Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В отчетный период получены новые надежные экспериментальные данные по теплопроводности и температуропроводности неодима и самария в температурном интервале 293 - 1773 K твердого и жидкого состояний, включая области фазовых превращений. Для опытов использовались образцы неодима и самария марок НМ-1 и СмМ-1, соответственно. Выполненный химический анализ исследуемых редкоземельных металлов методами атомно-эмиссионной спектроскопии и масс-спектроскопии показал их соответствие техническим условиям (чистота исходного неодима не ниже 99.85%, самария не ниже 99.82%). Впервые лазерно-импульсным методом определены теплопроводность и температуропроводность самария и неодима во всем запланированном температурном интервале. При температурах примерно на 200 К ниже температуры плавления опыты выполнялись по стандартной методике, уже опробованной нами для твердых РЗМ [1, 2]. Использовался образец, имеющий форму диска, диаметром 12.6 мм и толщиной около 2 мм. Перед началом измерений образец механически очищался от окислов, после чего выполнялись контрольные измерения массы и линейных размеров, сразу после которых образец устанавливался на игольчатый держатель, находящийся внутри высокотемпературной электропечи установки. Объем, в котором размещался образец, герметизировался и вакуумировался. Опыты проводились в безмасляном вакууме ~2×10-5 мбар. Использовался держатель, изготовленный из тантала. Нижняя поверхность образца нагревалась лазерным импульсом длительностью 0.8 мс и энергией до 4 Дж и регистрировалась температура верхней поверхности образца с помощью ИК-детектора на основе антимонида индия, охлаждаемого жидким азотом. Из полученной термограммы рассчитывался коэффициент температуропроводности. Измерения проводились после длительного термостатирования образцов при постоянной температуре в серии из трех “выстрелов”. Интервал времени между “выстрелами” составлял 5 мин. Расчет коэффициента температуропроводности проводился с учетом тепловых потерь со всех поверхностей образца по модели [3]. Вводилась поправка на конечную длительность лазерного импульса и его реальную форму [4]. При определении температуропроводности не учитывалось тепловое расширение образцов. Высокая пластичность металлов вблизи точки плавления не позволяла проводить измерения на "свободных" образцах. По этой причине эксперименты в этой области были выполнены на образцах, заплавленных в танталовую ячейку. Ее конструкция и геометрические размеры были аналогичны [5]. Образец представлял плоский слой толщиной около 2.5 мм, который формировался между дном тигля и вставкой. Предварительно очищенный образец самария вместе с ячейкой отжигались в вакууме ~2×10-5 мбар при температуре ~900 К в течении 4 часов и помещались в перчаточный бокс с аргоновой атмосферой. Внутри бокса проводились измерения масс образца и деталей ячейки, после чего ячейка герметизировалась с помощью дуговой сварки. Такой подход позволял максимально исключить влияние окислов на результаты опытов. Для создания контакта образца с деталями ячейки, измерения начинались от максимальной температуры (1773 К), существенно превышающей температуру плавления. Для получения значений теплопроводности и температуропроводности использовалась расчетная модель, подробно описанная в [5]. Оцененная по методике [5] погрешность измерения температуропроводности "свободных" образцов составила 2-3%, а заплавленных – 4-6%. По результатам экспериментов разработаны справочные таблицы по температуропроводности и теплопроводности неодима и самария с оценкой их погрешностей, определены температурные зависимости коэффициентов переноса тепла. Проведено сопоставление результатов измерений с известными литературными данными. Определены изменения теплопроводности и температуропроводности при твердофазных превращениях и плавлении. Проверка закона Видемана-Франца показала, что он удовлетворительно (с погрешностью 10-15%) выполняется для твердого самария, для жидкого самария отсутствуют данные по электропроводности. В случае с неодимом, этот закон хорошо выполняется для расплава и β-фазы. Коэффициенты переноса тепла жидкого самария исследовались впервые. Полученные температурные зависимости тепло- и температуропроводности оказались существенно нелинейными. Такое поведение хорошо коррелирует с результатами измерения теплоемкости [6] и теплового расширения [7], где так же было установлено нелинейное изменение исследуемых свойств в жидком состоянии. В [6, 7] аномалию температурной зависимости связывали с размытым валентным превращением Sm(+3)→Sm(+2), предсказанным в [8]. Обнаруженное отклонение температурной зависимости температуропроводности от линейной функции качественно подтверждает это предположение. Во время отчетного периода подготовлены и приняты к публикации две статьи, а результаты исследований представлены на двух конференциях. 1. Самошкин Д.А., Агажанов А.Ш., Савченко И.В., Станкус С.В., Яцук О.С. Температуропроводность диспрозия в интервале температур 293-1273 К // Перспективные материалы. 2016. № 10. С. 76–80. 2. Самошкин Д.А., Агажанов А.Ш., Савченко И.В., Станкус С.В. Температуропроводность гадолиния в интервале температур 287-1277 К // Теплофизика высоких температур. 2017. Т. 55, № 2. С. 228–232 3. Cape J.A., Lehman G.W. Temperature and Finite Pulse-Time Effects in the Flash Method for Measuring Thermal Diffusivity // Journal of Applied Physics. 1963. Vol. 34, No. 7. P. 1909–1913. 4. Blumm J., Opfermann J. Improvement of the mathematical modeling of flash measurements // High Temperatures-High Pressures. 2002. Vol. 34, No. 5. P. 515–521. 5. Станкус С.В., Савченко И.В. Измерение коэффициентов переноса тепла жидких металлов методом лазерной вспышки // Теплофизика и аэромеханика. 2009. Т. 16, № 4. С. 625–632. 6. Багинский А.В., Ляпунов К.М., Станкус С.В. Калорические свойства самария при высоких температурах // Теплофизика высоких температур. 1996. Т. 34, № 4. С. 536–540. 7. Станкус С.В., Тягельский П.В. Электронный фазовый переход в жидком самарии // Теплофизика высоких температур. 2002. Т. 40, № 5. С. 714–719. 8. Herbst J.F., Wilkins J.W. Lattice-constant dependence of 4f levels in Sm metal: Evidence for a bulk valence transition // Physical review B. 1981. Vol. 24, No. 4. P. 1679–1686.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В отчетный период получены новые надежные экспериментальные данные по теплопроводности и температуропроводности лантана и церия в температурных интервалах 293-1623 К и 293-1773 K соответственно, включая области фазовых превращений. Для опытов использовались образцы лантана и церия марок ЛаМ-1 и ЦеЭ-О, соответственно. Выполненный химический анализ исследуемых редкоземельных металлов методами атомно-эмиссионной спектроскопии и масс-спектроскопии показал соответствие техническим условиям образца церия, и существенное превышение содержания железа в образце лантана (0.5 масс. %). Впервые лазерно-импульсным методом определены теплопроводность и температуропроводность лантана и церия во всем запланированном температурном интервале. При температурах примерно на 200 К ниже температуры плавления опыты выполнялись по стандартной методике, уже опробованной нами для твердых РЗМ [1, 2]. Использовался образец, имеющий форму диска, диаметром 12.6 мм и толщиной около 2 мм. Перед началом измерений образец механически очищался от окислов, после чего выполнялись контрольные измерения массы и линейных размеров, сразу после которых образец устанавливался на игольчатый держатель, находящийся внутри высокотемпературной электропечи установки. Объем, в котором размещался образец, герметизировался и вакуумировался. Опыты проводились в безмасляном вакууме ~2×10-5 мбар. Использовался держатель, изготовленный из тантала. Нижняя поверхность образца нагревалась лазерным импульсом длительностью 0.8 мс и энергией до 4 Дж и регистрировалась температура верхней поверхности образца с помощью ИК-детектора на основе антимонида индия, охлаждаемого жидким азотом. Из полученной термограммы рассчитывался коэффициент температуропроводности. Измерения проводились после длительного термостатирования образцов при постоянной температуре в серии из трех “выстрелов”. Интервал времени между “выстрелами” составлял 5 мин. Расчет коэффициента температуропроводности проводился с учетом тепловых потерь со всех поверхностей образца по модели [3]. Вводилась поправка на конечную длительность лазерного импульса и его реальную форму [4]. При определении температуропроводности не учитывалось тепловое расширение образцов. Высокая пластичность металлов вблизи точки плавления не позволяла проводить измерения на "свободных" образцах. По этой причине эксперименты в этой области были выполнены на образцах, заплавленных в танталовую ячейку. Ее конструкция и геометрические размеры были аналогичны [5]. Образец представлял плоский слой толщиной около 2.5 мм, который формировался между дном тигля и вставкой. Предварительно очищенные образцы лантаноидов вместе с ячейкой отжигались в вакууме ~2×10-5 мбар при температуре ~900 К в течении 4 часов и помещались в перчаточный бокс с аргоновой атмосферой. Внутри бокса проводились измерения масс образца и деталей ячейки, после чего ячейка герметизировалась с помощью дуговой сварки. Такой подход позволял максимально исключить влияние окислов на результаты опытов. Для создания контакта образца с деталями ячейки, измерения начинались от максимальной температуры (1623, 1773 К), существенно превышающей температуру плавления. Для получения значений теплопроводности и температуропроводности использовалась расчетная модель, подробно описанная в [5]. Оцененная по методике [5] погрешность измерения температуропроводности "свободных" образцов составила 2-3%, а заплавленных – 4-6%. По результатам экспериментов разработаны справочные таблицы по температуропроводности и теплопроводности лантана и церия с оценкой их погрешностей, определены температурные зависимости коэффициентов переноса тепла. Проведено сопоставление результатов измерений с известными литературными данными. Определены изменения теплопроводности и температуропроводности при твердофазных превращениях и плавлении. Проверка закона Видемана-Франца показала, что он удовлетворительно (с погрешностью 10-15%) выполняется для исследованных металлов, в тех температурных интервалах для которых имеются надежные данные по электропроводности. Совместный анализ результатов измерения температуропроводности четырех, исследованных в проекте, расплавов лантаноидов позволил сделать некоторые выводы относительно их свойств. Для всех четырех металлов температуропроводность в жидком состоянии монотонно возрастает с ростом температуры. Коэффициенты переноса тепла расплавов лантана, церия и неодима растут линейно, и имеют близкие температурные коэффициенты. Нелинейная зависимость температуропроводности жидкого самария обусловлена наличием электронного фазового перехода. Если исключить из рассмотрения лантан, у которого отсутствуют 4f-электроны, выясняется, что температуропроводность достаточно монотонно убывает с ростом атомного номера. Предложена методика прогнозирования температуропроводности расплавов легких лантаноидов. Методика апробирована на жидком празеодиме, рассчитанные с ее помощью данные хорошо согласуются с результатами экспериментов. Предложенная методика позволяет оценить коэффициенты переноса тепла, ранее неизученного, расплава радиоактивного прометия. Подготовлены и приняты к публикации две статьи, результаты представлены на трех конференциях. 1. Самошкин Д.А., Агажанов А.Ш., Савченко И.В., Станкус С.В., Яцук О.С. Температуропроводность диспрозия в интервале температур 293-1273 К // Перспективные материалы. 2016. № 10. С. 76–80. 2. Самошкин Д.А., Агажанов А.Ш., Савченко И.В., Станкус С.В. Температуропроводность гадолиния в интервале температур 287-1277 К // Теплофизика высоких температур. 2017. Т. 55, № 2. С. 228–232 3. Cape J.A., Lehman G.W. Temperature and Finite Pulse-Time Effects in the Flash Method for Measuring Thermal Diffusivity // Journal of Applied Physics. 1963. Vol. 34, No. 7. P. 1909–1913. 4. Blumm J., Opfermann J. Improvement of the mathematical modeling of flash measurements // High Temperatures-High Pressures. 2002. Vol. 34, No. 5. P. 515–521. 5. Станкус С.В., Савченко И.В. Измерение коэффициентов переноса тепла жидких металлов методом лазерной вспышки // Теплофизика и аэромеханика. 2009. Т. 16, № 4. С. 625–632.