СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ
METHOD OF DETERMINING SURFACE TENSION OF METAL MELTS

Изобретение относится к исследованию материалов путем определения их физических свойств, а именно к определению поверхностного натяжения жидких металлов.
Известны способы определения поверхностного натяжения жидкостей, основанные на измерении избыточного, лапласовского, давления, создаваемого искривленной поверхностью исследуемой жидкости. Избыток давления под искривленной поверхностью относительно давления под плоской поверхностью описывается формулой [Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979. 568 с]
1
2
где σ - поверхностное натяжение жидкости на границе с собственным насыщенным паром, r и r - главные радиусы кривизны поверхности жидкости в рассматриваемой точке.
Известен способ определения поверхностного натяжения металлических расплавов путем измерения максимального давления в капле исследуемого расплава [Миссол В. Поверхностная энергия раздела фаз в металлах. М.: Металлургия, 1978. 176 с, стр. 79, рис. 31]. Указанный способ разработан и подробно изложен в работе [Пугачевич П.П. Поверхностное натяжение и адсорбция в металлических растворах: дисс.… д.х.н. Моск. хим.-технол. ин-т им. Д. И. Менделеева. - М: 1964].
Измерительную ячейку (фиг. 1), выполненную из стекла, после тщательной химической очистки, термо- и плазменной обработки, направленных на десорбцию посторонних веществ с внутренней поверхности ячейки, в условиях вакуума заполняют предварительно дегазированным и фильтрованным исследуемым расплавом [Саввин B.C. Поверхностные свойства амальгам таллия, свинца и висмута. Дисс.… к.ф.-м.н. Чечено-Ингушский гос. университет. - Грозный: 1978].
После заполнения исследуемым расплавом измерительную ячейку отпаивают от вакуумного поста и крепят внутри воздушного термостата со смотровыми окнами на специальном держателе, позволяющем поворачивать измерительную ячейку внутри термостата для переливания исследуемого расплава внутри измерительной ячейки.
Исследуемый расплав из накопительного сосуда 1 (фиг. 1) через сужение 2 медленно перетекает в манометрический сосуд 3. Одновременно на горизонтальном срезе 4 вертикально расположенного капилляра формируется капля исследуемого расплава. Лапласовское давление, обусловленное кривизной поверхности капли на срезе капилляра 4, компенсирует гидростатическое давление столба жидкости в манометрическом сосуде.
По мере роста столба жидкости в манометрическом сосуде 3 происходит увеличение объема капли над срезом капилляра 4 с одновременным возрастанием кривизны поверхности капли и, соответственно, лапласовского давления (формула (1)), компенсирующего гидростатическое давление столба жидкости в манометрическом сосуде 3.
Для роста кривизны поверхности капли существует предел, обусловливающий максимальное лапласовское давление, после достижения которого дальнейшая компенсация растущего гидростатического столба жидкости в манометрическом сосуде 3 становится невозможной - происходит продавливание расплава сквозь капилляр, расплав вытекает через капилляр и уровень расплава в манометрическом сосуде снижается. Максимальная высота расплава в манометрическом сосуде фиксируется с помощью катетометра через смотровое окно в термостате. Далее измерительную ячейку можно наклонить внутри термостата для перевода расплава в накопительный сосуд 1 и повторения измерений.
Расчет поверхностного натяжения производят по формуле Кантора-Фершафельта [Дадашев Р.Х. Термодинамика поверхностных явлений - М.: Физматлит, 2007. - 280 с. Стр. 94, формула (3.1.2)]
0
0
где r - радиус отверстия капилляра на срезе, ρ - плотность расплава, g - ускорение свободного падения, Н - высота столба жидкости с плоской поверхностью в манометрическом сосуде относительно среза капилляра.
Недостатком изложенного способа определения поверхностного натяжения является необходимость использования достаточно широких манометрических сосудов для уменьшения погрешности, обусловленной кривизной поверхности расплава в манометрическом сосуде, которая создает дополнительное к гидростатическому лапласовское давление. Для соблюдения с приемлемой точностью условия Н≈Но, где Н - высота вершины мениска в манометрическом сосуде относительно среза капилляра 4 (фиг. 1), требуется применение широких манометрических сосудов (∅~30 мм) [Пугачевич П.П. Поверхностное натяжение и адсорбция в металлических растворах: дисс.… д-ра хим. наук. Моск. хим.-технол. ин-т им. Д. И. Менделеева. - М: 1964]. Соблюдение указанного условия влечет за собой значительный расход исследуемых материалов, несоблюдение этого условия приводит к существенному занижению значений поверхностного натяжения, рассчитываемого по формуле (2).
Целью изобретения является повышение точности измерений и снижение расхода исследуемых материалов.
Предлагаемый способ основан на дополнительном измерении параметров мениска в манометрическом сосуде, что позволяет учесть создаваемое мениском давление и снимает необходимость использования широких манометрических сосудов.
Суть предлагаемого способа поясняется следующим примером. Измерительную ячейку (фиг. 1) заправляют исследуемым расплавом, укрепляют в термостате и производят измерения в соответствии с вышеописанной процедурой. В момент, когда кривизна поверхности капли достигает максимального значения, происходит продавливание расплава сквозь капилляр. В этот момент фиксируют положение вершины мениска в манометрическом сосуде 3 относительно среза капилляра Н и высоту мениска в манометрическом баллоне h. Затем, поворотом измерительной ячейки против часовой стрелки, возвращают расплав в сосуд 1 и повторяют измерение необходимое число раз.
Форма поверхности мениска в манометрическом сосуде 3 определяется силами тяжести и поверхностного натяжения и описывается уравнением Юнга-Лапласа [Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979, 568 с.]:
с начальными и граничным условиями
0
0
где z - вертикальная координата вдоль оси симметрии мениска, направленной вниз (фиг. 2). За начало отсчета принимают положение, которое занимала бы плоская поверхность расплава на расстоянии H от среза капилляра, r - горизонтальная координата точки поверхности мениска, отсчитываемая от оси симметрии мениска, R - внутренний радиус сечения манометрического сосуда, z - вертикальная координата вершины мениска. Таким образом
0
Численное решение системы уравнений (2)-(5) по заданным значениям g, ρ, r, R и измеренным значениям h и Н позволяет определить поверхностное натяжение расплава σ.
В таблице приведены результаты измерений поверхностного натяжения чистого индия (Ин-00) при температуре 174°С. Применяли манометрические сосуды двух размеров с R=14,15 и с R=3,45 мм. Показанная в таблице погрешность измерений представляет собой случайную погрешность при доверительной вероятности 95%.
Из приведенных результатов следует, что применение широкого манометрического сосуда позволяет пренебречь влиянием мениска. Применение сравнительно узких манометрических сосудов существенно уменьшает расход исследуемых материалов. Использование предложенного способа для узких манометрических сосудов обеспечивает получение результатов, которые в пределах погрешности измерений не отличаются от результатов, получаемых с использованием широких манометрических сосудов.