Излучательная способность элементов подгруппы скандия

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Излучательная способность (ИС) вещества играет важнейшую роль в определении характера лучистого теплообмена. Точное знание величин ИС становится необходимым условием для надежного расчета теплообмена в промышленных и энергетических установках, где интенсивность тепловых потоков существенно влияет на эксплуатационные характеристики оборудования [1–3]. С развитием технологий и повышением эксплуатационных температур энергетических систем, таких как турбины, реакторы и тепловые установки, требования к точности данных о теплофизических свойствах материалов становятся все более строгими. Это связано с необходимостью учета растущей тепловой нагрузки, вызванной интенсификацией процессов, а также стремлением к повышению энергоэффективности. В этих условиях создание систематизированной базы данных по ИС конструкционных материалов, особенно металлов, в широком диапазоне температур становится не просто актуальной, но и стратегически важной задачей.

За последнее десятилетие ведущие научные коллективы мира провели ряд исследований, направленных на изучение фундаментальных аспектов ИС металлов и сплавов на их основе и разработку точных методов ее измерения [4–9]. Эти данные имеют широкое прикладное значение для разработки более надежных и долговечных материалов, а также для понимания закономерностей теплового излучения. Таким образом, систематизация и расширение базы данных по ИС металлов позволит не только повысить точность расчетов лучистого теплообмена, но и создать более устойчивые к тепловым нагрузкам материалы. Такие исследования имеют перспективу дальнейшего развития в области высокотемпературной термодинамики и энергосбережения.

В настоящей работе представлены и обсуждены экспериментальные результаты исследования ИС элементов подгруппы скандия: скандий (Sc), иттрий (Y) и лантан (La). Эти металлы объединяет их принадлежность к группе редкоземельных элементов, а также схожесть в структурных и теплофизических характеристиках. Все три металла кристаллизуются в плотноупакованной структуре гексагональной кубической кристаллической решетки. Такая структура обеспечивает высокую плотность упаковки атомов, что напрямую влияет на их физико-химические свойства [10]. В табл. 1 приведены ключевые физико-химические характеристики исследованных металлов. Металлы подгруппы скандия характеризуются уникальными свойствами, включая высокую устойчивость к окислению при умеренных температурах и высокую удельную прочность. Эти характеристики делают их перспективными материалами для использования в высокотемпературных установках и системах лучистого теплообмена. Например, скандий используется в составе легких сплавов для авиации и космонавтики, где его способность сохранять стабильные свойства при нагреве имеет решающее значение. Иттрий, благодаря своей излучательной способности в инфракрасном диапазоне, находит применение в лазерах и высокотемпературных покрытиях, а лантан используется в катализаторах и специальных сплавах с улучшенными тепловыми характеристиками [12–14].

 

Таблица 1. Физико-химические характеристики образцов

Металл	Тпл., К [11]	Массовая доля основного элемента, %	Марка	Вид образца	Класс чистоты поверхности
Sc	1814	99.9	СкМ-2	слиток	14
Y	1795	99.9	ИтМ-1
La	1194	99.8	ЛаМ-1

 

Используемая в исследованиях экспериментальная установка подробно описана в [15], методика проведения эксперимента представлена в [16, 17]. Оценка погрешности эксперимента составила ± 3–5% по методике [18]. В экспериментах фиксируется ТЭДС, развиваемая чувствительным элементом приемника излучения. Приемник расположен перпендикулярно плоскости излучения образца, т.е. производятся замеры нормальной интегральной излучательной способности – ε_tn, что и подразумевает собой излучательную способность (ИС). Изучение ε_tn металлов проводилось в двух различных условиях: твердое полированное состояние исследовалось в динамическом вакууме 10^–5 Па, а жидкая фаза, включая переход твердое тело – жидкость, изучалась в атмосфере специально подготовленного аргона для исключения окислительных процессов на поверхности металлов. Для точного описания экспериментальных данных необходимо учитывать влияние чистоты образца. Химические примеси могут создавать дополнительные дефекты в структуре, влияя на плотность состояний и электрон-фононное взаимодействие. Это особенно критично вблизи точки плавления, где термическая нестабильность усиливает влияние таких факторов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Тепловое излучение металлов формируется и испускается приповерхностным слоем материала, толщина которого составляет всего несколько сотен ангстрем. Процесс формирования теплового потока излучения начинается в объеме металла, где атомы и электроны взаимодействуют, перераспределяя энергию, переданную тепловым возбуждением. В результате излучаемый тепловой поток несет в себе уникальные характеристики, зависящие от физико-химических свойств металла [19].

Полученные данные по Sc приведены на рис. 1. Излучательная способность Sc в твердом состоянии демонстрирует устойчивый рост при повышении температуры. Это объясняется увеличением амплитуды тепловых колебаний атомов, что усиливает процессы излучения энергии. Подобное температурное поведение характерно и для удельного электрического сопротивления – ρ, что связано с особенностями электронного строения Sc. В частности, высокая плотность состояний электронов вблизи уровня Ферми способствует росту сопротивления за счет усиленного рассеяния электронов на фононах и дефектах [20]. Полиморфный переход α → β Sc, который известен при температуре ~ 1610 К [10, 21], не был зарегистрирован, вероятно, из-за температурного шага технических возможностей установки. Фазовый переход «твердое тело – жидкость» фиксируется в области температуры 1814 К. При этом значение ε_tn увеличивается на ~ 16% относительно твердой фазы. Рост может быть объяснен изменением плотности электронных состояний и увеличением эффективности теплового излучения в жидкой фазе. В жидком состоянии ε_tn продолжает расти с увеличением температуры. Эксперимент был остановлен при достижении температуры 2394 К. Поведение ε_tn в жидкой фазе объясняется наличием двух конкурирующих механизма рассеивания электронов. Первый механизм зонного типа, связанный с переходом s–электронов в d–зону, Ps – d и второй – обусловлен рассеиванием электронов на магнитных неоднородностях, в частности парамагнонах Pe – ρm [22]. Литературный поиск экспериментальных данных по ε_tn Sc, проведенный авторами, не дал результата.

 

Рис. 1. Зависимость ε_tn скандия от температуры: ● – измерения авторов; штриховая линия и ○ – результат вычислительного эксперимента.

 

Результаты вычислительного эксперимента, проведенного с использованием приближения Фута [23], также представлены на рис. 1. Это приближение связывает ε_tn с удельным электрическим сопротивлением – ρ при фиксированной температуре. Однако расчеты, выполненные на основе значений ρ из [10], дали завышенные результаты в области твердой фазы. В области фазового перехода, используя единичное значение ρ из [24], полученная ε_tn не позволяет сделать вывод о характере поведения ИС в точке плавления. Расчет по жидкой фазе металла не проводился в связи с отсутствием данных по ρ.

Полученные данные по Y приведены на рис. 2. Эксперимент показал, что ε_tn Y возрастает с увеличением температуры, достигая скачка при фазовом переходе в области температуры 1795 K. Здесь ε_tn увеличивается на ~ 21% по сравнению с твердой фазой. Полиморфный переход α → β Y, известный при температуре ~ 1750 К [10, 25], не был зарегистрирован. После плавления рост ε_tn продолжался вплоть до температуры 2359 K. Температурное поведение ε_tn в значительной мере определяется изменениями длины свободного пробега электронов, что отражается в росте эффективности излучения металла. Это согласуется с аналогичным поведением ε_tn скандия. В области точки плавления показан результат единичного измерения ε_tn [26]. Отсутствие полного совпадения данных объясняется разницей в химической чистоте образцов, а также различиями в методиках и технических характеристиках используемых установок.

 

Рис. 2. Зависимость ε_tn иттрия от температуры: ● – измерения авторов; ∆ – измерения [25] штриховая линия, □ и ○ – результат вычислительного эксперимента.

 

На основе данных по ρ [10], вычислительный эксперимент показал завышенные значения ε_tn для твердой фазы. Это, по мнению авторов, связано с упрощениями используемого приближения, игнорирующего особенности межатомных взаимодействий и поверхностных эффектов. Однако в точке фазового перехода значение, рассчитанное по данным ρ из [24], демонстрирует сходимость с экспериментальными данными в пределах погрешности измерений. Также единичное значение ε_tn в твердой фазе при температуре 1500 К, рассчитанное по ρ из [27], хорошо согласуется с экспериментом.

Исследование La выявило характерные для металлов особенности изменения ε_tn с температурой (рис. 3). ИС демонстрирует устойчивый рост. В твердой фазе плотность электронных состояний на уровне Ферми ограничивается влиянием регулярной кристаллической структуры. При плавлении происходит резкий рост плотности доступных состояний за счет увеличения подвижности электронов, что приводит к более эффективному поглощению и излучению электромагнитной энергии. Наличие в области температуры 1194 К скачка ε_tn, который составляет ~ 27% относительно значений твердой фазы связано с достижением максимума плотности состояний на уровне Ферми. Это явление обусловлено перераспределением электронных состояний при фазовом переходе, когда разрушение кристаллической решетки вносит значительные изменения в электронную структуру материала. Полиморфные переходы α → β, β → γ La, известные при температурах соответственно ~ 583 К и ~ 1140 К [10, 25], не были зарегистрированы по причине, указанной в обсуждении Sc. Устойчивый рост ε_tn в жидкой фазе объясняется снижением рассеяния электронов, вызванного неупорядоченной структурой, и увеличением вклада термически возбуждаемых состояний. Это согласуется с общей тенденцией для жидкометаллических систем [11, 28]. Рост ε_tn продолжается вплоть до температуры 1994 K.

 

Рис. 3. Зависимость ε_tn лантана от температуры: ● – измерения авторов; штриховая и штрихпунктирная линии – результат вычислительного эксперимента.

 

Результаты вычислительного эксперимента, в данном случае адекватно описывают температурное поведение ε_tn. Значения ρ для твердой фазы взяты из [29], для жидкого состояния из [24].

В табл. 2, 3 и 4 сведены численные экспериментальные значения ε_tn исследованных металлов в зависимости от температуры.

 

Таблица 2. Значения ε_tn скандия

Т, К	εtn	Т, К	εtn	Т, К	εtn	Т, К	εtn	Т, К	εtn
400	0.080	784	0.122	1267	0.163	1801	0.225	2120	0.310
452	0.089	851	0.129	1327	0.171	1825	0.262	2150	0.323
510	0.092	906	0.133	1405	0.175	1846	0.265	2190	0.327
549	0.099	966	0.139	1499	0.184	1862	0.269	2300	0.362
615	0.102	1018	0.146	1567	0.189	1930	0.277	2394	0.396
675	0.111	1125	0.149	1655	0.197	1980	0.283
738	0.116	1193	0.156	1711	0.210	1999	0.295

 

Таблица 3. Значения ε_tn иттрия

Т, К	εtn	Т, К	εtn	Т, К	εtn	Т, К	εtn	Т, К	εtn
405	0.110	928	0.139	1423	0.163	1822	0.217	2198	0.246
512	0.115	1006	0.143	1516	0.166	1905	0.221	2296	0.255
598	0.123	1118	0.149	1638	0.175	1957	0.224	2359	0.264
741	0.128	1248	0.151	1707	0.177	2056	0.231
825	0.131	1374	0.156	1772	0.181	2112	0.245

 

Таблица 4. Значения ε_tn лантана

Т, К	εtn	Т, К	εtn	Т, К	εtn	Т, К	εtn	Т, К	εtn
405	0.122	808	0.149	1174	0.171	1508	0.209	1949	0.229
521	0.130	895	0.155	1211	0.198	1618	0.215	1994	0.234
645	0.140	1022	0.161	1286	0.202	1683	0.219
718	0.147	1118	0.167	1391	0.206	1814	0.222

 

Представленные выше экспериментальные данные по химически чистым металлам имеют первостепенное значение для изучения их ИС в условиях высоких температур и фазовых переходов. Хотя эти результаты преподносятся авторами статьи как предварительные, они дают важное представление о фундаментальных процессах, происходящих в металлах. Исследованные металлы подгруппы скандия имеют одну общую тенденцию по росту ИС как в твердой фазе, так и в жидком состояния металлов. Величина скачкообразного изменения ИС при фазовом переходе у каждого металла индивидуальна [11, 28] и, по мнению авторов статьи, зависит от положения элемента в Периодической системе. Скачкообразные изменения ИС при температуре плавления могут быть интерпретированы как следствие значительных энергетических преобразований, включая высвобождение скрытой теплоты и перестройку электронной структуры металла. Проведенный теоретический подход к расчету ИС металлов показал, что единственный способ получения данных по тепловому излучению остается только эксперимент. Результаты исследования позволяют сделать вывод о необходимости дальнейшего изучения тепловых свойств переходных металлов. Таким образом, тепловое излучение металлов — это сложный процесс, отражающий их внутреннюю структуру и взаимодействие с внешней средой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Экспериментальные данные авторов по исследованным металлам могут быть интерпретированы как полученные впервые и носят предварительный характер, требующий уточнения. Заложена основа для дальнейшего углубленного анализа тепловых свойств металлов. В рамках фундаментальной металлофизики открывает перспективы уточнения моделей теплового излучения, изучения роли фазовых переходов. Дальнейшие исследования должны сосредоточиться на улучшении экспериментальных методик и уточнении теоретических подходов для обеспечения более точного описания наблюдаемых явлений.

Об авторах

Д. В. Косенков

Казанский национальный исследовательский технологический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: dmi-kosenkov@yandex.ru
Россия, Казань

В. В. Сагадеев

Казанский национальный исследовательский технологический университет

Email: dmi-kosenkov@yandex.ru
Россия, Казань

Список литературы

Дополнительные файлы