Введение к работе
Актуальность работы. Жидкие металлы и сплавы находят широкое применение в самых различных областях науки и техники. Интерес к ним обусловлен, в первую очередь, уникальным комплексом свойств и, прежде всего, высокой теплопроводностью, а также достаточно низким давлением паров при высокой температуре, что позволяет использовать металлические расплавы в качестве высокотемпературных теплоносителей для ядерной энергетики и других отраслей промышленности. С фундаментальной точки зрения исследование свойств жидких металлов необходимы для разработки и апробации теории жидкого состояния, которая в настоящее время еще далека от своего завершения, поэтому основным источником получения необходимой информации остается эксперимент. Наличие данных по коэффициентам переноса тепла и, прежде всего, коэффициента теплопроводности, является необходимым условием для проведения научных и инженерных расчетов тепловых условий проведения процессов, а также режимов работы устройств и установок. Несмотря на значительный объем уже проведенных исследований, теплопроводность металлических расплавов остается одним из наименее изученных свойств. В настоящее время в области высоких температур не существует данных по теплопроводности расплавов, которые можно было бы рассматривать как эталонные. Результаты измерений расходятся и количественно (за пределы суммарных погрешностей), и качественно (разные знаки производной по температуре). По этой причине разработка новых методов измерения теплопроводности расплавов и получение достоверных экспериментальных данных с известной погрешностью являются актуальной задачей теплофизики.
Исследования, вошедшие в диссертацию, проводились по планам НИР Института теплофизики СО РАН (Гос. per. № 01201053707), а также в рамках проектов РФФИ (№07-08-00071, № 10-08-00802) и Российского Федерального агентства по образованию.
Основная цель работы состояла в разработке и апробации новой методики измерений теплопроводности жидких металлов, получении достоверных экспериментальных данных по коэффициентам теплопроводности и температуропроводности легкоплавких металлов и сплавов в широком (до 1400 К) интервале температур жидкого состояния, установлении общих закономерностей изменения свойств и разработке справочных таблиц для научного и практического использования.
Научная новизна:
1. Разработана и апробирована новая методика измерения тепло- и темпера
туропроводности металлов и сплавов в широком интервале температур жид
кого состояния методом лазерной вспышки. Г*
-
Получены новые прецизионные экспериментальные данные по коэффициенту температуропроводности нержавеющей стали 12Х18Н10Т, молибдена и тантала в интервале 293 - 1475...1775 К.
-
Получены достоверные экспериментальные данные по коэффициентам теплопроводности и температуропроводности жидких индия, олова, свинца и висмута, а также их сплавов от температуры плавления до 1000- 1400 К. В настоящее время измерения свойств расплавов (кроме висмута) выполнены в наиболее широком интервале температур. Разработаны справочные таблицы температурных зависимостей коэффициентов температуропроводности и теплопроводности всех исследованных расплавов и оценены их погрешности.
-
Рассчитаны числа Лоренца (Z.) исследованных расплавов и определена точность выполнения закона Видемана-Франца для широкого интервала температур. Предложена физическая интерпретация аномального значения L висмута и уменьшения L полуметаллов при перегреве над точкой плавления.
-
Получены новые обобщающие зависимости для температуропроводности и теплопроводности (Л) жидких металлов и сплавов, которые позволяют прог-нозировать переносные свойства без привлечения данных по электропроводности расплавов. Показано, что теплопроводность расплавов с содержанием высокотеплопроводного компонента менее 50 ат. % совпадает с Л низкотеплопроводного компонента, а при более высоком содержании хорошо описывается в рамках аддитивного приближения.
Достоверность полученных результатов обеспечивается высокой чистотой исходных металлов и тщательной подготовкой образцов, использованием сертифицированной установки LFA-427, детальной методической проработкой экспериментов, анализом случайных и систематических погрешностей измерений, проведением экспериментов с эталонными веществами, использованием высокоточных и поверенных измерительных приборов.
Научная и практическая ценность. Новые экспериментальные данные по коэффициентам теплопроводности и температуропроводности жидких металлов и сплавов, а также полученные обобщения и выводы, представляют интерес для теории теплофизических свойств веществ и жидкого состояния. Разработанные таблицы справочных данных могут быть использованы при проведении научных и инженерных расчетов, а новая методика измерений теплопроводности и температуропроводности расплавов методом лазерной вспышки - в других организациях при исследовании жидких металлов.
На защиту выносятся:
-
Новая методика измерений теплопроводности и температуропроводности жидких металлов и сплавов методом лазерной вспышки.
-
Новые прецизионные экспериментальные данные по коэффициенту температуропроводности нержавеющей стали 12Х18Н10Т, молибдена и тантала.
-
Новые экспериментальные данные по температурной зависимости коэффициентов теплопроводности и температуропроводности четырех чистых металлов и их сплавов в широком интервале температур жидкого состояния.
-
Справочные таблицы температурных зависимостей коэффициентов температуропроводности и теплопроводности исследованных металлов и сплавов.
-
Установленные закономерности изменения теплопроводности и числа Лоренца исследованных расплавов.
Личный вклад. Автору принадлежит основной вклад в реализацию новой экспериментальной методики исследования коэффициентов теплопроводности и температуропроводности жидких металлов и сплавов методом лазерной вспышки. Им поставлены и выполнены основные эксперименты по определению температурной зависимости переносных свойств расплавов и проведена основная обработка полученных данных. Анализ, обобщения и интерпретация данных, полученных в этих исследованиях, проведены автором лично.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на XLIV, XLV, XLVIII Международных научных студенческих конференциях "Студент и научно-технический прогресс" (Новосибирск, 2006, 2007, 2010); IX, X, XI Всероссийских школах-конференциях молодых ученых "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики" (Новосибирск, 2006, 2008, 2010); ВНКСФ-12 (Новосибирск, 2006); Всероссийской школе-семинаре молодых ученых "Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндуст-рии" (Новосибирск, 2007); Всероссийском семинаре кафедр вузов по теплофизике и теплоэнергетике (Красноярск, 2009); XII Российской конференции "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов" (Екатеринбург, 2008); Пятой Российской научно-практической конференции "Физические свойства металлов и сплавов" (Екатеринбург, 2009); 7-ом семинаре СО РАН -УрО РАН "Термодинамика и материаловедение" (Новосибирск, 2010); IX Азиатской конференции по теплофизическим свойствам (Пекин, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из них 4 в реферируемых журналах (из перечня ВАК).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, содержит 128 страниц текста, включая 52 рисунка и 29 таблиц. Список литературы содержит 124 наименования.
