., Ecsley G.L., Paddock C.A. Time-resolved thermal transport in compositionally modulated films // Physical Review B. 1988. v. 37. № 3, pp. 1085−1096.
- Чистяков В. С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с.
- Загребин Л.Д., Перевозчиков С. М., Лялин В. Е. Высокотемпературное пирометрическое измерение температуропроводности импульсным методом систем Co-Si, Co-Ge // ТВТ. 2002. т. 40. № 4.
- Перевозчиков С.М. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Ижевск. 2002.
- Камашев М. Г. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Ижевск, 1993.
- Справочник по лазерной технике. Под ред. Байбордина Ю. В., Криксунова Л. З., Литвиненко О. Н. Киев. Изд-во Техника. 1978. 288 с.
- Рыкалин Н. Н., Углов А. А., Кокора А. Н. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение. 1975. 296 с.
- Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах. М.: Металлургия. 1989. 384 с.
- Peralta-Martinez M.V., Wakeham W.A. Thermal Conductivity of Liquid Tin and Indium // Int. J. of Thermophysics. 2001. v.22. № 2. p. 395−403.
- Вельская Э.А., Пелецкий В. Э. Электросопротивление никеля в области температур 100 1700 К // ТВТ. 1981. т. 19. № 3. с. 525−532.
- Сидоров В.Е., Вандышева И. В., Ф.А. Тютрин. Влияние примеси на теплофизические свойства никеля. // ТВТ. 1991. т. 29. № 6. с. 1108−1111.
- Пелецкий В.Э. Электронная структура и особенности кинетических свойств парамагнитного никеля //ЙФЖ. 1980. т. 39. № 6. с. 1030−1034.
- Arajs S. Magnetic susceptibility of nickel-silicon alloys // Z. Metalkunde. 1967. 58. № 4. p.263−265.
- Klement W. Nickel-rich solid solutions in binary alloys with tin, germanium, and silicon// Can. J. of Phys. 1962. v. 40. p. 1397−1400.
- Corb B.W., O’Handley, Grant NJ. Chemical bonding, magnetic moments, and local symmetry in transition-metal—metalloid alloys // Phys. Rev. B. 1983. v.27. № 2. p. 636−647. 55−158.
- Вонсовский C.B. Магнетизм M.: Наука. 1971. 1032 е.
- Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник в Зт. Т.2. Под ред. ЛякишеваМ.П. М.: Машиностроение. 1997. 1024с.
- Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. Металлургиздат. 1962.
- Самсонов Г. В., Бондарев В. Н. Германиды М.: Металлургия. 1968. 220 с.
- Гельд П.В., Сидоренко Ф. А. Сдлициды переходных металлов четвертого периода. М.: Металлургия. 1971. с. 584.
- Самсонов Г. В., Дворина Л. А., Рудь Б. М. Силициды М.: Металлургия. 1979. 272 с.
- Гельд П.В., Повзнер А. А., Волков А. Г. К теории магнитных и теплофизических свойств моносилицида железа // ДАН СССР. 1985. т. 283. № 2. с. 358 360.
- Зиновьев В.Е., Загребин Л. Д., Петрова Л. Н., Сипайлов В. А. Электросопротивление и теплофизические свойства твердых растворов германия в железе // Изв. вузов. Физика. 1984. № 3. с. 36−41.
- Кренцис Р.П., Зиновьев В. Е., Андреева Л. П., Гельд П. В. Температуропроводность твердых растворов кремния в железе и кобальте // ФММ. 1970. т. 29. № I.e. 118−123.
- Зиновьев В.Е., Абельский Ш. Ш., Сандакова М. И., Дик Е.Г., Петрова Л. Н., Гельд П. В. Тепловые свойства железа и твердых растворов кремния в нем вблизи точки Кюри // ЖЭТФ. 1974. т.66. № 1. с. 354−359.
- Довгопол С.П., Заборовская И. А. Электронная структура, магнетизм и стабильность фаз 3d -металлов и сплавов в твердом и жидком состояниях. Обзоры по теплофизическим свойствам веществ / ТФЦ. -М: ИВТАН. 1982. № 2(34).
- Загребин JT.Д., Бузилов С. В. Температурные и концентрационные зависимости температуропроводности и удельного электросопротивления систем Ni-Si, Ni-Ge // Тезисы XXXI научно-технической конференции ИжГТУ. Ижевск. Изд-во ИжГТУ. 1998. ч.2.'с. 49−50.
- Загребин Л.Д., Бузилов С. В. Температуропроводность твердых растворов кремния и германия в никеле // ТВТ. 2000. т.38. №Г. с. 53−56.
- Kjraftmak±ier Y. Curie point of ferromagnets // Eur. J. Phys. 1997. v. 18. p. 448 452.
- Papp E., Szabo Gy., Tichy G. Heat diffusivity and heat conductivity of Ni near Curie point // Sol. Stat. Comm. 1977. v. 21. p. 487.
- Galenko Р.К., Krivilyov M.D., Buzilov S.V. Bifurcations in a sidebranch surface of a free-growing dendrite //Phys. Rev. E. 1997. v. 55. № 1. p. 611−619.
- Бузилов C.B., Кузнецова T.B., Загребин Л. Д. Кинетические свойства сплавов Ni-Si, Ni-Ge, Fe-Sn // Тезисы VII Международной конференции «ЛОМОНОСОВ-2000». Москва. 2000. Физический факультет МГУ. с. 44.
- Вандышева И.В., Горбатов В. И., Зиновьев В. Е. и др. Влияние малых добавок на теплофизические свойства сплава Fe-Cr-C // ФММ. 1992. в. 9. с. 3133.
- Вандышева И.В., Зиновьев, Баум Б.А. и др. Электрические и тепловые свойства разбавленных сплавов железо-углерод при высоких температурах // ФММ. 1993. т. 76. в. 3. с. 137−148.117
- Блатт Ф. Теория подвижности электронов в твердых телах. М. изд-во физ.-мат. лит. 1963. с. 224.
- Займан Дж. Электроны и фононы. М: ИЛ. 1962. 488 с.
- Блатт Ф. Физика электронной проводимости в твердых телах М.: Мир. 1971.472 с.
- ПРИЛОЖНИЕI Результаты измерения ТФС Ni-Si, Ni-Ge
- Температуропроводность систем Ni-Si Таблица П1
- М -электролит Ni-Si 1.0am.% Ni-Si 3.0 am.%
- М -Si 5.0 ат.% Ni-Si 7.0 ат.% Ni -Si 9.0 ат.% Ni -Si 11.0 am. %
- Ni-Ge 3.4 ат.% Ni-Ge 7,3 am.% Ni-Ge 10.3 am. %