Термодинамическое моделирование диаграммы состояния системы BeO-Sm2O3

Е.А. Чернова, Д.Н. Камаев, О.И. Бухтояров Курганский государственный университет, г. Курган, Россия

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ BEO-SM2O3

Аннотация: Выполнено термодинамическое моделирование фазовых равновесий в системе BeO-Sm2O3 с позиций теории субрегулярных ионных растворов. Расчетная диаграмма состояния частично согласуется с экспериментальными данными. Построена зависимость активности компонентов системы от состава при температуре 2273 К. Во всем диапазоне концентраций наблюдается отрицательное отклонение значений активности от идеального состояния.

Полученные результаты могут быть полезны для реализации синтеза материалов при изготовлении дозиметров ионизирующего излучения.

Ключевые слова: фазовые равновесия, диаграмма состояния, теория субрегулярных ионных растворов, оксид бериллия, оксид самария, дозиметры ионизирующего излучения.

E.A. Chernova, D.N. Kamaev, O.I. Bukhtoyarov Kurgan State University, Kurgan, Russia

THERMODYNAMIC MODELLING OF THE BEO-SM2O3 TRANSITION DIAGRAM

Abstract: The thermodynamic modeling of the phase equilibria in the BeO-Sm2O3 system has been carried out within the subregular solution theory. The assumption state-transition diagram partly correlates with the experimental data. The «activity - comsosition» dependence at he temperature 2273 has been plotted. A negative deviation of activity values from an ideal condition is observed in the whole concentration range

The obtained results can be used for synthesis of materials used for dosimeters manufacturing.

Keywords: phase equilibrium, the state-transition diagram, the subregular solution theory, beryllia, samarium oxide, dosimeters.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в связи с успешным развитием техники появилась необходимость в разработке и совершенствовании новых материалов и технологии их синтеза. Материалы на основе оксида бериллия и соединений редкоземельных элементов, в частности оксида самария, применяются для изготовления дозиметров ионизирующего излучения [1].

Для успешной реализации синтеза материалов на основе системы ВеО-Зт2О3 необходима информация по ее термодинамике. Однако какие-либо термодинамические данные по системе ВеО-Эт2О3 отсутствуют. Поэтому с учетом перспективности материалов, получаемых на основе данной системы, нами реализовано термодинамическое моделирование диаграммы состояния системы ВеО-Эт2О3 с позиций теории субрегулярных ионных растворов.

1. Методика моделирования

Система ВеО-Эт2О3 является простой эвтектической [2]. Координаты точки эвтектики составляют 35,4 мол.% Эт2О3 при температуре 1693 К.

Моделирование диаграммы состояния проводили на основании теории субрегулярных ионных растворов [3]. Справочные данные температур и энтальпий плавления были взяты из источников [4] и [5] .

С позиции теории субрегулярных ионных растворов

выражение для химического потенциала компонента бинарной системы выглядит следующим образом:

п1 >П1 / о1[ЯТ 1п х1 , 3x2 ; хЩ112 ,

, (2 . 3Xj)Xj х|^1122 ' (1 • 3xi)X2Q1222 n2 >n2 , °2[RT ln X2 ' (1 • 3x2) X13Q11i;

, (2 . 3Х2)Х2Х1201122 ' 3Х12Х2201222 ],

где 01 - число катионов в молекуле оксида, П - стандартный химический потенциал, Я -универсальная газовая постоянная, Т - температура, Х1 и Х2 - мольные

доли компонентов в расплаве, Q1112, Q1122, б1222 - энергетические параметры взаимодействия (смешения) компонентов. Индекс «1» относится к ВеО, индекс «2» к

Для расчета энергетических параметров смешения компонентов записывали выражения для равновесий в точке эвтектического превращения, а также для равновесия «расплав - чистый твердый компонент» в точке ликвидус с координатами 60 мол. % Эт2О3 при температуре 2103 К, далее решали полученную систему уравнений. В результате моделирования получили следующие значения параметров смешения: Q1112 = -210000 Дж/моль,

Q1122 = 159 90 Дж/моль, Q1222 = 100300 Дж/моль. На основании рассчитанных параметров смешения строили линию ликвидус диаграммы состояния как функцию температуры от состава и рассчитывали активности компонентов системы при различных температурах.

2. Результаты и их обсуждение

Расчетная диаграмма состояния системы ВеО-Эт2О3 приведена на рис. 1.

to §;

Е

to а

ф с

о

BeO

60

мол. %

Рис. 1. Диаграмма состояния системы Бв0--Зт203 1 - экспериментальная диаграмма состояния [2], 2 - расчетная диаграмма состояния

Наблюдается частичное согласование расчетной и экспериментальной линий ликвидус. В частности расчетная линия ликвидус в области доминирования оксида бериллия располагается выше по сравнению с экспериментальной. Это можно объяснить тем, что данные по температурам плавления компонентов системы, взятые нами из источника [4], отличаются от экспериментальных данных, полученных в работе [2]. Но в целом расчетную диаграмму можно использовать в качестве модели

Sm2O3

90

ВЕСТНИК КГУ, 2010. №2

для расчета термодинамических параметров системы.

На основании расчетной диаграммы состояния находили активности компонентов в расплаве при различных температурах. На рис. 2 приведена зависимость активности компонентов от состава при температуре 2273 К. Расчет зависимости активности компонентов от состава при других температурах дает аналогичные результаты.

T=2273K

Sm2O3, мольная доля

Рис. 2. Изотермы активности компонентов системы BeO-

Sm2O3

1 - изотерма активности BeO 2 - изотерма активности Sm2O3

Во всем диапазоне концентраций наблюдается отрицательное отклонение значений активности компонентов от идеального состояния, что свидетельствует о более сильном взаимодействии разносортных частиц в системе по сравнению с односортными [6].

1.0

0.8

0.6-

0.4

0.2-

0.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнено термодинамическое моделирование диаграммы состояния системы BeO-Sm2O3 с позиции теории субрегулярных ионных растворов.

Энергетические параметры смешения компонентов

составили: Q1222 = -210000 Дж/моль, Q1222 = 15990 Дж/

моль, Q1222 = 100300 Дж/моль. Расчетная диаграмма состояния частично согласуется с экспериментальными данными. Полученные результаты могут быть полезны для реализации синтеза новых материалов на основе данной системы, в частности материалов для изготовления дозиметров ионизирующего излучения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кийко В.С., Макурин Ю.Н., Ивановский А.Л. Керамика на основе оксида бериллия: получение, физико-химические свойства и применение.- Екатеринбург: УрО РАН, 2006.

- 440 с.

2. Tresvyatskii S.G., Kushakovskii V.l., Belevantsev V.S. A study of the systems BeO-Sm2O3 and BeO-Gd2O3 // Atomic Energy.

- Vol. 9. - №1. - P. 554 - 555.

3. Михайлов Г.Г., Леонович Б.И., Кузнецов Ю.С. Термодинамика металлургических процессов и систем. - М.: МИСиС,

- 2009. - 520 с

4. http://www.chem. msu.su/cgi-bin/tkv. pl?show=welcome. html (Термические константы веществ. Поиск и просмотр информации).

5. Самсонов Г.В. Физико-химические свойства окислов: Спра-

вочник. - М.: Металлургия, 1978. - 472 с.

6. Герасимов Я. И. Курс физической химии: В 2 т. - М.:Химия,

1970. -Т.1. - С. 181.

СЕРИЯ «ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ», ВЫПУСК 3

91