УСТРОЙСТВО ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА СКАЧКОВ БАРКГАУЗЕНА

Полезная модель относится к устройствам для исследования или анализа фазовых изменений в материалах с помощью тепловых средств.
В термодинамических системах титан-водород и палладий - водород поглощение водорода происходит по двум механизмам химической реакции: образованию твердого раствора водорода в металле и образованию гидрида металла.
Образование твердого раствора водорода в металле характеризуется изменением массы образца от времени плавной кривой параболического характера. При этом атомы водорода распределяются в пустотах кристаллической решетки металла.
При росте зародышей гидридной фазы в матрице металла возникают упругие напряжения, которые приводят к пластической деформации гидридов по двойниковому механизму. Возникновение деформационных доменов аналогично возникновению магнитных доменов в ферромагнетиках и электрических доменов в сегнетоэластиках. Двойникование растущего гидрида сопровождается периодическими кратковременными резкими изменениями массы поглощенного водорода или такими же резкими десорбционными пиками ранее адсорбированного водорода. Поглощенный водород распределяется в междвойниковых границах.
Зависимость изменения массы поглощенного металлом водорода от времени имеет сложный характер: это парабола, промодулированная скачками массы. При определении кинетических констант необходимо учитывать как кривизну параболы, так и амплитуду, и частоту скачков. Кинетические константы - фрактальная размерность химической реакции, константа скорости и энергия активации определяются с привлечением математического аппарата дробного исчисления (см., например: Мейланов Р.П., Свешникова Д.А., Шабанов О.М. Метод дифференциальных уравнений дробного порядка в описании кинетики сорбции. Журнал физической химии, 2003, том 77, №2, с.260-264).
Экспериментально определенные кинетические константы химической реакции титана и палладия с молекулярным водородом являются основой прогнозных оценок максимальной сорбционной емкости геттера и максимального времени его безаварийной работы.
Известно устройство, основанное на акустической эмиссии, возникающей при упругом двойниковании (Бойко B.C., Гарбер Р.И., Косевич A.M. Обратимая пластичность кристаллов. - М.: Наука 1991. - 280 с), в котором процесс двойникования воспринимается пьезодатчиком и регистрируется импульсным осциллографом. Недостатком известного устройства является то, что оно не в полной мере удовлетворяет требованиям к измерительным установкам термического анализа из-за возможности измерений только при комнатной температуре.
Известен трансмиссионный электронный микроскоп, в котором производится измерение скорости перемещения межфазных границ при изотермической выдержке в вакууме (Каур И., Густ В. Диффузия по границам зерен и фаз/Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1991. - 448 с). Недостатком этого устройства является сложность подготовки образцов и невозможность измерений в контролируемых атмосферах.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели является устройство анализа скачков Баркгаузена, возникающих при фазовых превращениях в образцах, содержащее блок, регистрирующий текущее значение рабочего параметра в зависимости от времени для фиксации его скачкообразного изменения, в котором рабочим параметром является намагниченность образца (а.с. SU 917146, кл. G01R 33/00, опубл. 30.03.1982). Недостатком известного устройства является невозможность исследования с его помощью изменений в механических полях.
Задачей заявленной полезной модели является устранение указанного недостатка и создание устройства для термического анализа скачков Баркгаузена в механических полях. Технический результат заключается в расширении исследовательских возможностей и улучшении контроля качества пористых геттеров для откачки водорода и водородопроницаемых мембран на основе палладия. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что устройство термического анализа скачков Баркгаузена в механических полях, возникающих при фазовых превращениях в образцах пористых металлов IVБ и VБ группы и палладия в атмосфере водорода содержит блок, регистрирующий текущее значение рабочего параметра в зависимости от времени для фиксации его скачкообразного изменения, который выполнен в виде торсионных микровесов, непрерывно регистрирующих изменение рабочего параметра, в качестве которого выбрана масса образца, расположенного в нагревательной камере, в режиме изотермической и неизотермической кинетики.
На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства.
-3
На фиг.2 представлена зависимость изменения массы образца пористого титана при 20°С и давлении водорода 5·10 Па.
-3
На фиг.3 представлена зависимость изменения массы образца пористого титана, покрытого пленкой палладия, при 200°С и давлении водорода 5·10 Па.
Установка термического анализа скачков Баркгаузена включает камеру 1, в которой установлен управляемый процессорным терморегулятором нагреватель 2 с термопарой 3 и подвешен образец 4. Масса образца 4 контролируется торсионными микровесами 5 с трансформаторным датчиком 6. Нагреватель 2 обеспечивает режимы изотермической (когда образец в процессе измерения поддерживается при постоянной температуре) и неизотермической (когда температура образца меняется в процессе измерения) кинетики в некотором интервале состава и давлений контролируемой атмосферы в камере 1.
Установка работает следующим образом.
-5
Для определения потоков поглощения водорода образец 4 нагревают в вакууме при давлении остаточных газов 10 Па до температуры активирования с помощью вакуумного нагревателя 2. Эта температура для пористого титана составляет 600°С, для палладия - 300°С. После проведения активирования, когда образец становится химически активным, его температуру понижают до комнатной, затем напускают молекулярный водород. Уже при комнатной температуре начинается активное поглощение водорода геттером и масса образца возрастает. Изменение массы регистрируется микровесами 5 с помощью трансформаторного датчика 6. В термодинамических системах титан-водород и палладий - водород поглощение водорода происходит по двум механизмам химической реакции: образованию твердого раствора водорода в металле и образованию гидрида металла. При росте зародышей гидридной фазы в матрице металла возникают упругие напряжения, которые приводят к пластической деформации гидридов по двойниковому механизму. Образование твердого раствора водорода в металле характеризуется изменением массы образца плавной кривой параболического характера. Двойникование растущего гидрида сопровождается периодическими кратковременными резкими изменениями массы поглощенного водорода или такими же резкими десорбционными пиками ранее адсорбированного водорода.
Устройство фиксирует изменение массы образца во времени. Полученные зависимости имеют характерные периодические особенности (например, ступени или провалы). По особенностям полученных зависимостей распознают моменты и интенсивность скачков, по которым, в свою очередь, определяют их частоту и амплитуду.
Примеры использования устройства.
-3
-5
-4
-9
2
-11
-8
2
-10
0V
max
1. С помощью предлагаемого устройства была измерена зависимость изменения массы образца пористого титана при 20°С и давлении водорода 5·10 Па (фиг.2). Амплитуда скачков составила Δm=2,5·10 г, частота скачков f=5·10 Гц, усредненная скорость V=3,9·10 г/смс=2,8·10 м/с, максимальная величина мгновенной скорости в момент скачка Баркгаузена V=5,1·10 г/смс=3,6·10 м/с.
-3
-4
-4
-9
2
-11
-7
2
-9
0V
max
2. С помощью предлагаемого устройства была измерена зависимость изменения массы образца пористого титана, покрытого пленкой палладия, при 200°С и давлении водорода 5·10 Па (фиг.3). Амплитуда скачков составила Δm=1,25·10 г, частота скачков f=5·10 Гц., усредненная скорость V=6·10 г/смс=4,5·10 м/с, максимальная величина мгновенной скорости в момент скачка Баркгаузена V=5·10 г/смс=4,4·10 м/с.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет проводить подробный (за счет высокой чувствительности микровесов) анализ скачков Баркгаузена в механических полях по изменению массы. Наличие изотермического и неизотермического режимов позволяет получить наиболее полную картину параметров выбранного образца. Все это расширяет исследовательские возможности устройства и позволяет улучшить контроль качества пористых геттеров для откачки водорода и водородопроницаемых мембран на основе палладия.