ПРИБОР ДЛЯ СОВМЕСТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ И РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ С УЧАСТИЕМ КОМПОНЕНТОВ С ВЫСОКОЙ УПРУГОСТЬЮ НАСЫЩЕННОГО ПАРА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
DEVICE FOR JOINT MEASUREMENT OF SUPERFICIAL TENSION AND WORK OF ELECTRON OUTPUT OF LIQUID-METAL SYSTEMS WITH PARTICIPATION OF COMPONENTS WITH HIGH ELASTICITY OF SATURATED STEAM OF METALS AND ALLOYS

Изобретение относится к приборам для исследования температурных и концентрационных зависимостей поверхностных свойств металлических расплавов с участием компонентов с высокой упругостью пара и может найти широкое применение в научно-исследовательской практике по физике, физической химии, материаловедении, металлургии легкоплавких металлов, заводских лабораториях и т.д.
Известны комбинированные приборы и устройства для совместного определения поверхностных и теплофизических свойств легкоплавких металлов и их бинарных и многокомпонентных сплавов и т.д., которые нашли широкое применение в научно-исследовательской практике [1-3]. Но они пригодны лишь для измерения поверхностного натяжения и работы выхода электрона жидкометаллических систем с участием компонентов, обладающих (небольшой, незаметной…) пренебрежимо малой упругостью собственного насыщенного пара. В других используются образцы жидкометаллических расплавов с широкой открытой поверхностью, что может привести к интенсивному их испарению и изменению составов исследуемых сплавов.
Наиболее близким к предлагаемому является прибор для изучения поверхностного натяжения и работы выхода электрона жидкометаллических систем [4]. Он состоит из двух резервуаров для компонентов изучаемой бинарной системы, соединенных калиброванной трубкой для добавок дозированных количеств одного компонента ко второму для получения внутри самого прибора, без нарушения вакуума, сплавов известных составов, при этом первый резервуар с чашками- подложками для формирования больших капель жидких сплавов, электродами для фиксации фотоэмиссионных токов, оптическими окнами для фотографирования капли и освещения ее монохроматизированными пучками света, одновременно выполняет функции измерительного отсека. Недостатками этого прибора являются:
- неконтролируемый массоперенос летучего компонента внутри прибора;
- невозможность точной фиксации составов сплавов исследуемых систем с участием летучих компонентов и сохранения их постоянства в течение продолжительного времени, необходимого для гомогенизации образцов и самих измерений;
- ограниченность возможностей прибора, так как он не позволяет определять поверхностное натяжение и работу выхода электрона жидкометаллических систем с участием компонента с высокой упругостью собственного насыщенного пара;
- запыление оптических окошек и электродов измерительного отсека прибора при измерениях поверхностного натяжения и работы выхода электрона исследуемых сплавов;
- значительное ограничение, накладываемое на верхний температурный диапазон измерений работы выхода электрона из-за возрастающей при этом интенсивности воздействия паров летучего компонента сплавов на внутренние стенки прибора, приводящие к «утечкам» эмиссионных токов, по которым и рассчитывается работа выхода электрона;
- существенное уменьшение срока годности и эксплуатационного периода прибора без потери основных характеристик его.
Задачей предлагаемого изобретения является существенное расширение возможностей комбинированных приборов и повышение надежности определения поверхностного натяжения и работы выхода электрона жидкометаллических систем с участием компонента с высокой упругостью собственного насыщенного пара путем исключения неконтролируемого массопереноса через паровую фазу и, следовательно, самопроизвольного изменения концентрации (составов) исследуемых сплавов в процессе их гомогенизации и длительных измерений.
Поставленная цель достигается тем, что комбинированный прибор для совместного определения температурных и концентрационных зависимостей поверхностного натяжения и работы выхода электрона жидкометаллических систем с участием компонентов с высокой упругостью насыщенного пара содержит основной резервуар с чашками-подложками для формирования больших капель исследуемых жидких сплавов, электроды для фиксации фотоэмиссионных токов, плоскопараллельные оптические окошки для фотографирования капли и освещения ее поверхности сверху монохроматизированными пучками света, а к корпусу резервуара вакуумно-плотно присоединена «гребенка» из необходимого по плану эксперимента количества вакуумированных ампул с блокированными внутри них полусферическими стеклянными перегородками дозированными навесками второго компонента с повышенной упругостью насыщенного пара.
На фиг.1 изображен прибор для совместного измерения поверхностного натяжения и работы выхода электрона жидкометаллических сплавов и возникающих из них твердых фаз с участием компонентов с повышенной упругостью собственного насыщенного пара:
1 - резервуар-смеситель для компонента-основы А и сплавов,
2 - коммуникационная трубка для подачи компонента А в резервуар 1 из верхнего бункера (не показан), напаянного выше сужения Б-Б,
3 - оптические окна для освещения и фотографирования профилей образцов-капель,
4 - большая капля исследуемого металла или сплава,
5 - чашечка-подложка,
6 - исследуемый металл,
7 - кварцевое окно,
8, 9 - молибденовые стержни,
10 - плоская чашка-подложка,
11 - анод,
12 - капилляр,
13 - U-образная трубка,
14 - приемная чашечка-бункер,
15 - коммуникационная трубка,
16 - «вентильная» емкость,
17 - капельница для подачи сплавов из резервуара 1 в плоскую чашку 10,
18 - «гребенка» с капилляром 19 и вакуумированными ампулами 20 с расположенными в них дозированными по весу навесками компонента-добавки с повышенной упругостью собственного насыщенного пара,
21 - стеклянные полусферические перегородки,
22 - дозированные навески компонента-добавки,
23 - заостренный металлический боек в стеклянной «рубашке» для вскрытия ампул,
24 - разгрузочная емкость для отпайки и хранения отработанных сплавов после завершения эксперимента.
А
Комбинированный прибор для совместного определения поверхностного натяжения и работы выхода электрона состоит из основного резервуара 1, в который через коммуникационную трубку 2 подается жидкий нелетучий компонент-основа (растворитель) известной массы М из верхнего кварцевого бункера (не показан).
В корпус резервуара 1 впаяны две соосные плоскопараллельные оптические окна 3 для освещения и фотографирования профиля большой капли сплава-образца 4, которая также находится на одной оптической оси с окошками. Поскольку форма капли должна представлять собой строго осесимметричную фигуру вращения относительно направления силы тяжести [5], то она формируется в специальной чашке-подложке 5 со строго круговым срезом верхних кромок.
Нижняя часть резервуара 1 служит в качестве смесителя для готовящихся по ходу эксперимента сплавов 6 и их гомогенизации, а верхняя его половина, заканчивающаяся плоским кварцевым окном 7, представляет собой измерительный отсек прибора, внутри которого с помощью молибденовых стержней 8 и 9 жестко закреплены чашки-подложки 5 и 10 для заполнения их исследуемыми жидкометаллическими образцами. Над плоской чашкой 10 расположен анод 11 - коллектор фотоэмиссионных токов. Плоская чашка-подложка 10, электрический вакуумный ввод которого осуществлен молибденовым стержнем 9, ввинченным в нижний выступ подложки, представляет собой фотокатод. С помощью резьбового соединения в дно чашки 10, рядом с краем бортика его, введен вертикально ориентированный капилляр 12 таким образом, что его верхний конец выступает над плоским дном чашки на 3-4 мм. Нижний конец капилляра 12 находится над правым концом U-образной трубки 13, оканчивающейся приемной чашечкой-бункером 14.
Коммуникационная трубка 15, вентильная емкость 16 и капельница 17 предназначены для подачи жидких металлов и сплавов 6 в верхнюю часть измерительной ячейки для последующего заполнения ими подложек 10 и 5. К резервуару 1 вакуумно-плотно присоединена (труба) «гребенка»
Б
Б
18 с капельницей 19, а также вакуумированные ампулы 20 с блокированными внутри них полусферическими стеклянными перегородками 21 дозированными навесками 22 второго компонента М с повышенной упругостью насыщенного пара. Внутри трубы-«гребенки» предварительно заложен заостренный металлический боек 23 для вскрытия в нужный момент времени ампул с металлами-добавками М.
Прибор снабжен разгрузочной ампулой 24, предназначенной для отпайки отработанных высокоактивных сплавов, например с участием щелочных металлов, самовоспламеняющихся при контакте с атмосферным воздухом.
А
А
Прибор работает следующим образом. Для определения поверхностного натяжения и работы выхода электрона чистого металла М, находящегося в емкости 1, прибор наклоняют вокруг оси ОХ «к себе» на угол 90°. При этом жидкий металл по коммуникационной трубке 15 отводится в вентильную емкость 16. При возвращении прибора в исходное положение металл стекает частично в чашку-катод 10, а его излишек - через капилляр 12 в приемный бункер 14 U-образной трубки 13. При этом в чашке-подложке 10 остается часть жидкого металла М с широкой плоской поверхностью, а на подложке 5 формируется большая капля 4. После установления равновесной формы капли производится ее фотографирование через оптические окна 3, а по результатам обмера фотографии капли рассчитывается поверхностное натяжение металла известным методом большой капли [6, 7].
А
А
Для определения работы выхода электрона плоскую поверхность исследуемого металла М, оставшегося в чашке-подложке 10, сверху облучают через окошко 7 монохроматическими пучками света, т.е. снимается спектральная характеристика фототока и по известному методу Фаулера определяется работа выхода электрона [8, 9]. После завершения измерения ПН и РВЭ в необходимом температурном диапазоне, путем наклона прибора вокруг оси ОХ на угол 90° за плоскость чертежа и обратным возвращением в исходное положение, металл М полностью переводится из подложек в нижнюю часть бункера 1. В зависимости от плана эксперимента указанную процедуру по измерению ПН и РВЭ можно повторить желаемое число раз с данным металлом.
Б
А
Для изучения ПН и РВЭ исследуемой бинарной системы необходимо приготовить сплавы. Эта процедура сводится к последовательному добавлению отдельных порций-навесок второго компонента известной массы М (которые были определены предварительно с большой точностью), к металлу М, находящемуся в нижней части измерительного отсека 1. Для этого разрушением с помощью бойка 23 стеклянной перегородки вскрывается одна из ампул, содержимое которой через капельницу 19 соответствующим поворотом прибора в плоскости чертежа переливается в основной резервуар 1. Образованный таким образом первый сплав подвергается гомогенизации в течение нескольких часов, т.е. до полного завершения возможных структурно-фазовых превращений в приготовленном сплаве.
А
В
А
Б
В
Измерения ПН и РВЭ первого сплава производятся точно так же, как это описано выше для чистого компонента М. После окончательного завершения измерений ПН и РВЭ, т.е. вскрытия и использования всех ампул, накопившийся в резервуаре 1 сплав 6 поворотом прибора против хода стрелки часов вокруг оси OY на угол, несколько превышающий 90 градусов, переливается в разгрузочную ампулу 24. Последняя отпаивается от прибора по сужению В-В для хранения или дальнейшего использования, например, при изучении тройных систем. В частности, для этого бункер 1 заправляется бинарными сплавом известной концентрации, а в ампулы - навески третьего компонента с известными массами М. Добавляя к двойным сплавам М+М известное количество третьего компонента М, в резервуаре 1 получаем тройные растворы, для которых определяем ПН и РВЭ точно также, как и в случае бинарных сплавов. Используя описанный прибор, авторы изучили ПН и РВЭ растворов системы натрий-цезий, в которой цезий имеет повышенную упругость собственных насыщенных паров в сравнении с натрием [10].
На фиг.2 показаны температурные зависимости поверхностного натяжения натрия, цезия и некоторых сплавов системы Na - Cs в жидком состоянии: ○ ○ - чистый Na; • - чистый Cs; Δ - 0,46 ат.% Cs в Na;  - 1,07 ат.% Cs в Na;  - 6,10 ат.% Cs в Na;  - 49,5 ат.% Cs в Na; + - 84,5 ат.% Cs в Na.
Результаты измерений температурных и концентрационных зависимостей σ(Т,Х) поверхностного натяжения ПН натрия, цезия и ряда сплавов системы Na-Cs, проведенные на образцах высокой чистоты, с погрешностью около 1%, графически показаны на фиг.2. Из них следует, что σ(Т) чистых компонентов Na и К находятся в хорошем согласии с наиболее надежными рекомендуемыми литературными данными [11-14], а высокая поверхностная активность цезия в сплавах с натрием, обнаруженная в эксперименте с использованием предлагаемого прибора, находятся также в полном согласии с основными критериями поверхностной активности компонентов в бинарных жидкометаллических системах [15].
Таким образом, предлагаемый прибор обладает рядом преимуществ перед существующими устройствами подобного назначения:
- полное исключение свободного и неконтролируемого массопереноса летучего компонента внутри прибора;
- точная фиксация составов каждого из сплавов исследуемых двойных и (или) тройных систем с участием летучих компонентов;
- гарантия неизменности составов каждого из сплавов сколь угодно долго, т.е. вне зависимости от времени гомогенизации и продолжительности экспериментов;
- многократное уменьшение или полное исключение (в зависимости от конкретно исследуемых систем) степени запыления оптических окошек и электродов измерительного отсека прибора при измерениях эмиссионных свойств исследуемых сплавов и работы выхода электрона;
- расширение температурного диапазона измерений ПН и РВЭ за счет уменьшения времени и интенсивности воздействия паров летучих компонентов исследуемых сплавов на внутренние стенки прибора;
- увеличение долговечности и эксплуатационного периода прибора без потери основных характеристик;
- возможность повторного использования прибора для изучения других систем за счет многократного уменьшения общего времени воздействия паров агрессивных летучих компонентов исследуемых сплавов на материал, из которого изготовлен прибор.
Разработан и испытан цельнопаянный комбинированный прибор, позволяющий совместно определять поверхностное натяжение и работу выхода электрона жидкометаллических систем с участием компонентов с высокой упругостью собственного насыщенного пара в условиях высокого статического вакуума. В новом приборе полностью исключена возможность свободного массопереноса активного компонента через паровую фазу, что гарантирует постоянство составов каждого из исследуемых сплавов. Изучение поверхностного натяжения и работы выхода электрона с использованием нового прибора показало высокую надежность и точность получаемых результатов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Хоконов Х.Б., Алчагиров Б.Б., Задумкин С.Н. Прибор для измерения поверхностного натяжения и работы выхода электрона металлов и сплавов // Заводская лаборатория. 1974. №5. С.558-559.
2. Ибрагимов Х.И., Саввин B.C. Прибор для совместного измерения плотности, поверхностного натяжения и работы выхода электрона жидких металлических растворов. В кн. «Методы исследования и свойства границ раздела контактирующих фаз». Киев. 1977. С.40-46.
3. Дадашев Р.Х. Термодинамика поверхностных явлений. М.: Физматлит. 2007. 278 с.
4. Алчагиров Б.Б., Архестов Р.Х. Прибор для совместного измерения поверхностного натяжения и работы выхода щелочных металлов и сплавов // Вестник КБГУ. Сер. Физические науки. Вып.3. 1999. С.8-10.
5. Прохоров В.А. и Русанов А.И. Осесимметричные мениски и методы определения равновесного поверхностного натяжения жидкостей. Физическая химия. Современные проблемы. Ежегодник. (Под ред. акад. Я.М. Колотыркина) 1988. Москва: Химия. С.180-220.
6. Иващенко Ю.Н., Богатыренко Б.Б., Еременко В.Н. К вопросу о расчете поверхностного натяжения жидкости по размерам лежащей капли. В кн. «Поверхностные явления в расплавах и процессах порошковой металлургии». Киев: Изд-во АН УССР. 1963. С.391-417.
7. Алчагиров Б.Б., Дадашев Р.Х. Метод большой капли для определения плотности и поверхностного натяжения металлов и сплавов. Нальчик: КБГУ. 2000. 94 с.
8. Алчагиров Б.Б., Карамурзов Б.С., Хоконов Х.Б. Современные методы исследования поверхности. Нальчик: КБГУ. 1987 г. 106 с.
9. Ибрагимов Х.И., Корольков В.А. Работа выхода электрона в физико-химических исследованиях. // М.: «Интермет Инжиниринг». 526 с.(2002).
10. Дриц М.Е., Зусман Л.Л. Сплавы щелочных и щелочноземельных металлов. Справочное издание. М.: Металлургия. 1986. 248 с.
11. Alchagirov A.B., Alchagirov B.B., Taova T.M., Khokonov Kh.B. - Surface energy and surface tension of solid and liquid metals. Recommended values. // In: Transactions of JWRI (Joining and Welding Research Institute), Osaka University. Osaka, Japan. Vol.30 (2001), Special Issue. P.287-291.
12. Keene B.J. Surface tension of pure metals. International Materials Reviews, 1993, v.38, №4. p.157-192.
13. Handbook of Thermodynamic and Transport Properties of Alkali Metals. /Ed.R.W.Oshe. - Oxford.UK: Blackwell Scientific Publications Ltd. 1985. 987p.
14. СИ. Попель. Поверхностные явления в расплавах. М.: Металлургия, 1994, 440 с.
15. Alchagirov А.В., Alchagirov В.В., Taova Т.М., Khokonov Kh.B. - Work function of binary Na-Rb, Na-Cs and K-Cs alloys. // Trans. JWRI (Joining and Welding Research Institute), Osaka University. Osaka, Japan. Vol.30 (2001), Special Issue. P.317-322.