Теплові режими високотемпературного окислення вольфрамових дротиків

Анотація

Дослідження окислення вольфраму мають важливе значення для створення функціональних оксидних матеріалів, розробки фотокаталізаторів нового покоління та побудови сучасних моделей високотемпературного тепломасопереносу й фазоутворення. Процеси тепломасообміну при окисленні вольфраму дуже суттєво впливають на властивості оксидів вольфраму, причому фактично на всіх рівнях — від фазового складу до електрофізичних характеристик. Саме тепломасообмін визначає морфологію оксидів та самоорганізацію поверхні при нагріванні.

Дана робота присвячена детальному аналізу впливу різних механізмів переносу тепла і маси, фазових переходів на низько- та високотемпературні стаціонарні і критичні режими окислення вольфраму. Проводилось фізико-математичне моделювання процесів тепломасообміну та кінетики окислення вольфрамових дротиків, які нагрівались електричним струмом в повітрі.

Проведені дослідження показали, що в стаціонарних низькотемпературних режимах окислення, а також поблизу критичного значення сили струму, яке відповідає запаленню вольфрамового дротика, втрати теплоти на випаровування оксидного шару є незначними і можуть не враховуватись. Разом з тим при температурах дротика понад 1500 К процеси випаровування оксиду набувають визначального значення та суттєво впливають на формування дендритних розгалужених структур триоксиду вольфраму на поверхні провідника.

Досліджено роль радіаційних тепловтрат від поверхні нагрітого дротика до стінок реакційної камери в стаціонарних і критичних режимах, що відповідають запаленню та згасанню дротика. Встановлено, що для дротиків діаметром менше 100 мкм тепловим випромінюванням до стінок установки можна знехтувати. Для дротиків більшого діаметру врахування радіаційних тепловтрат у фізико-математичній моделі приводить до зростання критичного значення сили струму, за якого реалізуються високотемпературні режими окислення.

Показано, що природна конвекція істотно впливає на стійкі та критичні режими окислення вольфрамових дротиків. Встановлено, що інтенсифікація тепловіддачі внаслідок природної конвекції спричиняє збільшення критичного значення сили струму приблизно на 20%.