Прибор для определения поверхностного натяжения и работы выхода электрона металлических растворов в полном концентрационном интервале составов

 

Использование: изобретение относится к приборам и устройствам для изучения физико-химических свойств металлических растворов и позволяет при одной заправке чистыми компонентами без дальнейшей его разгерметизации и контакта с окружающей средой приготавливать в желаемой последовательности большое число растворов, охватывающих весь концентрационный интервал составов от 0 до 100% и измерять поверхностное натяжение и работу выхода электрона каждого из сплавов желаемое число раз. Сущность изобретения: на дальнеотстоящих стенках верхних половин резервуаров вакуумно-плотно прикреплены по одному затвору-капельнице с горизонтальными капиллярами, концы которых введены соответственно вовнутрь напротив расположенного резервуара. 1 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к приборам (устройствам) для исследования физико-химических свойств жидкометаллических растворов и других материалов в атмосфере собственных насыщенных паров, и может найти широкое применение в физике и физической химии, металлургии легкоплавких металлов и сплавов и т.п.

Известны устройства для определения концентрационных зависимостей поверхностного натяжения σ(x) и работы выхода электрона ϕ(x), но они требуют не менее двухкратной заправки прибора чистыми компонентами для измерения поверхностного натяжения (ПН) и работы выхода электрона (РВЭ) во всем концентрационном интервале составов.

Наиболее близким к предлагаемому является прибор (прототип) для изучения концентрационных зависимостей σ(x) и ϕ(x) металлических растворов. Он состоит из двух резервуаров для компонентов сплавов, U-образной калиброванной трубки-дозатора для приготовления растворов, ячейки для формирования капли и системы коммуникационных трубок, соединяющих их.

Недостатком этого прибора (прототипа) является невозможность при однократной заправке его чистыми компонентами определить σ(x) и ϕ(x) изучаемой системы в полном концентрационном интервале составов, требует большого количества расходуемых материалов и времени измерений, не менее двух заправок прибора с разных "концов" диаграммы состояния, т.е. по существу проведения двух независимых экспериментов. В результате теряется относительная точность определения ПН и РВЭ, т.к. последние чрезвычайно чувствительны к состоянию поверхностей, которые не могут быть идентичными из-за неизбежных различий в условиях термовакуумной обработки, и т.д. По этой причине имели место несовпадение ("несшивание") концов концентрационных зависимостей поверхностного натяжения одних и тех же бинарных систем щелочных металлов, полученные "частями" при двух заправках приборов, когда в одной из них сплавы готовились на основе компонента A (растворитель), а при второй заправке на основе компонента B.

Технической задачей изобретения является расширение составов изучаемых растворов до полного концентрационного интервала от 0 до 100% при одной заправке прибора чистыми компонентами без разгерметизации его, повышение относительной точности, сокращение времени измерений ПН и РВЭ и расходуемых материалов.

Поставленная задача достигается тем, что на дальнеотстоящих стенках резервуаров для чистых компонентов устанавливаются по одному затвору - капельнице с калиброванными горизонтальными капиллярами, концы которых вакуумно-плотно введены соответственно внутрь противоположного резервуара.

На чертеже изображена схема предлагаемого прибора.

Прибор для измерения ПН и РВЭ металлических растворов в полном концентрационном интервале представляет цельнопаяный прибор, изготовленный из стекла, и состоит из резервуаров 1 и 2 для компонентов A и B, двух затворов 3 и 4 с капельницами 5 и 6, калиброванных капилляров 7 и 8, мерных объемов 9 и 10, измерительных отсеков 11 и 12 с кварцевыми окнами 13 для освещения сверху поверхностей образцов (капель) 19 и 20 монохроматизированным светом при измерениях РВЭ и оптическими окнами 14 -16 для фотографирования капель при определении ПН, подложек (чашек) 17 и 18 для формирования "больших" капель 19 и 20, анодами A со сферическими молибденовыми сетками 21 и 22, катодами K из молибденовых стержней 23 и 24, а также отпаиваемых после окончания измерений ампул 25 и 26 с отработанными сплавами и системы коммуникационных трубок 27-30. К стенкам резервуаров 1 и 2 в вертикальном положении прикреплены капилляры 32 и 33, сообщающиеся с резервуарами 1 и 2, изготовленные из той же трубочки, что и калиброванные капилляры 7 и 8, и служащие для определения углов смачивания.

Прибор работает следующим образом.

Известные количества предварительно отожженных в вакууме компонентов M_A и M_B в жидком состоянии из заправочных бункеров (не показаны) переводятся в резервуары 1 и 2 соответственно. Бункеры затем отпаиваются по линиям A-A и B-B. После соответствующей термовакуумной обработки прибор с металлами также отпаивается от вакуумного поста по линии D-D и на специальной рамке устанавливается внутрь воздушного термостата, позволяющего фиксировать прибор в любом положении в пространстве, и производится юстировка ячейки. Последняя операция значительно облегчается тем, что основная юстировка обеих подложек (для формирования капель) в горизонтальной плоскости производится предварительно в процессе изготовления прибора.

Для измерения ПН и РВЭ чистых компонентов поворотом прибора в плоскости чертежа по ходу стрелки часов на угол около 90^o из резервуаров 1 и 2 в мерные объемы 9 и 10 переводится часть металлов A и B, которые при возвращения прибора в исходное положение поступают по коммуникационным трубкам 27 и 29 соответственно в чашки-подложки 17 и 18, заполняя и образуя капли 19 и 20. Фотографируя капли через оптические окна 14-16, известным способом "большой капли" определяют ПН; облучая сверху капли через кварцевые окна 13 монохроматизированным светом различных длин волн, измеряют соответствующие фототоки, по которым известным способом определяют РВЭ.

После окончания измерений ПН и РВЭ поворотом прибора в плоскости чертежа на угол около 90^o против хода часов жидкие металлы A и B по коммуникационным трубкам 27-30 переводятся из измерительных камер обратно в резервуары 1 и 2. В случае необходимости измерения с металлами компонентами можно повторить желаемое число раз. Затем приступают к приготовлению первых сплавов.

В зависимости от типа фазовой диаграммы исследуемой системы или плана эксперимента прибор позволяет реализовать несколько вариантов приготовления растворов. Например, можно образовать сплавы на основе компонента A и (или) на основе B, а также приготовлять два сплава желаемых составов и одновременно определять их ПН и РВЭ. Для приготовления сплавов на основе компонента A поворотом прибора вокруг оси OX за плоскость чертежа на угол около 90^o через капельницу 6 в затвор 4 выкапывается несколько капель компонента B (число капель пропорционально "шагу" по концентрации). При возвращении прибора в исходное положение отлитая часть металла B автоматически поступает в калиброванный капилляр 7 в виде столбика определенной длины. Внутренние диаметры D₁ и D₂ капилляров 7 и 8 до сборки прибора измерены на микроскопе и известны с большой точностью (погрешность менее 0,01%).

Измерив длину l "столба" отлитой жидкости B и определив ее объем V_B= lπD²₁/4, поворотом прибора вокруг оси OX "к себе" на угол около 45^o добавляем его к металлу A в резервуаре 1, где и образуется первый сплав на основе A. Поскольку плотности компонентов ρ_A и ρ_B и их сплавов ρ(x) считаются известными, то массу добавляемой порции металла (или сплава) определяют по формуле m_B= ρ_BV_B, что позволяет рассчитать состав образованного сплава; в котором концентрация x_B компонента B составляет После перемешивания и выдержки сплава с целью его гомогенизации можно измерить ПН и РВЭ изготовленного сплава на основе A и чистого компонента B, как это описано для чистых компонентов. Если же по плану эксперимента предусмотрено одновременное изучение ПН и РВЭ бинарной системы с обеих концов диаграммы состояния (в этом случае достигается максимальная эффективность использования предлагаемого прибора), то до перехода к измерениям ПН и РВЭ готовят также второй сплав на основе компонента B.

С этой целью соответствующими поворотами прибора из резервуара 1 через капельницу 5 в затвор 3 отливают часть раствора, состав которого предварительно определен по формуле (1) (следовательно, считается известной и плотность), и далее по трубке 8 переводят в резервуар 2, по ходу действия определяя объем и массу добавляемой порции раствора на основе A. После гомогенизации полученных сплавов одновременно определяют ПН и РВЭ аналогично тому, как это описано выше для чистых компонентов и, в случае необходимости, измерения для данных сплавов повторяют желаемое число раз.

Описанные операции приготовления сплавов новых составов и соответственные измерения ПН и РВЭ продолжаются до тех пор, пока различие в составах последних двух полученных растворов (со стороны компонента A и компонента B) не окажутся равными принятому по плану экспериментов или же не сравняются.

После полного окончания измерений сплавы из резервуаров 1 и 2 медленным поворотом прибора вокруг оси OY против хода стрелки часов на 180^o переводятся соответственно в разгрузочные ампулы 25 и 26, которые отпаиваются по линиям C-C. Благодаря наличию у отпаиваемых ампул тонкостенных перегородок 31 их содержимое можно в дальнейшем легко использовать, не приводя в контакт с атмосферным воздухом, что весьма важно, например, в случае исследования пирофорных щелочных металлов.

Описанный прибор обладает принципиально новыми преимуществами перед всеми существующими устройствами подобного назначения и открывает широкие возможности в планировании эксперимента и их реализации; он обеспечивает приготовление множества сплавов в различной последовательности и с желаемым "шагом" по концентрации, детальное изучение ПН и РВЭ сплавов, по составу отвечающих "особым" точкам на фазовых диаграммах исследуемых систем, а также попарное и одновременное изучение системы с обеих ее концов, от чистых компонентов A и B.

В результате одной заправки чистыми компонентами предлагаемый прибор позволяет без разгерметизации его измерять ПН и РВЭ сплавов во всем концентрационном интервале. Это обеспечивает строгую идентичность условий проведения эксперимента, что исключительно важно для сравнения результатов измерений поверхностно-чувствительных свойств (поверхностное натяжение, работа выхода электрона и т.д.) и для таких высокоактивных металлов, как щелочные металлы и их многокомпонентные сплавы.

Использование прибора позволило в несколько раз сократить время эксперимента, количество расходуемых материалов при одновременном повышении относительной точности измерений ПН и РВЭ.

Формула изобретения

Прибор для измерения поверхностного натяжения и работы выхода электрона металлических растворов в полном концентрационном интервале, содержащий два расположенных друг напротив друга резервуара для компонентов сплавов, измерительные отсеки с анодом, катодом и подложками для формирования капель, соединенные коммуникационными трубками, отличающийся тем, что на дальноотстоящих стенках верхних половин резервуаров установлены затворы-капельницы с горизонтальными капиллярами, концы которых соответственно введены вовнутрь напротив расположенного резервуара.