WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 11 Теплоемкость биоуглеродной матрицы белого эвкалипта экокерамики SiC/Si © Л.С. Парфеньева, Б.И. Смирнов, И.А. Смирнов, D. Wlosewicz, H. Misiorek, A. Jezowski, J. Mucha, A.R. de Arellano-Lopez, J. Martinez-Fernandez, F.M. Varela-Feria, A.I. Krivchikov Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Trzebiatowski Institute of Low Temperature and Structure Research, Polish Academy of Sciences, 50-950 Wroclaw, Poland Universidad de Sevilla, 41080 Sevilla, Spain Institute for Low Temperature Physics and Engineering, National Academy of Sciences of Ukraine, 31064 Kharkov, Ukraine E-mail: igor.smirnov@mail.ioffe.ru, smir.bi@mail.ioffe.ru (Поступила в Редакцию 16 марта 2006 г.) В интервале температур T = 3.5-300 K проведены измерения теплоемкости C биоуглеродной матрицы p дерева белого эвкалипта при постоянном давлении. По результатам измерения зависимости C (T ), а также p по литературным данным о фононной теплопроводности и скорости звука вычислена длина свободного пробега фононов l в биоуглеродной матрице белого эвкалипта. Установлено, что в интервале 100-300 K l const и равна 13, что близко к минимальному размеру графитоподобных кристаллитов ( 12 ), определенному ранее из рентгеноструктурных данных для рассматриваемой квазиаморфной биоуглеродной матрицы.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 04-03-33183), программы Президиума РАН (П-03) и Министерства науки и технологии Испании (проект МАТ 2003-05202-С02-01).

PACS: 65.60.+a, 65.90.+i Нестандартные биоморфные композиты SiC/Si, назы- реакцию углерода и пустых каналов. Обычно пористость ваемые также экокерамикой, продолжают привлекать композита составляет 13-30vol.%.

внимание физиков и инженеров-практиков в связи с Уникальной особеностью биоморфных композитов явотносительной простотой и оригинальностью методики ляется возможность изготовления керамических изделий их получения, наличием у них интересных физических с заранее выбранной формой, которая задается путем свойств и широкими перспективами их практического простой механической обработки „мягкой“ биоуглеродприменения (см. обзор [1]). Экокерамика SiC/Si обладает ной массы. После инфильтрации в полученные загобольшой механической прочностью, противостоит окис- товки Si они образуют высокопрочные и уже трудно лению и коррозии, имеет небольшой вес. обрабатываемые изделия, которые полностью сохраняют Процесс получения SiC/Si проходит через ряд стадий. первоначально заданную форму.

1) Выбор исходного дерева с заданной сеткой „пи- Биоуглеродная матрица (precursor, carbon template), тательных“ каналов (как правило, с диаметрами от 4 выполняющая достаточно важную функцию промежудо 100 µm), расположенных вдоль направления роста точного продукта при конструировании биоморфного дерева. композита, представляет большой интерес и как новый 2) Проведение пиролиза (обугливания) образцов вы- вид пористого углерода — углерода с канальной систебранного дерева в атмосфере аргона при 1000C с об- мой пор.

разованием необычной пористой углеродной матрицы с Ранее для биоуглеродной матрицы белого эвкалипта концентрацией пор, соответствующей количеству „пита- мы провели рентгеноструктурные исследования [5], а тельных“ каналов исходного дерева (физико-химические также измерили теплопроводность, удельное электросопроцессы, происходящие при „обугливании“ дерева, по- противление [5] и модуль Юнга [6].

дробно описаны в [1–4]). Из рентгеноструктурных данных следовало, что био3) Инфильтрация (без приложения внешнего давле- углеродная матрица белого эвкалипта является аморфния) в пустые сквозные каналы биоуглеродной матрицы ным (или рентгеноаморфным) материалом. Рентгеноврасплавленного Si и в результате химической реакции ские дифрактометрические кривые интенсивности этой его с углеродом образование кубического 3C-SiC. матрицы содержали три диффузионных гало с пикаОкончательно биоморфный композит конструируется ми, приходящимися соответственно на углы 11.5-13, из 3C-SiC, избыточного Si, не вступившего в реакцию с 21-22.5 и 40. По полуширинам этих пиков в [5] углеродом матрицы, а также из возможных небольших были оценены размеры возможных графитоподобных оcтровков (размером в несколько µm) не вступившего в кристаллитов, имеющихся в биоморфной матрице белоТеплоемкость биоуглеродной матрицы белого эвкалипта экокерамики SiC/Si го эвкалипта. Они оказались соответственно равны 12, 19 и 22. Таким образом, рассматриваемую биоуглеродную матрицу было бы более правильно называть не аморфным, а квазиаморфным материалом.

Настоящая работа посвящена исследованию теплоемкости биоуглеродной матрицы дерева белого эвкалипта.

Укажем ее основные цели.

1) Измерить в широком интервале температур (3.5-300 K) теплоемкость биоуглеродной матрицы белого эвкалипта при постоянном давлении (Cp). Измерений C (T ) на этом материале до сих пор не проводилось.

p 2) Определить длину свободного пробега фононов в биоуглеродной матрице белого эвкалипта с помощью полученных данных для Cp(T ), фононной теплопроводности (T ) [5] и результатов для скорости звука [2].

ph 1. Приготовление образцов, их идентификация и методики измерений Теплоемкость измерялась на образцах биоуглеродной матрицы белого эвкалипта, исследованных в работе [5], где можно найти полную информацию о приготовлении образцов и их идентификации. Здесь приведем лишь некоторые сведения об исследованных образцах, которые потребуются нам при обсуждении и анализе полученных экспериментальных данных.

Образцы были получены из дерева белого эвкалипта при температуре пиролиза 1000C. Канальная Рис. 1. Температурная зависимость теплоемкости биоуглеропористость биоуглеродной матрицы белого эвкалипта дой матрицы белого эвкалипта при постоянном давлении. На составляла 43.3 vol.% (29.1% приходится на каналы со вставке — низкотемпературный участок A зависимости C (T ).

p средними диаметрами 62.54 µm, 14.2 % — на более T — температура, при которой наблюдается смена зависимоузкие каналы со средними диаметрами 3.98 µm) [7].

сти Cp(T ) на высокотемпературном участке кривой.

При такой пористости плотность углеродной массы исследованных образцов равна 1.6 g/cm3 [5], что укладывается в набор плотностей для стеклоуглерода, сажи и других форм аморфного углерода [8], а также для Оказалось, что если представить зависимость Cp(T ), биоуглеродной матрицы дерева тополя, полученной при приведенную на рис. 1, в координатах lgC - lg T, p его пиролизе при 1000C [2]. Отметим еще раз, что то из рис. 1 следует, что измеренная теплоемкость исследованные образцы биоулеродной матрицы белого биоуглеродной матрицы в различных температурных эвкалипта являются аморфными (рентгеноаморфными) интервалах имеет разную температурную зависимость:

материалами.

n Cp T (см. таблицу). Низкотемпературное поведеИзмерение теплоемкости при постоянном давление Cp(T ) биоуглеродной матрицы белого эвкалипта нии Cp проводилось в интервале 3.5-65 K с помо1. (Cp T, Cp T ) и большие значения Cp при низких щью импульсного квазиабатического метода [9], а при температурах, чем в случае кристаллического углеро80-300 K — на автоматическом адиабатическом калода (рис. 2), характерны для теплоемкости аморфных риметре [10].

тел [12].

2. Экспериментальные результаты n Показатель степени n в выражении C T для различных p и обсуждение интервалов температур На рис. 1 представлены полученные экспериментальИнтервал температур, K n ные данные для Cp(T ) аморфного (квазиаморфного) образца биоуглеродной матрицы белого эвкалипта, а 3.5-4.6 на рис. 2 эти результаты сравниваются с литератур- 6-27 1.35-190 1.ными данными для кристаллического углерода (графи200-300 1.та) [8,11].

2 Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 1940 Л.С. Парфеньева, Б.И. Смирнов, И.А. Смирнов, D. Wlosewicz, H. Misiorek, A. Jezowski, J. Mucha...

для биоуглеродной матрицы тополя [2], полученной путем пиролиза этого дерева при 1000C (при этой же температуре проводился пиролиз эвкалипта). Согласно [2], величина v матрицы тополя равна 5 · 105 cm/s.

Исходя из близкой геометрии строения тополя и эвкалипта, а также равенства температур их пиролиза, можно полагать, что v биоуглеродной матрицы белого эвкалипта будет не сильно отличаться от таковой для тополя.

Расчет l(T ) для биоуглеродной матрицы белого эвкалипта в интервале 100-300 K приведен на рис. 4.

Оказалось, что l не сильно изменяется в этом интервале (близка к постоянной величине, равной 13 ), что Рис. 2. Температурные зависимости C биоуглеродной матриp цы белого эвкалипта (1) и углерода (графита) [8,11] (2).

Для расчета длины свободного пробега l в биоуглеродной матрице белого эвкалипта воспользуемся полученными нами ранее данными для фононной теплопроводности из работы [5] (рис. 3). Измерения в [5] проводились на образцах, вырезанных вдоль направления роста дерева (кривая 1 на рис. 3). Для расчета l необходимо использовать данные для, полученные с учетом пористости образца ( ). Такой учет был проведен по формуле [13].

Рис. 3. Температурная зависимость теплопроводности кристаллической решетки биоуглеродной матрицы белого эвка = (1 - p) 1 - p, (1) липта [5] без учета (1) и с учетом пористости образца (2).

где p — величина пористости (в нашем случае На вставке — низкотемпературный участок A тех же зависимостей.

p = 0.433). Результаты расчета представлены на рис. 3 (кривая 2).

Длина свободного пробега фононов в биоуглеродной матрице белого эвкалипта определялась по формуле l = 3 /Cpv, (2) где v — скорость звука, измеренная в биоуглеродной матрице на образце, вырезанном вдоль направления роста дерева. К сожалению, данные для v биоуглеродной матрицы белого эвкалипта в литературе отсутствуют, и Рис. 4. Температурная зависимость длины свободного пробега нам пришлось воспользоваться аналогичными данными фононов для биоуглеродной матрицы белого эвкалипта.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Теплоемкость биоуглеродной матрицы белого эвкалипта экокерамики SiC/Si характерно для аморфных и квазиаморфных (аморфноподобных) твердых тел. По величине l оказалась близка к размерам наименьших графитоподобных кристаллитов ( 12 ), определенным для этого материала из рентгеноструктурных данных [5].

Таким образом, в результате проведенного исследования в интервале 3.5-300 K впервые была измерена теплоемкость биоуглеродной матрицы дерева белого эвкалипта при постоянном давлении. С помощью полученных экспериментальных данных для Cp и литературных данных для фононной теплопроводности и скорости звука была вычислена длина свободного пробега фононов. Она оказалась постоянной в интервале температур 100-300 K и равной 13, что близко к величине размеров наименьших графитоподобных кристаллитов ( 12 ), находящихся в биоуглеродной матрице белого эвкалипта, определенных из рентгеноструктурных данных.

Обнаруженное в этом материале постоянство l в широком интервале температур, величина и температурная зависимость Cp в области низких температур характерны для аморфных (квазиаморфных) твердых тел.

Список литературы [1] A.R. de Arellano-Lopez, J. Martinez-Fernandez, P. Gonzalez, C. Dominguez, V. Fernandez-Quero, M. Singh. Int. J. Appl.

Ceram. Technol. 1, 1 (2004).

[2] C.E. Byrne, D.C. Nagle. Carbon 35, 267 (1997).

[3] P. Greil, T. Lifka, A. Kaindl. J. Europ. Cer. Soc. 18, 1961 (1998).

[4] A.K. Kercher, D.C. Nagle. Carbon 40, 1321 (2002).

[5] Л.С. Парфеньева, Т.С. Орлова, Н.Ф. Картенко, Н.В. Шаренкова, Б.И. Смирнов, И.А. Смирнов, H. Misiorek, A. Jezowski, J. Mucha, A.R. de Arellano-Lopez, J. MartinezFernandez, F.M. Varela-Feria. ФТТ 48, 415 (2006).

[6] Б.К. Кардашев, Ю.А. Буренков, Б.И. Смирнов, A.R. de Arellano-Lopez, J. Martinez-Fernandez, F.M. VarelaFeria. ФТТ 47, 860 (2005).

[7] F.M. Varela-Feria. Ph. D. Thesis. Universidad de Sevilla (2004).

[8] Физические величины. Справочник / Под ред. И.С. Григорьева и Е.З. Мейлихова. Энергоиздат, М. (1991). 1232 с.

[9] A.I. Krivchikov, B.Ya. Gorodilov, A. Czopnik. Proc. Conf.

Low Temperature Thermometry and Dynamic Temperature Measurement. Wroclaw (1997). P. V7.

[10] D. Wlosewicz, T. Plackowski, K. Rogacki. Cryogemcs 32, 265 (1992).

[11] Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. А.А. Равделя, А.М. Пономаревой. Химия, Л. (1983).

231 с.

[12] R.C. Zeller, R.O. Pohl. Phys. Rev. B 4, 2029 (1971).

[13] Е.Я. Литовский. Изв. АН СССР. Неорган. материалы 16, 559 1980.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.