Сегодня - 12.12.2019

Сибирские физики получили грант на исследование редких земель

19 сентября 2018

Молодые ученые из Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН изучают свойства расплавов редкоземельных металлов. Эта группа химических элементов используется в инновационных направлениях производства: металлургии, атомной энергетике, медицине, химической и стекольной промышленности и других областях. 

Возможность эффективного промышленного применения редких земель зависит от научных изысканий в этой области. Надежные данные о свойствах РЗМ и их изменениях при фазовых превращениях могут пригодиться в оптимизации высокотехнологичных процессов.
 

Редкоземельные элементы — металлы серебристо-белого цвета, некоторые с желтоватым оттенком, обладающие сходными химическими свойствами (наиболее характерна степень окисления +3). В природе, как правило, они встречаются в рассеянном виде и в форме оксидов, что осложняет их добычу в промышленных масштабах — отсюда и термин «редкоземельные». В группу РЗЭ входят 15 лантаноидов (лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий, иттербий, лютеций), а также иттрий и скандий. Физико-химические свойства этих элементов имеют противоречивые характеристики, поскольку изучены недостаточно.

 
Сотрудники лаборатории термодинамики веществ и материалов ИТ СО РАН — кандидат физико-математических наук Игорь Васильевич Савченко, аспирант Дмитрий Андреевич Самошкин и студент физического факультета НГУ Андрей Рашидович Хайрулин — получили грант Российского научного фонда на исследование тепло- и температуропроводности расплавов четырех легких РЗМ: лантана, церия, неодима и самария. Проект рассчитан на два года, к настоящему моменту пройдена уже половина пути. По словам ученых, за год удалось провести почти все измерения, впереди — довольно длительный и трудоемкий процесс обработки результатов.
 
Игорь Савченко (слева) и Дмитрий Самошкин на фоне установки LFA-427
 
«Отслеживать изменение свойств металлов в зависимости от фазовых превращений (перехода из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий, например из твердого вещества в расплав) — очень интересная задача с точки зрения физики и химии, — комментирует Игорь Савченко. — Фазовый переход в жидком самарии, связанный с изменением концентрации электронов проводимости, сам по себе является уникальным явлением, не наблюдающимся в других металлических расплавах». 
 
По словам ученых, данные по тепло- и температуропроводности легких РЗМ, которые были получены раньше другими исследователями, плохо согласуются между собой. Разброс в измерениях температурных коэффициентов теплопроводности достигает 400 %! Это связано со сложностью высокотемпературного эксперимента и специфическими свойствами РЗМ — химической агрессивностью (в жидком состоянии они взаимодействуют практически со всеми материалами, интенсивное окисление многих из них происходит уже при комнатной температуре), а также высоким давлением паров. 
 
«Последовательное экспериментальное изучение лантаноидов позволит нам понять, как локализованные электроны внутренней оболочки атомов влияют на макроскопические характеристики РЗМ, а конкретно — на теплопроводность, — рассказывает Игорь Савченко. — Это ключ к решению важнейшей задачи по определению связи электронного строения вещества с его структурой и физическими свойствами в конденсированном состоянии».
 
В распоряжении ученых — дорогостоящая установка LFA-427 немецкой фирмы NETZSCH. По своим параметрам — точности измерений (2—5 %) и диапазону температур (от 20 °C до 2000 °C) — она является одной из лучших в мире. Поскольку аппаратура такого класса предназначена в основном для измерений твердых веществ, сотрудники лаборатории адаптировали стенд для работы с расплавами и пластичными материалами: разработали конструкции измерительных ячеек и держателей, создали алгоритмы и программы математической обработки данных. В установке реализован метод лазерной вспышки (или флэш-метод). Его главные преимущества — универсальность, бесконтактность и малое время проведения единичного измерения (порядка секунды).
 
В чем заключается процесс? Металл, находящийся в специальном контейнере, предотвращающем его окисление, помещается в химический бокс с инертной атмосферой. В боксе металл извлекается из контейнера и помещается внутрь танталовой ячейки для опытов, где герметизируется дуговой сваркой. После этого заваренная ячейка с металлом помещается в печь установки LFA, внутри которой и происходят высокотемпературные измерения. Наконец, с помощью пакета программ, разработанного в лаборатории термодинамики веществ и материалов, производится вычисление исследуемых коэффициентов переноса тепла. Хотя единичное измерение занимает меньше секунды, для определения температурной зависимости теплопроводности требуется гораздо больше времени.
 
Ячейка с металлом на держателе, которая помещается в печь для измерения тепловых параметров
 
«Можно сказать, что эксперименты, проводимые в стенах нашей лаборатории, — уникальные, — говорит Дмитрий Самошкин. — Нам удалось первыми разработать новую методику по исследованию теплопроводности и температуропроводности металлов, проявляющих высокую активность на воздухе, в жидком состоянии. Опыты, проведенные ранее с расплавленными металлами (ртутью, индием, оловом, свинцом) подтвердили надежность результатов, полученных на установке».  
 
Ученые признают, что их работа по большей части носит фундаментальный характер. Выводы и обобщения представляют интерес прежде всего для теории теплофизических свойств веществ, физики металлов, жидкостей и фазовых превращений. Однако числовой материал может быть использован в расчетах разнообразных тепловых процессов.
 
Ограничиваться лантаноидами физики не хотят, а стремятся охватить весь спектр металлов, чтобы выявить общие закономерности теплопроводности и температуропроводности. Ими уже получены данные о некоторых свойствах тяжелых РЗМ, в планах — изучение теплофизических свойств щелочных и щелочноземельных металлов. 
 
«Скорее всего, мы будем подавать заявку на новый грант, чтобы закончить этот ряд, — делятся планами исследователи. — Имея полную информацию о редкоземельных металлах, мы сможем сделать обобщение и создать модель для прогнозирования свойств сплавов и соединений. В этом заключается фундаментальность нашей работы». 
 
Юлия Клюшникова
 
Фото автора
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (4 votes)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus