1.4.3. Тепловые излучатели, работающие в атмосферном воздухе

Наиболее известными источниками инфракрасного (ИК) излучения, накаливаемыми электрическим током, являются:

• неметаллические излучатели на основе карбида кремния SiC (карборунда), силицида молибдена MoSi₂ и двуокиси циркония ZrO₂, примерами которых являются: глобар (силитовый стержень), излучатели типа «мосилит», штифт Нернста [1.4] и др.;

• спиральные проволочные или ленточные излучатели из металлических жаропрочных сплавов.

Глобар – это стержень диаметром от 2 до 5 мм и длиной 20 – 50 мм на (90…95) % состоящий из карбида кремния, который характеризуется удельным электрическим сопротивлением, превышающим удельное сопротивление металлов и имещим положительный температурный коэффициент удельного сопротивления. Благодаря этому глобар допускает включение в простую электрическую схему питания и нагревается не слишком большим током. Достоинством глобаров также является слабо изменяющийся по спектру интегральный коэффициент излучения на уровне ~0,8 при температуре поверхности 1550 – 1800 К, что позволяет считать его серым излучателем. К недостаткам глобаров относятся их хрупкость и старение в процессе работы, выражающееся в увеличении электрического сопротивления из-за роста пористости материала. Как правило, глобары разных размеров и мощностей используются в качестве источников излучения в области длин волн 1…15 мкм в различных низкотемпературных нагревательных установках и ИК спектральной аппаратуре.

Известны также неметаллические излучатели на основе силицида молибдена MoSi₂ c примесью Mo₅Si₃ Молибден реагирует с кремнием при температурах выше 1500 К с образованием силицида молибдена MoSi₂ , отличающегося от карбида кремния большей термоустойчивостью вплоть до 1800-1900 К и потому большей рабочей температурой (~ 2000 К), а также меньшим старением, которое возможно обусловлено термическим образованием на поверхности прочной газонепроницаемой пленки двуокиси кремния SiO₂. Спектральные излучательные свойства силицид-молибденовых излучателей известны недостаточно; по непроверенным данным интегральный коэффициент излучения силицида молибдена достигает 0,7-0,8 и слабо изменяется по спектру.

Штифт Нернста в зависимости от назначения обычно представляет собой цилиндрический стержень (диаметром 1…3 мм, длиной 10…30 мм), который спрессован из окислов циркония Zr (~85 %) и окислов редкоземельных элементов (~15 %). Излучатель Нернста характеризуется селективным спектром излучения в видимой и близкой ИК областях, который зависит от состава смеси, температуры спекания и даже температуры накала при работе. Рабочая температура в зависимости от модификации может иметь значение от 1700 до 2000 К. Материал штифта Нернста при комнатной температуре имеет высокое удельное электрическое сопротивление и отрицательный температурный коэффициент сопротивления, поэтому штифт Нернста для запуска в работу требует предварительного нагрева независимым источником в виде дополнительной электрической спирали или газовой горелки. Штифт Нернста обычно питают переменным током, так как его электропроводность имеет частично ионный характер; мощность излучателей различных размеров колеблется от нескольких ватт до десятков ватт. Поскольку излучатели Нернста малых размеров могут иметь малую теплоемкость, то для получения стабильных температуры накала и потока излучения источника требуется его защита от конвективных потоков воздуха.

В последние годы (1998-2010) в Институте физики твердого тела АН РФ синтезированы твердые растворы силицидов тугоплавких металлов молибдена и вольфрама, объединенные под общими названиями рефсик, рефсикат, рефсикот, защищенные патентами [1.9], в которых указано, что

• рефсик наилучшим образом подходит для изготовления высокотемпературных деталей, испытывающих механические нагрузки, в том числе – для рабочих участков электронагревателей. Материалы рефсик имеют прочный до 2300…2400 К связный каркас из карбида кремния и, кроме того, могут армироваться углеродными волокнами, углеродными тканями или графитными пластинками. Связкой и одновременно защитным покрытием поверхности в материале служит сочетание силицидов, т.е. твердых растворов (Mo,W)₅ Si₃+(Mo,W)₅ Si₂ и/или (Mo,W)₅ Si₃ С+(Mo,W)₅ Si₂;

• рефсикат характеризуется неизменно высокими прочностью, абразивной способностью и твердостью до температур ~ 2300 K и выше. От двух других этот материал отличается наибольшей допустимой объемной долей карбида кремния, зерна которого образуют каркас с высокой объемной долей заполнения;

• рефсикот позволяет соединять в произвольных сочетаниях тугоплавкие металлы, углеродные материалы и карбид кремния с помощью высокотемпературной пайки (температура плавления от 2100 до 2300 К), позволяет создавать высокотемпературные защитные противоокислительные покрытия на поверхности тугоплавких металлов, углеродных материалов, и карбида кремния вплоть до 2300 К, которые способны работать в воздухе или других кислородсодержащих средах. От материалов рефсик материалы рефсикот отличает наименьшая доля карбида кремния (вплоть до его отсутствия) и более широкий диапазон изменения допустимых долей молибден/вольфрам.

Одним из важных применений этих материалов указаны различные по назначению электронагреватели, характеризующиеся малыми потерями тепла на токовводах, армированных вольфрамовым токоведущим стержнем.

К сожалению, имеющаяся в настоящее время информация не содержит сведений об излучательных свойствах этих материалов.

В технике электронагревательных и излучательных устройств также находят применение спиральные проволочные или ленточные элементы из различных жаропрочных металлических сплавов типа феррохромалей, нихромов, феррохромов и др. [1.4, C. 81]. Такие излучатели характеризуются долговременной стабильностью свойств (включая спектральный коэффициент излучения окисленной поверхности в видимой и близкой ИК области спектра на уровне ~0,8) при температурах 1300…1600 К, а также простой технологией изготовления элементов в широкой области изменения их размеров, форм и мощностей. Возможность длительной работы в атмосферном воздухе при высокой температуре обусловлена образованием и длительным существованием на поверхности сплава нелетучих плотных окислов, температурный коэффициент расширения которых имеет значения близкие к таковым для материала самого сплава. При использовании предварительно окисленных проволоки или ленты прочность окислов и их высокое электрическое сопротивление позволяют намотку спирали излучателя производить вплотную виток к витку без дополнительной электроизоляции. Для сохранения формы и размеров излучателя и увеличения его теплоемкости с целью повышения временной стабильности температуры и потока излучения спираль излучателя нередко располагается на керамическом или кварцевом кернах.