Способ определения газопроницаемости материалов

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ, заключающийся в пропускании электрического тока через электрохимическую ячейку с пористыми электродами, один из которых отделен исследуемым образцом от объема с газом, измерении величины тока в стационарном состоянии и определении газопроницаемости по величинам тока и перепада давления, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа путем исключения операций независимого опреГделения перепада давления, регистрируют зависимость электродвижущей силы на электродах от времени после выключения тока, определяют по этой зависимости величину электродвижущей силы в момент выключения тока и по полученным значениям рассчитывают пе (Л репад давления. ее 00 «/./

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1РЦ G 01 и 15/08

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБ ЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 1

1 !

Ф (21) 3636045/24-25 . (22) 22.08.83 (46) 07;02.85. Бюл. ¹ 5 (72) В.А.Аржанников, А.А.Аржааников, А.Д.Неуймин и С.Ф.Пальгуев ,(71) Институт электрохимии Уральского научного центра АН СССР . (53) 625.85 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР № 631806, кл. G 01 М 15/08, 1978.

2, Авторское свидетельство СССР № ".59958, кл. G 01 N 15/08, 1980.

3. Авторское свидетельство СССР по заявке № 3256073/18-25, кл. G 01 .N 15/08, 1981 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОПРО"

НИПАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ, заключающий ся в пропускании электрического тока

J t

ÄÄSUÄÄ 113S711 А через электрохимическую ячейку с по ристыми электродами, один иэ которых отделен исследуемым образцом от объема с газом, измерении величины тока в стационарном состоянии и определении газопроницаемости по величинам тока и перепада давления, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью упрощения способа путем исключения операций независимого определения перепада давления, регистрируют зависимость электродвижущей силы на электродах от времени после выключения тока, определяют по э той зависимости величину электродвижушей силы в момент выключения тока и по полученным значениям рассчитывают перепад давления.

11387 1 1

Изобретение относится к технике измерения проницаемости материалов газами.

Известен способ определения газопроницаемости пористых материалов, основанный на пропускании газа через испытуемый образец и измерении давлений газа на входе в Образец и на.его выходе, расхода газа и его скорости на выходе из материала (1). 10

Недостатком этого способа является необходимость измерения большого числа параметров.

Известен способ определения возду- 15 хопроницаемости материалов, заключающийся в создании перепада давления между внутренней полостью камеры и внешней средой и измерении временной зависимости давления в полости 20 после отключения камеры от насоса (23.

Недостатком данного способа является его невысокая точность, так как величину газового потока через 25 образец определяют косвенно по давлению и в нестационарном режиме.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения газопроницаемости ZO материалов, заключающийся в пропускании электрического тока через . электрохимическую ячейку с пористыми электродами, один иэ которых отделен исследуемым образцом от объема с га- З зом, измерении величины тока в стационарном состоянии и определении газопроницаемости по величинам тока и перепада давления (3 ).

К недостаткам известного способд 4О относится необходимость проведения дополнительных измерений с ячейкой без образца для получения калибровочной зависимости, связывающей величину тока с перепадом давления для 45 определения значений перепада давления при осуществлении способа.

Цель изобретения — упрощение спо соба путем исключения. операций независимого определения перепада дав- о ления.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения газопроницаемости материалов1 заключающемуся -в пропускании элект-, рического тока через электрохимическую ячейку с пористыми электродами один из которых отделен исследуемым образцом от объема с газом, измерении величины тока в стационарном состоянии и определении газопроницаемости по величинам тока и перепада давления, регистрируют зависимость электродвижущей силы на электродах от времени после выключения тока, определяют по этой зависимости величину электродвижущейся силы в момент выключения тока и по полученным значениям рассчитывают перепад дав- ления.

На фиг.1 приведена схема устройства для определения газопроницаемости; на фиг.2 — график зависимости напряжения на электродах ячейки от времени.

Устройство для осуществления предложенного способа представляет собой электрохимическую ячейку, выполненную из твердого электролита 1 и снабженную двумя пористыми электродами, Исследуемый образец 2 герметично соединяют с ячейкой таким об. разом, что его внутренняя сторона образует с электродом 3 замкнутое газовое пространство, Другой электрод 4 располагают в той же газовой среде, что и наружная сторона образца, Для пропускания через ячейку электрического тока к электродам че-. рез ключ 5 и амперметр 6 подключают внешний источник ЭДС 7. Для регистрации временной зависимости ЭДС на электродах ячейки после отключения тока к ним подключают вольтметр или осциллограф 8.

Устройство работает следующим образом.

Через твердый электролит, обладающий, например, проводимостью по ионам кислорода, пропускают электрический ток, в результате чего происходит перенос газа из одного приэлектронного пространства в другое, Таким образом, создают перепад давлений с противоположных сторон образца. Величина перепада давлений принимает определенное значение после достижения стационарного состояния, когда потоки через электролит и исследуе . мый Образец уравниваются.

На фиг.2 представлена типичная временная зависимость ЭДС на электродах электрохимической ячейки. Напряжение U на электродах при пропускании между ними электрического тоt (Е„- Е ) t - t

2 (3) RT P пГ Р (2) (4) E=2E -E

1 2

3 11387 ка 3 от внешнего источника ЭДС складывается из следующих составляющих

U=3R+ < + Е, (1) где R — омическое сопротивление ячей ки; 1 — суммарная поляризация элект. родов;

Š— ЭДС концентрационного гальванического элемента, величи- 10 на которой определяется уравнением Нернста где R — газовая постоянная, Дж/г моль град;

Т вЂ” абсолютная температура, К; и — заряд иона потенциалопреде- 2о ляющего газа;

F — число Фарадея, Кул/г моль, 1 II

P,P — парциальные давления газа в средах, контактирующих с электродами ячейки, Па. 25

Величину Е, соответствующую отношению парциальных давлений газа при прохождении в ячейке электрического тока, опредяляют по ее значению в момент выключения тока.(t ) . Для этого кривую спада ЗДС концентрационного гальванического элемента во времени экстраполируют на ось ЭДС, проходящую через точку, соответствующую моменту выключения тока.

С целью. дальнейшего упрощения оп- . ределения величины Е на прямолинейном участке спада ЭДС концентрационного гальванического элемента измеряют по крайней мере два значения

ЭДС Е и Е,„ через определенные.интервалы времени t> и t с момента вы — ключения тока, например в точках А и В (фиг.2 ), Величину ЭДС Е в момент выключения тока (точка О ) определяют следующим образом. Из фиг.2 видно, что! Е = OM + Е„, так как отрезок ЧЙ параллелен оси абсцисс по построению. Прямоугольные треугольники AOM u ABN подобны вследствие равенства их углов, из подобия треугольников следует

OM = NB AN/AN.

Отношение отрезков AN/AN равно отношению t /t -t ; а величина отрез г ка NB равна разности величин Е„ и

Ег, следовательно Š— ЭДС концейт11 4 рационного гальванического элемента, можно определить по формуле

Выключение электрического тока, проходящего в ячейке, после установления стационарного состояния и измерения его величины, и последующее определение значения ЭДС, соответствующего отношению парциальных давлений газа на противоположных сторонах образца, в момент выключения тока позволяет определить перепад давлений в заданных условиях, не прибегая к определению калибровочной зависимости, что в целом упрощает процесс определения газопроницаемости.

Точность определения при этом не уменьшается, так как определение перепада давлений осуществляется в процессе испытаний конкретного образца при заданных условиях, что исключает погрешности, возможные при определении калибровочной зависимости и связанные с необходимостью точного воспроизведения условий, при которых снята калибровочная зависимость, во время испытаний образца.

Л р и м е р. При исследовании кислородопроницаемости ряда оксидных полупроводников в интервале темпера" тур 600-1273 К применена электрохи- мическая ячейка с твердым электролитом на основе диоксида циркония и

I платиновыми электродами. При достижении стационарного состояния и после измерения величины электрического тока последний выключают и с помощью запоминающего осциллографа регистрируют временную зависимость

ЭДС на электродах ячейки. Значенйе

ЗДС, соответствующее отношению Раг, определяют по осциллограмме спада

ЗДС во времени. В случаях, когда характер кривой известен, ток в ячейке выключают и с помощью цифрового импульса вольтметра измеряют два значения ЭДС через равные промежутки времени. В этол случае йг = 2й1, и значение ЭДС в момент вь;ключения тока определяют по формуле

1138711 i

Где

02

-7эл

Ч о

1 12.10

2,83.10 8 г Е-nF ) я (exp Т ) "ой где Е,Е - результаты первого и нто1 1 2 рого измерений соответственно. Формула (4 ) пред— ставляет собой частный случай уравнения (3).

При испытании образца диоксида церия, изготовленного в виде таблетки диаметром 6,0 и толщиной 1,12 мм при температуре 1273. К и парциальном давлении кислорода в газовой среде с 10 паружной стороны образца 2,1 ° 10 Па 4. (атмосферный воздух ) к электродам электрохимической ячейки приложено стабилизированное напряжение величиной 37 мВ в полярности, приводящей 15 к уменьшению парциального давления кислорода с внутренней стороны образца относительно внешней газовой среды. Величина электрического тока, проходящего через ячейку, после ус- 20 тановления стационарного состояния составляет 72 мкА.

По осциллограмме временной зависимости ЭДС на электродах ячейки после отключения электрического тока опре- 25 делено значение ЭДС, соответствующее отношению давлений с противоположных сторон образца, которое составляет 35 мВ °

Из уравнения Нернста (2 ) следует, 30 что величина парциального давления кислорода с внутренней стороны образца равна

-.ь 4.96500

Ро = ехР 35-10 8 314 1273 40

8 поток газа, м /с; з электрическии ток, А; объем l г — молекулы газа при нормальных условиях,мз число электронов, участвующих в электрохимнческой ре акции при образовании 1-й молекулы газа;

F — число Фарадея, Кул/г моль.

Удельный поток .кислорода с учетом толщины с1 и площади поперечного сече1 ния образца S равен

-ь 22,4 10 о / 72 4 96500

1,65 10 " мс/с.

На основании закона Фика постоян ная кислородопроницаемости: П равна

-со1 с1/S, 1,65 10

-Р 1,82-10 х10" м /с Па.

Использование предлагаемого спо-. соба позволяет упростить процесс оп ределения газопроницаемости, так как для его осуществления достаточно определить лишь то значение перепада давлений, значение которого необходимо для расчета газопроницае- . мости испытуемого материала в конкретных условиях испытаний.

При этом электрохимическую ячейку используют не только для создания перепада давлений и определения потока газа, но и для определения величины перепада давлений в широком диапазоне давлений и температур. о2 л о/" F

2 1„10 = 5 8 103 Па, Перепад давлений, т.е. их разви11 С ца Рог -Pop, составляет при этом

2,1 .1О 1-5,8 ° 10 = 1,52 .104 Па. Поток 45 кислорода через образец в соответствии с законом Фарадея определяется как

Предлагаемый способ может применяться для испытаний кислородопроницаемости широкого круга материалов, предназначенных для использования в вакуумной технике, химической промышленности и металлургии. Особое значение способ имеет при исследовании материалов, обладающих газопроницае(мостью исключчтельно по кислороду.

Составитель А.Кощеев

Техред М.Кузьма Корректор И.Эрдейи

Редактор П.Коссей

Филиал ППП "Патент", г. Уагород, ул. Проектная, 4

Заказ )0679/33 Тирак 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

))3035, москва, Ж-35, Раушская наб, д. 4/5