автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Спектрально-оптические свойства оксидов редкоземельных элементов при высоких температурах



О Ц \.\l\? АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "ФИЗИКА-СОЛНЦЕ" им.С.А.АЗИМОВА ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ.С.В,СТАРОДУБЦЕВА

На правах рукописи

О Д А Ш О В КМ А Р В Д Й ОМ А НОВ ИЧ

СПЕКТРАЛЬНО- ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОКСИДОВ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРА!УРАХ

Об. 14.08 - Преобразование возобновляемых видов энергии и установки на их осионе.

АВТОРЕФЕРАТ дмссортлц!« на сожжакне учений степени кандидата технически; наук

ТАШКЕНТ

- 19 0 7

Работа выполнена в Институте материаловедения НПО "Фивика-Ссшнце" АН Республики Узбекистан.

Научный руководитель - доктор технических наук, Т.П.Салихов

Официальные оппоненты - Чл.-корр. АН РУв.д.т.н. профессор

Захидов Ромэн Абдуллаевич, - к.т.н..с.н.о. Газиев У^ман Хусанович,

Ведущая организация - НИИ "Прикладной фквики" при Ташкентском

Государственном университете.

Защита диссертации состоится " " ОЗ _1907 г.

ея

в zJ часов на заседании Специаливированного совета Д 015.08.01 при ФТИ ШЮ "Фивика-Ссдаще" АН РУз по адресу:

700084, г.Ташкент, ул. Г.Мавлянова, 2В.

С диссертацией мсшо ознакомиться в библиотеке ФТИ НПО. "Физика-Солнце" АН РУв.

Автореферат разослан " f) " ф¿^уО^^Я. 1997г.

Учений секретарь Специализированного совета доктор физико-математических нау.

Ф.А.Ахмедов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность теми диссертации.При получении мать-риалов с оадашшми свойствами на солнечных печах, при термообработке материалов лучистыми потоками и при проектировании высокотемпературных усгройстз, использу-юк,их преобразование концентрированной солнечной энергии в тепловую необходимо решить уравнение теплопроводности с соответствующими граничными условиями. Однако, корректная постановка граничных условий невозможна без достоверного знания спектрально-оптических свойств материалов, преобразующих концентрированней свет в тепло. Кроме того, спектрально- оптические свойства облучаемой концентрированным светом поверхности дают возможность оценить степень преобразования концентоирован-ного светового излучения в тепло и определит!, ту долю полезной энергии, которая осуществляет высокотемпературные процессы в материале и формирует необходимые температурные распределения по объему материала.

К сожалению, имеющаяся информация по спектрально-оптическим свойствам материалов (особенно редкоземельных оксидов) при высоких температурах скудна и противоречива, что не удовлетворяет запросам современной техники и технологии. В то же ьремя потребность в знании спектрально-оптических свойств оксидов редких земель высокая, так как они широко используются при синтезе новых материалов на солнечных печах, шстивно применяются в лазерной технике, .атомной энергетике,и других отраслях промышленности. Вместе с тем оксиды редких оемель являются очень сложными объектами при исследовании их спектрально-оптических свойств при высоких температурах,ввиду наличия высокотемпературных фазовых переходов,которые сопровоадг^тся силышми объемными изменениями и приводят к деградации исследуемого образца.

3(сходя из сказанного, весьма актуальным является разработка метода измерения спектрально-оптических свойств оксидов редких земель при высоких температурах,учитывающего специфику их поведения в высокотемпературной области и получить достоверные данные.Указанная цель была достигнута усовершенствованием метода зондирующей вспышки, разработанного ранее в институте материаловедения ТОО "Физика-Солнце" АН РУз.

Цель работы: Экспериментальное исследовании спектральных коэффициентов отражения высокотемпературных оксидов редкоземельных элементов в видимой части спектра при воздействии концентрированного светового излучения и разработка метода контроля влияния деградации поверхности

на результаты измерений.

Научная новизна. Основными элементами новизны,которые автор выносит на зациту,являются:

- Модернизированный метод зондирующей вспышки для измерения спектральных коэффициентов отражения в условиях воздействия концентрированного светового излучения (КСИ), позволяющий контролировать влияние деградации поверхности образца на результаты измерений.

- Система одновременной регистрации температуры и коэффициента отражения с использованием пирометра для работы в пежиме непрерывного нагрева образца концентрированным световым потоком.

- Впервые получены данные по спектральным коэффициентам отражения оксидов редкоземельных элементов (ЬагОз, Се?Оэ, РггОз, ЕигОз, РугОэ, ТшгОз, 5сс03, ЧЬгОз, 1и?0з) в видимой части спектра в широком- температурном интервале. Изучено влияние деградации поверхности на полученные результаты.

- Впервые измерены спектральные коэффициенты отражения ЬагОз, ЕигОз.Тт20з,РГ2О3.ОугОз в окрестности их высокотемпературных фазовых переходов в видимом спектральном диапазоне в интервале длин волн 0,38 - 0,72 мкм на 22 спектральных каналах в условиях воздействия КСИ.

Практическая ценность работы: 1. Данные по спектральным коэффициентам отражения высокотемпературных оксидов РЗЭ в широком спектральном н температурном интервалах могут быть широко использованы:

- при бесконтактном измерении истинной температуры облучаемой поверхности высокотемпературных материалов в условиях воздействия Концентрированного полихроматического светового излучения;

- в прикладных задачах гелиоматериаловедения;

- при составлении справочников для практических приложений:

2. Представленная методика и экспериментальная установка может быть использована в научно-исследовательской работе и в производстве, связанном с контролем технологических параметров процесса синтеза новых материалов на Большой солнечной печи.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на I Международной научной конференции: "Новые материалы и приборы", Ташкент, 3-5 октября 1994г., на 3-м и 4-м Международных симпозиумах по прогрессивным материалам, Пакистан, Исламабад, 1994-95г., на Научном коллоквиуме молодых ученых и аспирантов Республики Узбекистан, посвященной 600-летию Мирзо Улугбека, 1994г.

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссер-

- б -

тадии, опубликовано 13 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного содержания, виводов и содержит 123 страницы машинописного текста, 44 рисунков, 2 таблицы и список литературы иэ 104 наименований,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТИ.

Во введении обосновывается актуальность и важность исследовании спектрально-оптических свойств высокотемпературных материалов в условиях воздействия концентрированного светового излучения, сформулирована цель и задача диссертационной ргботы, покэеана новизна и практическая ценность результатов, выносимых на' защиту.

Порвал глаьа посвящена обзору методов исследования оптических свойств высокотемпературных материалов в широком спектральном и температурном диапазонах.

Показано, что наиболее корректными и методически разработанными, современными способами регистрации оптических свойств материалов пки высоких температурах в настоящее время являются метод лазерного рефлектометра и метод зондирующей вспышки, использующие фотометрическую сферу. Однако метод лазерного рефлектометра имеет существенные ограничения. В частности, метод ограничен классом диффузко отражающих материалов и невоамоишозтьв производить измерения оптических свойств материалов в окрестности их фазовых переходов.

Метод зондирующей вспышки не имеет ограничений ни по температуре, ни по классам материалов, однако он предполагает сохранение целостности исследуемой погерхности.Поэтому .при измерении оптических свойств материалов методом зондирующей всшеки, технология изготовления кааэдо-го исследуемого образца 'лдательно подбирается с тем, чтобы он проявлял максимальную термическую стойкость в жестких условиях одностороннего нагрева образца концентрированным светом. Постольку эксперимент в методе зондирующей вспышки ведется до начала деградации облучаемой пи-верхпости образца, это сильно ограничивает исследуемый температурный диапазон. Возникает следующая ситуация - температурные возможности метода зондирующей вспышки очень большие, а в реальности метод ограничен температурой начала деградации образца, которая зазиси;' от технологии его приготовления, физико-химических, оптических свойств исследуемого материала, от наличия фазовых превращений, которые та;же могут приво- -дить к деградации образца.

Следовательно, чтобы увеличить температурный диапазон исследований

необходимо модернизировать метод зондирующей вспышки с целью контроля влияния эффжтов деградации исследуемой поверхности на получаемые результаты. В остальном достоинства метода зондирующей вспышки позволяют использовать его для решения поставленной задачи, а именно экспериментально исследовать спектральные коэффициенты отражения группы редкоземельных оксидов в ширстсом температурном и спектральном диапазонах, а также в окрестности их высокотемпературных фазовых переходов.

Сторал глава посвящена описания модернизированного метода зондирующей вспышки.

Модернизированный метод зондирующей вспышки имеет целью обеспечить измерения высокотемпературных коэффициентов отражений и излучения оксидов Р8Э и исследование влияния трещин на результаты измерений.

Основа модернизации метода заключается в том, что параллельно с методом зондирующей вспышки (МЗВ) производится измерение коэффициентов отражения с помощью пирометра, используемого в МЗВ только для контроля температуры, и запись полученной информации в блок памяти, Разница в локальности площади визирования этих двух способов измерения коэффициентов отражения позволяет выделить эффект влияния трещин на результаты экспериментов.

Диаметр площади визирования ь методе зондирующей вспышки составляет 6 мм. Диаметр площади визирования пирометра - 1 мм. Как показали многочисленные эксперименты, трещины не образуют сплошной сетки. При диметре визирования 1 мм на образце всегда есть зоны такого размера, не затронутые трещинами. Если пирометр контролирует участок поверхности в 1 мм без трещин, а по каналам МЭВ - участок размером б мм, в который попадают трещины, то по результатам измерений мсжно будет сделать выводы о стапели и характере их влияния на оптические свойства высокотемпературных оксидов. При отсутствии трещин оба канала должна показывать близкие результаты. Методика измерений и схема установки описаны нюхе.

В основе методики измерения коэффициентов отражения с помощью пирометра лежит линейная пропорциональность выходного сигнала пирометра яркости источника светового излучения. Если оксалиброьать пирометр и по температуре и по коэффициенту отражения, то во время эксперимента можно одновременно измерять и температур/ и коэффициент отражения. Количество каналов будет определять спектральный диапазон.

Калибровка пирометра по отражательной способности производится, как и в методе зондирующей вспышки, с помощью эталонов "белое тело" и

- ? -

"черное тело".В качестве"15елого тела" используется молочное стекло МО-20,а в качестве "черного тела"-ловушса с зачерненной поверхностью,имущая постоянный кор#шшент отражения 0.002 во всем видимом диалаэоне.

Для 1салнбров(си на место образца последовательно устанавливаются "белое тело" и "черное тело" и регистрируется отраженное ■ излучение. Эталоны позволяют получить по двум точкам формулу линейной зависимости отражательной способности от сигнала пирометра:

Рб.Т." Рч.т.

Р1 - РЧ.Т.+---(и! - и^.т.)

и6.т.- ич.т.

где р1-отраяательная способность Ьго спектрального канала; Рб.т.-отралательнал способность "белого тела" для 1-го спектрального канала; Рч.т.-отражательная способность "черного тела" для 1-го спектрального канала; и (-сигнал о пирометра по 1 - >.гу каналу для образца; Цб,/.-сигнал с пирометра по 1-му кашу для "белого тела"; ич.т,- сигнал с пирометра по 1-му каналу для "черного тела"; 1»1,2 - номер канала.

Необходимо отметить, что в эксперименте измеряется коэффициент яркости, который, в общем случае ае равен отражательной способности, но в случае диффузного освещения коэффициент яркости численно равен полусферически-направленной отражательной способности.

Измерения ярксстной температуры и сигналов 01, необходимых для расчета рь производятся по сигналу с пирометра. Эти сигналы оцифровываются и эапомннЕЮтся в Слоке памяти. По окончании эксперимента данные обрабатываются с помощью компьютера.

С технической точки грения модификация метода зондирующей вспышки состоит в том, что сигнал с пирометра, содержащий информацию как о температуре та); и о коэффициенте отражения, оцифровываются многоканальным аналого-цифровым преобразователем и раомещается в ячейках промежуточной памяти. Запуск и синхронизация всех систем согласованы с работой процессора, используемого в методе вснднрующей вспышки, Йсспе-риментальная установка представлена на рис.1.

В эгозперименте использовался двухканальный яр>состяый пирометр с эффективными длинами волн А} - 0,БЗ мкм и »0,64 мкм.

Диапазон измеряемых температур - 1500 - 5000 К.

Инструментальная погрешность измерения - ± 0,2 X.

Диаметр площадки визирования ка расстоянии 0,6 и - 1 мм.

Для контроля температуры в данном эксперименте использовался толы» один канал о эффективной длиной волны Хг = 0,6-1 ию(.

Гнс.1. схема установки модернизированного метода зондирующей вспышки: 1 - эллипсоидное зеркало; 2 - лампа ДКСЩРБ -10000-1; 3 - образец; 4 - блок управления лампой ДКСШРБ-10000-1; 5,6,7,8 - отверстия в сфере; Э - лампа-вспышка ИКС-25; 10,- заслонка; 11 - штанга; 12 - ось вращения; 13 - противовес; 14 - электродвигатель; 16 - скользящие контакты ; 16 - блок питания лампы вспышки; 17 - датчик; 18 - водоохлавдаеыая подложка; 19 - оптическая система; 20 -световод; 21 - интерференционные светофильтры; 22 - измерительные Фотодиоды; 23 - широкополосные светофильтры; 24 -опорные фотодиоды: 25 - усилители; 20 - коммутатор: 27 -АЦП; 28 - микро-ЗЕМ; 29 - цифропечать; 30 - пирометр; 31 -поворотное зеркало: 32 - АЦИ; 33 - блок памяти; 34 - микропроцессор; 35 - осциллограф; 36 - металлическая заслонка,

- g -

Градуировка пирометра проведена с помощью эталонной температурной лампы TPS' 110-2350, допущенной к применению ic-чс образец I разряда. Гра-дуироька проводилась через зеркало, используемое затс-м в качестве поворотного.

Погрешность измерения спектрального коэффициента отражения в интерваге длин воли 0.33 - 0.72 мкм методой зондирующей вспезкн составляет 27., а пирометрическим - Ё,5£. ОСщчл относительная погрешность измерения температуры составляет IX.

Тр&тьм глава посвящена результата измерений высокотемпературных " коэффициентов отражения ЬагОз» СегОэ» PrgOg, ЕигОз, О^Оз, ТйсОз, БсгОз, УЬгОз. LugOa.

Все нсследо/ачные образцы были приготоглетд методом холодного прессования при давлении 1,5■30е Па и последующего отжига при температуре 1700 К, за ис.шяышем оксидов празеодима и тулия, которые были получены методом переплава.

1. Оксид лантана. Спектральная и температурная сависино~.ти га»ч»-фициеитов отражения оксида лантана ш'лзаш на рис.2 и рис.3 соответственно.

Из рисунков видно, что с ростом температуры наблкпается падение коэффициента отражения.Но начннач с некоторой температуры, для U'-гОз это T-21G0 К, монотонность пависшости ^чрушаетсл и появляемся тенденция к росту коэффициента отражения.При температурах 2233 К и 2370 К после анализа всех кривы* еафиюсирсваны ишгашуш, соответствующие ано-машгому скачку коэффициента отражения.По литературным давним в этсч температурном диапазоне имеют voovo два полиморфных перехода: гексаго-наяьная-высокотемпературная гексагональная (А?-!!), при температуре 2313 К ¡5 рысокотомпературил! гексагоная1яаа-кубическая-0!~Х)1при температуре- 2333 К. Учитывал/¡-го new данные- получены методами, заметно различными друг от друга, момо отметить их удовлетворительнее совпадение.

Сравнение температурных вависимсегей коэффжшента отражения, полученных двумя способами: методом зондирующей бспмши и с помощью пирометра, показало, что они олизки друг к другу и имеют идентичный характер поведения. При потедении температура пс-рп.е небольшие трещинки появлялись при температуре порядка 1300 К. Он»; пе подумали значительного развитая и только вблизи 2400 К образцы рсзруыахись. Пирометр визировался в точку, ие содержащую тровдш но 8ам«тного влияния ка поведение температурных зависимостей ото не с.с5&ало. По видимому, диффузный характер зондкруюп-зго излучения отодвигает температурную границу

Л . nm

рис.2. !

Se,О J

X . ш

Рис.4.

р

т,к

Рис.3.

р scto,

T.K

Рис.5. ,

- и -

чувствительности коэффициента отражения к трещинам.

2. Оксиды.сиаиркя, imopfota н лтчщкя.

На рис.4-0 представлены спектральные зависимости коэффициентов отражения оксида скандия, оксида иттербия .и оксида лютеция при различных температурах. Характерной особенностью данных материалов является то,что практически до температур плавления они существуют в кубической кодификации (С-тил).С увеличением температуры спектры оксида скандия и иттербия и лютецнп деформируются с общим понижение уровня коэффициента отражения. Как и у оксида лантала у n¡,x формируется резкий Фронт на * длине волны 0,65 ккм, наметившийся еще при комнатной температуре.

Как к можно было ожидать на температурных зависимостях рассматриваемых оксидов с>;обнх точек нет. Образцы оксида скандия удалось исследовать только до температуры ¡3258 К. При температурах порядка 1900 К на образцах появлялась одиночная трещина, которая сильно не увеличивалась. При дальнейшем нагреве появлялась сетка мелких трещин, которые в итоге приводили к резкому разрушению таблетки. Температурные зависимости, полученные для оксида скандия представляют собой практически прямые линии (рис. 5.). Данные, полученные с помощью пирометра, хорошо согласуются с ними во всей исследованной области, несмотря на то что он все время визировался на зону, своОодн'/ю ог трепли. Влияние последних па результаты измерений не сафиксиропчно.

Интересный эффект обнаружен при аналнее температурной зависимости коэффициента отражения о..сида иттербия (рис.7). При нагреве таблетки до температур порядка 2190 К наблюдается монотонный спад коэффициентов отражения. Однако при дальнейшем росте температуры данные, полученные по световоднсму каначу начинают "скакать". Вслед аа этим образец разрушался. Уменьшение температурного шага измерений не дали никакого эффекта. Разброс значений коэффициента отрая&гшл достигал 15 X. В то:*е время пирометр не зафиксировал заметных аномалий. Возможно к такому результату приводят дофосмзшш таблетки по линии трещины.

Оксид лютеция оказался одним из немногих материалом который удалось исследовать до температуры плавления. Несмотря на то, что при температура* в^е 2000 К на образцах попадались мелкие трещины, они не разрушались и позволили получить расплав на их повс-р: нсюти. Правда после зтого наблюдалось резкое увеличение размеров трезуш н разрушение таблетки,На тег-шературпой зависимости (рис.9) оксида лотеция видим,что до температуры 2300 К происходит монотонный спад коэффициента отражения, а при дальнейшем рс.г/ге температуры нпблюдаптся его подъем, В этом

y1),0.

yb20,

Ü2ÜOO- 1427 X QWLSJ- К17 X •fcfcLH- - IWÍ К Калах - IV 65 К

шн - 1047 V

Ь^СДО - 21S9 ï

tíü* - 21<J» S

4JJ.SJ - 300 Я

150 400 450 5CC 550 500 651 7СО 750 X . tun

Рис.6.

ç^aTfO - с.50 fnKm ахш - O.W en km ÜÍ jt>- 0.65 m km

4fft - 0 58 mk/r» ••».•i - 0.64 mien

Puc.7.

Рис.8.

X , am

РЯС.'Э.

т,к

контексте при анализе температурных крин« оксида лютеция можно ааклм-читъ, что плавление с точки зрения оптических свойств не представляет собой одномоментное явление, а прляетсл процессом, охватываем определенный температурный интервал. На участке температурной зависимости от 2300 К до 2625 К происходит процесс разрушения предыдущей структуры и одновременно сосуществуют "старая" структура и зародьта ново?!.

Данные полученные с помощью пирометрической системы измерения коэффициентов отражения находятся в хорошем согласии с данными световод-кого канала во всем температурном диапазоне, несмотря на образование мелких трещин на поверхности образца пря "ООО К.

3- п еврздпл. На рис. 10-11 представлены спектральные

зависимости коэффициентов отражения оксидов церия п европия. Как вндно из рисунков, спектр о'ссяда церия при ютнатной температуре предстазля-ет собой практически пряную, а коэффициенты отражения по абсолютной велтино близки к единице. В температурном интервале 1562 К - 2179 К коэффициенты отражения претерпевают обкуй ппяд и аналогично предыдущим оксидам образуют длинноволновый фронт в области 0.65 мкм. У оксида европия образование длинноволнового фронта происходит в температурном интерзале 1192 К - 2162 К. Внешне спектральные завксиуости отеидов церия и европия при высоких температурах очень похожи. Однако при анализе температурных срезов на длинах волн 0.50 мкм, 0.60 шс<. 0.65 мкм, 0.70 Mía». О.£8 мкм и 0.54 мкм (рчс.12-13) оказалось, что поведение коэффициентов отражения оксидов з высокотемпературной области гораздо сложнее, чей кажется на первый взгляд.

У оксида церия с увеличением температуры до 2000 К происходит монотонное падение коэффициента отражения. Рыке этой температуры набяо-дается его рост. В области темпер ■тури 2150 К зафиксирован максимум. Согласно литературным данным в исследуемом температурном интервале у оксида церия возможны два полиморфных перехода: гексагиначьная - высокотемпературна! гексагональная (А*Н) - при температуре 2393 К и высокотемпературная гетеагоиальизд - кубическая (Н*Х) при температуре 2443 К. Отсутствие на у;сспер;менгя-.ьчсй зависимости пиков, соответствующих перечисленным фазовым переходам п присутствие одного размытого по температуре максимума, притиадего к температурам порядка 2500 К, говорит о том, что в данном случая в высокотемпературной области мы имеем дело не с полуторным оксидом церкя, использованным в качестве сырья, а с ого смесью с диоксидом церия, полученным в результате нарупения стехиометрии при нагреве в воздушной среде. Поскольку контроль химическо-

р 1.00

- 14 -

«bUfiJ - 13*fl К

tiiu - 1W;7 к

ОССШ - J787 К

-ttt±> - sot: к

____ - ïiee X

___ - (400 1

- 800 К

J50 4C0 450 500 550 600 650 700 750

X. i"1

Рис.10.

p

0.60 0.50

Ce.O.

Q£C£i> - 0-50 ffik/n

tUi» - O.CO mksn

- O.M trkm

ЧЛалл - 0.79 mkiri

----- O.W mfcn

u W - 0.Í4 ink/n

1200 1700 22CO 2700

Рис. 12. T,K

50 400 450 500 550 600 650 700 750

n, x . ып

Рис.11.

fi 0.8Û

Eu20«

QjX£> - 0.50 rnbrn

оотаэ • o.?o rr.kr.i

•tut ' 0 « mfcm

«tu» - 0.7Э cnVjn

- ОМ rrJujn

*Htj - Ö.M mfcm

14C0 1600 1300 2000 22C0 2400 2C00

РИС.13.. T'K

го состава не пгоигводился, можно приписать начало плавления при температуре "4Е0 К точке плавления смесп.

Сравнение данных, полученных по световодному и пирометрическому каналам, позволяет сказать о хорошем совпадении результатов до температуры 2320 К. При дальнейшем ьагреве на световодном канале пс?1внлся гольиой разброс- донннч, достигающий 12%. Пирометрический канал позволил отследить оОрачец до плавления. С началом плавления таблетка разрушилась. Появление трещин не отмечено.

Температурная зависимость оксида европия до 8100 К представляет собой монотонно спадающую кривую (рис.13). Выше этой температуры, в точках 8320 К, 2420 К и 2500 К, обнару:; лш пики коэффициентов отражения. По литературным данным в данном температурном интервале оксид ев. рсг.ня имеет три полиморфных перехода: А*}), Н*Х. Температуры этих переходов соответственно равны: 2313 К, 2413 К и 2543 К. При последовательной привязке пиков к этим фазовым переходам можно отметить их хорошее совпадение.

Данные световсдного и пирометрического каналов регистрации, как видно из рис. 13, удоплетгорителыю отсле:кивают друг друга. Первые ,шл-К1>е трегдаш на образцах оксида европия появлялись при температуре 1600 К. При температуре 2150 К появлялись дополнительные трещины, однако зачетного злидния на температурные зависимости это не стсазывало.

4. Оксиды тулия и празеедша. Как уке отмечалось выше, особенности образцов оксида тум'я и празеодима является то, что их поверхность была предварительно оплавлена.

По этой причине в диапазоне температур 1404 К-2546 К изменения коэффициентов отражения оксида тулия не превыиали 20 %. Как и для всех оксидов, при высших температурах ¡1а спектральной зависимости формировался длинноволновый фронт на длине волны 0.6Б мкм (рис.14).

Температурная зависимость оксида тулил представлена на рис.16. Из нее видно, что с температуры порядка 2100 К происходит постепенный рост коэффициента отраяеьия, охватывающий температурный интервал 2100 К - 2000 К. По литературным -<ачним оксид тул!1я имеет кубическую структуру (С) до температуры 2623 К, при которой последовательно происходят три полиморфных перехода С<"8, в*Л, Л«?Н. Исследовать эту область не удалось из-за появления раз0¡юса данных по световодному каналу и разрушения образцов. Разброс значений приведен только для длины волны 0.70 мкм, чтобы но загромождать рисунок. На температурной хе зависимости, полученной по пирометрическому каналу, имеет место максимум при

Tin „О,

С£Ю - X

чьдаэ - 1792 к ■fctt-td- - ÎIOJ К ЯЛЬЛ*- ЕС7Э К «tu - HÍ3 к - £3« К

350 4С0 43Ü 500 553 600 С50 7QQ 750

Рис.14.

Р

0 80

Tm,0,

fitaii» - О.Ы irhiTi

ii.u>- о.ео ir'! "

t£l£D- С.CS dum

trLit - 0.7'J rtlin

r - O.CS miun

'SSli - 0.64 (РСЛ1

HOO 1600 1800 2C0Q 2200 24C0 2(,00 2B00

T,K

Рис.15.

p O.EU

0.60

0.40

0.20

0.00

350 400 450 500 550 600 650 700 753 1100 15C0 1700 1300 21C0 2300 2Ь00

Рис. 16. х-ои Pi:c.l7. T'K

- 1 К 3 К

- >571 К -Ы-HJ-- 1751 К

1891 К

- 2058 К

fi-Ättt » саб i к

¿¿¿¿и»- гзьа к

P 1 .ос-

Pr20a

О.SO гг.ктп

ода;*1 - о ео nikm

кил* - О S S n-itim

ЬВЛА» - С 70 (Tikm

4tM -ОМ fr km

*Siti - 0.6* niloi!

д

.V/

температуре 2600 К.

У оксида празеодима с увеличением температуры происходило нивелирование спектральной кривой в области спектра 0.38-0.65 мкм и образование длинноволнового фронта (рис.16). Но при температурах, превышающих 2300 К происходило заметное увеличение коэффициента отражения, достигающее 25 %.

Температурная зависимость оксида празеодима представлена на рис.17. Как видим в области температуры 2331 К имеет место максимум. По литературным данным а этой облает" обнаружен полиморфный переход типа Л*Х СЗЗ. Температура перехода зафиксирована по разным источникам: 2223 К и 2318 К. При дальнейшем нагреве обравда разрушались.

G. Оксид диспрозия. Спектральные зависимости коэффициентов отра-яения при различных температурах для оксида диспрозия представлены на рис. 18. Как и для всех оксидов спектры 01ссида диспрозия при высоких температурах имеют полосу повышенной отражательной способности с границей на 0.65 мкм. С увеличением температуры до 1600 К на образцах оксида диспрозия появлялись одиночные длинные грешны. При дальнейшем нагреве они увеличивались, но при приближении к £000 К их размеры даже несколько сокрадались.

Сравнение" температурных зависимостей полученных по световодному и пирометрическим каналам позволяет сделать вывод о том, что после 1600 К они плохо согласуются и имеют разные тенденции (рис. 19). Правда на I длинах волн 0.6Б мкм и 0.64 мкм получены близкие значения коэффициентов отражения при температурах выше 2000 И.

Тага™ образом мешго отметить, что для оксида диспрозия влияние трещин оказалось очень сильным.

Но несмотря на это с помощью пирометра при температурах 2200К и 2485 К отмечены два максимума коэффициентов отражения. Согласно литературным данным в этом диапазоне температур имеют м.сто два фазовых превращения СЗД и В#Н при температурах 2133 К и 2473 К.

Чмввртая глава посвящена анализу полученных экспериментальных данных.

1) Анализ поведения коэффициентов-отражения в области фазовых переходов покагал их высокую чувствительность к структурным изменениям и удовлетворительное совпадение с литературными данными. Как уже отмечалось, на температурных зависимостях коэффициентов отражения в области фазового перехода наблюдается аномалия. Анатиз полученных экспериментальных данных показывает, что фазовуй переход в облучаемом копцинтря-

р

р

Пул

О.ОО 4т-. 1200

оиооо - О ьо ткт

ШООО - С 00 1Г|кт1

«л.» - С ГгЪт

.550 400 450 50(1 550 6Са 650 7С0 750

А . КГП

1700

1700

т,к

Рис.18.I

Рис.19.

рсванноы светом однофазном материале имеет размытый характер и реализуется в конечном интервале температур, В отличие от равновесных фазовых переходов, где фааовый переход осуществляется при одной температуре, называемой температурой фазового переиода, в неравновесных условиях , вызванных односторонним нагревом образца концентрированным потоком света, выбор определенной температуры фазового перехода становится проблематичным.

Однако анализ полученных экспериментальных криьых по спектральным коэффициентам отражения исследог-алных материалов ¡¡оказат. что температура, которой соответствует максимум на кривой р (?) удовлетворительно совпадает с температурой, при которой реализуется фазовый переход в равновесных условиях. Это происходит вследствие того, что началу фазового перехода соответствует температура, при которой наблюдается минимум на кривой р (Т). С увеличением температуры доля новой фазы увеличивается, и б точке соответствующей максимуму кривой р (Т) материал полностью состоит из новой фазы. Поэтому температура,, соответствующая максимуму на кривой р (Т), совпадает с температурой фазового перехода в разновесном эксперименте.

Намерение спектральных коэффициентов отражения по двум независимым каналам: световодному и пирометрическому, позволило расширить температурный диапазон исследований почти для всех образцов до температуры плавления. Ранее при использовании метода Фондирующей вспышки эксперимент прекращался сразу же как только появлялись тредшнн.С помощью

модернизированного метода зондирующей вспышки было показано,что почти для веек исследованных оксидов, за исключением оксида диспрозия, использование метода зондирующей вспышки оправдано вплоть до полного разрушения образца. Модернизированный метод зондирующей вспышки обеспечил исследование высокотемпературных полиморфных превращений и область плавления некоторых оксидов Р0Э. Неоднозначность некоторых результатов, таких как температурная зависимость оксида диспрозия и церия, лишний раз напоминают о том, что при высоких температурах одновременно могут происходить процессы,связанные гак с изменением структуры, так и химического состава.И те л другие процессы способны вызывать изменения в отражательной способности, и окончательный эффект может быть не аддитивным, а косить весьма слсшнй характер. Не исключено, что подобного рода наложение различных влияний ответственно и за неоднозначность некоторых результатов. Для полного осмысления таких усложненных ситуаций требуются дополнительные эксперименты и более тщательный анализ.

Исследования высокотемпературных спектральных коэффициентов сражения значительного числа отеидов редкоземельного ряда позволили построить их зависимость от порядкового номера ПЗ-элемента,входящего в состав оксида.Впервые обнаружено,что при температуре 2400 К зависимость коэффициентов отражения на длинах поли 0.50 мкм.0.60 мкм,0.65 мкм.и 0.70 мкн от порядкового номера редкоземельных элементов приобретает определенность и межно четко констатировать появление экстремумов при порядковых номерах 69, 64 и 69, которые соответствуют празеодиму, гадолинию и тулию и проявление элементов вторичной периодичности при высоких температурах,Сравнивая зависимости коэффициентов отражения от порядкового номера с аналогичными зависимостями температур плавления, энергиями связи и энергиями образования, еще нельзя сказать о полном совпадении параметров периодичности, но и нельзя отрицать их сходства. Воэможно, что с повышением температуры выше 2400 К сходство бы стало более явным.

3 И 3 О л Ы

1. Разработан модернизированный метод зондирующей вспышки для измерения спектральных коэффициентов отражения в условиях воздействия концентрированного светового получения, позволяющий контролировать влияние деградации поверхности образца на результаты измерений.

2. Создана система одновременной регистрации температуры и коэффициента отражения с использованием пирометра,способная работать в ре-

- е0 -

жиме непрерывного нагрева образца концентрированным сватовым потоком.

3. Впервые получены экспериментальные даниые по спектральным коэффициентам отражения редкоземельных оксидов (1..а20з, Се^Оз, РГ2О3, Еи^Оз, ОугОз, ТшгОз. ЗсгОз, УЬ^Оз, Ьи^Оэ) в видимой части спектра в интервале 0.33 - 0.72 мкм на 22 длинах волн в диапазоне температур 1400 - 2600 К.

4. Впервые измерены спектральные коэффициенты отражения Ьа^Оз, ЕигОз. "тгОз, РггОз, ЭугОэ в окрестности их высокотемпературных фаао-вых переходов в диапазоне длил волн 0,38-0,72 .мкм в условиях воздействия концентрированного светового излучения.

5. Модернизированным методом зондирующей вспышки обнаружено, что на облучаемой поверхности оксида лантана в условиях воздействия концентрированного света образуется сетчатая структура трещин в диапазоне температур 1800-8400 К, а при температуре £400 К происходит хрупкое разрушенье образца из оксида лантана. Однако образовавшаяся структура не оказывает сильного влияния на отражательные свойства облучаемой поверхности в исследуемом спектральном диапазоне, и полученные данные но превышают погрешности эксперимента.Диалогичный эффект был обнаружен для оксида скандия в диапазоне температур 1000-2200К и оксида европия,

6. Разработанный метод позволил зафиксировать пороговую температуру лучистого разрушения (Т,Юр»21бО К) образца иэ оксида иттербия и образца из оксида тулия (ТПор*2бб0), в условиях концентрированного светового воздействия. Суть обнаруженного Р'К жта заключалась в том, что при пороговой температуре наблюдался сильный разброс'значений коэффициента отражения (-15% и выше), поело чего образец хрупко разрушался.

7. Использование достоинств метода зондирующей ьспьгакп н его модернизация позволила предложить метод, с помощью которого в рамках единого подхода можно получить достоверные данные большого количества-материалов в широком спектральном и температурном диапазонах, В данной работе были измерены отражательные свойства девяти редкоземельных оксидов при высоких температурах, что восполнило имеюадайся пробел по высокотемпературным отражательным свойствам всей группы редкоземельных оксидов.Обобщение полученных данных совместно с данными, полученными методом зондирующей вспышки ранее, позволило впервые обнаружить периодическую зависимость спектрального коэффициента отражения от порядкового номера редкоземельного элемента на различных длинах волн при температуре 2400 К. \

Полученный экспериментальный материал может быть широко исаользо-

ван в гелиоматериаловедении при получении материалов с заданными свойствами.Дело в том,что к настоящему моменту на Большой солнечной печи синтезировано более 100 составов оксидных материалов для функциональной, конструкционной и высокоогнеупорной керамики. В большинстве составов в качестве основного компонента используются оксиды редкоземельных элементов,придающие синтезируемым на солнечной печи материалом уникальные физико-химические свойства.Полученные данные по спектрально-оптическим свойствам редкоземельных оксидов в видимой, части спектра в условиях воздействия концентрированного светового излучения дают возможность оптимизировать процессы синтеза новых материалов на солнечной печи путем регулирования величины падающего потока, исходя из поведения спектрально-оптических свойств облучаемой поверхности при изменении ее температуры.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Salikhov Т.Р., KanV.V., Rlskiev Т.1., Odamov U.O. Spectral Reflectivity and Emlsslvlty of Ceramics at High Temperatures/ Abstracts of 3-rd International Symposium on Advanced Materials. Islamabad, Pakistan. 1993. P. 57-Б8.

2. Salikhov T. P., KanV.V., Rlskiev Т. Т., Odamov U.O. Spectral Reflectivity and Emlssivlty of Ceramics at High Temperatures / Advanced Materials-93 / Proceedings of 3-rd International Symposium on Advanced Materials. Pakistan. 1994.PP.25-28.

3. Салихов Т.П., Кан B.B., Одамов У.О. Коэффициенты отражения редкоземельных оксидов в зависимости от положения FS3 в периодической системе. /Тезисы докладов I Международной научной конференции: "Новые материалы и приборы", Ташкент, 2-4 ноября 1994г. С.27.

4. Салихов Т.П., КанВ.В., Одамов У.О. Отражательные свойства редкоземельных оксидов при высоглх температурах"./ Тезисы докладов I Международной научной конференции: "Новые материалы и приборы", Ташкент, 2-4 ноября 1994 г. С.28.

6. Салихов Т.П., Кан В.В., Одамов У.О. Отратгельная способность оксидов LG2O3, РГ2О3, СегОз в услозиях воздействия концентрированного светового излучения//Гелиотехника, 1994,N4, С.66-68.

6. Салихов Т.П., Кан В.В., Одамов У.О. Исследование спектральной отражательной способности оксидов sc2o3, УЬгОз п условиях концентрированного светового воздействия //Гелиотехника, 1994, N5, С.66-67.

7. Салихов Т.П., Кан В.В., Одамов У.О. Отражательная способность оксидов EU2O3, DyßOa. ТтгОз при высоких температурах // Узбекский фп-

еический журнал, 1994, N.6., С.42-44.

8. Salikhov Т.P., Kan V.V., Riskiev Т.Т., Odamov U.O. Reflectivity of rare-earth oxides depending on the position of rare-earth elements in the periodic system /Abstracts of 4-rd International Symposium on Advanced Materials. Islamabad, Pakistan. 1995.

9. Salikhov T.P., Kan V.V., Riskiev T.T., Odamov U.O. Reflection properties of rare-earth oxides at high temperatures. / Abstracts of 4-rd International Symposium on Advanced Materials. Islamabad, Pakistan. 1995.

10. Salikhov T.P., Kan V.V., Riskiev T.T., Odamov U.O. Reflection properties of ceramics in the vicinity of their high temperature phase transitions./ Abstracts of 4-rd International Symposium on Advanced Materials. Islamabad, Pakistan. 1985.

11. ОдамоБ У.О. Отражательные свойства керамик в окрестности высокотемпературных фазовых переходов./ Тезисы докладов научного коллоквиума молодых ученых и аспирантов Республики У8бекистан, 1994.

12. Salikhov N.P., Kan V.Y., Riskiev Т.Т., Odamov U.O. Spectral Optical Properties of Ceramics at High Temperatutes./ Abstracts of Eighth International Conference on High Temperature Materials Chemistry. Vienna, Austria, April 4-9, 1994.

13. Салихов Т.П., Рискиев T.T.. Кан B.B., Одамов У.О. "Проблемы измерения высокотемпературной спектральной отражательной способности чистых оксидов редкоземельных элементов и г.еградации поверхности." Гелиотехника., 1696 г.,М 4, с.65-73.

"Spectral - optical properties of the oxides of rare-earth elements at high temperatures" Umarbay Odamov SUMMARY

The work is concerned with experimental research of spectral reflectivities of rare - earth oxides in wide spectral and temperature ranges.By means of the advanced method of probing flash spectral reflectivities of a series of rare-earth oxides (ЬагОз, СегОз, РггОэ, Еи£0з, DygOa, ТтоОз, 5с20з, УЬгОз, 1_и«0з) were measured in 1300-2600 К temperature range and 0,33-0,72 mkm spectral range.The degradation effect on the results obtained was studied and the area of the reliable data were defined.

The behaviour of spectral reflectivities of the oxides in the ne-

- вэ -

ighbourhood of their high temperature phase transitions was originally investigated In detail. The performed measurements allowed the researchers to compensate a gap in a world se', of data on spectral - optical properties of the rare-earth oxides at high - temperatures and study characteristic features cf the reflectivities behaviour in the region of high-temperature phase transitions of the rare - earth oxides .The summary of the results confirmed the existence of periodical dependence ot spectral reflectivities on cation atomic number ( In the oxide composition) at high temperatures.

"Врда кям учряйдиган алементлар оксидагарияинг вдэри темгора-туралардаги спвктрал-оггш; хос^алари."

Одамов Умарбой Оманович ККСКЛЧА МАЗМУШ

Диссертация пш ерда кям учрайдаган элементлар окспдлврквннг келг споктрал т?лщн узунлигада ва щори хдроратлар орадигадаги спектрал кайтярии коэффицявнтларини ургалтга баги®лантан.

Бу икни амалга оширит учун зондяи чак,наш усули мукагоюллапггприл-ган. Бу усул ердймида хнсррида айтилган олэмоптлар оксидлярипетг <ЪагОа, СегОэ,Рг2Оз,Ви2Оз.ВугОи. Ттг09, Sc2Oa. 1Ьг09, L^OJ спвкчрал кайтариш коэффициентани нега' спэктрсл (0,30-0,72 мкм) тулкш узунлик-ларвда ва щори (1300-2600 К) хароратлврдч бнрюгчя иаротоба Сир внктнинг узидя 22 та кэяал буйича улчопялган. Ь'у яшда, туплангвн оруглик таъсирл нотияасида улчанавтган намуна юзасида суладиган ясраенлар урганияган ва аник теплим хесоботлар олищ'пн.

Диссортацпяда орда кам учрайдаган алементлар оксидяаршшнг шори хароратлардаги фазовиЯ утишшр атрофядагп споктрял кзйториш коэффициента бяринти мэротаба т?лщ ургашизган. Шу элемантлар оксидлара устала щори хароратларда олиб Оорилган спектрал-оптак хоссялврня ва уларнинг щори фазовиЯ уташгар сохясидогя спэктрал кайтарт кдеффиционтларини ургантп дуно хисоботлар камгариясвда уз урнига ога ва мухпм ахамшгг касб этади. Олингап натижишрви умумлаштарилгавда иундай хулоса келиб чщадшш, вдори тегазвратуралврдаги спектрал вдйтариш коаффициентлари дяврий системадапг атом тартаб ношрага Оорлик акан.