Physicochemical mechanisms of the growth of oxide crystals on the surface of tungsten conductors heated by electric current
Дата
2021
Науковий керівник
Укладач
Редактор
Назва журналу
Номер ISSN
Номер E-ISSN
Назва тому
Видавець
Одеський національний університет імені І. І. Мечникова
Анотація
Physical and mathematical modeling of stationary thermal modes of heating and oxidation of tungsten conductors heated by electric current in air has been carried out. The dependences of the stationary temperature of the conductor on the strength of the heating current are obtained. The critical values of the current strength are found, which determine the transitions to the unsteady oxidation regime. The results of calculating the temperature regimes describe well the experimental data obtained by us using the electrothermographic method.
As a result of experimental studies, the features of the appearance and growth of crystalline oxide structures on the surface of an oxidizing tungsten conductor have been studied. The temperatures at which filamentous crystals appear on the tungsten surface are determined, and the regularities of their growth are investigated. A physicochemical mechanism of the formation and growth of crystalline oxide structures on the surface of a tungsten conductor is proposed. It was found that carbon particles, which are part of the impurity, are the reason for the formation of nitrate crystals of tungsten trioxide on the basic oxide. With an increase in the temperature of the sample, the filaments grow, branch out and transform into dendritic structures of a complex bush-like shape. It has been proven that the rapid growth of crystal structures occurs due to the deposition of clusters and microgranules of WO3 oxide from the gas phase on the crystallization centers on the surface of the conductor. At the initial stage, these are impurity particles or mechanical inhomogeneities of the basic oxide, then a growing crystal. Clusters arise due to large temperature gradients at the surface of the conductor. It has been established that carbon atoms can migrate along the branches of oxide crystal structures.
It was found that at the initial stage the crystals grow more intensively in the longitudinal direction. However, upon reaching a certain height, they begin to expand intensively in the transverse direction. The growth rates of crystal structures in the longitudinal and transverse directions are found.
Проведено физико-математическое моделирование стационарных тепловых режимов нагрева и окисления вольфрамовых проводников, нагреваемых электрическим током в воздухе. Получены зависимости стационарной температуры проводника от силы нагревающего тока, найдены критические значения силы тока, определяющие переходы к нестационарному режиму окисления. Результаты расчета температурных режимов хорошо описывают экспериментальные данные, полученные нами с использованием электротермографического метода. В результате экспериментальных исследований изучены особенности образования и роста кристаллических оксидных структур на поверхности окисляющегося вольфрамового проводника. Определены температуры, при которых на поверхности вольфрама возникают ниттевидные кристаллы, исследованы закономерности их роста. Предложен физико-химический механизм образования и роста кристаллических оксидных структур на поверхности вольфрамового проводника. Установлено, что частицы углерода, которые входят в состав примеси, являются причиной образования на основном оксиде ниттевидных кристаллов триоксида вольфрама. Найдены скорости роста кристаллических структур в продольном и поперечном направлениях.
Проведено фізико-математичне моделювання стаціонарних теплових режимів нагріву і окислення вольфрамових провідників, що нагріваються електричним струмом в повітрі. Отримано залежності стаціонарної температури провідника від сили нагріваючого струму; знайдено критичні значення сили струму, що визначають переходи до нестаціонарному режиму окислення. Результати розрахунку температурних режимів добре описують експериментальні дані, отримані нами з використанням електротермографічного методу. В результаті експериментальних досліджень вивчено особливості утворення і зростання кристалічних оксидних структур на поверхні окисленого вольфрамового дротика. Визначено температури, при яких на поверхні вольфраму виникають ниткоподібні кристали, досліджено закономірності їх росту. Запропоновано фізико-хімічний механізм утворення і зростання кристалічних оксидних структур на поверхні вольфрамового провідника. Встановлено, що частинки вуглецю, які входять до складу домішки, є причиною утворення на основному оксиді ниткоподібних кристалів триоксида вольфраму. З підвищенням температури зразка нитки ростуть, розгалужуються і перетворюються в дендритні структури складної кущоподібної форми. Доведено, що швидке зростання кристалічних структур відбувається внаслідок осадження кластерів і мікрогранул оксиду WO3 з газової фази на центри кристалізації на поверхні провідника. На початковому етапі - це частинки домішки або механічні неоднорідності основного оксиду, потім - зростаючий кристал. Кластери виникають через великі температурні градієнти біля поверхні провідника. Встановлено, що атоми вуглецю можуть мігрувати по гілках оксидних кристалічних структур. Встановлено, що на початковому етапі кристали інтенсивніше ростуть в поздовжньому напрямку. Однак, при досягненні певної висоти починають інтесивно розширюватися в поперечному напрямку. Знайдено швидкості росту кристалічних структур в поздовжньому і поперечному напрямках.
Проведено физико-математическое моделирование стационарных тепловых режимов нагрева и окисления вольфрамовых проводников, нагреваемых электрическим током в воздухе. Получены зависимости стационарной температуры проводника от силы нагревающего тока, найдены критические значения силы тока, определяющие переходы к нестационарному режиму окисления. Результаты расчета температурных режимов хорошо описывают экспериментальные данные, полученные нами с использованием электротермографического метода. В результате экспериментальных исследований изучены особенности образования и роста кристаллических оксидных структур на поверхности окисляющегося вольфрамового проводника. Определены температуры, при которых на поверхности вольфрама возникают ниттевидные кристаллы, исследованы закономерности их роста. Предложен физико-химический механизм образования и роста кристаллических оксидных структур на поверхности вольфрамового проводника. Установлено, что частицы углерода, которые входят в состав примеси, являются причиной образования на основном оксиде ниттевидных кристаллов триоксида вольфрама. Найдены скорости роста кристаллических структур в продольном и поперечном направлениях.
Проведено фізико-математичне моделювання стаціонарних теплових режимів нагріву і окислення вольфрамових провідників, що нагріваються електричним струмом в повітрі. Отримано залежності стаціонарної температури провідника від сили нагріваючого струму; знайдено критичні значення сили струму, що визначають переходи до нестаціонарному режиму окислення. Результати розрахунку температурних режимів добре описують експериментальні дані, отримані нами з використанням електротермографічного методу. В результаті експериментальних досліджень вивчено особливості утворення і зростання кристалічних оксидних структур на поверхні окисленого вольфрамового дротика. Визначено температури, при яких на поверхні вольфраму виникають ниткоподібні кристали, досліджено закономірності їх росту. Запропоновано фізико-хімічний механізм утворення і зростання кристалічних оксидних структур на поверхні вольфрамового провідника. Встановлено, що частинки вуглецю, які входять до складу домішки, є причиною утворення на основному оксиді ниткоподібних кристалів триоксида вольфраму. З підвищенням температури зразка нитки ростуть, розгалужуються і перетворюються в дендритні структури складної кущоподібної форми. Доведено, що швидке зростання кристалічних структур відбувається внаслідок осадження кластерів і мікрогранул оксиду WO3 з газової фази на центри кристалізації на поверхні провідника. На початковому етапі - це частинки домішки або механічні неоднорідності основного оксиду, потім - зростаючий кристал. Кластери виникають через великі температурні градієнти біля поверхні провідника. Встановлено, що атоми вуглецю можуть мігрувати по гілках оксидних кристалічних структур. Встановлено, що на початковому етапі кристали інтенсивніше ростуть в поздовжньому напрямку. Однак, при досягненні певної висоти починають інтесивно розширюватися в поперечному напрямку. Знайдено швидкості росту кристалічних структур в поздовжньому і поперечному напрямках.
Опис
Ключові слова
heat and mass transfer, oxidation, temperature, tungsten, tungsten oxides, crystals, тепло и массообмен, окисление, температура, вольфрам, окисд вольфрама, кристалл, тепломасообмін, окислення, температура, оксид вольфраму, кристал
Бібліографічний опис
Orlovskaya S. G. Physicochemical mechanisms of the growth of oxide crystals on the surface of tungsten conductors heated by electric current / S. G. Orlovskaya // Фізика аеродисперсних систем. – 2021. – Вип. 59. – С. 117–126.
ORCID:
УДК
536.46