ГОСТ Р 8.979-2019 Государственная система обеспечения единства измерения (ГСИ). Стандартные справочные данные. Теплопроводность оптически прозрачных керамик на основе твердых растворов NaLaS(2) - CaS в диапазоне температур от 80 К до 400 K

     4 Общие положения

4.1 Дисульфид натрия лантана и твердые растворы принадлежат к числу материалов, работающих в длинноволновой ИК области спектра. Такие материалы необходимы для использования в качестве защитных окон, куполов, линз в оптических системах тепловизионного оборудования для авиационных и космических аппаратов, приборов обнаружения, наблюдения, сигнальных устройств и управляемого вооружения. Главным условием для применения материалов для этих целей является их прозрачность в необходимом диапазоне инфракрасного спектра. Применение материалов в качестве защитных окон и куполов в авиационной и космической технике требует, чтобы они могли работать в сложных условиях окружающей среды и при высоких скоростях. Ввиду этого материалы должны иметь высокую температуру плавления, механическую и термическую прочность, стойкость к окислению, сопротивление дождевой эрозии, износостойкость. и обладают таким набором физико-химических свойств, и это позволяет использовать их в качестве идеального материала для защитных окон, линз, призм, обтекателей сенсорных систем, работающих в интервале длин волн 8-12 мкм в сложных условиях механических, термических и химических нагрузок [1]-[6].

Дисульфид натрия лантана с добавками щелочных, щелочноземельных металлов может использоваться в качестве пигмента для окрашивания пластиков, керамик, красок, резины, глазури, бумаги, чернил, косметики, ламинатов. Применяемые в настоящее время пигменты обычно содержат в своем составе токсичные металлы (кадмий, свинец, хром, кобальт) [7]. Использование таких пигментов строго контролируется, а в некоторых странах запрещено вследствие их токсичности. Ввиду этого существует экономическая и техническая необходимость поиска замещающих их нетоксичных пигментов. Редкоземельные сульфиды являются многообещающими кандидатами на использование в качестве пигментов для окрашивания пластиков, красок, резины, керамики, глазури, бумаги, чернил, косметики [8]-[16]. В этом классе соединений дисульфид натрия лантана, легированный щелочными, щелочноземельными, редкоземельными элементами, представляет существенный интерес для использования в качестве пигментов [11], [15], поскольку легирование дает очень широкий интервал цветов, хорошую способность к окрашиванию и диспергированию (особенно в пластиках), термическую и химическую стабильность.

4.2 Соединение и твердые растворы системы получаются методом вакуумного рекристаллизационного прессования предварительно синтезированных порошков исходного материала [17], [18]. Порошки и твердых растворов системы готовятся методом твердофазного синтеза [3], [17], [18]. При получении смесь и , содержащую избыточные 20% по массе относительно стехиометрии, нагревается в потоке до температуры 1200 К. Избыток в смеси способствует полноте реакции, лучшему формированию структуры и росту частиц за счет их рекристаллизации. Для получения твердых растворов системы в смесь и вводится . Смеси выдерживают при температуре 1200 К 2 ч, а затем охлаждают до комнатной температуры со скоростью 0,5 К в мин. В результате получается поликристаллический порошок с оптимальным для рекристаллизационного прессования размером частиц - 20-40 мм.

Для получения поликристаллов и твердых растворов системы порошки соответствующих составов прессуются при температуре 1600 К и давлении 200 МПа. Давление поднимается на 20 МПа каждые 6 мин, а температура до необходимой величины поднимается в течение 5 ч. Поскольку при этом происходит частичная потеря серы, для получения необходимого состава образцы подвергают дополнительному отжигу в атмосфере паров серы. Полученные таким образом поликристаллические материалы однофазны и имеют кубическую структуру типа NaCI с параметром решетки, монотонно изменяющимся от 5,878 () до 5,740 (10 мол. % ). Средний размер зерен в поликристаллах - 30 мкм. Образцы прозрачны в области длин волн 0,45-20 мкм, полосы поглощения примесных фаз в их спектрах пропускания отсутствуют.

4.3 Измерения коэффициента теплопроводности образцов выполнялись абсолютным стационарным методом, основанном на создании линейного теплового потока через исследуемый образец. Использованная авторами экспериментальная установка представляет собой модифицированный вариант низкотемпературной экспериментальной установки, описание которой приведено в статье [19], монографии [20] и справочнике [21] как установки, позволяющей получать надежные экспериментальные данные о коэффициенте теплопроводности. Методика экспериментального определения теплопроводности аттестована ФГУП "СТАНДАРТИНФОРМ" в категории методики [22], где приведены принципиальная схема прибора, методика проведения измерений и расчетные формулы. В этой установке измерения теплопроводности проводят по аналогии с измерениями электрического сопротивления потенциометрическим методом, что исключает необходимость учета контактных тепловых сопротивлений между образцами, нагревателем и холодильниками. Суммарная погрешность результатов измерений на экспериментальной установке в диапазоне температур от 80 К до 400 К с учетом погрешностей измерения мощности нагревателя, излучения с боковых поверхностей образцов и нагревателя, оттока или подвода тепла по проводам, погрешностей измерения геометрических размеров образцов, температуры термопарами составляет 24% в зависимости от области температур, геометрических размеров исследуемых образцов и их теплопроводности. В поликристаллических образцах твердых растворов системы влияние радиационного теплопереноса на экспериментальные результаты коэффициента теплопроводности в области температур ниже 400 К незначительно и перенос тепла обусловлен колебаниями кристаллической решетки (фононами).

4.4 Основой для разработки таблиц стандартных справочных данных явились результаты экспериментального исследования коэффициента теплопроводности оптических материалов на основе твердых растворов , проведенного в Институте физики им.Х.И.Амирханова Дагестанского научного центра РАН [23]-[26], следующих составов: ; (80 мол. %) - CaS (20 мол. %); (60 мол. %) - CaS (40 мол. %); (50 мол. %) - CaS (50 мол. %); (30 мол. %) - CaS (70 мол. %); (10 мол. %) - CaS (90 мол.%).

Полученные экспериментальные результаты обобщены и аппроксимированы полиномами третьей степени по методу наименьших квадратов. Ниже представлены аналитические зависимости, аппроксимирующие данные о коэффициенте теплопроводности, к, Вт·м·К каждого оптического материала

:

;   (1)

:

;     (2)

:

;    (3)

:

;   (4)

:

;    (5)

:

.    (6)

Стандартные справочные данные о коэффициенте теплопроводности оптических материалов на основе твердых растворов в диапазоне температур 80 К - 400 К, рассчитанные по уравнениям (1)-(6) при целых значениях температуры и значения суммарной стандартной неопределенности измерения коэффициента теплопроводности U(к) при доверительной вероятности, равной 0,95, представлены в таблицах 1-6. Расчеты суммарной стандартной неопределенности проведены по ГОСТ 34100.3.

В таблицах А.1-А.6 приложения А приведены первичные экспериментальные данные () о коэффициенте теплопроводности, данные (), рассчитанные по зависимостям (1)-(6), и отклонения в процентах расчетных данных от экспериментальных

.                                                  (7)