alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2019.01-03.056-066alternative-1574Research ArticleВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКАHYDROGEN ECONOMYО ТЕПЛОЕМКОСТИ КАРБИДА ТИТАНА TiCxABOUT HEAT CAPACITY OF TITANIUM CARBIDE TiCxХидировИ.KhidirovI.

д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий лабораторией структурных превращений в твердых телах

пос. Улугбек, 100214, Ташкенттел.: (998-71) 289-31-18

D.Sc. in Physics and Mathematics, Professor, head of the laboratory of the Structural Transformations in Solids States

Tashkent, 100214, Uzbekistantel.: (998-71) 289 31 18

khidirovi@yandex.ruГетманскийВ. В.GetmanskiyV. V.

старший научный сотрудник

пос. Улугбек, 100214, Ташкенттел.: (998-71) 289-31-18

Senior Researcher

Tashkent, 100214, Uzbekistantel.: (998-71) 289 31 18

ПарпиевА. С.ParpievA. S.

младший научный сотрудник

пос. Улугбек, 100214, Ташкенттел.: (998-71) 289-31-18

Junior Researcher

Tashkent, 100214, Uzbekistantel.: (998-71) 289 31 18

МахмудовШ. А.MakhmudovSh. A.

старший научный сотрудник

пос. Улугбек, 100214, Ташкенттел.: (998-71) 289-31-18

Senior Researcher

Tashkent, 100214, Uzbekistantel.: (998-71) 289 31 18

Институт ядерной физики АН Республики УзбекистанУзбекистанInstitute of Nuclear Physics, Uzbekistan Academy of SciencesUzbekistan201924022019001-035666Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20192019Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1574

Работа относится к области исследования теплофизических параметров тугоплавких сплавов внедрения, которые широко используются в технике и промышленности, в частности для конструкционных узлов альтернативной энергетики. Впервые рассчитана изохорная теплоемкость кубического карбида титана TiCx в дебаевском приближении в интервале концентрации углерода х = 0,97–0,70 при комнатной температуре (300 К) и температуре жидкого азота (80 К) через температуру Дебая, установленную на основе данных нейтроноструктурного анализа. Определено, что при комнатной температуре с уменьшением концентрации углерода теплоемкость существенно увеличивается – с 29,40 Дж/мол·К до 34,20 Дж/мол·К, а при температуре Т = 80 К – с 3,08 Дж/мол·К до 8,20 Дж/мол·К. Проанализированы литературные данные и приведены результаты оценки высокотемпературной зависимости теплоемкости СV кубического карбида титана TiC0,97, проведенной на основе данных нейтроноструктурного анализа. Предложено внести правку в формулу Неймана – Коппа в дебаевском приближении для описания высокотемпературной зависимости теплоемкости карбида титана TiC. После внесения поправки, формула Неймана – Коппа хорошо описывает результаты известных экспериментов по высокотемпературной зависимости теплоемкости карбида титана TiCx. В предложенной формуле учитывается степень термического возбуждения (квантовое число), увеличивающаяся скачками с повышением температуры.Результаты позволяют прогнозировать термодинамические характеристики карбида титана в интервале температур 300–3 000 К и могут быть использованы в методах расчета параметров функциональных материалов альтернативной энергетики.

This work relates to the field of thermophysical parameters of refractory interstitial alloys. The isochoric heat capacity of cubic titanium carbide TiCx has been calculated within the Debye approximation in the carbon concentration  range x = 0.70–0.97 at room temperature (300 K) and at liquid nitrogen temperature (80 K) through the Debye temperature established on the basis of neutron diffraction analysis data. It has been found out that at room temperature with decrease of carbon concentration the heat capacity significantly increases from 29.40 J/mol·K to 34.20 J/mol·K, and at T = 80 K – from 3.08 J/mol·K to 8.20 J/mol·K. The work analyzes the literature data and gives the results of the evaluation of the high-temperature dependence of the heat capacity СV of the cubic titanium carbide TiC0.97 based on the data of neutron structural analysis. It has been proposed to amend in the Neumann–Kopp formula to describe the high-temperature dependence of the titanium carbide heat capacity. After the amendment, the Neumann–Kopp formula describes the results of well-known experiments on the high-temperature dependence of the heat capacity of the titanium carbide TiCx. The proposed formula takes into account the degree of thermal excitation (a quantized number) that increases in steps with increasing temperature.

The results allow us to predict the thermodynamic characteristics of titanium carbide in the temperature range of 300–3000 K and can be useful for materials scientists.

карбид титанатеплоемкостьдебаевское приближениетемпература Дебаякриогенная температуравы- сокая температурастепень теплового возбуждениятанталtitanium carbideheat capacityDebye approximationDebye temperaturecryogenic temperaturehigh temperaturedegree of thermal excitationtantalumReferencesЖевтун, И.Г. Формирование износостойких композитных покрытий на титановых сплавах при электродуговой обработке в водных электролитах/ И.Г. Жевтун, П.С. Гордиенко, С.Б. Ярусова. – М.: РИОР ИНФРА-М, 2018. – 155 c.[1] Zhevtun I.G., Gordienko P.S., Yarusova S.B. Formation of wear-resistant composite coatings on titanium alloys during electric arc treatment in aqueous electrolytes (Formirovanie iznosostoikikh kompozitnykh pokrytii na titanovykh splavakh pri elektrodugovoi obrabotke v vodnykh elektrolitakh). Moscow: RIOR INFRA-M Publ., 2018; 155 p. (in Russ.).Байриков, И.М. Экспериментальная оценка биосовместимости нового СВС-материала на основе карбида титана со сквозной пористостью на культурах мезенхимальных стволовых клеток костного мозга человека / И. М. Байриков [и др.] // Вопросы челюстно-лицевой пластической хирургии, имплантологии и клинической стоматологии. – 2011. – № 1– 2. – C. 23–27.[2] Bairikov I.M., Bayrikov I.M., Amosov A.P., Tyumina O.V., Volchkov S.E., Latukhin E.I., Scherbovskikh A.E., Smetanin K.S. Experimental evaluation of the biocompatibility of a new SHSmaterial based on titanium carbide with through porosity on cultures of mesenchymal stem cells bone marrow of human (Eksperimental'naya otsenka biosovmestimosti novogo SHS-materiala na osnove karbida titana so skvoznoi poristost'yu na kul'turakh mezenkhimal'nykh stvolovykh kletok kostnogo mozga cheloveka). Voprosy chelyustno-litsevoi plasticheskoi khirurgii, implantologii i klinicheskoi stomatologii, 2011;1–2:23–27 (in Russ.).Yansheng, G. High-speed deposition of titanium carbide coatings by laser-assisted metal–organic CVD / G. Yansheng, Tu Rong, G.Takashi // Materials Research Bulletin. – 2013. – Vol. 48. – P. 2766–2770.[3] Yansheng G., Rong Tu, Takashi G. High-speed deposition of titanium carbide coatings by laser-assisted metal–organic CVD. Materials Research Bulletin, 2013;48:2766–2770 (in Eng.).Иверенова, В.И. Теория рассеяния рентгеновских лучей / В.И. Иверенова, Г.П. Ревкевич. – М.: Изд-во МГУ, 1972. – 246 с.[4] Iverenova V.I., Revkevich G.P. Theory of X-ray scattering (Teoriya rasseyaniya rentgenovskikh luchei). Moscow: MGU Publ., 1972; 246 p. (in Russ.).Нозик, Ю.З. Нейтроны и твердое тело: Структурная нейтронография, Т. 1. / Ю.З. Нозик, Р.П. Озеров, К.М. Хенниг. – M.: Атомиздат, 1979. – 344 с.[5] Nozik Yu.Z., Ozerov R.P., Khennig K.M. Neutrons and solid. Structural neutron diffraction. V. 1 (Neitrony i tverdoe telo: Strukturnaya neitronografiya T. 1). Moskow: Atomizdat Publ., 1979; 344 p. (in Russ.).Тот, Л. Карбиды и нитриды переходных металлов / Л. Тот. – М.: Изд-во Мир, 1974. – 296 с.[6] Toth L. Carbides and nitrides of transition metals (Karbidy i nitridy perekhodnykh metallov). Moscow: Mir Publ., 1974; 296 p. (in Russ.).Tcipenyuk, Yu.M. Zero point energy and zero point oscillations: how they are detected experimentally / Yu.M. Tcipenyuk // Uspekhi Fiziki. – 2012. – Vol. 55. – No. 8. – P. 855–867.[7] Tcipenyuk, Yu.M. Zero point energy and zero point oscillations: how they are detected experi-mentally. Physics-Uspekh, 2012;55(8):855–867 (in Eng.).Хидиров, И. Раздельное определение динамических и статических среднеквадратичных смещений атомов карбида титана методом дифракции нейтронов / И. Хидиров, А.С. Парпиев // Кристаллография. – 2011. – Т. 56. – № 3. – С. 504–508.[8] Khidirov I., Parpiev A.S. Separate Determination of the Amplitude of Thermal Vibrations and Static Atomic Displacements in Titanium Carbide by Neutron Diffraction (Razdel'noe opredelenie dinamicheskikh i staticheskikh srednekvadratichnykh smeshchenii atomov karbida titana metodom difraktsii neitronov). Kristallografiya, 2011;56(3):504–508 (in Russ.).Андриевский, А.Р. Прочность тугоплавких соединений и материалов на их основе / А.Р. Андриевский, И.И. Спивак. – Челябинск: Изд-во Металлургия, 1989. – 368 с.[9] Andrievskii A.R., Spivak I.I. Strength of refractory compounds and materials based on them (Prochnost' tugoplavkikh soedinenii i materialov na ikh osnove). Chelyabinsk: Metallurgiya Publ., 1989; 368 p. (in Russ.).Андриевский, Р.А. Прочность тугоплавких соединений / А.Р. Андриевский, А.Г. Ланин, А.Г. Рымашевский. – М.: Металлургия, 1974. – 232 с.[10] Andrievskii R.A., Lanin A.G., Rymashevskii A.G. Strength of refractory compounds (Prochnost' tugoplavkikh soedinenii). Moscow: Metallurgiya Publ., 1974; 232 p. (in Russ.).Францевич, И.Н. Упругие постоянные и особенности электронного строения некоторых классов тугоплавких соединений, получаемых металлокерамическим путем / И.Н. Францевич [и др.] // Неорганические материалы. – 1967. – T. 3. – № 1. – C. 8–16.[11] Frantsevich I.N., Zhurakovskii E.A., Lyashchenko A.B. Elastic constants and features of the electronic structure of some classes of refractory compounds obtained by metal-ceramic (Uprugie postoyannye i osobennosti elektronnogo stroeniya nekotorykh klassov tugoplavkikh soedinenii, poluchaemykh metallokeramicheskim putem). Neorganicheskie materialy, 1967;3(1):8–16 (in Russ.).Нouska, C.R.T. Thermal expansion and atomic vibration amplitudes for TiC, TiN, ZrC, ZrN and pure tungsten / C.R.T. Нouska // J. Phys. and Chem. Solis. – 1964. – Vol. 25. – No. 4. – P. 359–366.[12] Nouska C.R.T. Thermal expansion and atomic vibration amplitudes for TiC, TiN, ZrC, ZrN and pureKittel, Ch. Introduction to solid state physics. 8 th edition / Сh. Kittel. – 8 th edition. – New York: Wiley, 2005. – 704 p.tungsten. J. Phys. and Chem. Solis, 1964;25(4):359–366 (in Eng.).Щульце, Г. Металлофизика / Г. Щульце. – М.: Мир, 1971. – 503 с.[13] Kittel Ch. Introduction to solid state physics. 8 th edition. 8 th edition. New York: Wiley Publ., 2005: 704 p. (in Eng.).Самсонов, Г.В. Тугоплавкие соединения / Г.В. Самсонов, И.М. Виницкий. – М.: Металлургия, 1976. – 580 с.[14] Shchul'tse G. Metal Physics (Metallofizika). Moscow: Mir Publ., 1971; 503 p. (in Russ.).Стормс, Э. Тугоплавкие карбиды / Э. Стормс. – М: Атомиздат, 1970. – 304 с.[15] Samsonov G.V. Refractory compounds (Tugoplavkie soedineniya). Moscow: Metallurgiya Publ., 1976: 580 p. (in Russ.).Чиркин, В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники / В.С. Чиркин. – М: Атомиздат, 1967. – 474 с.[16] Storms E. Refractory carbides (Tugoplavkie karbidy). Moskow: Atomizdat Publ., 1970; 304 p. (in Russ.).Прекул, А.Ф. Высокотемпературная теплоемкость квазикристалла Al63Cu25Fe12 / А.Ф. Прекул [и др.] // Физика твердого тела. – 2008. – Т. 50. – №. 11. – С. 1933–1935.[17] Chirkin V.S. Thermophysical properties of materials of nuclear engineering (Teplofizicheskie svoistva materialov yadernoi tekhniki). Moscow: Atomizdat Publ., 1967; 474 p. (in Russ.).Денисов, В.М. Высокотемпературная теплоемкость Y2,9 Ho0,1Al5O2 / В.М. Денисов [и др.] // Физика твердого тела. – 2013. – Т. 55. – № 4. – С. 636–638.[18] Prekul A.F., Kazantsev V.A., Schegolina N.I., Gulyaeva R. I., Edagawa K. High-temperature heat capacity of Al63Su25Fe12 quasicrystal (Vysokotemperaturnaya teploemkost' kvazikristalla Al63Cu25Fe12). Fizika tverdogo tela, 2008;50(11):1933–1935 (in Russ.).Денисов, В.М. Высокотемпературная теплоемкость Dy2CuO5 / В.М. Денисов [и др.] // Физика твердого тела. – 2013. – Т. 55. – № 9. – С. 1714–1716.[19] Denisov V.M., Denisova L.T., Irtyugo L.A., Patrin G.S., Volkov N.V., Chumilina L.G. Hightemperature heat capacity Y2,9 Ho0,1Al5O12 (Vysokotemperaturnaya teploemkost' Y2.9 Ho0.1Al5O12). Fizika tverdogo tela, 2013;55(4):636–638 (in Russ.).Денисова, Л.Т. Высокотемпературная теплоемкость YCu2O5 / Л.Т. Денисова [и др.] // Физика твердого тела. – 2014. – Т. 56. – № 5. – С. 888–891.[20] Denisov V.M., Denisova L.T., Chumilina L.G., Kirik S.D., Belousova N.V. High-temperature heat capacity Du2SuO5 (Vysokotemperaturnaya teploemkost' Dy2Cu2O5). Fizika tverdogo tela, 2013;55(9):1714–1716 (in Russ.).Денисова, Л.Т. Исследование теплоемкости Lu2Cu2O5 / Л.Т. Денисова [и др.] // Физика твердого тела. – 2014. – Vol. 56. – № 3. – P. 620–622.[21] Denisova L.T., Denisov V.M., Gudim I.A., Temerov V.L., Volkov N.V., Patrin G.S., Chumilina L.G. High-temperature heat capacity of TbFe3(BO3)4 (Vysokotemperaturnaya teploemkost' TbFe3(BO3)4). Fizika tverdogo tela, 2014;56(5):892–894 (in Russ.).Кравец, С.Л. Большая Российская Энциклопедия / С.Л. Кравец, Ю.С. Осипов. – М.: БРЭ, 2007. – Т. 8. – 767 с.[22] Denisova L.G., Chumilina L.G., Denisov V.M., Kirik S.D., Belousova N.V. The study of heat capacity Lu2Su2O5 in area 366-992 K (Issledovanie teploemkosti Lu2Cu2O5 v oblasti 366-992 K). Fizika tverdogo tela, 2014;56(3):620–622 (in Russ.).Епифанов, Г.М. Физика твердого тела / Г.М. Епифанов. – 4-е изд., СПб.: Лань. – 2011. – 288 с. [25] Гуртов, В.А. Физика твердого тела для инженеров / В.А. Гуртов. – М.: Техносфера, 2012. –560 с.[23] Kravets S.L., Osipov Y.S. Great Russian Encyclopedia (Bol'shaya Rossiiskaya Entsiklopediya). Mocow: BRE Publ., 2007, vol. 8; 767 p. (in Russ.).Бурдиян, И.И. Теплопроводность и теплоемкость стекол состава (As2S3)x(As2Se3)1–x / И.И. Бурдиян, В.А. Баталин // Неорганические материалы. – 1995. –Т. 31. – № 1. – C. 127–128.[24] Epifanov G.M. Solid state physics (Fizika tverdogo tela). 4-edit. St. Petersburg: Lan' Publ., 2011; 288 p. (in Russ.).[25] Gurtov V.A. Solid state physics for engineers (Fizika tverdogo tela dlya inzhenerov). Moscow: Tekhnosfera Publ., 2012; 560 p. (in Russ.)[25] Gurtov V.A. Solid state physics for engineers (Fizika tverdogo tela dlya inzhenerov). Moscow: Tekhnosfera Publ., 2012; 560 p. (in Russ.)[26] Burdiyan I.I., Batalin V.A. Teploprovodnost' i teploemkost' stekol sostava (As2S3)x(As2Se3)1-x / I. I. Burdiyan. Neorganicheskie materialy, 1995;31(1):127–128 (in Russ.).[26] Burdiyan I.I., Batalin V.A. Teploprovodnost' i teploemkost' stekol sostava (As2S3)x(As2Se3)1-x / I. I. Burdiyan. Neorganicheskie materialy, 1995;31(1):127–128 (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.