Emissivity of elements of the scandium subgroup

Full Text

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

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

Таблица 3. Значения ε_tn иттрия

Таблица 4. Значения ε_tn лантана

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.

About the authors

D. V. Kosenkov

Author for correspondence.
Email: dmi-kosenkov@yandex.ru
Russian Federation, Kazan

V. V. Sagadeev

Email: dmi-kosenkov@yandex.ru
Russian Federation, Kazan

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Temperature dependence of εtn of scandium: ● - measurements of the authors; dashed line and ○ - result of the computational experiment.

Download (91KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Dependence of εtn of yttrium on temperature: ● - authors' measurements; ∆ - measurements [25] dashed line, □ and ○ - result of computational experiment.

Download (92KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Temperature dependence of εtn of lanthanum: ● - measurements of the authors; dashed and dashed lines - result of the computational experiment.

Download (90KB)

Indexing metadata