рою плавлення оксиду WO 2 (т.В). На подальшою III стадії (крива вище т.В) відбуваються процеси плавлення та інтенсивного випаровування оксидної плівки з поверхні провідника. Товщина оксидної плівки зменшується і менше перешкоджає доступу кисню до поверхні металу, що веде до зростання швидкості окислення і різкого збільшення температури вольфрамового провідника. При настільки високих температурах провідника відбувається процес рекристалізації - укрупнення зернистої структури матеріалу і поступового зникнення його волокнистої структури. Зерна збільшуються в розмірах до площі поперечного перерізу зволікання, в результаті чого починають ковзати В«провисатиВ» під дією власної маси відносно один одного. При температурах, близьких до температурі плавлення вольфраму (Т пл = 3650 К [9,6]), провідник перегорає в невеликій локальній області, переважно по центру, де його температура максимальна (кадр 6, точка 6). Руйнування провідника пов'язано з плавленням і випаровуванням оксиду, рекристалізацією і, можливо, з плавленням самого металу. p> Таким чином, нестаціонарний тепломасообмін і кінетику окислення вольфрамового провідника, нагрівається електричним струмом можна представити у вигляді 3-х послідовних стадій: I - нагрівання провідника до квазистационарной температури; II - високотемпературне окислення вольфраму до температури плавлення оксидної плівки; III - плавлення та інтенсивне випаровування оксидної плівки, збільшення швидкості окислення, перегорання провідника. В В В В В В В
Рис.2.2. Фотографії поверхні вольфрамової зволікання і графік зміни її температури з плином часу при силі струму I = 1.1 A, d = 70 мкм, L = 5.3 см, T g = 291 К. (Відстань до провідника 10 см)
На рис.2.3 представлені фотографії вольфрамової зволікання, зроблені на різних стадіях високотемпературного окислення (кадри 1 - 7) і в момент її перегорання (кадр 8). Видно, що в момент часу, що передує перегорання провідник візуально кілька потовщується. Ймовірно, це пов'язано з переходом оксиду в рідкий стан і утворенням біля поверхні провідника тонкого шару випарувався газоподібного оксиду - зони конденсації. У момент перегорання утворюється велика кількість дрібних частинок, що летять в різних напрямках. Найкращі великі з них видно на останньому кадрі рис.2.3.
2 . 2. Фізико-математичне моделювання процесів високотемпературного окислення вольфрамової зволікання з урахуванням випаровування оксидної плівки.
Розглянемо нестаціонарний тепломасообмін (ТМО) і кінетику окислення вольфрамового провідника, що нагрівається електричним струмом, в повітрі при кімнатній температурі. Виділяється при цьому тепло джоуля зумовлює збільшення температури провідника і до активізації на його поверхні хімічної реакції окислення металу
Як було зазначено у розділі 1, при окисленні вольфраму в повітрі можливе утворення двох стійких оксидів WO 2 і WO 3 відповідно до рівнянь:
W + O 2 В® WO 2 (I)
2W +3 O 2 В® 2WO 3 (II).
Припустимо, що на поверхні зволікання утворюється окисна плівка, яка складається тільки з WO 2 . Так як реакція окислення протікає по параболічного закону, то швидкість хімічної реакції по кисню лімітується товщиною оксидної плівки
,, (2.3)
де k - константа швидкості хімічної реакції,; h - товщина оксидної плівки, м; відносна масова концентрація кисню на поверхні металу; r g - щільність повітря,; швидкість окислення по кисню,; k 0 - предекспоненціальний множник,; Е - енергія активації,.
Концентрацію кисню на поверхні дроту знайдемо з умови рівності масового потоку кисню до поверхні і швидкості його споживання на межі метал - окисел [2]:
,
,
, (2.4)
де S h , d h , S, d - відповідно площа поверхні і діаметр провідника, покритого шаром оксиду товщиною h, і чистого металевого провідника без оксидного покриття. Для тонких оксидних плівок, які спостерігаються при окисленні вольфраму, можна вважати, що d h /d В»1 (d h = d +2 h).
Це дає нам можливість визначити щільність хімічного тепловиділення реакції окислення вольфраму у вигляді:
. (2.5)
У рівняннях (2.4), (2.5): відносна масова концентрація кисню в повітрі, = 0.23 при Р атм = 10 5 Па; Q - тепловий ефект реакції,; коефіцієнт масообміну,, який визначається умовами масообміну зволікання з повітрям і характерним її розміром:
, (2.6)
де Sh - критерій Шервуда; D - коефіцієнт дифузії кисню в повітрі,; d - діаметр дроту, м.
Молекулярно-конвективний теплообмін нагрітої зволікання з повітрям описується законом Ньютона-Рихмана:
,, (2.7) де q c -щільність теплового потоку молекулярно-конвективним шляхом,; T g - температура газу, К; к...
