Экспериментальные исследования теплопроводности полупроводников и горных пород при высоких давлениях и температурах Эмиров, Субханверди Нурмагомедович

Введение к работе

Одной из основных проблем энергетики является разработка и проектирование высокоэффективных преобразователей энергии, теплопередаю-щих устройств и флюидонасыщенных пористых материалов, которые основываются на информации о теплофизических свойствах веществ и закономерностях их изменения.

Исследование закономерностей изменения теплопроводности, электропроводности и термо ЭДС полупроводников в условиях высоких давлений и температур позволяют выделить фононную составляющую теплопроводности и получить дополнительные сведения о процессах рассеивания фононов, изменения упругих постоянных и частотного спектра колебания атомов, что представляет интерес как для теории, так и для практики получения и применения полупроводниковых материалов в науке и технике.

Сопоставление закономерностей изменения фононной составляющей теплопроводности в полупроводниковых соединениях с закономерностями изменения эффективной теплопроводности в горных породах в условиях высоких давлений и температур позволяет понять общие закономерности поведения теплофизических свойств горных пород в различных термобарических условиях их естественного залегания, которые необходимы для решения ряда фундаментальных проблем физики Земли.

Аст-уальность работы. В физике, технике и геологии большое внимание уделяется изучению влиянию давления на ряд физических свойств твердого тела. Высокие давления - это инструмент позволяющий получить ценную информацию о зависимости всех фундаментальных свойств вещества от межатомного расстояния.

Экспериментальное изучение закономерностей тепловых свойств модельных сред, таких как полупроводниковые соединения в условиях высоких давлений и температур, позволяют получать те закономерности, которые необходимы для теории конденсированного состояния вещества, для практического применения различных полупроводниковых материалов в приборах и датчиках, для получения дополнительной информации о фо-нонном спектре и процессах рассеяния фононов.

Исследования теплофизических свойств горных пород и минералов при высоких термобарических параметрах представляют большой интерес для широкого круга разделов науки о Земле. Развитие и решение прикладных задач геотермии и геотермальной энергетики, а также энергетики гео-динамическнх процессов осадочных бассейнов основываются на конкретных данных о теплопроводности горных пород при высоких температурах и давлениях.

Изучение закономерностей изменения коэффициента теплопроводности горных пород в модельных термобарических условиях позволяет оценивать температуры на глубинах не доступных бурению, интерпретировать наблюдения, проведенные в полевых условиях, строить теплофизнческие модели различных участков земной хоры.

В связи с этим очевидна актуальность экспериментальных исследований, выполненных в соответствии с планами НИР:

- комплексные исследования влияния внешних параметров
(температура, давление, электрические и магнитные поля) на механизы ки
нетических явлений в сложных полупроводниковых соединений;

по научно-технической проблеме 0.50.01 (1986-1900 гг.) ГКНТ "Изучение недр Земли и сверхглубинное бурение", задание 02:05. Н "Разработка комплексной модели земной коры, типовых геоструктур и геодинамических обстановок";

по международной программе И - 3 КАПГ (1986-1990 гт.) "Геофизические исследования при высоких давлениях и температурах" Раздел II - 3.2.5 "Теплофизические свойства горных пород н минералов при высоких давлениях и температурах".

Цель работы. Данная работа выполнена с целью:

разработать прибор и методику экспериментального исследования теплопроводности полупроводников и горных пород в условиях высоких давлений и температур;

получить экспериментальные данные о влиянии гидростатического давления и температуры на коэффициент теплопроводности полупроводников;

выделения фононной доли теплопроводности и выявления характера ее зависимости от давления;

установления возможностей связи между решеточной теплопроводностью н упругими параметрами решетки при всестороннем сжатии;

выявления общих закономерностей, описывающих зависимость коэффициента теплопроводности полупроводников от температуры и давления;

получения новых экспериментальных данных о влиянии гидростатического давления и темспературы на коэффициент теплопроводности горных пород;

получения новых экспериментальных данных о влиянии гидростатического давления и температуры на коэффициент теплопроводности горных пород и модельных сред в состоянии флюид онасыщения;

сопоставления закономерностей изменения коэффициентов теплопроводности полупроводников и горных цород в условиях высоких давлений и температур.

Научная новизна работы. В результате проведения, инструкторских, методических и экспериментальных исследований получено следующее:

1. разработана методика и создана аппаратура, позволяющая исследовать зависимость коэффициента теплопроводности .полупроводников и горных пород от гидростатического давления и температур;

1. получены новые экспериментальные данные о теплопроводности ряда полупроводниковых соединений Те, CaSb, InSb.InAs, халькогениды мышьяка и тройные полупроводниковые соединения в монокристаллическом, поликристаллическом и аморфном состоянии в интервале давлений 0,1 + 350 МПа и температур 273 + 423 К;

2. получены новые экспериментальные данные о теплопроводности ряда горных пород (амфиболита, андезита, гранита, гранулита, пирокссн-гранулнта, ультрабазита, известняка и песчаника) в интервале давлений 0,1 -* 250 МПа и температур 273 + 423 К;

3. получены новые экспериментальные данные о теплопроводности пористых газо-водо и масло насыщенных осадочных пород (песчаников к пористого стекла) в интервале давлений 0 + 400 МПа и температур 273 + 423 К;

4. установлено, что гидростатическое давление вызывает увеличение теплопроводности у всех исследованных полупроводниковых соединений и горных пород;

5. с помощью экспериментальных данных по елихтпо давления п температуры на электропроводность и термоЭДС проведено исследовакнг влияния давления на решеточную составляющую теплопроводности исследованных полупроводниковых соединений. Показано, что высокое давление, уменьшая межатомные расстояния н амплитуду колебаний, приводит к увеличению максимальной частоты колебания атомов, росту характеристической температуры Дебая и увеличению решеточкой теплопроводности;

6. на основе анализа барической зависимости теплопроводности исследуемых соединений установлено, что границы блокоз в полюернсталли-ческих соединениях под давлением переходят в возбужденное неравновесное состояние и становятся источниками дополнительного рассеяния фоно-ноз;

7. на основе анализа полученных зкепернменталъных данных рассмотрены закономерности изменения теплопроводности полупроводников н горных пород в условиях высоких давлений и температур и предложены обобщающие формулы, описывающие наблюдаемые изменения; .

8. на основании анализа экспериментальных данных получены численные значения температурных и барических коэффициентов для формул, описывающих зависимость теплопроводности от давления и температуры.

Достоверность научных результатов. Достоверность подтверждается:

подробным анализом погрешности измерения данным методом;

сравнительный; анализом результатов исследования образцовых материалов с данными других авторов;

соответствием полученных экспериментальных данных по температурной зависимости теплопроводности, с существующей теорией распространения и рассеяния фононов.

Практическая ценность результатов исследований. Разработаны прибор и методика измерений коэффициента теплопроводности полупроводников и горных пород в зависимости от высоких давлений (0,1 * 350 МПа) и температур (273 * 423 К), которые расширяют возможности исследования теплофизических свойств твердых тел.

Знание зависимости теплопроводности полупроводников от давления f и температуры представляет как практический так и теоретический интерес, так как дает ценную информацию о дополнительных процессах рассеяния фононов в кристаллах и изменения величины характеристической температуры Дебая. Изменение теплопроводности под давлением может быть использовано для тепловой защиты полупроводников при их техническом применении.

Данные об изменении электрических свойств под давлением открывают новые возможности для управления параметрами полупроводниковых материалов в электронной технике, изменение знака термоЭДС, для создания систем контроля и сигнализации.

Результаты сравнения закономерностей изменения теплопроводности под давлением одних и тех же соединений в различных кристаллических состояниях (монокристалл - поликристалл и поликристалл-стекло) дают качественно новое представление о процессах распространения и рассеяния тепловых волн в блочных средах.

Предложенные формулы, описывающие закономерности изменения теплопроводности сплошных и блочных сред в условиях высоких давлений и температур, позволяют оценить тепловые свойства горных пород на раз- личных глубинах.

Данные о зависимости теплопроводности пористых сред и горных пород в газо-, водо- и маслонасыщенном состояниях в условиях высоких давлений и температур необходимы для оценки термодинамических условий в земных недрах при решении ряда задач геофизики, геотермии и геоэнергетики.

Научные положения, которые выводятся на защиту.

1. Разработан прибор и методика экспериментального исследования теплопроводности полупроводников и горных пород стационарным компенсационным методом в условиях гидростатического сжатия и высоких температур.

2. Впервые исследована зависимость теплопроводности следующих полупроводниковых соединений от давления до 350 МПа в интервале температур 273 -f 423 К:

соединения типа A¹¹¹ B^v InSb, CaSb, InAs, Те и их твердых растворов в монокристаллическом поликристаллическом состояниях;

халькогенидов мышьяка АБгТез, As2Se3, AS2S3 и их твердых растворов в поликристаллическом и аморфном состояниях;

тройных полупроводниковых соединений CdSnAs2, Cdo:sHgo?2Te. TeSbTej, ТІЗЬТег, TlSbS₂, TlSbS₃.

3. Впервые исследована зависимость теплопроводности горных пород
амфиболита, андезита, гранита, гранулита, пироксен-гранулита, известняка
и песчаника от давления до 250 МПав интервале температур 273 + 423К.

4. Впервые исследована зависимость теплопроводности пористого стекла и пористых песчаников в газо, водо и масло насыщенных состояниях от давления 250+400 М Па в интервале температур 273 + 423 К.

5. Установлено, что гидростатическое давление вызывает увеличение теплопроводности во всех исследованных полупроводниковых соединениях, горных породах и пористых флюидонасышенных средах.

6. С помошью экспериментальных данных по влиянию давления и температуры на электропроводность и термоЭДС проведено исследование влияния давления на решеточную теплопроводность. Показано, что всестороннее давление, уменьшая межатомное расстояние и амплитуду колебания, приводит к увеличению максимальной частоты колебания атомов, росту характеристической температуры Дебая и увеличению решеточной теплопроводности.

7. На основании анализа полученных экспериментальных данных по барической зависимости теплопроводности полупроводниковых соединений в монокрксгаллическом, поликристаллическом и аморфном состояниях под давлением, обнаружено, что давление приводит к заметному ослаблению барической зависимости теплопроводности полихристалличесхих соединений.

8. Наблюдаемое ослабление барической зависимости теплопроводности под давлением в полнкристаллических соединениях объясняется образованием в твердых телах неравновесных границ зерен и блоков при поглощении ими решеточных дислокаций, которые приводят к процессам дополнительного рассяння тепловых воли.

9. Полученные экспериментальные данные показывают, что характер зависимости теплопроводности от давления зависит от кристаллического состояния твердого тела. Так теплопроводность твердого тела в монокристаллическом и аморфном состояниях под давлением растет по линейному закону. Теплопроводность поликрисгаллнческих твердых тел интенсивно растет в начальной стадии давления, а затем стремиться к насыщению.

10. На основании полученных экспериментальных данных показано, что закономерности изменения теплопроводности горных пород в условиях высоких температур и давлений аналогичны закономерностям изменения теплопроводности полупроводниковых соединений.

11. Исследования пористых флюндонасыщенных горных пород в условиях высоких давлений показывает, что давление, наряду с насыщением, приводит к росту величины теплопроводности и, что рост теплопроводности существенно зависит от теплопроводности насыщающей жидкости, кристаллического состояния вещества скелета и пористости.

12.Предложены формулы, описывающие закономерности изменения теплопроводности монокристаллических, поликристаллических и аморфных веществ в зависимости от давления и температуры.

Личный вклад. I. Автором, для осуществления поставленной задачи, усовершенствован абсолютный стационарный метод исследования теплопроводности, создана модификацнонная установка и применена для измерения теплопроводности полупроводников и горных пород в условиях высоких гидростатических давлений, которая позволяет значительно расширить возможности исследования теплофизических свойств твердых тел и повысить точность их измерений.

2. Впервые исследовано влияние высоких давлений до 350 МПа на теплопроводность ряда полупроводниковых соединений и горных пород в области температур 27 3 -ь 423 К.

3. Выявлены закономерности изменения температурной зависимости теплопроводности под давлением монокристаллических, поликристалличе-ских, аморфных полупроводниковых соединений и горных пород.

4. Обнаружено новое явление возникновения дополнительного рассеяния тепловых волн под воздействием давления в поликристаллических веществах, за счет возбуждения дефектов и дислокаций на границах блоков.

5. Предложены новые уравнения, описывающие зависимость теплопроводности твердых тел от давления и температуры.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на:

5^ой Международной конференции по физике и технике высоких давлений (Москва 1975г.);

Международном симпозиуме "Проблемы геофизики высоких давлений и температур" (Потсдам 1986 г.);

Международном симпозиуме "Проблемы геофизики высоких давлений и температур" (Прага 1986 г.);

Международном симпозиуме "Проблемы геофизики высоких давлений и температур" (Потсдам 1988 г.);

Международном симпозиуме "Геофизические свойства вещества и внутренне строение Земли" (Махачкала 1990 г.);

22^а Интернациональной конференции по теплопроводности (США, Аризона 1993 г.);

1^ой Международной научной конференции "Новые достижения в науке о Земле" (Москва 1996);

14^ой Европейской конференции по теплофизике (Лион, Франция 1996);

Республиканском симпозиуме по физическим свойствам сложных полупроводников (Баку 1978);

VII Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам веществ (Ташкент 1982);

Всесоюзном совещании "Тройные полупроводники и их применение" (Кишинев 1983);

VII Всесоюзном совещании "Физические свойства горных пород при высоких давлениях" (Ереван 1985);

Всесоюзном совещании "Стандартизация геофизических исследований в тектонически активных районах" (Махачкала 1986);

9^й теплофизической конференции СНГ (Махачкала 1992);

I^м Всероссийском производственном совещании "Магматизм и геодинамика (Уфа 1995).

Публикации. По теме работы опубликованы статьи в журналах Физика твердых тел, Физика и техника высоких давлений, High temperatures - High Pressures, Physical star, solidi, а также в научных сборниках Германии, СНГ и Даг. научного центра. По теме диссертации опубликовано 40 работ.

Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав основных разделов и списка литературы из 206 наименований. Содержание работы изложено на 306 страницах, включая 121 рисунок и 75 таблиц.