Теплофизика высоких температур, 2020, T. 58, № 4, стр. 732-734

ВВЕДЕНИЕ

Для пиролитического графита (ПГ) характерна резко выраженная анизотропия значений удельного электрического сопротивления. Удельное электрическое сопротивление ПГ параллельно r ^а и перпендикулярно r ^с плоскости осаждения определено в работе [1] в области температур Т = = 500–1700 К. Зависимости r ^а(Т) и r ^с(Т) от температуры отечественных марок ПГ УПВ-1 и УПВ-1Т приведены в справочном издании [2], но ограничены максимальным значением температуры 2500 К. Без указания марки для отечественного ПГ определены температурные зависимости r ^а(Т) при Т = 300–2000 К и r ^с(Т) при Т = 300–1800 К в работах [3, 4]. Следует отметить, что ПГ за рубежом [1, 5] и в нашей стране изучался с середины прошлого века, однако свойства данного материала не исследованы достаточно.

Цель данной работы состоит в изучении влияния температуры нагрева на зависимость r ^с(Т) ПГ марки УПВ-1 для диапазона Т = 2500–3000 К.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Образцы ПГ УПВ-1 были изготовлены в АО “НИИГРАФИТ” методом термического разложения газообразных углеводородов и осаждения углерода на нагретую поверхность. Исследовались образцы плотностью 2.15 г/см³. Экспериментальный образец общей длиной 76 мм представлял собой сборку из пяти прижатых друг к другу полых цилиндров ПГ длиной 6.0 мм каждый, диаметрами D/d = 10.96/3.1 и 10.96/4.09 мм и двух боковых втулок, выполненных из графита марки МПГ-7, длиной 23 мм. Ось цилиндров совпадала с с-направлением ПГ. Указанный вариант сборки позволил получить в центральной части образца изотермический участок длиной не менее 16 мм. В центре изотермического участка перпендикулярно оси в центральном кольце изготовлено отверстие диаметром 0.5 мм и длиной, равной толщине стенки цилиндра. Данное отверстие и внутренняя полость экспериментального образца имитировали модель абсолютно черного тела (АЧТ). Измерение температуры внутренней поверхности цилиндра с использованием модели АЧТ проводилось через окно камеры оптическим автоматическим микропирометром с диаметром пятна визирования 0.3 мм, который работал на длине волны 0.65 мкм. При определении действительной температуры вводилась поправка на поглощение в стекле окна камеры. Степень совершенства модели АЧТ рассчитывалась с помощью решения [6], при этом внутренняя поверхность образца рассматривалась как изотермическая трубчатая модель с открытыми концами и отверстием в центре боковой поверхности с диффузным отражением от стенок и относительной длиной l/r = 30/1.55 = 19.35 и l/r = 30/2 = 15. Нормальная эффективная излучательная способность данной модели оценена в 0.99. В двух кольцах, прилегающих к центральному кольцу, в центре боковой поверхности перпендикулярно продольной оси просверлены два отверстия диаметром 0.5 мм, которые использовались для установки точечных потенциальных зондов – проволочек из вольфрама диаметром 0.138 мм. Принципиальная схема установки приведена в [7].

Нагрев образца осуществлялся постоянным электрическим током. В процессе эксперимента использовалась специальная программа, которая обеспечивала скорость изменения температуры в режимах нагрева и охлаждения ∼1 К/с и контролировала подводимую к образцу мощность (силу тока I и падение напряжения U между зондами) в стационарном режиме (время выдержки ∼10 мин) [8]. Действительное значение температуры внешней поверхности образца определялось с помощью закона Вина, измеренной яркостной температуры и справочных данных нормальной спектральной излучательной способности с-поверхности ПГ [6]. Среднеарифметическое значение действительных значений температуры внутренней и внешней поверхностей принималось за температуру отнесения T для удельного электрического сопротивления, которое рассчитывается по формуле

Здесь D и d – внешний и внутренний диаметры образцов ПГ, l_probe – расстояние между зондами. Поправка на увеличение линейных размеров l_probe от температуры не вводилась, так как образец был достаточно жестко зажат между токоподводами и не имел возможности для свободного удлинения. Поправка на увеличение площади сечения (D ² – d ²) в результате линейного термического расширения не превышала 2% при 2500 К и на испарение материала за время эксперимента составляла ∼1.5%. Влияние термического расширения D, d и испарения материала возрастало при повышении Т, но воздействие данных эффектов частично взаимно компенсировалось. Оценка расширенной суммарной неопределенности удельного электрического сопротивления при Т = 3000 К показала r ^с = 1.91 × 10^–4 ± 0.12 × 10^–4 Ом м (нормальное распределение, коэффициент охвата k_p = 2).

Полученные значения r ^с(Т) в диапазоне Т = = 1700–3000 К приведены на рис. 1 и 2, на которых видно, что r ^с ПГ уменьшается с ростом Т. Известно, что ПГ при повышении Т благодаря исходно преимущественной ориентации кристаллитов имеет тенденцию к графитации, что проявляется в уменьшении r ^с с ростом температуры [2, 9].

Рис. 1.

Зависимость r ^с(Т) при первом нагреве (1, 3) и последующем охлаждении (2, 4): 1, 2 – образец D/d = = 10.96/3.1 мм; 3, 4 – D/d = 10.96/4.1 мм; 5 – справочные данные [2].

Рис. 2.

Зависимость r ^с(Т) при первом нагреве (1, 4), последующем охлаждении (2, 5) и повторном нагреве (3, 6): 1–3 – образец D/d = 10.96/3.1 мм; 4–6 – D/d = = 10.96/4.1 мм; 7 – ПГ марки УПВ-1 [2], 8 – квазимонокристалл ПГ марки УПВ-1Т [2].

Проведенные эксперименты показали, что при увеличении температуры нагрева до 2500 и 2700 К (рис. 1) и последующем охлаждении имеет место воспроизводимость кривых r ^с(Т) = 5.2217 × × 10^–10Т ² – 3.5737 × 10^–6Т + 6.3245 × 10^–3 Ом м. Они совпадают со справочными величинами [2], верхняя температурная граница которых соответствует 2500 К. Однако нагрев до Т = 3000 К (рис. 2) приводит к уменьшению и нарушению зависимости r ^с(Т) по [2]. Новая температурная зависимость r ^с(Т) фиксируется в процессе охлаждения и воспроизводится при последующем нагреве. Интересно отметить, что уменьшение температуропроводности графита после нагрева до T = 3250 К также наблюдается в процессе охлаждения [10]. Размеры образца не оказывают влияния на воспроизводимость указанных закономерностей r ^с(Т) (рис. 1, 2).

Причина возникновения новой зависимости r ^с(Т) после нагрева до 3000 К связана, по-видимому, с процессом более полной графитации. Структура материала состоит из малодефектных кристаллитов, которые представляют собой трехмерную упорядоченную область, имеющую параметры кристаллической решетки, близкие к параметрам (~200 нм) монокристалла графита [9].

Новая температурная зависимость r^с(Т) (рис. 2), если аппроксимировать ее r ^с(Т) = –3.6189 × 10^–7Т + + 1.2663 × 10^–3 линейной функцией, характеризуется угловым коэффициентом, величина которого совпадает с угловым коэффициентом зависимости $r_{{{\text{mono}}}}^{с}\left( Т \right)$ квазимонокристалла (пирографит марки УПВ-1Т) [2]. Однако сравнение значений r ^с и $r_{{{\text{mono}}}}^{с}$ [2] показывает, что процесс графитации в рассматриваемом эксперименте, по-видимому, не прошел полностью и для его реализации необходимо увеличение времени выдержки при Т = = 3000 К или нагрев до более высоких значений Т (рис. 2).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В прикладном отношении основной вывод данной работы заключается в существенном изменении функциональной зависимости r ^с(Т) при нагреве до Т ≈ 3000 К, что косвенно указывает на необходимость проведения дополнительных исследований теплопроводности [2] и излучательных характеристик [6] ПГ марки УПВ-1 в диапазоне Т = 2500–3000 К.