Температура плавления меди и ее сплавов, график, характеристики

Медные изделия отличаются хорошей прочностью, пластичностью, высокой электропроводностью, устойчивостью к коррозии и химически активным веществам. Для изготовления объектов используется медная руда, которая на заводах обогащается и переплавляется в однородные бруски, прутья или слитки. Чтобы изготовить какое-либо медное изделие, материал помещают в термостойкую форму, доводят до температуры плавления, а потом прекращают нагрев, что приводит к застыванию вещества. Но какая температура плавления меди? Можно ли расплавить медные заготовки в домашних условиях — или для этого требуются специальные печи? О каких правилах техники безопасности нужно знать?

Общие сведения

Температурой плавления называют температуру, при которой твердое вещество переходит в жидкость. Медь расплавляется при температуре 1083 градусов, поэтому этот металл относят к категории тугоплавких. При снижении этой температуры металл может вновь принять твердую форму. Плавят медь на заводах, хотя эту процедуру можно провести в домашних условиях. На химическом уровне расплавление возникает за счет деструкции кристаллической решетки, которая формирует твердую структуру вещества. Атомы меди в кристаллической решетке всегда находятся в непрерывном движении.

Однако их взаимное притяжение и отталкивание происходит сбалансировано, поэтому атомы сохраняют исходное положение в течение длительного времени. В случае повышения температуры атомы меди получают дополнительную энергию, что заставляет двигаться их более интенсивно. При небольшом повышении дополнительная энергия «гасится» за счет сбалансированного движения атомов в решетке. Однако при достижении определенной температуры нагрева количество энергии становится избыточным, а кристаллическая решетка начинает разрушаться.

В этот момент и происходит расплавление вещества. Взаимное притяжение атомов частично сохраняется, поэтому вещество принимает жидкую форму. Однако в случае дальнейшего нагрева энергия атомов усиливается еще сильнее, что может привести к окончательному разрыву связи атомов друг с другом. Эту точку перехода называют испарением (жидкость трансформируется в пар). В случае снижения температуры медного пара может переходить обратно в жидкость, а потом — в твердое состояние.

Температура плавления меди

При нормальных условиях температура плавления меди составляет 1083 градусов по шкале Цельсия. А во время нагрева происходит ряд превращений на молекулярном уровне, что приводит к изменению свойств вещества. Чтобы разобраться во всех этих изменениях, нужно рассмотреть основные этапы нагрева и расплавления медного слитка. Примерный график плавления меди выглядит так:

1. В нормальном состоянии при температуре от 0 до 100 градусов внутри меди образуется прочная кристаллическая решетка, которая обеспечивает материалу большую устойчивость, упругость, химическую инертность. Решетка является достаточно прочной, однако в случае сильной деформации может происходить пространственное изменение положения атомов в решетке. Этим объясняется ковкость и пластичность медных изделий, которые могут сгибаться и деформироваться (скажем, при кузнечной обработке или в случае пресса).
2. В нормальном состоянии при температуре от 0 до 100 градусов на поверхности медного изделия также образуется тонкая оксидная пленка. Наличие такой пленки является большим плюсом для изделия, поскольку она выполняет множество важных функций — минимизирует контакт с внешними веществами, защищает материал от коррозии, немного увеличивает прочность. В случае охлаждения материала ниже температуры 0 градусов сама медь сохраняет все свои физические свойства. Однако оксидная пленка при охлаждении становится менее упругой и плотной, изделие становится менее твердым (хотя с практической точки зрения это снижение прочности практически незаметно).
3. При нагреве материала выше температуры 100 градусов происходит постепенная деструкция оксидной пленки на поверхности металла. Это повышает химическую активность материала, что делает его восприимчивым к воздействию веществ во внешней среде. Одновременно с этим при нагреве происходит насыщение энергией атомов меди, что делает материал более пластичным. По этой причине ковку медных изделий выполняют именно после нагрева, поскольку без нагрева для изменения формы изделия понадобится большое количество физических усилий (это может быть мускульная сила кузнеца, расходы электроэнергии для запуска электрического пресса и так далее).
4. При достижении температуры 1083 градусов кристаллическая медная решетка начинается постепенно разрушаться, что превращает твердую медь в жидкую. На физическом уровне происходит следующее — из-за избытка энергии атомы начинают двигаться в кристаллической решетке более интенсивно и хаотично, что приводит к частому столкновению атомов между собой. В конечном счете это разрушает решетку, хотя за счет взаимного столкновения и притяжения атомы не разлетаются в разные стороны. На физическом уровне такая структура материала соответствует жидкости (то есть такому состоянию вещества, при котором атомы находятся в относительно свободном движении, но не разлетаются в разные стороны подобно газу).
5. При остывании медной жидкости ниже температуры 1083 градусов происходит постепенная кристаллизация вещества. Медь вновь обретает твердую форму (чем ниже температура, тем интенсивней происходит затвердение вещества). Однако при необходимости жидкую медь можно и дальше нагревать (на химическом уровне будет происходить дальнейшее насыщение атомов энергией). При достижении температуры 2595 градусов по Цельсию жидкость начнет закипать, а медь начнет принимать газообразную форму. На практике длительное удержание вещества в газообразной форме проблематично — при контакте с атмосферным воздухом вещество будет быстро остывать, обратно превращаясь в жидкость. Чтобы обойти это ограничение, используются разные технологии. Оптимальная — нагрев вещества в тугоплавкой камере с поддержанием стабильной температуры выше критической точки (то есть выше температуры 2595 градусов). В таком случае температура среды будет высокой, а остывание вещества происходить не будет.

Чтобы расплавить/испарить медное изделие с помощью высокоточного нагревательного прибора, нагревать рекомендуется до чуть более высокой температуры. Скажем, в случае расплавления нагревать изделие следует до температуры 1100-1200 градусов (а не 1083 градусов). С практической точки зрения объясняется это просто — нагрев вещества происходит неравномерно, поэтому некоторые фрагменты медного изделия будут долго держать свою форму, тогда как другие — быстро расплавятся. К тому же вещество будет постоянно остывать, что может привести к кристаллизации отдельных фрагментов расплава.

Плавление сплавов на основе меди

На практике медь используют не только в качестве чистого вещества, но и в виде различных сплавов. Примеры таких сплавов — бронза, латунь, мельхиор и другие. Так как сплавы являются многокомпонентными веществами, то их плавление происходит по другому принципу. Рассмотрим примерный алгоритм плавления медных сплавов на примере латуни:

1. При температуре до 100 градусов Цельсия кристаллическая решетка является устойчивой и однородной. В случае удара происходит деформация материала. На поверхности материала имеется тонкая оксидная пленка, которая защищает изделие от воздействия воды, атмосферного воздуха, химически активных веществ.
2. При нагреве латуни до 100 градусов внешняя пленка постепенно плавится, что делает вещество менее прочным. Также из-за повреждения защитной пленки увеличивается химическая активность материала (то есть он начинает более активно вступать в реакцию с водой, воздухом, химическими веществами). Кристаллическая решетка устойчива к небольшому нагреву, поэтому материал сохраняет свою форму.
3. Температура 880 градусов — это точка солидуса. При достижении этой температуры начинается расплавление самых легкоплавких элементов, входящих в состав сплава. Это приводит к частичному переходу твердого вещества в жидкость. На химическом уровне при достижении точки солидуса происходит частичное разрушение кристаллической решетки вещества, однако у более тугоплавких фракций решетка сохраняется.
4. Температура 950 градусов — это точка ликвидуса. При достижении этой отметки плавятся самые тугоплавкие фракции, которые сохраняют свою твердость при более низких температурах. В результате на химическом уровне материал полностью становится жидким, поскольку полностью разрушается кристаллическая решетка у всех компонентов, входящих в состав латуни.

Как расплавить медь в домашних условиях?

Обычно медь и сплавы на ее основе плавят в специальных печах, где происходит не только расплавление материала, но и формовка новых деталей. Однако при желании медные изделия можно расплавить и в домашних условиях. Температура плавления меди в домашних условиях будет стандартной — 1083 градусов. Опытные металлурги рекомендуют нагревать вещество с небольшим запасом, чтобы минимизировать теплопотери и не допустить повторной кристаллизации вещества при его охлаждении. Во время домашнего расплавления необходимо соблюдать правила техники безопасности. Ниже мы рассмотрим эти правила, а потом узнаем, как именно нужно проводить домашнюю расплавку медных изделий.

Оборудование и правила техники безопасности

Для расплавления Вам понадобится купить или собрать специальное оборудование. В качестве исходного вещества подойдет чистая медь в слитках или брусках. Также для переплавки можно использовать различные детали и домашнюю утварь, содержащие большое количество меди. Это могут быть декоративные изделия, запчасти авто, очищенные провода и другие. Перед переплавкой проверьте удельное содержание меди (обычно ставится штамп с нужной информацией). Для нагрева объектов понадобится муфельная печь с регулятором температуры.

Для расплавления слитков или изделий понадобится не только печь, но и посуда-тигель, в которую будет помещаться медь. При выборе тигля отдайте свое предпочтение посуде, выполненной из тугоплавкой керамики или огнеупорной глины. Эти материалы не трескаются и не деформируются при большой нагреве. Из керамики или огнеупорной глины Вам также нужно выполнить форму, в которую будет заливаться расплавленная медь. Помимо этого Вам понадобится и ряд вспомогательных элементов — металлургические щипцы и крюк для работы с тиглем, древесный уголь (если Вы используете обычную печь), бытовой пылесос для удаления мусора с металлургической площадки и так далее.

Также стоит не забывать о правилах техники безопасности:

• Все работы рекомендуется проводить на улице либо в хорошо проветриваемом большом помещении с нормальным уровнем влажности воздуха. Это может быть гараж, пристройка к дому, мастерские.
• Для металлургических работ человеку понадобится купить защитную одежду, которая будет защищать его тело от маленьких капель расплавленной меди и термического воздействия высоких температур. Защитная одежда должна покрывать не только туловище, но и руки, голову и ноги.
• В случае утечки металла из активной зоны нужно выключить печь, чтобы остановить процедуру переплавки. «Сбежавший» металл необходимо потушить, однако учтите — вода для этих целей не подходит. В случае тушения раскаленного металла водой жидкость может начать распадаться на молекулы кислорода и водорода, что может спровоцировать взрыв (молекулярный водород чрезвычайно взрывоопасен). Для тушения расплавленного металла следует использовать асбестовое одеяло либо сухую кальцинированную соду или хлорид натрия.

Алгоритм расплавления медных изделий

Переплавку медных изделий следует делать так:

1. Возьмите медные изделия или слитки и поместите в тигель. Тигель с расходными материалами поместите в печь. Начните постепенно нагревать материал: сперва выставите температуру 100 градусов, потом — 200 и так далее. Доведите температуру до 1090-1150 градусов (медь плавится при температуре 1083 градусов, однако нужно брать температуру с небольшим запасом).
2. Когда материал расплавится, достаньте его из печи с помощью металлургических щипцов. На поверхности смеси вы увидите остатки оксидной пленки. С помощью крюка ее нужно сдвинуть к одной из стенок тигля, чтобы она не попала в форму. После удаления пленки аккуратно перелейте расплавленную медь в форму (переливать жидкость нужно тонкой струей, чтобы не допустить утечку или распрыскивания металла).
3. Выключите муфельную печь, накройте форму огнеупорной крышкой и дождитесь полного остывания формы вместе с расплавленным металлом. При желании Вы можете поставить форму обратно в печь, чтобы минимизировать контакт металла с атмосферным воздухом (однако перед помещением формы убедитесь, что печь выключена). После полного остывания и затвердения металла достаньте переплавленную запчасть из формы.При необходимости выполните финальную полировку или шлифовку.

Заключение

Твердая медь переходит в жидкое состояние при температуре 1083 градуса по Цельсию. Расплавление представляет собой сложный химический процесс, при котором разрушается твердая кристаллическая решетка вещества, что приводит к изменению его формы. Для повышения температуры меди нужно выполнить ее нагрев. На заводах и фабриках для этого используют специальные камеры и печи. Выполнить нагрев вещества можно в домашних условиях — для этого нужно собрать или приобрести мощную печь, которая может нагревать вещества до температуры выше 1100 градусов. Нагревать медь нужно с запасом, что связано с теплопотерями и особенностями процедуры нагрева.

Для переплавки меди в домашних условиях помимо печи нужно подготовить дополнительное оборудование — тигель, металлургические щипцы, крюк, керамическую форму и так далее. Переплавка выполняется просто — с помощью печи медь нагревается до 1083 градусов, а потом она переливается в форму для застывания. Расплавление медных сплавов отличается от расплавления чистой меди. Сплавы характеризуются «плавающей» температурой плавления. Например, латунь плавится при температуре от 880 до 950 градусов в зависимости от концентрации легирующих элементов. Металлурги рекомендуют плавить латуниевый сплав при температуре 950 градусов (точка ликвидуса).

Используемая литература и источники:

• Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Химические свойства неорганических веществ. — «Химия», 2000.
• Максимов М. М., Горнунг М. Б. Очерк о первой меди. — М.: Недра, 1976.
• Электротехнический справочник. Т. 1. / Составитель И. И. Алиев. — М. : ИП РадиоСофт, 2006.
• Статья на Википедии

Поделиться в социальных сетях

происхождение, физические свойства и температура плавления

Добывать и плавить медь люди научились с древности. Уже в то время элемент находил широкое применение в быту и из него делали различные предметы. Сплав меди с оловом (бронзу) научились делать около трех тысяч лет назад, из него получалось хорошее оружие. Бронза сразу стала популярной, поскольку отличалась прочностью и красивым внешним видом. Из нее изготавливали украшения, посуду, орудия труда и охоты.

Благодаря невысокой температуре плавления человечеству не составило большого труда быстро освоить производство меди в домашних условиях. Как происходит процесс плавления меди, при какой температуре начинает плавиться?

Происхождение и нахождение меди в природе

Свое название химический элемент получил от названия острова Кипр (Cuprum), там его научились добывать еще в 3 тысячелетии до н.э. В периодической системе химических элементов у меди 29 атомный номер, она расположена в 11 группе 4-го периода. Элемент является пластичным переходным металлом, имеющим золотисто-розовый цвет.

По распространению в земной коре элемент занимает среди других элементов 23 место и чаще всего встречается в виде сульфидных руд. Самыми распространенными видами являются медный колчедан и медный блеск. На сегодняшний день есть несколько способов получения меди из руды, но любая из технологий требует поэтапного подхода, чтобы достичь конечного результата.

В самом начале развития цивилизации люди научились получать и использовать медь, а также ее сплавы. Уже в то далекое время они добывали не сульфидную, а малахитовую руду.В таком виде она не нуждалась в предварительном обжиге. Смесь руды с углями помещали в глиняный сосуд, которые опускали в небольшую яму, после чего смесь поджигали, угарный газ помогал восстановиться малахиту до состояния свободной меди.

В природе медь встречается не только в руде, но и в самородном виде, самые богатые месторождения находятся на территории Чили. Сульфиды меди часто образуются в среднетемпературных геотермальных жилах. Часто медные месторождения могут быть в виде осадочных пород — сланцы и медяные песчаники, которые встречаются в Читинской области и Казахстане.

Физически свойства

Пластичный металл на открытом воздухе быстро покрывается оксидной пленкой, она и придает элементу характерный желтовато-красный оттенок, в просвете пленки могут иметь зеленовато-голубой цвет. Медь относится к тем немногим элементам, которые имеют заметную для глаза цветовую окраску. Она обладает высоким уровнем тепло- и электропроводности — это второе место после серебра.

• Плотность — 8,94*10³ кг/м³
• Удельная теплоемкость при Т=20^оС — 390 Дж/кг*К
• Электрическое удельное сопротивление в температурном режиме от 20-100^оС — 1,78*10^-8Ом/м
• Температура кипения — 2595^оС
• Удельная электропроводность при Т=20^оС — 55,5-58 МСм/м.

Температура плавления меди

Процесс плавления происходит, когда металл из твердого состояния переходит в жидкое и у каждого элемента есть своя температура плавления. Многое зависит от наличия примесей в составе металла, обычно медь плавится при температуре 1083^оС. Когда к ней добавляют олово, то температура плавления снижается и составляет 930-1140^оС, температура плавления здесь будет зависеть от содержания в сплаве олова. В сплаве меди с цинком температура плавления становится еще ниже — 900-1050^оС.

В процессе нагрева любого металла происходит разрушение кристаллической решетки. По мере нагревания температура плавления становится выше, но затем она остается постоянной, после того как достигла определенного температурного предела. В такой момент и происходит процесс плавления металла, он полностью расплавляется и после этого температура снова начинает повышаться.

Когда начинает происходить охлаждение металла, то температура начинает снижаться и в какой-то момент она остается на прежнем уровне до момента полного затвердения металла. Затем металл затвердевает полностью и температура снова снижается. Это можно увидеть на фазовой диаграмме, где отображен весь температурный процесс с начала момента плавления и до затвердения металла.

Разогретая медь при нагревании начинает переходить в состояние кипения при температуре 2560^оС. Процесс кипения металла очень напоминает процесс кипения жидких веществ, когда начинает выделяться газ и на поверхности появляются пузырьки. В моменты кипения металла при максимально высоких температурах начинает выделяться углерод, который образуется в результате окисления.

Плавление меди в домашних условиях

Низкая температура плавления позволила людям в древности расплавлять металл прямо на костре и затем использовать готовый металл в быту, чтобы сделать оружие, украшения, посуду, орудия труда. Для плавления меди в домашних условиях понадобятся следующие предметы:

• Тигель и специальные щипцы для него.
• Древесный уголь.
• Муфельная печь.
• Горн.
• Бытовой пылесос.
• Форма для плавления.
• Стальной крюк.

Весь процесс происходит поэтапно, для начала металл нужно положить в тигель, после чего разместить в муфельную печь. Установить нужную температуру и наблюдать за процессом через стеклянное окошко. В процессе плавления в емкости с металлом появится окисная пленка, ее необходимо убрать, открыв окошко и стальным крюком отодвинуть в сторону.

Если нет муфельной печи, то медь можно расплавить с помощью автогена, плавление будет происходить при нормальном доступе воздуха. Используя паяльную лампу можно расплавить желтую медь (латунь) и легкоплавкие виды бронзы. Следить за тем, чтобы пламя охватило весь тигель.

Если в домашних условиях нет ничего из перечисленных средств, тогда можно воспользоваться горном, установив его на слой древесного угля. Чтобы усилить температуру можно использовать бытовой пылесос, включив режим выдувания, но только если шланг имеет металлический наконечник. Хорошо, если наконечник будет иметь зауженный конец, чтобы струя воздуха была более тонкой.

В современных промышленных условиях медь в чистом виде не применятся, ее состав содержит в себе много различных примесей — железа, никеля, мышьяка и сурьмы, а также других элементов. Качество готового изделия определяется наличием процентного содержания примесей в сплаве, но не более 1%. Важными показателями являются тепло- и электропроводность металла. Медь широко используется во многих отраслях промышленности благодаря своей пластичности, гибкости и низкой температуре плавления.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Температура плавления меди

На заре человечества люди пытались освоить создание различных элементов из металлов. Такие вещи были более изящные, тонкие и долговечные. Одним из первых была «покорена» медь. Наличие руды требовало расплавления материала и отделения от шлака. Это выполнялось в раскаленных углях на земле. Температуру нагнетали мехами, создающими жар. Процесс был горячим и трудоемким, но позволял получать необычные украшения, посуду и орудия труда. Отдельным направлением стало изготовление оружия для охоты, которое могло служить долгое время. Температура плавления меди относительно невысока, что позволяет и сегодня плавить ее в бытовой обстановке и производить предметы, необходимые для ремонта механизмов или электрического оборудования. Какая температура плавки у меди и ее сплавов? Чем можно выполнить эту процедуру в домашних условиях?

Главное о меди

В таблице Менделеева этот материал получил название Cuprum. Ему присвоен атомный номер 29. Это пластичный материал, отлично обрабатывающийся в твердом виде шлифовальным и резным оборудованием. Хорошая проводимость напряжения позволяет активно использовать медь в электрике и промышленном оборудовании.

В земной коре материал находится в виде сульфидной руды. Часто встречаемые залежи обнаруживаются в Южной Америке, Казахстане, России. Это медный колчедан и медный блеск. Они образовываются при средней температуре, как геотермальные тоненькие пласты. Находят и чистые самородки, которые не нуждаются в отделении шлака, но требуют плавления для добавки других металлов, т. к. в чистом виде медь обычно не используется.

Красновато-желтый оттенок металл имеет благодаря оксидной пленке, покрывающей поверхность сразу, при взаимодействии с кислородом. Оксид не только придает красивый цвет, но и содействует более высоким антикоррозийным свойствам. Материал без оксидной пленки имеет светло-желтый цвет.

Плавится чистая медь при достижении 1080 градусов. Это относительно невысокая цифра позволяет работать с металлом как в производственных условиях, так и дома. Другие физические свойства материала следующие:

• Плотность меди в чистом виде составляет 8,94 х 103 кг/м квадратный.
• Отличается металл и хорошей электропроводностью, которая при средней температуре в 20 градусов является 55,5 S.
• Медь хорошо передает тепло, и этот показатель составляет 390 Дж/кг.
• Выделение углерода при кипении жидкого материала начинается от 2595 градусов.
• Электрическое сопротивление (удельное) в температурном диапазоне от 20 до 100 градусов — 1,78 х 10 Ом/м.

Плавление металла и его сплавов

График плавления меди имеет пять ступеней процесса:

1. При температуре 20-100 градусов металл находится в твердом состоянии. Последующий нагрев содействует изменению цвета, что происходит при удалении верхнего оксида.
2. При достижении отметки температуры в 1083 градуса, материал переходит в жидкое состояние, а его цвет становится абсолютно белым. В этот момент разрушается кристаллическая решетка металла. На небольшой период рост температуры прекращается, а после достижения полностью жидкой стадии, возобновляется.
3. Закипает материал при 2595 градусах. Это схоже с кипением густой жидкости, где также происходит выделение углерода.
4. Когда источник тепла выключается, то пиковая температура начинает понижаться. При кристаллизации происходит замедление снижения температуры.
5. После обретения твердой стадии, металл остывает окончательно.

Температура плавления бронзы немного ниже из-за наличия в составе олова. Разрушение кристаллической решетки этого сплава происходит при достижении 950-1100 градусов. Медный сплав с цинком, известный как латунь, способен плавиться от 900°C. Это позволяет работать с материалами при несложном оборудовании.

Плавление в бытовых условиях

Плавка меди в домашних условиях возможна несколькими способами. Для этого понадобиться ряд приспособлений. Сложность процесса зависит от использования конкретного вида оборудования.

Самым простым способом для плавления меди дома является муфельная печь. У мастеров по металлу найдется такое устройство, которым можно будет воспользоваться. Кусочки металла ложатся в специальную емкость — тигель. Он устанавливается в печь, на которой выставляется требуемая температура. Через смотровое окно можно заметить процесс перехода в жидкое состояние, и открыв дверцу удалить оксидную пленку. Делать это необходимо стальным крюком и в защитной перчатке. Жар от печи довольно сильный, поэтому действовать необходимо аккуратно.

Еще одним способом плавки меди в домашних условиях является пропан-кислородное пламя. Оно хорошо подходит и для сплавов металла с цинком или оловом. В качестве рабочего инструмента в руках мастера может быть горелка или резак. Ацетилен-кислородное пламя тоже подойдет, но погреть материал придется немного подольше. Кусочки сплава помещают в тигель, устанавливаемый на жаропрочное основание. Горелкой выполняют произвольные движения по всему корпусу емкости. Быстрый эффект можно получить, если следить чтобы факел пламени касался поверхности тигеля кончиком синего цвета. Там наибольшая температура.

Еще одним способом является мощная микроволновка. Но чтобы повысить теплосберегающие свойства и защитить внутренние детали техники от перегрева, необходимо поместить тигель в жаропрочный материал и накрыть его сверху. Это могут быть специальные виды кирпича.

Самым простым в экономическом плане способом служит слой древесного угля, на который устанавливается горн с медью. Усилить жар можно при помощи пылесоса, работающего на выдув. Кончик шланга направленный на угли должен быть металлическим, а сопло иметь плоскую форму для усиления потока воздуха.

Изготовление деталей и других элементов из меди, путем ее плавки в домашних условиях, возможно благодаря относительно низкой температуре разрушения кристаллической решетки в материале. Используя описанные выше приспособления и ознакомившись с видео, у большинства получится реализовать эту цель.

Поделись с друзьями

0

0

0

0

Какова температура плавления меди и сплавов?

Сфера применения меди очень широка. Поэтому многие задаются вопросами: как правильно плавить медь и какова температура ее плавления? У меди температура плавки довольно низкая,это же касается и ее сплавов, однако условия варьируются в зависимости от количества примесей.

 Медь и ее использование

По предположениям ученых, первобытные предки современного человека находили самородки меди, которые иногда были огромных размеров. На латинице имеет название Cuprum. Древние греки занимались ее добычей на Кипре – отсюда такое имя.

Стоит отметить, что экологи обеспокоены последствиями добычи металла. При открытом способе добычи карьер превращается в источник токсичных веществ. Самое токсичное озеро в мире — Беркли Пит (штат Монтана, США) — зародилось из  кратера медного рудника.

Ввиду того, что температура плавления довольно невысокая (1083 °С), медную руду или же самородки не составляло трудности расплавить прямо на костре. Эта легкость плавления позволяла повсеместно использовать данный металл, чтобы изготовлять предметы быта, орудия труда, оружие, украшения.

Инструменты, изготовленные из этого металла и его сплавов, не создают искр. Этим обуславливается их широкое применение в тех сферах, где существуют повышенные требования к безопасности (на огнеопасных и взрывоопасных производствах).

Еще издавна люди применяли медь регулярно, сфера ее использования была довольно обширна, однако Cuprum занимает всего лишь двадцать третье место среди прочих химических компонентов по количеству нахождения под землей. Наиболее часто можно встретить ее природе в виде различных соединений, компонентов сульфидных руд. Самые популярные – это медный блеск, медный колчедан. Есть несколько методик добывания чистого металла из руды.

к меню ↑

Как плавили медь раньше

Выше мы уже писали следующую информацию: Cuprum легко плавится, так как температура для плавки низкая. Данный факт давал возможность обработки металла еще на этапах зарождения цивилизации. Стоит сказать: мы в долгу у древнейших металлургов. Они нашли способы добывания, плавления как  чистого металла, так и сплавов.

Плавлением называют процесс перехода из твердого состояния в жидкость. Это делали методом простого нагрева, что удавалось благодаря низкой температуре плавления. Далее добавляли олово. Таким образом получалась бронза. Медь уступала бронзе по своей прочности, именно поэтому из сплава делали оружие.

к меню ↑

Медь, её сплавы

к меню ↑

Медь

Медь, употребляемая сегодня промышленностью, не представляет собой чистый металл Cuprum. Состав содержит огромное количество других компонентов: железо, никель, сурьма, мышьяк. Качество, соответственно и марка, определяется процентным соотношением примесей (их содержание до 1%).  Этот металл является чистым с технической точки зрения.  Очень важные качества этого металла — высокие показатели электропроводности, теплопроводности. Этим обуславливается невысокая температура для плавки. Температура плавления меди  — 1084°С.

Сам по себе – это достаточно гибкий пластичный металл, поэтому его очень широко используют в различных технических отраслях, промышленности.  Как расплавить медь? Идеальный метод плавления красной меди — ацетилено-кислородным пламенем, еще угольной дугой или контактной сваркой.

к меню ↑

Латунь

Латунь – смесь меди с цинком, процентное соотношение может доходить до равноценного: 50 на 50. Температурные условие для плавки латуни: плавится при 800-950 градусах Цельсия, температура плавления изменяется от процентного соотношения двух металлов.  Закономерность такова: чем меньше цинка, тем ниже температура плавления.

Какова сфера использования данного сплава? Его часто используют как литейный материал, а также листовой, сортовой металл.

Помимо цинка в различных марках можно увидеть содержание алюминия, свинца, олова, марганца, железа.  Содержание прочих компонентов будет оказывать влияние на процесс плавки.

Латунь хорошо сваривать  ацетилено-кислородным пламенем. Остальные виды не так предпочтительны, так как цинк интенсивно будет испаряться.

к меню ↑

Бронза

Сплав Cuprum и Stannum (олово) называют бронзой. Встречаются также безоловянные — в них нет олова. Например, с некоторым процентом алюминия или железа и марганца.

Сфера применения бронзы не так широка. Чаще всего ее используют как литейный материал в производстве подшипников, работающих на трение, также иногда для изготовления украшений, предметов интерьера.

Что же касается плавки, то температура зависит от наличия, количества и состава примесей. В общем, чаще всего температура такова: оловянистые виды бронзы — 900—950°, безоловянистые с наличием алюминия и прочих элементов — 950—1080°С. Их можно сваривать ацетилено-кислородным пламенем, также возможно электродуговой сваркой.

Похожие статьи

Температура и условия плавления меди в домашних условиях. Описание элемента.

С давних времен медные предметы пользовались спросом у людей. В настоящее время материал ценится за декоративные свойства. Однако осуществить плавление меди в домашних условиях непросто. Умельцы пробуют разные методы, чтобы провести эту процедуру самостоятельно.

Медь можно расплавить в домашних условиях

Описание элемента и распространение его в природе

Медь на Кипре добывали и плавили еще в середине третьего тысячелетия до нашей эры. Поэтому свое название элемент носит в честь упомянутого острова. Добыча и производство элемента подействовали на историю развития острова и его экономическое положение.

В периодической системе Менделеева медь получила 29 атомный номер. Элемент расположен в одиннадцатой группе четвертого периода. Элемент имеет золотисто-розовый цвет и принадлежит к пластичным переходным металлам. В природе встречается продукт в виде сульфидных руд, по распространению в литосфере металл занимает 23-е место. Медный блеск и колчедан являются самыми распространенными видами элемента.

В природных условиях элемент медь находят в руде и в виде самородков. Самые лучшие месторождения находятся на территории государства Чили. Медные месторождения встречаются там в осадочных породах. Медные песчаники и сланцы находятся в Казахстане и Читинской области России.

Медные сланцы в Казахстане

Медь наделена высокой электро и теплопроводностью. Ее удельная теплоемкость при температуре +20ºС равна 390 Дж/кг. Температура кипения металла – 2595ºС.

В момент плавления металл меняет свое агрегатное состояние, т. е. из кристаллической твердой фазы он переходит в жидкую форму. Меди присуще своя температура плавления, она имеет определенную зависимость от находящихся в металле примесей. Плавка меди чаще всего проходит при температуре +1083ºС. Если в медном сплаве присутствует олово, то процесс плавления способен произойти при +950–1140ºС. В составе с цинком теплота плавления меди равна от +900 до +1050ºС.

Процесс плавки проходит следующим образом: в начале нагрева рушится кристаллическая решетка металла, постепенно температура увеличивается, но в определенный период она удерживается в некотором значении. Именно в этот промежуток медь начинает плавиться. После окончания выплавки температура вновь повышается. Далее, металл постепенно охлаждается и принимает твердую форму.

Кипение металла очень похоже на бурление жидкости при активном нагреве. В это время выделяется газ. На поверхности расплавленного продукта появляются пузырьки. При максимальном нагреве из жидкого металла выделяется углерод, он формируется в результате окисления элемента.

Плавление меди в домашних условиях

В давние времена человек обнаружил медную руду, а,возможно, и самородки. В определенный момент принял решение: переплавлю металл на костре. Из металлических отливок люди готовили разнообразные бытовые принадлежности, украшения и даже оружие. Для тех кто хотел бы, но не знает, как расплавить медь самостоятельно, необходимо запастись следующими предметами, основные из которых:

1. Тигель — посуда из огнеупорного материала для меди.
2. Специальное нагревательное устройство (муфельная печь), автоген или горн.
3. Древесный уголь.
4. Стальной удобный крюк.
5. Пылесос бытовой.
6. Специальная форма для плавки металла.

Чтобы плавить металлы в домашних условиях, необходима, в первую очередь, муфельная печь

При производстве металла следует соблюдать технику безопасности. Плавка должна производиться поэтапно. В первую очередь переплавляемый продукт должен поместиться в тигель, далее этот сосуд определяется в муфельную печь. Агрегат нагревается до нужной температуры, следить за этим мероприятием необходимо в специальное смотровое окошко. В момент образования окисной пленки на металле, его следует убрать с помощью стального крюка. Окисел необходимо аккуратно отодвинуть в сторону.

В том случае, если расплав меди планируется производить при помощи автогена, то важно понимать, что при данном процессе происходит естественный доступ воздуха. Нагревая тигель, нужно следить за тем, чтобы пламя охватывало его полностью. При помощи паяльной лампы можно качественно нагреть легкоплавкую бронзу или желтую медь.

Если дома нет вышеупомянутых предметов для плавки металла, то стоит попробовать осуществить это при помощи горна, его ставят на древесный уголь. Для усиления температурного режима используется пылесос. Важно помнить, пылесос можно использовать только в режиме выдувания и его наконечник должен быть выполнен из металла. Желательно иметь наконечник у поддува утонченный, чтобы струя воздуха хорошо попадала на тигель. Эта процедура поможет увеличить температуру до 1400ºС.

В настоящее время в промышленных условиях чистую медь не используют, в ее состав может входить сурьма, железо, никель и т. д. На качество продукта влияет количество примесей, их не должно быть более 1%. Основными показателями для медных изделий являются электропроводность и теплопроводность.

Проводя плавку меди в домашних условиях, стоит понимать, данное мероприятие требует определенных знаний и затрат. Невозможно расплавить медь без тигеля. Горн соорудить можно самостоятельно из огнеупорного кирпича. Для того чтобы медь не сильно окислялась, ее присыпают древесным углем. В остальном процесс плавки не отличается от кокильного литья или заливки в земляные формы.

Температура плавления меди таблица — Морской флот

Температуру плавления металлов, которая изменяется от малейшего (-39 °С для ртути) до наибольшего (3400 °С для вольфрама), а также плотность металлов в твердом состоянии при 20 °С и плотности жидких металлов при температуре плавления приведены в таблице плавки цветных металлов.

Таблица 1. Плавки цветных металлов

твердого при 20 °С

Сварка и плавка цветных металлов

Сварка меди. Температура плавки металла Cu, почти в шесть раз превышает температуру плавки стали, медь интенсивно поглощает и растворяет различные газы, образуя с кислородом оксиды. Оксид меди II с медью образует эвтектику, температура плавления которой (1064°С) ниже температуры плавления меди (1083°С). При затвердевании жидкой меди эвтектика располагается по границам зерен, делает медь хрупкой и склонной к образованию трещин. Поэтому основной задачей при сварке меди является защита его от окисления и активное раскисление сварочной ванны.

Наиболее распространенное газовое сварки меди ацетиленокисневим пламенем с помощью горелок, которые в 1,5…2 раза мощнее горелки для сварки сталей. Присадочным металлом есть медные прутки, содержащие фосфор и кремний. Если толщина изделий более 5…6 мм, их сначала подогревают до температуры 250…300°С. Флюсами при сварке является прожаренная бура или смесь, состоящую из 70% буры и 30% борной кислоты. Чтобы повысить механические свойства и улучшить структуру наплавленного металла, медь после сварки проковывают при температуре около 200…300°С. Потом ее снова нагревают до 500-550°С и охлаждают в воде. Медь сваривают также электродуговым способом электродами, в струе защитных газов, под слоем флюса, на конденсаторных машинах, способом трения.

Сварка латуни. Латунь – это сплав меди с цинком (до 50%). Основное загрязнение при этом – испарение цинка, в итоге чего шов теряет свои качества, в нем возникают поры. Латунь, как и медь, в основном сваривают ацетиленовым окислительным пламенем, при котором на поверхности ванны создается пленка тугоплавкого оксида цинка, уменьшающая дальнейшее выгорание и испарение цинка. Флюсы используют такие же, как и при сварке меди. Они создают на поверхности ванны шлаки, которые связывают оксиды цинка и затрудняют выход паров из сварочной ванны. Латунь сваривают также в защитных газах и на контактных машинах.

Сварка бронзы. В большинстве случаев бронза – это литейный материал, поэтому

сварку применяют при исправлении дефектов или во время ремонта. Чаще всего применяют сварку металлическим электродом. Присадочным металлом является прутки того самого состава, что и основной металл, а флюсами или электродным покрытием – хлористые и фтористые соединения калия и натрия.

Сварка алюминия. Основными факторами, затрудняющими сварку алюминия, является низкая температура его плавления (658°С), большая теплопроводность (примерно в 3 раза выше теплопроводности стали), образование тугоплавких оксидов алюминия, которые имеют температуру плавления 2050°С, поэтому технология плавки цветных металлов, таких как медь или бронза, не подходит для плавки алюминия. Кроме того, эти оксиды слабо реагируют как с кислыми, так и основными флюсами, поэтому плохо удаляются из шва.

Чаще всего используют газовую сварку алюминия ацетиленовым пламенем. В последние годы значительно распространилось также автоматическая дуговая сварка металлическими электродами под флюсом и в среде аргона. При всех способах сварки, кроме аргонодуговой, применяют флюсы или электродные покрытия, в состав которых входят фтористые и хлористые соединения лития, калия, натрия и других элементов. Как присадочный металл при всех способах сварки используют проволоку или стержни того же состава, что и основной металл.

Алюминий хорошо сваривается электронным лучом в вакууме, на контактных машинах, электрошлаковым и другими способами.

Сварка сплавов алюминия. Сплавы алюминия с магнием и цинком сваривают без

особых осложнений, так же как и алюминий. Исключением является дюралюминий – сплавы алюминия с медью. Эти сплавы термически упрочняются после закалки и следующего старения. Когда температура плавки цветных металлов свыше 350°С в них происходит снижение прочности, которое не восстанавливается термической обработкой. Поэтому при сварке дюралюминия в зоне термического влияния прочность уменьшается на 40…50%. Если дюралюминий сваривать в защитных газах, то такое снижение может быть восстановлено термической обработкой до 80…90% по отношению к прочности основного металла.

Сварка магниевых сплавов. При газовой сварке обязательно применяют фторидные флюсы, которые в отличие от хлоридных не вызывают коррозии сварных соединений. Дуговая сварка магниевых сплавов металлическими электродами через низкое качество сварных швов до настоящего времени не применяется. При сварке магниевых сплавов наблюдается значительный рост зерна в около шовных участках и сильное развитие столбчатых кристаллов в сварном шве. Поэтому предел прочности сварных соединений составляет 55…60% предела прочности основного металла.

Таблица 2. Физические свойства промышленных цветных металлов

Каждый металл и сплав имеет собственный уникальный набор физических и химических свойств, среди которых не последнее место занимает температура плавления. Сам процесс означает переход тела из одного агрегатного состояния в другое, в данном случае, из твердого кристаллического состояния в жидкое. Чтобы расплавить металл, необходимо подводить к нему тепло до достижения температуры плавления. При ней он все еще может оставаться в твердом состоянии, но при дальнейшем воздействии и повышении тепла металл начинает плавиться. Если температуру понизить, то есть отвести часть тепла, элемент затвердеет.

Самая высокая температура плавления среди металлов принадлежит вольфраму: она составляет 3422С о , самая низкая — у ртути: элемент плавится уже при — 39С о . Определить точное значение для сплавов, как правило, не представляет возможности: оно может значительно колебаться в зависимости от процентного соотношения компонентов. Их обычно записывают в виде числового промежутка.

Как происходит

Плавление всех металлов происходит примерно одинаково — при помощи внешнего или внутреннего нагревания. Первый осуществляется в термической печи, для второго используют резистивный нагрев при пропускании электрического тока или индукционный нагрев в высокочастотном электромагнитном поле. Оба варианта воздействуют на металл примерно одинаково.

При увеличении температуры увеличивается и амплитуда тепловых колебаний молекул, возникают структурные дефекты решетки, выражающиеся в росте дислокаций, перескоке атомов и других нарушениях. Это сопровождается разрывом межатомных связей и требует определенного количества энергии. В это же время происходит образование квази-жидкого слоя на поверхности тела. Период разрушения решетки и накопления дефектов называется плавлением.

Разделение металлов

В зависимости от температуры плавления металлы делятся на:

1. Легкоплавкие: им необходимо не более 600С о . Это цинк, свинец, виснут, олово.
2. Среднеплавкие: температура плавления колеблется от 600С о до 1600С о . Это золото, медь, алюминий, магний, железо, никель и большая половина всех элементов.
3. Тугоплавкие: требуется температура свыше 1600С о , чтобы сделать металл жидким. Сюда относятся хром, вольфрам, молибден, титан.

В зависимости от температуры плавления выбирают и плавильный аппарат. Чем выше показатель, тем прочнее он должен быть. Узнать температуру нужного вам элемента можно из таблицы.

Еще одной немаловажной величиной является температура кипения. Это величина, при которой начинается процесс кипения жидкостей, она соответствует температуре насыщенного пара, который образуется над плоской поверхностью кипящей жидкости. Обычно она почти в два раза больше, чем температура плавления.

Обе величины принято приводить при нормальном давлении. Между собой они прямопропорциональны.

Уже в древности люди добывали и плавили медь. Этот металл широко применялся в быту и служил материалом для изготовления различных предметов. Бронзу научились делать примерно 3 тыс. лет назад. Из этого сплава делали хорошее оружие. Популярность бронзы быстро распространялась, так как металл отличался красивым внешним видом и прочностью. Из него делали украшения, орудия охоты и труда, посуду. Благодаря небольшой температуре плавления меди человек быстро освоил ее производство.

Нахождение в природе

Свое латинское название Cuprum металл получил от названия острова Кипр, где его научились добывать в третьем тысячелетии до н. э. В системе Менделеева Сu получил 29 номер, а расположен в 11-й группе четвертого периода.

В земной коре элемент на 23-м месте по распространению и встречается чаще в виде сульфидных руд. Наиболее распространены медный блеск и колчедан. Сегодня медь из руды добывается несколькими способами, но любая технологий подразумевает поэтапный подход для достижения результата.

• На заре развития цивилизации люди уже получали и использовали медь и ее сплавы.
• В то время добывалась не сульфидная, а малахитовая руда, которой не требовался предварительный обжиг.
• Смесь руды и углей помещали в глиняный сосуд, который опускался в небольшую яму.
• Смесь поджигалась, а угарный газ помогал малахиту восстановиться до состояния свободного Cu.
• В природе есть самородная медь, а богатейшие месторождения находятся в Чили.
• Сульфиды меди нередко образуются в среднетемпературных геотермальных жилах.
• Часто месторождения имеют вид осадочных пород.
• Медяные песчаники и сланцы встречаются в Казахстане и Читинской области.

Физические свойства

Металл пластичен и на открытом воздухе покрывается оксидной пленкой за короткое время. Благодаря этой пленке медь и имеет свой желтовато-красный оттенок, в просвете пленки цвет может быть зеленовато-голубым. По уровню уровнем тепло- и электропроводности Cuprum на втором месте после серебра.

• Плoтность — 8,94×103 кг/ м3 .
• Удельная теплоемкость при Т=20 ° C — 390 Дж/кг х К.
• Электрическoе удельное при 20−100 ° C — 1,78×10−8 Ом/м.
• Температура кипeния — 2595 ° C.
• Удельная электропрoводность при 20 ° C — 55,5−58 МСм/м.

При какой температуре плавится медь

Плавления происходит, когда из твердого состояния металл переходит в жидкое. Каждый элемент имеет собственную температуру плавления. Многое зависит от примесей в металле. Обычная температура плавления меди — 1083 ° C. Когда добавляется олово, температура снижается до 930- 1140 ° C. Температура плавления зависит здесь от содержания в сплаве олова. В сплаве купрума с цинком плавление происходит при 900- 1050 ° C .

При нагреве любого металла разрушается его кристаллическая решетка. По мере нагревания повышается температура плавления, но затем выравнивается по достижении определенного предела температуры. В этот момент и плавится металла. Полностью расплавляется, и температура повышается снова.

Когда металл охлаждается, температура снижается, в определенный момент остается на прежнем уровне, пока металл не затвердеет полностью. После полного затвердевания температура снижается опять. Это демонстрирует фазовая диаграмма, где отображен температурный процесс с начала плавления до затвердения. При нагревании разогретая медь при 2560 ° C начинает закипать. Кипение подобно кипению жидких веществ, когда выделяется газ и появляются пузырьки на поверхности. В момент кипения при максимально больших температурах начинается выделение углерода, образующегося при окислении.

Плавление в домашних условиях

Благодаря низкой температуре плавления древние люди могли расплавлять купрум на костре и использовать металл для изготовления различных изделий.

Для расплавки меди в домашних условиях понадобится:

• древесный уголь;
• тигель и специальные щипцы для него;
• муфельная печь;
• бытовой пылесос;
• горн;
• стальной крюк;
• форма для плавления.

Процесс течет поэтапно, металл помещается в тигель, а затем размещается в муфельной печи. Выставляется нужная температура, а наблюдение за процессом осуществляется через стеклянное оконце. В процессе в емкости с Cu появится окисная пленка, которую нужно устранить — открыть окошко и отодвинуть в сторону стальным крюком.

При отсутствии муфельной печи расплавить медь можно автогеном. Плавление пойдет, если ест нормальный доступ воздуха. Паяльной лампой расплавляется латунь и легкоплавкая бронза. Пламя должно охватить весь тигель.

Если под рукой ничего из перечисленных средств нет, можно использовать горн, установленный на слой древесного угля. Для повышения Т можно использовать пылесос, включенный в режим выдувания, но шланг должен иметь металлический наконечник, хорошо, если с зауженным концом, так струя воздуха будет тоньше.

Температура плавления бронзы и латуни, как температура плавления меди и алюминия — невысоки.

Сегодня в промышленных условиях в чистом виде Cu не используется. В ее составе содержится много примесей: никель, железо, мышьяк, сурьма, другие элементы. Качество продукта определяется наличием содержания в процентах примесей в сплаве (не более 1%). Важные показатели — тепло- и электропроводность. Благодаря пластичности, малой Т плавления и гибкости медь широко используется во многих отраслях промышленности.

Тепловые и термодинамические свойства меди

Рассмотрим тепловые и термодинамические свойства меди.

Температура плавления 1083°С, температура кипения 2573°С, характеристическая температура Θ_D 345 К, удельная теплота плавления 239 кДж/кг, удельная теплота испарения 4790 кДж/кг. Удельная теплоемкость меди при 293 К при постоянном давлении Ср= 384,2 Дж/(кг*K), а жидкой (при температуре плавления) 495 Дж/(кг*К). Удельная электронная теплоемкость Ср^эл = [0,688 мДж/(моль*К²)] *Т. Теплопроводность λ при 293 К равна 397 Вт/(м*К), при температуре 1356 К 165,8 Вт/(м*К).

Зависимость теплопроводности λ, от температуры (чистота 99,999 %):

Т, К	λ, Вт/(м*К)	Т, К	λ, Вт/(м*К)	Т, К	λ, Вт/(м*К)
2 5 20 50	523,5 1487,0 2518,0 1189,5	100 150 200 250	481,3 428,4 413 406,0	300 350 400	401,2 397,2 393,7

Теплопроводность меди заметно не изменяется под влиянием висмута, свинца, серы, селена, сильно понижается под влиянием незначительных количеств мышьяка, алюминия, снижается под влиянием сурьмы. Температурный коэффициент линейного расширения при 293 К α = 16,7*10^-6К^-1.

Изменение α в зависимости от температуры (чистота 99,999%):

Т, К	α*106 К-1	Т, К	α*106 К-1	Т, К	α*106 К-1
5	0,0024	20	0,23	400	17,58
7	0,01062	40	2,28.	600	18,92
10	0,0294	60	5,40	800	20,09
13	0,06322	100	10,33	1000	22,1
15	0,9634	200	15,18	1200	24,5
				1300	27,0

Температурный коэффициент объемного расширения при 293 К β = 49,2*10^-6 К^-1, в диапазоне 293-1356 К: β= (45,0+0,016 Т)*10^-6К^-1, где β Д коэффициент объемного расширения, К^-1; Т Д температура, К.

Молярная энтропия s° в зависимости от температуры:

Т, К	298	500	1000	1500	2000	2500	3000
s°, Дж/(моль*К)	33,39	44,8	65,28	87,19	96,20	103,24	215,53

Поверхностное натяжение при 1083 °С σ =1351 мН/м. Поверхностная энергия v =1115 мДж/м², для грани (100) v =1060, а для (111) v = 926 мДж/м³. Энергия дефекта упаковки 67 МДж/м². Давление пара р в зависимости от температуры:

Т, К	Р, Па	Т, К	Р, Па
700 800 900	31,066*10-15 38,514*10-12 97,804*10-10	1000 1100	82,22*10-8 30,968*10-6

Давление пара при температуре плавления Р =50,47 мПа. Энергия активации самодиффузии в интервале 1135Д1330 К Е= 205 КДж/моль.

Параметры взаимной диффузии (предэкспоненциальный множитель Do и энергия активации Е) некоторых элементов в меди:

Диффундирующий элемент	T, К	Образующаяся фаза	D0, м2/с	Е, кДж/моль
Н	—	Твердый раствор	5,6*10-8	38,52
Be	—	Твердый раствор	2,32*10-8	117,23
Si	—	Твердый раствор	3,7*10-6	167,47
S	1403Д1673	Жидкая фаза	3,44*10-7	28,85
S	1073Д1273	Твердый раствор	8,24*10-5	196,78
Мп	973Д1348	Твердый раствор	5*10-5	192,59
Fe	973Д1343	Твердый раствор	1,4*10-4	216,88
Co	973Д1348	Твердый раствор	1,93*10-4	226,51
Ni	973Д1348	Твердый раствор	2,7*10-4	236,55
Zn	878Д1323	Твердый раствор	3,4*10-5	190,92
Ge	952Д1288	Твердый раствор	3,97*10-5	187,5
As	1083Д1328	Твердый раствор	2*10-5	176,6
Rh	1023Д1328	Твердый раствор	3,3*10-4	242,5
Pd	1080Д1328	Твердый раствор	1,71*10-4	227
Ag	973Д1173	Твердый раствор	1,3*10-6	161,6
Cd	998Д1223	Твердый раствор	9,35*10-5	191,34
In	1023Д1343	Твердый раствор	1,3*10-4	193
Sn	973Д1189	Твердый раствор	1,0*10-4	190,5
Sb	873Д1273	Твердый раствор	3,4*10-5	175,85
Au	—	Твердый раствор	1*10-5	187,99
Tl	1058Д1269	Твердый раствор	7,1*10-5	181,29

Испарение

При выполнении любого типа вакуумной термообработки всегда важно помнить о возможности испарения и / или сублимации элементов, которые могут присутствовать в обрабатываемом материале, вводимом в вакуумную систему с рабочей нагрузкой, присущие конструкции оборудования или введенные во время технического обслуживания, ремонта или восстановления. В случаях, когда испарение может вызывать беспокойство, скорость испарения имеет первостепенное значение и напрямую связана с давлением в печи (чем выше давление, тем чаще происходит столкновение молекул газа и, соответственно, несколько атомов металла покидают поверхность металла). .

Что такое испарение?

Испарение — это процесс, который происходит, когда химическое вещество или элемент превращается из жидкости (или твердого тела) в газ. Когда жидкость превращается в газ, этот процесс называется испарением или кипением; когда твердое вещество превращается в газ, этот процесс называется сублимацией. Давление, оказываемое паром жидкости в замкнутом пространстве, называется давлением пара. С повышением температуры увеличивается и давление его пара. И наоборот, давление пара уменьшается с понижением температуры.

Давление пара различается для разных веществ при любой заданной температуре, но каждое вещество имеет определенное давление пара для каждой заданной температуры. В точке кипения давление пара жидкости равно атмосферному давлению. Например, давление пара воды, измеренное барометром по высоте ртути, составляет 4,58 мм при 0 ° C и 760 мм при 100 ° C (его точка кипения).

Все металлы испаряются в зависимости от температуры (эффект первого порядка) и уровня вакуума (эффект второго порядка).Уравнение 1 позволяет нам определить скорость испарения Q и показывает, что зависимость давления пара от температуры почти логарифмическая. Скорость испарения наиболее высока в условиях высокого вакуума.

(1)

где

Q _макс = скорость испарения (г / см3 · сек)
P _v = давление пара (торр)
T = температура (° K)
M = молекулярная масса

В вакуумных печах металлы склонны улетучиваться при температурах ниже их точек плавления.Чем длиннее детали выдерживаются при температуре и заданном уровне вакуума, тем больше потери металлического элемента из-за испарения. Если элемент является частью системы металлического сплава, соотношение давления пара изменится (полное давление пара сплава представляет собой сумму давлений пара каждой составляющей, умноженную на процентное содержание в сплаве, хотя это соотношение обсуждалось теми, кто хорошо осведомлен. в поле).

В качестве термообработчиков мы часто обрабатываем нержавеющую и инструментальную сталь или более экзотические сплавы в вакууме.Хром, присутствующий в этих материалах, заметно испаряется при температурах и давлениях в пределах нормальных диапазонов термообработки. Обработанный при температуре выше 990 ° C хром будет испаряться, если уровень вакуума меньше 1 x 10 ^-4 торр и детали выдерживаются в течение длительного времени. Специалисты по термообработке часто наблюдают зеленоватое изменение цвета (оксид хрома) внутри своих вакуумных печей в результате реакции паров хрома с воздухом, просачивающимся в горячую зону. В остальном отложения испарения будут яркими и зеркальными.Чтобы избежать этого, рабочее парциальное давление от 0,3 до 5 торр является типичным для большинства хромосодержащих деталей.

Для вакуумной пайки (серебро, медь, никель) истощения сплава присадочного металла можно избежать, подняв давление в печи до уровня, превышающего давление пара сплава при температуре пайки. Например, медь, имеющая равновесное давление пара при 1120 ° C, равное 1 · 10 ^-3 торр, обычно работает при парциальном давлении от 1 до 10 торр. Пайка никелем обычно выполняется в диапазоне от 10 ^-3 до 10 ^-4 .Однако в диапазоне от 10 ^-5 до 10 ^-6 торр вы рискуете потерять часть никеля, который имеет равновесное давление паров 1 x 10 ^-4 торр при 1190 ° C.

Например, обработка алюминия, кадмия, магния, марганца и цинка или их сплавов при температурах до 400 ° C может быть незначительной или совершенно непрактичной. Вот почему обработка латуни (смеси меди и цинка) обычно не производится в вакуумных системах или, если это так, при парциальном давлении, близком к атмосферному.По мере повышения температуры все меньше и меньше материалов может обрабатываться без каких-либо последствий.

Немного внимательнее

Давление пара (также известное как равновесное давление пара) определяется как давление, при котором паровая фаза находится в равновесии с жидкой (или твердой) фазой при любой заданной температуре. Ниже этого давления поверхностное испарение происходит быстрее, чем конденсация, а над ним поверхностное испарение медленнее. Вещество с высоким давлением пара при нормальных температурах считается летучим.Равновесное давление пара является показателем скорости испарения жидкости, то есть ее тенденции к выходу частиц из жидкости или твердого тела.

При повышении температуры происходит увеличение кинетической энергии молекул (т. Е. Больше молекул входит в паровую фазу, тем самым увеличивая давление пара). Давление паров любого вещества нелинейно увеличивается с температурой в соответствии с соотношением Клаузиуса-Клапейрона и часто выражается в виде графиков (рис.1) или табличные данные (Таблица 2).

Однако для многих реальных приложений более полезны эмпирические формулы и экспериментальные данные для определения давления пара элемента. По опыту этого писателя вы должны увеличить на 1 или 2 декады значения, полученные на этом графике, чтобы обезопасить себя от эффекта испарения.

16 — Давление пара как функция давления

Конструкционные материалы, используемые в вакуумной печи

Существует базовая зависимость вакуума ⁸ между загрузкой газа в вакуумной печи и ее скоростью откачки и давлением (уравнение 2)

(2) Q = S x P

Где

Q — газовая нагрузка (торр-литры / сек)
S — скорость откачки (литры / секунды)
P — давление в системе (торр)

Проще говоря, чем ниже газовая нагрузка, тем ниже давление при любой заданной скорости откачки.Следовательно, необходимо тщательно рассмотреть как материалы конструкции, используемые внутри вакуумной печи, так и работу самой вакуумной печи (это одна из причин, по которой вакуумные печи не следует оставлять открытыми для воздуха в помещении дольше, чем это абсолютно необходимо для разгрузки и повторной загрузки. новую рабочую нагрузку и почему их нужно откачивать, когда они простаивают или не используются). Цель состоит в том, чтобы минимизировать газовую нагрузку, создаваемую всеми присутствующими материалами (особенно теми, которые находятся в горячей зоне), такими как сталь, нержавеющая сталь, тугоплавкие металлы, керамика, изделия на основе графита и даже пластмассы или кварц.Изоляция из керамического волокна является хорошим примером скрытой проблемы в конструкции вакуумной печи, поскольку материал гигроскопичен (то есть впитывает влагу при контакте с воздухом). Затем с этим нужно разобраться в процессе. Если используется керамическое волокно, оно должно находиться в емкости с ограниченным контактом с воздухом. Любые внутренние поверхности, покрытые влагой (например, молекулы воды), должны быть удалены во время откачки. С этим связано проникновение газов из атмосферы через стенки камеры, в том числе герметики и / или прокладочные материалы, такие как уплотнительные кольца (что является одной из причин, по которой при работе с уплотнительными кольцами следует использовать безворсовые перчатки и перчатки). следует соблюдать осторожность при протирании их спиртом или другим растворителем, поскольку они впитываются и приводят к набуханию и возможному выделению газов).

Таблица 1 ³ — Давление пара для выбранных элементов

Пример применения

Скорость испарения можно контролировать и использовать в наших интересах для таких процессов, как осаждение металлических тонких пленок. Цель здесь — контролировать испарение и перенос атомов из нагретого источника (который может быть жидкостью или твердым телом) для осаждения на подложку, расположенную на расстоянии, с целью выращивания пленки. Источник нагревается прямо или косвенно до тех пор, пока не будет достигнута точка, в которой он эффективно возгоняется или испаряется.Температура, скорость испарения и давление пара становятся ключевыми переменными процесса, а также расположение нагревателя, источника и подложки.

Испаряющиеся атомы и молекулы, покидающие поверхность источника, будут двигаться по более или менее прямому пути, пока не достигнут поверхности с более низкой температурой (подложки, стенок камеры или даже приборов), где они будут конденсироваться.

Для того, чтобы это происходило эффективно, давление должно быть в области свободного молекулярного потока.Поскольку эти поверхности имеют гораздо более низкие температуры, молекулы будут передавать свою энергию подложке, тем самым понижая свою температуру, что вызывает их конденсацию. Поскольку давление пара при этой более низкой температуре намного выше, они не испаряются повторно, а прилипают к основанию. Обычно это происходит при давлении ниже 10-7 бар. Этот процесс можно использовать для производства тонких металлических пленок, оптических фильтров, зеркал и светоделителей. Результирующая толщина осаждения является функцией скорости испарения, геометрии источника и подложки и времени испарения.

Последние мысли

Использование парциального давления (см. Ссылку 3) является практическим решением проблемы испарения во многих наших операциях термообработки и пайки, чтобы помочь нам достичь ожидаемых результатов. Выбор газа с парциальным давлением, где и как он вводится, температура, при которой он должен быть введен, и диапазон (диапазоны) давления, в котором он действует, — все это важные соображения как с точки зрения качества, так и с точки зрения стоимости.

Список литературы

1. Справочник по термообработке стали, Джордж Э.Тоттен и Морис А.Х. Хоуз (ред.), Marcel Dekker, Inc., 1997.
2. Херринг, Дэниел Х., Вакуумная термообработка, BNP Media Group, 2012.
3. Herring, Daniel H., «Использование парциального давления в вакуумных печах», Industrial Heating, ноябрь 2005 г.
4. Википедия (www.wikipedia.org)
5. Маккей, Дональд и Ян ван Везенбек, «Корреляция скорости химического испарения с давлением пара», Environ. Sci. Technol., 2014, 48 (17), стр. 10259–10263, 2014 Американское химическое общество
Презентация
6. «Вакуумное испарение», Университет Уэйк Форест (www.wfu.edu)
7. Hablanian, Marsbed H., High Vacuum Technology: A Practical Guide, Second Edition, Revised and Expanded, Marcel Dekker, Inc., 1997.
8. Дэниэлсон, Фил, «Выбор правильных вакуумных материалов», R&D Magazine, апрель 2003 г.

---

Дэниел Х. Херринг / тел .: (630) 834-3017) / электронная почта: [email protected]

Дэн Херринг является президентом компании THE HERRING GROUP Inc., , которая специализируется на консультационных услугах (термообработка и металлургия) и технических услугах (промышленное образование / обучение и поддержка процессов / оборудования.Он также является доцентом-исследователем в Технологическом институте Иллинойса / Центре технологий термической обработки.

Температур плавления металлов | Инженеры Edge

Связанные ресурсы: материалы

Температура плавления металла

Инженерные материалы

Точка плавления (или, реже, точка разжижения) твердого вещества — это температура, при которой твердое вещество меняет свое состояние с твердого на жидкое при атмосферном давлении.В точке плавления твердая и жидкая фазы находятся в равновесии. Температура плавления вещества зависит от давления и обычно указывается при стандартном давлении. Когда рассматривается как температура обратного перехода от жидкости к твердому телу, она упоминается как точка замерзания или точка кристаллизации.

Температура плавления металла	Символ	c ° Цельсия	F ° по Фаренгейту
Алюминий	Al	659	1218
Алюминиевый сплав		463–671	865–1240
Алюминиевая бронза		600–655	1190–1215
Сурьма		630	1170
Бериллий		1280	2350
Бериллиевая медь		865–955	1587–1750
висмут		271.0	520,0
Латунь (85 Cu 15 Zn)	Cu + Zn	900-940	1652-1724
Латунь, красный		1000	1832
Латунь, желтый		930	1710
Бронза (90 Cu 10 Sn)	Cu + Sn	850-1000	1562-832
Кадмий		321	610
Чугун	C + Si + Mn + Fe	1260	2300
Углерод	С	3600	6512
Хром	Cr	1615–1860	3034-3380
Кобальт		1495	2723
Медь	Cu	1083	1981
Купроникель (медно-никелевый сплав)		1170–1240	2140–2260
Золото	Au	1063	1946
Хастеллой C		1320–1350	2410–2460
Водород	H	-259	-434.2
Инколой		1390–1425	2540–2600
Инконель	Ni + Cr + Fe	1393–1430	2540–2620
Иридий		2450	4440
Утюг	Fe	1530	2786
Чугун, высокопрочный		1149	2100
Чугун, серое литье		1127–1204	2060–2200
Кованое железо		1482–1593	2700–2900
Иридий		2450	4440
Свинец	Пб	327	621
Магниевый сплав		349–649	660–1200
Магний	мг	650–670	1200–1240
Марганец		1244–1260	2271–2300
Марганцевая бронза		865–890	1590–1630
Меркурий		-38.86	-37,95
Молибден		2620	4750
Монель		1300–1350	2370–2460
Никель	Ni	1452	2646
Ниобий (Колумбий)		2470	4473
Осмий		3025	5477
Палладий		1555	2831
фосфор	-П	44	111
Платина		1770	3220
Плутоний		640	1180
Калий		63.3	146
Рений		3186	5767
Родий		1965	3569
Рутений		2482	4500
Селен		217	423
Кремний	Si	1420	2588
Серебро	Ag	961	1762
Серебро, Стерлинговое		893	1640
Натрий		97.83	208
Нержавеющая сталь	Cr + Ni + Mn + C	1363	2550
Сталь высокоуглеродистая	Cr + Ni + Mn + C	1353	2500
Сталь среднеуглеродистая	Cr + Ni + Mn + C	1427	2600
Сталь с низким содержанием углерода	Cr + Ni + Mn + C	1464	2700
Тантал		2980	5400
Олово	Sn	232	448–450
Торий		1750	3180
Титан	Ti	1795	3263
вольфрам	Вт	3000	5432
Уран		1132	2070
Ванадий		1900	3450
цинк	Zn	419	786
Цирконий		1854	3369

© Copyright 2000-2021, ООО «Инжиниринг Эдж» www.Engineersedge.com
Все права защищены
Отказ от ответственности | Обратная связь | Реклама | Контакты

Дата / Время:

Диапазон рабочих температур тепловых трубок

Рабочие жидкости теоретически работают от тройной точки до критической

Тепловые трубки — это двухфазные теплообменники. Для работы тепловой трубы требуется насыщенная рабочая жидкость, содержащая как жидкость, так и пар в тепловой трубе.Скрытая теплота рабочего тела передается путем испарения жидкости в испарителе и конденсации пара обратно в жидкость в конденсаторе. Теоретически тепловая трубка будет работать при температуре чуть выше тройной точки (уникальные температура и давление, при которых рабочая жидкость может быть в жидкой, паровой и твердой форме), чуть ниже критической точки (пар и жидкость имеют одинаковые свойства. ). Как обсуждается ниже, существуют и другие ограничения, которые сужают практический диапазон температур.

Рисунок (1)

Тройная точка и критическая точка для ряда обычных рабочих жидкостей с тепловыми трубками показаны на рисунке (1) и в таблице 1. Следует отметить два момента. Во-первых, есть пробелы в температурном диапазоне криогенных тепловых трубок (ниже примерно 100 К), где нет известной в настоящее время рабочей жидкости.

Во-вторых, существует множество потенциальных рабочих жидкостей при заданной температуре, для температур выше 200 К. Выбранная жидкость обычно является жидкостью с наивысшим показателем качества, когда допустима совместимая оболочка тепловой трубы.Например, хотя аммиак является более эффективной рабочей жидкостью, чем метанол, при использовании медного фитиля и оболочки следует выбирать метанол. Для больших геотермальных термосифонов может быть выбрана жидкость с низким потенциалом глобального потепления.

Таблица 1. Выбранные рабочие жидкости для тепловых труб, тройная точка и критическая точка. Температура замерзания используется для галогенидов, цезия и лития, поскольку тройная точка недоступна.

* Прокрутите вправо, чтобы просмотреть таблицу

Жидкость	Температура тройной точки., К	Критическая точка, K	Температура тройной точки, ° C	Критическая точка, ° C
Гелий	–	5,20	–	-268,0
Водород	13,95	33.15	-259,2	-240,0
Неон	24,56	44,49	-248,6	-228,7
Кислород	54,33	154,58	-218,8	-118,6
Азот	63.14	126,19	-210,0	-147,0
Пропилен	87,8	365,57	-185,4	92,4
этан	91	305,33	-182,2	32.2
Пентан	143,46	469,7	-129,7	196,6
R134a	169,85	374,1	-103,3	101,0
Метанол	175,5	512.6	-97,7	239,5
Толуол	178,15	591,75	-95,0	318,6
Ацетон	178,5	508,1	-94,7	235,0
Аммиак	194.95	405,4	-78,2	132,3
Двуокись углерода	216,58	304,1	-56,6	31,0
SnCl 4	240,15	591,85	-33,0	318.7
TiCl 4	243	638	-30,2	364,9
Вода	273,16	647,10	0,0	373,9
Цезий	301,6	2045	28.5	1771,9
Нафталин	353,5	748,4	80,4	475,3
Калий	336,35	2239	63,2	1965,9
AlBr 3	370.15	763	97,0	489,9
Натрий	370,98	2507	97,8	2233,9
Литий	453,64	3503	180,5	3229,9

Практические пределы температуры рабочих жидкостей

На практике диапазон жидкости меньше, как на нижнем, так и на верхнем конце диапазона температур.Например, водяная тепловая труба будет передавать некоторую мощность между тройной точкой воды (0,01 ° C) и критической точкой (373,9 ° C). Расчет максимальной мощности для типичной водяной тепловой трубы показан на рисунке 5. Пиковая мощность возникает при температуре около 150 ° C) и падает при более низких и более высоких температурах. Практически большинство водяных тепловых труб рассчитаны на работу при температуре выше ~ 25 ° C). При более низких температурах давление пара уменьшается, а также плотность пара, поэтому скорость пара для заданного количества мощности увеличивается.При температурах ниже примерно 25 ° C становятся важными пределы вязкости и звука, ограничивающие мощность тепловой трубки.

Рисунок (2) Пик производительности тепловой трубы обычно находится где-то в середине температурного диапазона между тройной точкой и критической точкой.

Практические рабочие температуры воды

Практический верхний предел температуры для тепловых труб медь / вода составляет примерно 150 ° C и устанавливается максимально допустимыми напряжениями в медной оболочке; см. рисунок 6.При 150 ° C давление насыщенного водяного пара составляет 69 фунтов на квадратный дюйм (477 кПа). Поскольку медь относительно мягкая, требуемый диаметр при толщине стенки выше 150 ° C становится непрактичным.

Рисунок (3) Давление насыщенного водяного пара в зависимости от температуры.

Конверты из титана или монеля

увеличивают максимальный диапазон рабочих температур воды до 300 ° C. В этом случае верхний предел температуры устанавливается свойствами жидкости. Как и в случае любой насыщенной жидкости, свойства насыщенного пара и жидкости становятся все более и более похожими по мере приближения к критической точке.Хорошая рабочая жидкость для тепловых трубок имеет большую скрытую теплоту и большое поверхностное натяжение. Как показано на рисунках 7 и 8, скрытая теплота и поверхностное натяжение приближаются к нулю вблизи критической точки (373,9 ° C).

Рисунок (4) Напряжение поверхности воды в зависимости от температуры.

Рисунок (4) Скрытая теплота воды в зависимости от температуры.

Практические пределы температуры

В таблице 2 приведены практические пределы температуры. Обратите внимание, что диапазон верхних температур для некоторых из этих жидкостей устанавливается тем фактом, что жидкость более высокого качества может использоваться при более высоких температурах.Более подробно это обсуждается в Совместимых жидкостях и материалах.

* Прокрутите вправо, чтобы просмотреть таблицу

Мин. Рабочая температура, ° C	Макс.рабочая температура, ° C	Рабочая жидкость	Материалы конверта	Комментарии
-271	-269	Гелий	Нержавеющая сталь, титан
-258	-243	Водород	Нержавеющая сталь
-246	-234	Неон	Нержавеющая сталь
-214	-160	Кислород	Алюминий, нержавеющая сталь
-203	-170	Азот	Алюминий, нержавеющая сталь
-170	0	этан	Алюминий, нержавеющая сталь	КТЭЦ ниже точки замерзания аммиака
-150	40	Пропилен	Алюминий, нержавеющая сталь, никель	LHP ниже точки замерзания аммиака
-100	120	Пентан	Алюминий, нержавеющая сталь
-80	50	R134a	Нержавеющая сталь	Используется для рекуперации энергии
-65	100	Аммиак	Алюминий, сталь, нержавеющая сталь, никель	Медь, титан несовместимы
-60	~ 100 до 125	Метанол	Медь, нержавеющая сталь	Наблюдается газ с Ni при 125 ° C, Cu при 140 ° C.Алюминий и титан несовместимы
-50	~ 100	Ацетон	Алюминий, нержавеющая сталь	Разлагается при более высоких температурах
-50	280	Толуол	Al 140 ° C, сталь, нержавеющая сталь, титан, Cu-NI	Образование газа при более высоких температурах (испытание на срок службы ACT)
20	280, краткосрочно до 300	Вода	Медь, монель, никель, титан	Кратковременная эксплуатация до 300 ° C.Алюминий, сталь, нержавеющая сталь и никель несовместимы
100	350	Нафталин	Al, сталь, нержавеющая сталь, титан, Cu-Ni	380 ° C кратковременно. Замерзает при 80 ° C
200	300, краткосрочно до 350	Dowtherm A / Therminol VP	Al, сталь, нержавеющая сталь, титан	Выработка газа увеличивается с повышением температуры.Несовместим с медью и Cu-Ni
200	400	AlBr 3	Хастеллойс	Алюминий не совместим. Замерзает при 100 ° C
400	600	Цезий	Нержавеющая сталь, инконель, Haynes, титан	Верхний предел, устанавливаемый, где K — лучшая рабочая жидкость.Монель, медь и медно-никель несовместимы
500	700	Калий	Нержавеющая сталь, инконель, Haynes	Установлен верхний предел, когда Na — лучшая жидкость. Монель и медь несовместимы
500	800	NaK	Нержавеющая сталь, инконель, Haynes	Установлен верхний предел, когда Na — лучшая рабочая жидкость.Монель и медь несовместимы
600	1100	Натрий	Нержавеющая сталь, инконель, Haynes	Верхний предел, установленный Хейнсом 230 Прочность ползучести
1100	1825	Литий	Вольфрам, ниобий.Молибден, TZM	Литий несовместим с суперсплавами. Реакция взаимодействия тугоплавких металлов с воздухом

Таблица 2.

Вернуться к рабочим жидкостям…

Вернуться к материалам, рабочим жидкостям и совместимости тепловых труб…

Справочные корреляции для теплопроводности жидких меди, галлия, индия, железа, свинца, никеля и олова

3.1 Экспериментальная часть

Расплавленные металлы, такие как медь, обладают высокой реакционной способностью при высоких температурах.Следовательно, трудно найти подходящий контейнер для материалов при измерении теплофизических свойств. Более того, конвекцию, вызванную неоднородным температурным полем в расплавленных металлах при высоких температурах, чрезвычайно трудно полностью избежать, так что измерение теплопроводности обычно затрудняется конвективными потоками тепла.

Для измерения теплопроводности расплавленной меди, галлия, индия, железа, свинца, никеля и олова использовалось большое количество методов.Применяемые методы включают в себя: переходную горячую проволоку, защищенный тепловой поток, лазерную вспышку, электромагнитную левитацию, температурную волну и горячий диск. Они будут кратко описаны в следующих параграфах.

Переходная горячая проволока

В этом методе ток подается на тонкую проволоку (или полосу) известной длины, которая действует как нагревательный элемент и как термометр сопротивления. Проволоку погружают в расплав, подают ток и измеряют повышение температуры проволоки как функцию времени.Теплопроводность вычисляется как обратная величина наклона линейной части графика зависимости повышения температуры от логарифма времени. Конвективный вклад в теплопередачу может быть обнаружен как отклонение от линейной зависимости, и обычно ток прилагается менее 1 с, чтобы избежать влияния конвекции, вызываемой плавучестью. Также были проведены эксперименты в микрогравитационном поле с использованием капельной башни для минимизации всех форм конвекции [17].

Основная проблема, связанная с применением этого метода к измерению теплопроводности металлов, заключается в необходимости изолировать металлическую проволоку от расплава. По этой причине провод изолируют с помощью покрытия из Al ₂ O ₃ или других оксидов металлов, нанесенного на провод. Для наиболее точной работы влияние изоляционного покрытия на повышение температуры провода должно быть оценено с помощью подходящей теории либо аналитически, либо численно для одномерной (радиальной) задачи теплопередачи.Недавняя работа показала, что если тонкая металлическая полоса внедрена в среднюю плоскость двух «зеленых» листов глинозема, подвергнутых горячему прессованию, чтобы сформировать жесткий датчик, возможен соответствующий численный анализ соответствующей двумерной задачи теплопередачи [18–18]. 20]. Правильный выбор размеров датчика позволяет определять значения теплопроводности жидких металлов, окружающих композитный датчик, с хорошей точностью. Методика имеет существенно точное рабочее уравнение с полным набором теоретических поправок, которые могут быть применены экспериментально и точно [18–20].

Защищенный тепловой поток

Это стационарный метод, при котором известное тепловложение подводится к одному концу образца и удаляется с другого через радиатор [9]. Этот метод очень похож на метод защищенной горячей пластины [21], с той лишь разницей, что падение температуры через образец в направлении теплового потока измеряется термопарами, погруженными в образец, а не просто помещенными в нагревательный элемент. тарелки. Технику можно разделить на две категории в зависимости от используемой геометрии, т.е.е., радиальный и осевой метод теплового потока.

Приборы для измерения радиального теплового потока требуют достаточно большого отношения длины образца к его диаметру, чтобы гарантировать, что весь тепловой поток в образце является радиальным. Метод радиального теплового потока также известен как метод концентрических цилиндров. Самым большим преимуществом приборов с защищенным тепловым потоком является простая геометрия и относительно простая установка после того, как проблема локализации решена. Основными проблемами являются предотвращение конвективных потоков внутри расплава.Основное рабочее уравнение для метода — это просто одномерный закон Фурье, но отклонения большинства инструментов от идеала, к которому применяется это основное уравнение, часто существенны, а поправки редко имеют точные теории.

Лазерная вспышка

Принцип метода заключается в облучении лицевой поверхности небольшого образца исследуемого материала в виде тонкого диска короткоживущим однородным импульсом высокой интенсивности от мощного лазерный источник [22, 23].Излучение, поглощаемое на передней поверхности, вызывает тепловой импульс, который распространяется через образец. Результирующее повышение температуры задней поверхности диска отслеживается как функция времени с использованием подходящего детектора и системы сбора данных. Детектор повышения температуры может быть инфракрасным детектором, оптическим пирометром или даже термопарой. Этот метод определяет коэффициент температуропроводности на основе анализа наблюдаемой температурной истории с использованием теории, которая хорошо обоснована для идеального случая.Неопределенность метода применительно к расплавленным металлам при высоких температурах является спорным, потому что существует вероятность конвективного потока внутри образца (особенно, если для облучения используются времена, превышающие 2 с), поскольку нагретая передняя поверхность часто находится ниже поверхности жидкости. для практических целей. Поскольку поверхность жидкого металла не всегда наблюдается непосредственно детектором, возможны систематические ошибки, вносимые в результаты промежуточными поверхностями. Тем не менее этот метод широко используется для измерения теплопроводности расплавов.

Электромагнитная левитация

В технике электромагнитной левитации (EML) верхняя часть электромагнитно левитирующей капли периодически нагревается модулированным источником света, то есть модулированным полупроводниковым лазером, а затем изменяется температура в нижней части капля обнаруживается пирометром. Теплопроводность получается из фазовой задержки между модулированным лазерным нагревом и изменением температуры, измеренной на различных частотах модулированного света.Детали модели предоставлены Tsukada et al. [24] и Баба и др. [25]. Этот метод является бесконтейнерным, поэтому он устраняет риск гетерогенного зародышеобразования на стенках контейнера.

Конвекция, вызванная электромагнитной силой в расплавленной капле, вместе с плавучестью и конвективными эффектами Марангони может повлиять на тепловое поле и, следовательно, на измерение теплопроводности расплавленного металла. Для подавления конвективного теплообмена иногда используют статическое магнитное поле [25].

Температурная волна

Основная идея этого метода — создание теплового импульса в центре полусферического тигля, заполненного исследуемым материалом, в который помещается датчик температуры (например, термопара) на фиксированной высоте. и измеренное расстояние от центра. Измерение времени задержки температурного импульса между источником и датчиком дает информацию о температуропроводности материалов. В случае измерения температуропроводности расплавленного металла образец плавится в фарфоровом тигле, и локальный отвод тепла создавался испарением капли воды, падающей в тонкостенную стальную полусферу в центре поверхности. расплава.Хромель-алюмелевые термопары располагались на разном расстоянии от центра, и их температура измерялась как функция времени. Полная математическая модель описана Зиновьевым и соавт. [26]. Теплопроводность получается косвенно, через коэффициент температуропроводности, который является величиной, измеренной напрямую.

Можно утверждать, что вклад конвекции будет иметь тенденцию быть небольшим из-за короткой продолжительности эксперимента, но это предположение может быть неверным, поскольку циркуляционные потоки могут возникать из-за плавучести и термокапиллярных сил, вызванных большими градиентами температуры.Этот метод также известен как плоская температурная волна, радиальная температурная волна или метод модулированного луча.

Горячий диск

В этом методе резистивный элемент используется как в качестве источника тепла, так и в качестве датчика температуры и, в идеальном случае, помещается в бесконечный образец исследуемого материала. На практике все пытаются сделать маленькими, чтобы ограничить количество необходимого жидкого металла [27]. Это, во-первых, означает, что источник тепла должен быть очень тонким, а, во-вторых, его электрическое сопротивление должно быть как можно большим, чтобы его можно было применять на небольших образцах и обеспечить высокую чувствительность к измерениям температуры.

Плоский источник тепла часто представляет собой резистивный элемент, созданный по заданной схеме с помощью методов осаждения на изоляционный материал или с помощью тонкой металлической фольги. В обоих случаях резистивный элемент должен быть зажат между тонкими электроизоляционными слоями. Он погружается в расплав, и к нему подается постоянный ток, достаточный для повышения температуры датчика на 1-2 К. При изменении температуры датчика изменяется и его сопротивление. Следовательно, отслеживание изменения сопротивления в зависимости от времени позволяет получить тепловую предысторию датчика, по которой можно получить теплопроводность образца.Несмотря на то, что резистивный элемент источника тепла может иметь любую форму, по причинам экспериментального и теоретического удобства используемые устройства имеют форму «горячая пластина / квадрат» или «горячие диски».

Хотя этот метод широко используется для измерений на большом количестве материалов, это не абсолютный метод, и приборы настолько отклоняются от простейшей идеальной модели, что у него нет теоретического аналитического решения процесса теплопередачи. Большинство коммерческих плоских источниковых устройств поставляется с подходящим программным обеспечением, которое численно решает уравнения теплопередачи в частных производных.Обычно неясно, в какой степени моделирование эксперимента согласуется с физической реальностью, и калибровка важна. В случае расплавленных металлов, где отсутствуют стандартные эталонные значения высокого качества для калибровки, это проблематично.

3.2 Сборник данных

для представления, насколько нам известно, всех наборов данных для измерения теплопроводности жидкой меди, галлия, индия, железа, свинца, никеля и олова, представленных в литературе.Эти измерения теплопроводности как функции температуры показаны в. В этих таблицах также представлены чистота образца, использованная методика и погрешность, указанная авторами, а также охватываемый диапазон температур. Кроме того, отмечается форма, в которой представлены данные (диаграмма, уравнение или таблица). Наборы данных были разделены на первичные и вторичные наборы в соответствии с критериями, представленными в разделе 2, и применяемыми методами.Как упоминалось ранее, весь набор данных для этих расплавленных металлов не позволяет строго применять упомянутые нами критерии. Важно отметить, что, как видно из таблиц, мы были вынуждены использовать данные, взятые из графического представления результатов, вопреки нашим предпочтениям. Если бы этот шаг не был сделан, доступные нам данные были бы сильно ограничены. В любом случае, поскольку неопределенности, заявленные для таких данных, обычно довольно велики, при их чтении из представленных диаграмм вносится небольшая дополнительная ошибка.

Измерения теплопроводности жидкой меди в зависимости от температуры: (○) Баба и др. . [25]; (△) Куско и Монаган [22]; (+) Сибата и др. . [55]; (▲) Зиновьев и др. . [62]; (◆) Тай и Хайден [9]; (- -) Филиппов [63]; (■) Fieldhouse и др. . [43]. Предыдущая справочная корреляция Миллса и др. . [11], (▬) и справочные значения Тулукского периода и др. . [10], ( ), также показаны. (….) температура плавления.

Измерения теплопроводности жидкого олова в зависимости от температуры: (◐) Савченко и др. [50]; (□) Nagai et al. [27]; (◒) Билек и др. [19]; (●) Peralta et al. [18]; (■) Склярчук и Плевачук [35]; (+) Ямасуэ и др. [7]; (⏃) Shibata et al. [55]; (▲) Хеммингер [33]; (⦵) Выдра и Арль [54]; (- -) Банчила и Филиппов [66]; (□ -) Филиппов [63]; (×) Зиновьев и др. [26]; (◇) Осипенко [38]; (⏀) Дутчак и Панасюк [37]; (○) Кинеке [32]; (◨) Юрчак и Филиппов [64]; (⬖) Пашаев [44]; (△) Никольский и др. [39]; (◑) Бидвелл [47]; (◆) Браун [41]; (⬙) Конно [42]. Предыдущая справочная корреляция Миллса и др. . [11], (▬) и оценочные справочные значения Touloukian et al . [10], ( ), также показаны. (….) температура плавления.

ТАБЛИЦА 1

Наборы данных, учитываемые для теплопроводности жидкой меди при 0,1 МПа

1 1 9270.99

Первый автор	Publ. год	Арт.	Чистота a (мас.%)	Используемая методика b	Указанная погрешность (%)	No.данных	Темп. Диапазон (K)	Форма данных c
Предыдущее эталонное соотношение / значения
Миллс	1996	[11]					–1780	E
Тулукский	1970	[10]			3-5	10	1355–2400	P
Первичные данные
Баба	2012	[25]	99.99	Электромагнитная левитация	10	24	1382–1665	D
Cusco	2002	[22]	99.98	Лазерная вспышка 9 (TD70	) 9 (TD70	) 1356–1435	D
Зиновьев	1994	[62]	99.99	Температурная волна (TD)	5	4	1364–1425	D 1979	[9]	л.с.	Защищенный тепловой поток	10	7	1373–1673	P
Вторичные данные
Shibata	2002	[55]	—	Лазерная вспышка (TD)	30	1408 DIP	1973	[63]	—	Температурная волна (TD)	—	6	1367–1760	D
Fieldhouse	1956	9 [4399]	Защищенный тепловой поток	2	7	1361–1761	P

ТАБЛИЦА 7

Рассмотрены наборы данных для теплопроводности жидкого олова при 0,1 МПа

9000 97013 97013

---

99 54] 927cha13 538–1698k.00990 [42] D D Температура (волна) TD)

Publ. год	Арт.	Чистота (мас.%)	Используемая методика a	Указанная погрешность (%)	Количество данных	Темп. Диапазон (K)	Форма данных b
Предыдущее эталонное соотношение / значения
Миллс	1996	[11]				–2073	E
Тулукский	1970	[10]			5–15	9	505–1300	P
Первичные данные
Савченко	2011	[50]	99.996	Лазерная вспышка (TD)	2,5–3,5	21	513–1173	D
Bilek	2006	[19]	99.999	Переходный процесс 9	628–872	P
Nagai	2006	[27]	99.999	Горячий диск	—	5	53170990	53170	50	531701699 Peral	2006	[18]	99.99	Переходный ток горячей проволоки	2	8	534–731	P
Склярчук	2005	[35]		Защищенный тепловой поток 7	7	Охраняемый тепловой поток 7	610	D
Hemminger	1985	[33]	99.999	Защищенный тепловой поток	5	17	512–769		O
99.90	Лазерная вспышка (TD)	5	9	1261–2068	D
Зиновьев	1973	[26]	—	Температурная волна (TD701	) 7	506–592	D
Осипенко	1970	[38]	—	Охраняемый тепловой поток	—	8	1967	[37]	—	Охраняемый тепловой поток	—	5	526–775	D
Kineke	1967	[3299]	Охраняемый тепловой поток	2	5	552–594	D
Никольский	1959	[39]	—	Охраняемый тепловой поток 13 29150		–834	D
Коричневый	1923	[41]	—	Защищенный тепловой поток	—	3	537–621	P
—	Защищенный тепловой поток	—	3	565–772	P
Вторичные данные
Ямасуэ	2003	[7]	99.90	Переходная горячая проволока	4	10	573–1473	D
Shibata	2002	[55]	—	Лазерная вспышка (TD 30 2	)		623,829	D
Banchila	1973	[66]	99.995	Температурная волна (TD)	6	14	1153–1970
[63]	—	Температурная волна (TD)	—	10	507–1609	D
Юрчак	1965	[64]	6–8	22	868–1226	D
Пашаев	1961	[44]	99.94	Защищенный тепловой поток	5	5	513–608	D
Bidwell	1940	[47]	—	Защищенный тепловой поток	1 2	1 2	–745	D

Мы обсуждаем категоризацию отдельных работ среди полного набора доступных нам данных по теплопроводности жидкостей ниже для каждого отдельного метода.

Перальта и др. Недавно применили метод переходного процесса с нагревом проволоки. [18] и Bilek et al. [19, 20] с погрешностью 2 и 3%. Эти измерения, выполненные с двумя проволоками, встроенными в подложку из оксида алюминия, считаются лучшими измерениями, существующими на сегодняшний день, поскольку они основаны на строгой и полной теории; таким образом, они являются частью первичного набора данных по каждому исследованному металлу. Тот же метод был использован, но с большей неопределенностью, Miyamura and Susa [28] и Fukuyama et al. [29], с соответствующими погрешностями 15 и 18%.Эти измерения также были включены в набор первичных данных, но с меньшим весом. Измерения Yamasue et al. [7] и Nagata et al. [17] не были включены в набор первичных данных, поскольку их результаты были намного ниже, чем результаты всех других измерений. Это наблюдение было связано с проблемами с изоляцией провода (исправлено в их статье 2006 г. [29]). Наконец, измерения переходных процессов с помощью горячей проволоки, проведенные Накамурой и др. [30] также были включены в набор первичных данных.

Метод защищенного теплового потока, в различных вариантах, является наиболее распространенным методом измерения теплопроводности жидких металлов. Измерения Голдратта и Гринфилда [31], Кинеке [32], Хеммингера [33, 34], Склярчука и Плевачука [35] и Тая и Хайдена [9], выполненные с соответствующими погрешностями 1, 2–5, 3– 5, 7 и 10%, соответственно, все были включены в набор первичных данных, потому что в каждом случае было включено подробное описание их инструмента и принятых процедур.Измерения Магмедова [36], Дутчака и Панасюка [37], Осипенко [38], Никольского и др. [39], Пауэлл [40], Браун [41] и Конно [42] были включены в набор первичных данных, но с меньшим весом, поскольку они не обсуждали неопределенность своих результатов. Наконец, среди работ с этой техникой, измерения Fieldhouse et al. [43], Пашаев [44], Даггин [45, 46] и Бидуэлл [47] были исключены из набора первичных данных, потому что они слишком сильно отклонялись от консенсуса всех других измерений (см. E.грамм. Fieldhouse et al. [43] на Рисунке 1, Пашаев [44] на Рисунке 2, Даггин [45, 46] на Рисунке 5 и Бидвелл [47] на Рисунке 5).

Как уже обсуждалось, метод лазерной вспышки непосредственно измеряет коэффициент температуропроводности α (м ² · с ⁻¹ ) образца, а не теплопроводность, λ (Вт · м ^{). −1} · K ⁻¹ ). Эти два связаны уравнением

, где ρ (кг · м ⁻³ ) — плотность расплава, а C _P (Дж · кг ⁻¹ · K ⁻¹ ). его изобарная теплоемкость.Для рассматриваемых здесь жидких металлов мы уже опубликовали эталонные корреляции плотности [1–4], а теплоемкость легко доступна в литературе (например, [48]), так что проведенное нами преобразование несложно, хотя и вносит небольшую дополнительную погрешность в значения теплопроводности. Недавние измерения Савченко и др. [49–51], выполненные с погрешностями 2,5–5%, удовлетворяют большинству критериев для первичных данных и, таким образом, были включены в набор первичных данных.

Измерения с использованием метода лазерной вспышки также были выполнены Nishi et al. [52], Cusco and Monaghan [22], Schriempf [53] и Otter and Arles [54], с соответствующими оценочными неопределенностями в 3,3, 12, 5 и 5%, и они также составляли часть первичного набора данных. . Измерения 2002 г., проведенные Shibata et al. [55], выполненные с погрешностью 30%, рассматривались как вторичные данные. Их техника была улучшена в их статье 2003 г. [52]. Наконец, измерения Хусаиновой и Палова [56] также рассматривались как второстепенные, поскольку в статье не приводилась оценка неопределенности, а результаты были неизменно ниже, чем все остальные.

Техника электромагнитной левитации использовалась Баба и др. [25] и Sugie et al. [57] с соответствующими неопределенностями 10 и 5%. Эти два набора были включены в первичный набор данных. Измерения Kobatake et al. [58], хотя они не указывают на неопределенность, также были включены в набор первичных данных, потому что они принадлежат той же исследовательской группе, которая предоставила надежные результаты [25, 57].

Температурно-волновую технику использовали Виттенберг [59], Ильиных и др. [60], Зиновьев и др. [61, 62] для измерения температуропроводности свинца и олова в 1973 году [59], железа в 1984 году [60], железа и никеля в 1986 году [61] и меди в 1994 году [62]. Их результаты, полученные с оценочной неопределенностью 5–10%, были включены в набор первичных данных. Измерения Филиппова 1973 г. [63], однако, не включают обсуждения неопределенности, и значения значительно отклоняются от согласованного мнения всех других измерений. Следовательно, этот набор не был включен в число первичных данных.Измерения Юрчака и Филиппова [64] также были исключены из первичного набора данных, поскольку они значительно отклонялись от всех других измерений при высоких температурах. Используя тот же прибор, Atalla et al. Опубликовали значения температуропроводности при очень высоких температурах. [65] и Банчила и Филиппов [66]; они также были исключены из набора первичных данных.

Наконец, измерения Nagai et al. [27], выполненные на приборе с горячим диском, также были включены в набор первичных данных, но с меньшим весом, поскольку не было включено обсуждение их неопределенности.Следует также отметить, что в трех случаях не удалось получить какую-либо информацию о применяемой методике [67–69], и поэтому эти измерения были рассмотрены как вторичные данные.

3.3 Эталонная корреляция теплопроводности

Первичные данные теплопроводности жидкой меди, галлия, индия, железа, свинца, никеля и олова, показанные соответственно, были использованы в линейном регрессионном анализе для представления теплопроводности при 0,1 МПа. , как функция температуры.Линейное представление было адекватным с учетом указанных неопределенностей для данных. Указанные неопределенности значительно различались, и данные в основном были взвешены обратно пропорционально их неопределенности. В случае, когда количество данных конкретного исследователя было очень большим по сравнению с другими, вышеупомянутый вес был уменьшен (на коэффициент, равный среднему количеству данных других исследователей, разделенному на количество данных конкретного исследователя). следователь).Следующее уравнение использовалось для теплопроводности λ (Вт · м ⁻¹ · K ⁻¹ ) как функции абсолютной температуры T (K):

λ = c ₁ + c ₂ ( T — T _m ),

(2)

где коэффициенты c ₁ (W · М ⁻¹ · K ⁻¹ ), c ₂ (Вт · м ⁻¹ · K ⁻² ), и нормальная температура плавления T _{· m} (K) показаны в.В той же таблице указаны точка плавления и применимый температурный диапазон. Наконец, также показана расширенная неопределенность 2σ (%) приведенного выше уравнения при уровне достоверности 95%.

Таблица 8

9 28,403

	T диапазон (K)	c 1 (Вт · м −1 · K −1 )	c 2 (Вт · м −1 · K −2 )	T m (K)	T m Арт.	2σ, 95% (%)
Медь	1358-1700	150,49	0,070410	1357,77	[2]	9,8
9,8
0,071896	302,914	[1]	15,9
Индий	430–1300	36,493	0,029185	9270	0,029185	9270
	42170	7
Железо	1815-2050	36,349	0,0096207	1811	[1]	13,7
Свинец	602–1150		602–1150	600	602–1150	3]	16,9
Никель	1730 — 2000	54,182	0,020970	1728	[3]	7,7
50	50	50	50037	0,023397	505,8	[2]	12,6

In to, процентные отклонения первичных данных, использованных для вывода уравнения. (2) из ​​приведенного выше уравнения для жидкой меди, галлия, индия, железа, свинца, никеля и олова показаны соответственно. Все отклонения, показанные на этих рисунках, находятся в пределах взаимной неопределенности, заявленной каждым исследователем, и стандартного отклонения уравнения. (2).

Отклонения в процентах первичных данных теплопроводности жидкой меди в зависимости от температуры: (○) Баба и др. .[25]; (△) Куско и Монаган [22]; (▲) Зиновьев и др. . [62]; (◆) Тай и Хайден [9]. Предыдущая справочная корреляция Миллса и др. . [11], (▬) и справочные значения Тулукского периода и др. . [10], ( ), также показаны. (….) температура плавления.

Отклонения в процентах первичных данных теплопроводности жидкого олова в зависимости от температуры: (◐) Савченко и др. [50]; (□) Nagai et al. [27]; (◒) Билек и др. [19]; (●;) Peralta et al. [18]; (■) Склярчук и Плевачук [35]; (▲) Хеммингер [33]; (⦵) Выдра и Арль [54]; (×) Зиновьев и др. [26]; (◇) Осипенко [38]; (⏀) Дутчак и Панасюк [37]; (○) Кинеке [32]; (△) Никольский и др. [39]; (◆) Браун [41]; (⬙) Конно [42]. Предыдущая справочная корреляция Миллса и др. . [11], (▬) и оценочные справочные значения Touloukian et al . [10], ( ), также показаны. (….) температура плавления.

Отметим, что для некоторых металлов, а именно галлия, индия, свинца и олова, результаты Peralta et al. [18] и Bilek et al. [19, 20] имеют значительно меньшую неопределенность, чем стандартное отклонение аппроксимации, полученное для всей корреляции. Вполне возможно, что оценочная неопределенность корреляции в области более низких температур, которую они охватывают, может быть уменьшена. Однако отсутствие каких-либо подтверждающих измерений с помощью другого метода предполагает, что лучше проявить осторожность, пока их работа не будет подтверждена другими точными исследованиями.

Значения теплопроводности рассчитываются по формуле. (2) перечислены в.

Таблица 9

Рекомендуемые эталонные значения теплопроводности для жидких металлов при 0,1 МПа

11 901 50111

	Медь	Галлий	Индий	Железо	Свинец	Никель 3	Никель 9279 9356 935 T (K)	Теплопроводность, λ (Вт · м −1 · K −1 )
350		31.8
400		35,4									901 901 901		901 901 901		901 901 901
500		42,6	38,5
550		46.2	40,0				29,1
600		49,8	41,5														16,5		31,4
700		57,0	44,4		16,9		32.6
750		60,5	45,8		17,3		33,8
800		64,1		64,1				901 501 901 501	850		67,7	48,8		18,1		36,1
900			50.2		18,4		37,3
950			51,7		18,8		38,4		38,4		38,4		39,6
1050			54,6		19,6		40,8
1100	.1		20,0		41,9
1150			57,5 ​​		20,4		1200 901		43,1		44,3
1250			60,4				45,4
1300		61.9				46,6
1350										47,8
47,8
49,0
1450	157,0						50,1
1500	160.5						51,3
1550	164,0																53,6
1650	171,1						54.8
1700	174,6						56,0
1750
1750										55,7	58,3
1850				36.7		56,7	59,5
1900				37,2		57,8	60,7
	60,7
	60,7
61,8
2000				38,2		59,9	63,0
2050					9016

% PDF-1.3 % 594 0 объект > эндобдж xref 594 73 0000000016 00000 н. 0000001811 00000 н. 0000001911 00000 н. 0000002411 00000 н. 0000002641 00000 п. 0000003032 00000 н. 0000003128 00000 н. 0000004232 00000 н. 0000004502 00000 н. 0000004524 00000 н. 0000004804 00000 п. 0000004826 00000 н. 0000005499 00000 н. 0000005521 00000 н. 0000006402 00000 п. 0000006424 00000 н. 0000007200 00000 н. 0000007222 00000 н. 0000008009 00000 н. 0000008031 00000 н. 0000008886 00000 н. 0000009164 00000 п. 0000009452 00000 н. 0000009474 00000 н. 0000010265 00000 п. 0000010286 00000 п. 0000010307 00000 п. 0000010329 00000 п. 0000011118 00000 п. 0000011140 00000 п. 0000012042 00000 п. 0000012064 00000 н. 0000012621 00000 п. 0000012643 00000 п. 0000013553 00000 п. 0000013576 00000 п. 0000014918 00000 п. 0000014941 00000 п. 0000017319 00000 п. 0000017342 00000 п. 0000018864 00000 п. 0000018886 00000 п. 0000019636 00000 п. 0000019659 00000 п. 0000021477 00000 п. 0000021500 00000 н. 0000023633 00000 п. 0000023655 00000 п. 0000024753 00000 п. 0000024776 00000 п. 0000026611 00000 п. 0000026634 00000 п. 0000031747 00000 п. 0000031770 00000 п. 0000036995 00000 п. 0000037018 00000 п. 0000038998 00000 н. 0000039020 00000 н. 0000039574 00000 п. 0000039597 00000 п. 0000042814 00000 п. 0000042837 00000 п. 0000046503 00000 п. 0000046526 00000 п. 0000050208 00000 п. 0000050231 00000 п. 0000055108 00000 п. 0000055130 00000 п. 0000056280 00000 п. 0000056303 00000 п. 0000057848 00000 н. 0000001975 00000 н. 0000002389 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 595 0 объект > эндобдж 596 0 объект > эндобдж 665 0 объект > поток Hb«a« ޘ Ab @ ֠ u9NL CPSG [T5ŧ8xjEyKONQ0rztGtFcfŽCB) dy = * [* 0yCMBHRNb nyX4 = & e1 (k`V« $

Температура, кристаллическая фаза и влияние тонких частиц сульфида меди на влияние импульсных свойств сульфида меди в субстрате Пленки

Экспериментальная

Повышение температуры пленки во время IPL происходит быстрее с увеличением плотности импульса и коэффициента заполнения, а максимальная температура пленки выше с увеличением количества импульсов (рис.2а – в). Повышение температуры за импульс, показанное на рис. 2a, b, также наблюдалось для плотностей энергии E2 и E3 (см. Дополнительный рис. S1). Прошлые работы по IPL НЧ металлического серебра показали, что есть поворотный момент в эволюции температуры после определенного количества уплотнения между НЧ, и что после этого момента пиковая температура в каждом импульсе снижается от одного импульса к другому (рис. 2d). ). Также было показано, что это происходит из-за прогрессирующего снижения оптического поглощения нанесенными наночастицами в энергетическом спектре ксеноновой лампы (400–700 нм) с увеличением усадки и роста шейки ³ .Несмотря на значительную усадку и фазовый переход в пленке в наших экспериментах (показано ниже), здесь не наблюдается заметной точки поворота в эволюции температуры пленки.

Рис. 2

Характерная эволюция температуры пленки при различной скважности импульса и количестве импульсов и при ( a ) плотности энергии E1 ( b ) плотности энергии E4. ( c ) Максимальная температура пленки, усредненная по крайней мере по трем измерениям для изменения плотности энергии импульса IPL, количества импульсов и рабочего цикла.Нулевые импульсы и рабочий цикл представляют собой неспеченную пленку. Стандартное отклонение при измерении пиковой температуры составляло 10–15%. ( d ) Типичный пример изменения температуры и точки поворота во время IPL наночастиц Ag ³ .

СЭМ-изображения неспеченных пленок (рис. 3а) показывают индивидуально различимые НЧ с шероховатой и неровной поверхностью из-за более крупных агрегатов НЧ, выступающих из поверхности пленки. Пленки после IPL (рис. 3b – e) показывают значительное уменьшение индивидуально различимых НЧ и сглаживание агрегатов НЧ, что указывает на слияние НЧ.На рис. 4а, б показано уменьшение толщины пленки и шероховатости поверхности с увеличением числа импульсов и рабочего цикла при заданной плотности энергии. Это происходит из-за испарения серы, усадки между НЧ из-за слияния НЧ или комбинации обоих явлений. Небольшое увеличение толщины пленки для плотности энергии E3 и E4 при 5 импульсах (рис. 4a) и более значительное увеличение при рабочем цикле 0,15% (рис. 4b), вероятно, связано с образованием Cu ₂ SO ₄ , побочный продукт окисления во время отжига пленок Cu _x S на воздухе, который увеличивает массу пленки ^24,34 .Слабые пики Cu ₂ SO ₄ наблюдались при этих параметрах IPL, как показано ниже на рис. 5c, d. На рис. 4c, d показано уменьшение средней шероховатости пленки с увеличением рабочего цикла и количества импульсов, что подтверждает наблюдение плавления NP в более гладкую поверхность благодаря IPL.

Рисунок 3

Типичные СЭМ-изображения поперечного сечения ( a ) пленки после осаждения и пленок после IPL при ( b ) Fluence E1 ( c ) Fluence E2 ( d ) Fluence E3 ( e ) Fluence E4.Все изображения после IPL показаны для 5 импульсов и рабочего цикла 0,15%. Красные шкалы длины соответствуют 500 нм.

Рисунок 4

Толщина пленки для ( a ) переменного числа импульсов и плотности энергии при рабочем цикле 0,15% ( b ) при изменении рабочего цикла и плотности энергии для 5 импульсов. Маркеры показывают среднюю толщину, а полосы ошибок показывают стандартное отклонение по 10 измерениям. Средняя шероховатость R _a для ( c ) переменного числа импульсов и плотности энергии при рабочем цикле 0,15% ( d ) при изменении рабочего цикла и плотности энергии для 5 импульсов.Нулевые импульсы и рабочий цикл представляют собой неспеченную пленку.

Рисунок 5

Спектры GIXRD для плотности потока энергии IPL ( a ) E1 ( b ) E2 ( c ) E3 ( d ) E4. и представляют собой пики ковеллита и дигенита соответственно. Атомное процентное соотношение S к Cu для различного ( e ) числа импульсов ( f ) рабочего цикла. Маркеры показывают среднее отношение S к Cu, а полосы ошибок показывают стандартное отклонение по пяти измерениям для каждой комбинации параметров IPL.Нулевые импульсы и рабочий цикл представляют собой неспеченную пленку.

Интенсивность в сравнении с 2 θ графиками из GIXRD (рис. 5a – d) показывают, что осажденная пленка в значительной степени аморфна из-за отсутствия четко различимых пиков. Спеченные пленки IPL показывают кристаллические пики, которые можно отнести к гексагональному ковеллиту CuS (карта JCPDS 06-0464) и кубическому дигениту Cu _1,8 S (карта JCPDS 24-061).

Некоторые пики ковеллита и дигенита при 2θ = 27,75 ° по своей природе перекрываются, а некоторые пики для CuS (основной пик 2θ = 31.82 °, второстепенный пик 2θ = 32,87 °) и Cu _1,8 S (основной пик при 2θ = 32,15 °) здесь трудно различить. Однако другие пики для CuS (основные пики 2θ = 29,46 °, 48,06 °; второстепенные пики 2θ = 52,84 °, 59,56 °) и для Cu _1,8 S (основной пик 2θ = 46,42 °; второстепенный пик 2θ = 55,06 °) являются четко различимы, так что можно идентифицировать преобладающую кристаллическую фазу в пленке. На что указывает возрастающая интенсивность основного пика ковеллита 2θ = 48,06 ° по сравнению с интенсивностью 2θ = 46.Основной пик дигенита 42 ° (рис. 5а), при низком флюенсе E1 пленка после IPL имеет в основном фазу ковеллита, и преобладание фазы ковеллита возрастает с увеличением числа импульсов и рабочего цикла. При промежуточных флюенсах E2 и E3 (рис. 5b, c) пики дигенита начинают преобладать до тех пор, пока при флюенсе E4 (рис. 5d) не образуется первичная фаза дигенита с почти полным исчезновением содержания ковеллита. Сравнивая эти наблюдения с максимальной температурой пленки на рис. 2c, мы видим, что преобладающая кристаллическая фаза ковеллита получается при температурах всего 126 ° C в пределах 2.3 секунды IPL (плотность энергии E1, 5 импульсов, рабочий цикл 0,15%) и перекристаллизация в фазу, богатую дигенитом, происходит при температурах всего лишь 155 ° C в течение 7,1 секунды после IPL (плотность энергии E2, 5 импульсов, рабочий цикл 0,08%) .

В предыдущей работе сообщалось о рекристаллизации аморфных пленок NP Cu _x S до ковеллита при 200 ° C и дигенита при 250 ° C после обычного термического отжига в течение часа ³⁵ . Температура и время, в течение которых мы наблюдаем перекристаллизацию этих фаз в наших экспериментах IPL, даже ниже, чем указанные выше значения.Вероятно, это связано с комбинацией более высокой удельной поверхностной энергии наночастиц, которая снижает температуру, необходимую для испарения атомов серы из решетки и последующей перегруппировки оставшихся атомов, приводящей к рекристаллизации ³⁶ , и быстрого локализованного нагрева пленки за счет свет ксеноновой лампы, хотя точный вклад каждого эффекта еще предстоит проверить. Насколько нам известно, предыдущие работы по IPL халькогенидов не показывают изменения кристаллической фазы ^{6,28,29,30,31,32} , хотя наблюдается изменение размера кристаллитов из-за спекания.

На рис. 5c, d также показан слабый пик Cu ₂ SO ₄ при 2θ = 41,48 ° (номер карты JCPDS 11-0646), что указывает на то, что присутствующие продукты окисления в основном находятся в аморфной форме. Это образование Cu ₂ SO ₄ , вероятно, ответственно за увеличение толщины, наблюдаемое при плотности энергии E3 и E4 при рабочем цикле 0,15% и 5 импульсах (рис. 4a, b).

Отношение атомного процента серы к меди в пленке (рис. 5e, f), измеренное с помощью EDS, показывает, что осажденная пленка имеет стехиометрию, соответствующую Cu _1.8 S. Общее уменьшение отношения S к Cu после IPL указывает на потерю серы из пленки с увеличением плотности энергии, количества импульсов и рабочего цикла при IPL, которые совпадают с увеличением максимальных температур пленки (рис. 2c). Уменьшение содержания серы во время IPL происходит из-за ее испарения из пленки, как это видно при обычном отжиге пленок Cu _x S на воздухе ^18,23,24,34 . Типичные спектры EDS для голой стеклянной подложки, пленки после осаждения и спеченной пленки IPL можно найти на дополнительном рис.S2. Поскольку осажденная пленка богата серой с последующим испарением серы и одновременным повышением температуры во время IPL, фазовая эволюция на рис. 5a – d соответствует фазовой диаграмме Cu-S ³⁷ .

На рис. 6a – c сравните процент отражения, пропускания и поглощения пленки после IPL для плотности энергии E1 с плотностью пленки после осаждения. Сравнение дополнительных плотностей энергии E2 и E4 показано на дополнительном рисунке S3a, –c. Эти оптические свойства сравниваются для различных используемых параметров IPL при 550 нм (длина световой волны для человеческого зрения ¹⁶ ) и на длине волны в ближнем инфракрасном диапазоне 2000 нм на дополнительном рис.S3d и e соответственно. Изменение оптических свойств после IPL на фотопической длине волны невелико, например, пропускание после IPL на 550 нм составляет 55–65%, а у пленки после осаждения — 55% (рис. S3d). Пленки после IPL показывают снижение пропускания на длине волны 2000 нм почти на 30%, в основном из-за увеличения оптической плотности (рис. S3e). При заданном рабочем цикле и количестве импульсов незначительное увеличение пропускания и уменьшение поглощения на длине волны 2000 нм наблюдается при более высокой плотности энергии (например, при E4 = 15 Дж / см ² на рис.S3e), но не достигает таких же уровней, как неспеченная пленка. Обычно наблюдаемой особенностью отжига тонких пленок Cu _x S является снижение пропускания в ближнем ИК-диапазоне и увеличение поглощения в ближнем ИК-диапазоне, когда достигается уменьшение объемного удельного сопротивления по сравнению с пленкой после осаждения. Это приписывается механизму абсорбции свободных носителей ^16,38 . На рисунке 6 и дополнительном рисунке S3 показаны тенденции удельного сопротивления, пропускания в ближнем ИК-диапазоне и поглощения в ближнем ИК-диапазоне, которые согласуются с результатами этой прошлой работы.Наблюдаемая выше зависимость оптических свойств от параметров IPL объясняется тем, что кристаллическая фаза постепенно изменяется с CuS на Cu _1.8 S с увеличением плотности импульса IPL (рис. 5a – d) и что Cu _1.8 S Фаза обычно показывает меньшее поглощение и более высокое пропускание в ближней инфракрасной области по сравнению с фазой CuS ^16,23,39 . Изменение поглощения в ближней инфракрасной области после IPL также можно отнести к уменьшению толщины, но отсутствие тенденции в зависимости толщины от плотности потока энергии не позволяет легко устранить этот эффект.Эти оптические свойства также показывают, что использование термопары, встроенной в пленку для измерения изменения температуры ^25,26 , было бы затруднительно, поскольку пренебрежимо малое пропускание видимого света (например, рис. 6b) могло бы вызвать значительное прямое воздействие и нагрев термопара от ксеноновой лампы загорается сама.

Рисунок 6

Типичная пленка ( a ) Отражение ( b ) Коэффициент пропускания ( c ) Поглощение при плотности энергии E1. Объемное удельное сопротивление для различного ( d ) числа импульсов ( e ) рабочего цикла.Маркеры показывают среднее удельное сопротивление, а полосы ошибок показывают стандартное отклонение удельного сопротивления (метод расчета описан в разделе «Методы»). Нулевые импульсы и рабочий цикл представляют собой неспеченную пленку.

На рис. 6d, e показано, что объемное сопротивление пленок после IPL составляет около 10 ⁻³ −10 ⁻⁴ Ом · см и ниже, чем у пленки после осаждения, по крайней мере, на порядок величина. Обратите внимание, что ковеллитная фаза сульфида меди обычно показывает металлопроводность ²³ , в то время как дигенитная фаза демонстрирует более полупроводниковые свойства ^23,24,39 .Для флюенса E1 удельное сопротивление монотонно уменьшается с увеличением рабочего цикла и флюенса по мере развития фазы, богатой ковеллитом (рис. 5a). При флюенсе E2 снижение удельного сопротивления с увеличением числа импульсов и рабочего цикла уменьшается, поскольку в пленке появляется все более одинаковое содержание фаз дигенита и ковеллита (рис. 5b). Для флюенса E3 и E4 тенденции меняются, т. Е. Увеличение рабочего цикла и импульсов приводит к большему удельному сопротивлению из-за преобладания в пленке полупроводниковой фазы дигенита (рис.5в, г). Измерения эффекта Холла пленок после IPL показали большую концентрацию носителей заряда и пониженную подвижность носителей по сравнению с пленкой после осаждения (см. Дополнительный рисунок S4), и что изменения параметров IPL отражают соответствующие изменения объемного удельного сопротивления. . Как указывает положительный знак коэффициента Холла, пленки после IPL были полупроводниками типа p по сравнению с неопределенным знаком и типом проводимости, измеренными для пленки после осаждения.

Теоретический

Отсутствие наблюдаемой точки поворота температуры в экспериментах (рис. 2) и оптическое поведение в диапазоне 400–700 нм (рис. 6a – c и дополнительный рис. S3) указывает на то, что их мало или нет. связь между фазовым переходом, уплотнением НЧ и оптическим поглощением. Таким образом, здесь используется и расширяется обычное тепловое уравнение для прогнозирования температуры ^6,26 . Во время IPL на стеклянных подложках источником тепла для пленки является часть мощности ксеноновой лампы, которая поглощается пленкой, обозначенная здесь Вт . W , использованный в тепловой модели, был получен, как в уравнении (1). Здесь F — совокупная мощность по спектру ксеноновой лампы, которая выводится из лампы (уравнение (2)), P — постоянная мощность, потребляемая лампой, λ — длина волны, X ( λ ) представляет собой фракционный спектр мощности ксеноновой лампы, поставляемой производителем (см. дополнительный рисунок S5), а A ( λ ) представляет собой фракционное поглощение пленкой Cu _x S.{\ lambda = 700 \, nm} X (\ lambda) $$

(2)

Эта форма W учитывает абсорбционные характеристики тонкой пленки Cu _x S. Суммирование в уравнении (1) было выполнено от λ = 400 до 700 нм, поскольку большая часть энергии света ксеноновой лампы сосредоточена в этом диапазоне длин волн. Оптическая энергия лампы в ближнем инфракрасном диапазоне составляет не более 5% от общей энергии лампы, а любые длины волн ниже 300 нм отфильтровываются окном ксеноновой лампы.Оптическое поглощение пленки в этом диапазоне (рис. 7a, b и дополнительный рис. S6) показало, что разница в совокупном оптическом поглощении в видимой области между пленками после осаждения и после IPL составляет не более 10%. Таким образом, фиксировалась функция A (λ) , полученная из кривых поглощения пленки после осаждения. Учитывая небольшую толщину пленки, предполагалось, что свет ксеноновой лампы полностью проникает через пленку. Поскольку толщина пленки в нанометровом масштабе также подразумевает малое число Био и, таким образом, пренебрежимо малый тепловой градиент, индуцированный проводимостью внутри пленки ²⁷ , W предполагалось равномерно распределенным в объеме пленки.Обратите внимание, что незначительное изменение оптического поглощения в видимой области спектра в зависимости от параметров IPL подразумевает незначительное изменение величины Вт с уплотнением и изменением фазы во время IPL. Связь между уплотнением и оптическим поглощением в металлических наночастицах обусловлена ​​их зависимым от наноразмеров плазмонным поведением в видимом спектре, так что по мере того, как слияние наночастиц изменяет наноразмерную форму, изменяется и степень плазмонного поведения ³ . Cu _x S не проявляет плазмонного поведения в видимом спектре, а его полиморфы показывают незначительные различия в видимой оптической плотности, так что даже при фазовом переходе и слиянии НЧ наблюдается небольшое изменение поглощения света ксеноном.Этим объясняется отсутствие самоограничивающего поведения и точки поворота температуры при IPL пленок НЧ Cu _x S.

Рис. 7

Оптическое поглощение пленок после осаждения и после IPL с плотностью ( a ) E1 ( b ) E4. Прогнозируемая и экспериментальная температура пленки для ( c ) fluence E1-5 импульсов — 0,15% рабочего цикла ( d ) fluence E1-5 импульсов — 0,08% рабочего цикла ( e ) fluence E4-5 импульсов — 0,15% рабочего цикла цикл ( f ) плотность энергии Е4-5 импульсов-0.Рабочий цикл 08%. ( г ) Экспериментальная и предсказанная рассеянная энергия в пленке. A: плотность энергии E1-5 импульсов — коэффициент заполнения 0,15%, B: плотность потока энергии E1-5 импульсов — коэффициент заполнения 0,08%, C: плотность потока энергии E4-5 импульсов — коэффициент заполнения 0,15%, D: плотность потока энергии E4-5 импульсов — коэффициент заполнения 0,08% цикл ( ч ) I vs Q _exp график.

Рисунок 7c – f показывает, что существует хорошее согласие между теоретически предсказанными и экспериментально измеренными температурами пленки для рассмотренных здесь случаев валидации. Максимальная ошибка в прогнозировании пиковой температуры импульса составляет 20 ° C и возникает в первом импульсе с наименьшей плотностью энергии E1.

Как хорошо известно из прошлых работ по обычному отжигу системы Cu _x S ^12,18,34,40 , фазовый переход для данного исходного состава осажденной пленки определяется температурой. история фильма, т. е. сочетание температуры и времени. Сложная температурная история пленки при IPL может быть зафиксирована с помощью тепловой энергии, рассеиваемой в пленке из-за IPL. Экспериментально наблюдаемая рассеиваемая энергия Q _exp была рассчитана с использованием уравнения (3), где T _exp — экспериментально измеренная температура пленки, ρ и C _p — плотность и удельная теплоемкость пленки (значения показаны в дополнительной таблице S1), t _film — это толщина пленки, фиксированная на уровне 115 нм (т.е.е., средняя толщина пленки после осаждения на фиг. 4a, b), A _пленка — это площадь в плоскости пленки после осаждения, а t — время. Теоретически предсказанная рассеиваемая энергия после IPL, т. Е. Q _модель , была получена непосредственно из COMSOL. Рисунок 7g показывает, что тепловая модель дает хорошее согласие между Q _exp и Q _модель (максимальная ошибка 15%).{t = {\ rm {end}} \, {\ rm {of}} \, {\ rm {IPL}}} {\ dot {T}} _ {\ exp} dt $$

(3)

Экспериментально наблюдаемое изменение относительной степени содержания фазы дигенита и ковеллита в пленке было количественно зафиксировано как скалярное отношение I , определяемое как отношение интенсивности основного пика Cu _1,8 S с 2θ = 46,42 ° к этому значению. основного пика CuS 2θ = 48.06 ° в данных GIXRD (рис. 5a – d). Когда I больше 1, тогда преобладает фаза дигенита, и чем больше значение I , тем больше содержание дигенита по сравнению с фазой ковеллита.Когда I меньше 1, тогда преобладает фаза ковеллита, и чем меньше значение I , тем больше содержание ковеллита по сравнению с фазой дигенита. Если мы рассмотрим только эксперименты, в которых плотность энергии и количество импульсов меняются при постоянной скважности 0,15% (синие кружки на рис. 7h), появляется взаимосвязь между I и Q _exp , которая может быть аппроксимируется как линейная функция, когда Q _exp ≤ 2.6 миллиджоулей и как квадратичная функция, когда Q _exp > 2,6 миллиджоулей. Случаи с рабочим циклом 0,08% (красные квадраты на рис. 7h) также соответствуют этому соотношению, подтверждая его применимость.

Рисунок 7h также показывает, что фаза ковеллита образуется все больше, поскольку Q _exp приближается к 2,6 миллиджоулей, то есть I <1 и I уменьшается по величине с увеличением Q _exp .Когда Q _exp больше 2,9 миллиджоулей, тогда I > 1 и его значение увеличивается с увеличением Q _exp , т. Е. С увеличением Q _{образуется все более богатая дигенитом фаза. ехр} . Когда Q _exp составляет от 2,6 до 2,9 миллиджоулей, доминирующей фазой по-прежнему является ковеллит (т. Е. I все еще меньше 1), но значение I начинает увеличиваться и стремится к 1 с увеличением Q _exp , что указывает на то, что это промежуточная область, где фаза ковеллита все еще преобладает, но преобладает фаза дигенита.Это наблюдение согласуется с предыдущими работами, которые показывают, что теплота образования ковеллита ниже, чем у дигенита ⁴¹ .

Поскольку существует хорошее соответствие между расчетной и экспериментальной рассеиваемой энергией (рис. 7g), Q _exp по оси x на рис. 7h можно заменить на Q _модель , которая позволяет нам использовать подтвержденную тепловую модель (рис. 7c – f) для прогнозирования фазы после IPL, когда помимо стекла используются подложки.Для этого стеклянная подложка в тепловой модели была заменена поликарбонатом (ПК) и бумагой той же толщины, что и стекло, наряду с соответствующими тепловыми свойствами ПК и бумаги (см. Дополнительную таблицу S1). Предполагалось, что ПК будет визуально прозрачным, поэтому ксеноновый свет, проходящий через пленку Cu _x S, не нагревает ПК напрямую. Предполагалось, что бумажная основа будет визуально непрозрачной, из-за чего часть света ксеноновой лампы, проходящая через пленку, будет непосредственно нагревать поверхность бумаги на границе раздела пленка-бумага.Чтобы зафиксировать это явление, на границе раздела пленка-бумага был задан граничный источник тепла Q _b (рис. 2e) с использованием спектра пропускания пленки Cu _x S Tr (λ) , зависящего от длины волны, как показано в уравнении (4). Поскольку было незначительное изменение совокупного коэффициента пропускания пленки в диапазоне длин волн 400–700 нм после IPL (рис. 8a, b и дополнительный рис. S7), функция Tr (λ) была зафиксирована, как и полученная из осажденного фильм.{\ lambda = 700 \, nm} X (\ lambda)} $$

(4)

Рис. 8

Коэффициент пропускания пленки в диапазоне 400–700 нм для плотности энергии ( a ) E1 ( b ) E4. Расчетная температура пленки для ( c ) ПК и ( d ) бумажных носителей. ( e ) Прогнозируемая фаза пленки для ПК и бумажных носителей. ( f ) Прогнозируемые температуры подложки в конце последнего импульса для ПК и бумажных подложек. 0 обозначает дно субстрата.Все случаи показаны для рабочего цикла 0,15%.

Используя энергию, рассеянную в пленке, полученную в результате теплового моделирования, и зависимость I от рассеиваемой энергии, показанную на рис. 7h, фаза пленки была спрогнозирована для случаев использования бумаги и подложки ПК. Никакая экстраполяция не проводилась и не требовалась за пределами диапазона Q _exp , показанного на рис. 7h. Для подложки ПК при флюенсе 0,5 × E1 пиковая температура пленки ниже 100 ° C (рис.8в) и образуется преимущественно ковеллитовая фаза ( I = 0,87, рис. 8д). Флюенс 0,9 × E1 вызывает более высокую максимальную температуру пленки, чем флюенс E1 на стеклянной подложке, и соответствующая фаза пленки после IPL в основном представляет собой дигенит ( I = 4,261, рис. 8e). Более высокая пиковая температура на единицу флюенса по сравнению со стеклянными подложками в первую очередь связана с более низкой теплопроводностью ПК по сравнению со стеклом. Для бумажной подложки пиковая температура пленки на единицу плотности энергии значительно выше, чем для подложек из стекла и ПК (рис.8г). Низкие флюенсы 0,10 × E1 и 0,15 × E1 достаточны для повышения температуры пленки и рассеиваемой энергии, достаточной для создания ковеллита ( I = 0,52, рис. 8e) и фаз, богатых дигенитом ( I = 10,1, рис. 8e). соответственно. Это происходит из-за более низкой теплопроводности бумаги (0,05 Вт / м-К) по сравнению с ПК и стеклом, а также из-за наличия граничного источника тепла на границе раздела подложка-пленка из-за видимой непрозрачности бумаги.

Кроме того, рис. 8e показывает, что фаза с более высоким содержанием ковеллита (меньше I , а I <1) образуется с гораздо меньшей плотностью потока для бумажной подложки, чем с подложкой из ПК.То же самое верно для образования фазы дигенита с бумажной подложкой по сравнению с подложкой ПК. Обратите внимание, что использование такой же плотности энергии для ПК и бумажных подложек, что и для стеклянной подложки, приведет к более высоким температурам, чем предсказанные на рис. 8c, d, образованию только пленок, богатых дигенитом, и потенциально более сильному окислению пленки. Эти наблюдения показывают, что при управлении параметрами IPL для достижения желаемой фазы пленки необходимо тщательно учитывать оптические (как коэффициент пропускания, так и поглощение) и тепловые свойства пленки и подложки, а не только оптическое поглощение пленки и тепловые свойства. пленки и подложки.

На рис. 8f сравнивается тепловое проникновение в ПК и бумажную подложку в конце последнего включенного импульса, т. Е. Когда температура пленки и подложки самая высокая. Пока верхняя поверхность подложки находится при температуре пленки, температура падает на 65–70% на глубине примерно 50% в подложку. Пиковые температуры, испытываемые подложками, ниже, чем температура стеклования для ПК (150 ° C) и температура воспламенения для бумаги (233 ° C), что указывает на применимость этих материалов в качестве подложек для IPL из Cu _x S тонкого фильмы.Таким образом, разработанная здесь расширенная модель позволяет априори управлять параметрами IPL для достижения желаемой фазы пленки и одновременно позволяет оценивать градиенты температуры подложки, которые могут вызвать повреждение и искажение подложки.

тройных точек

32145 1369 9014 905 901 901 901 901 905 901 901 901 901 905 901 901 901 905 4 9014 901 901 901 901 9014 901 901 901 901 9014 9014 38169 9014 9014 901 9050 38169 9014 9014 901 9050 Вещество кДж / кг БТЕ / фунт калорий / г Уксусная кислота 402 173 96,0 9014 9014 9014 9014 5 Спирт 896 385 214 Спирт этиловый (этанол) 846 364 202 Спирт древесный, древесный спирт, древесный спирт ) 1100 473 263 Спирт, пропил 779 335 186 Аммиак 901 901 193 107.5 Бензол 390 168 93,2 Бром 193 83 83 46,1 9014 9014 9014 905 диоксид углерода 9014 905 574 247 137 Дисульфид углерода 351 151 83.9 Тетрахлорид углерода 194 9014 70 Хлороформ 247 106 59 Декан 263 113 62.8 Додекан 256 110 61,2 Эфир 377 162 90 Этиленгликоль 800145 Хладагент 145 R-11 180 77 43 Дихлордифторметановый хладагент R-12 165 71 39.4 Хлордифторметановый хладагент R-22 232 100 55,4 Глицерин 974 419 974 419 233 Гептан 318 137 76 Гексан 365 157 87,2 Водород 461 9014 9014 9014 901 901 901 901 901 901 9014 9014 901 901 9014 39 Керосин 251 108 60 Меркурий 295 127 70.5 Метилхлорид 406 174,6 97 Азот 199 86 47,5 214 92 51 Пропан 428 184 102 Пропилен 342 147 81.7 Пропиленгликоль 914 393 218 Сера 1510 650 360,7 351 151 83.9 Скипидар 293 126 70 Вода 2257 970.4 539 Данные из Engineering Toolbox Скрытая теплота испарения основана на температуре кипения жидкости при атмосферном давлении. Share This Post  :  Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт