Способ определения избыточной энергии порошковых материалов

 

Изобретение относится к термохимическим измерениям. Способ заключается в нагреве исследуемого образца и эталона и измерении временных зависимостей массы образца и разности температур дифференциально-термического анализа. Для серии образцов исследуемого материала определяют площади пиков дифференциально-термического анализа и соответствующие им общие тепловые эффекты, а избыточную энергию рассчитывают как среднюю величину разностей общих тепловых эффектов, отнесенных к массам образцов, и тепловых эффектов реакции окисления, отнесенных к массам образцов. Технический результат: снижение погрешности определения тепловых эффектов с помощью дифференциально-термического анализа. 1 табл.

Изобретение относится к области термохимических измерений и может быть использовано как метод определения избыточной энергии порошковых материалов.

Известен способ количественного термического анализа веществ (А.с. СССР 1539626, МПК 7 G 01 N 25/02, опубл. 30.01.90 г.). Этот способ включает монотонное изменение температуры блока нагрева, находящегося в тепловом контакте с тремя держателями образцов, один из которых испытуемый, а два другие - эталоны с известными значениями теплоемкости, регистрацию разностей температур держателей с испытуемым образцом и первым эталоном по отношению к температуре держателя с вторым эталоном и скоростей изменения этих разностей по отношению к температуре держателя с испытуемым образцом. С целью повышения точности измерений предварительно проводят не менее двух серий измерений, различающихся помещенными в держатели наборами образцов, выполненных из одинакового материала с известным значением теплоемкости и имеющих разные массы.

К недостаткам данного способа следует отнести усложнение конструкции аналитического оборудования и увеличение количества необходимых измерений, что влечет за собой дополнительные затраты времени, электроэнергии и материальных средств.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является выбранный за прототип способ дифференциально-термического анализа (А.с. СССР 1721487, МПК G 01 N 25/02, опубл. 23.03.92 г.). Способ заключается в нагреве исследуемого образца и эталона и измерении разности температур между ними. С целью повышения точности анализа при исследовании самовозгорания тонкодисперсных органических веществ измеряют разности температур в центре исследуемого образца и на его поверхности, в центре эталона и на его поверхности, а затем измеряют разность полученных температур образца и эталона.

Недостатком этого способа является низкая точность измерения тепловых эффектов, так как при измерении тепловых эффектов не учитываются масса и объем исследуемого вещества, расчет проходится по данным, полученным только на одной навеске, что снижает точность способа. При заполнении тигля более чем наполовину (стандартные условия) погрешность в измерении может достигать более 40%.

Основной технической задачей предлагаемого изобретения является снижение погрешности определения тепловых эффектов с помощью дифференциально-термического анализа. При применении данного способа погрешность измерения снижается до 12%.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе определения избыточной энергии порошковых металлических материалов, включающем нагрев исследуемого образца и эталона и измерение временных зависимостей массы образца и разности температур дифференциально-термического анализа, согласно предложенному решению для серии образцов исследуемого материала определяют площади пиков дифференциально-термического анализа и соответствующие им общие тепловые эффекты, а избыточную энергию рассчитывают как среднюю величину разностей общих тепловых эффектов, отнесенных к массам образцов, и тепловых эффектов реакции окисления, отнесенных к массам образцов где ΔН_общ.,i - общий тепловой эффект для данного образца, Дж/кг; ΔН_х.р.,i - тепловой эффект реакции окисления для данного образца, Дж/кг; n - число исследуемых образцов.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественные всем признакам заявляемого способа, отсутствуют. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна ".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявленного изобретения показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Пример конкретного выполнения. Для осуществления данного способа были взяты навески по 29,8; 40,4; 50 и 60 мг ультрадисперсного порошка алюминия, полученного методом электрического взрыва проводников. Затем исходные образцы помещались в корундовый тигель и подвергались дифференциально-термическому анализу на дериватографе системы "Паулик-Паулик-Эрдей" в среде воздуха при давлении Р=1 атм. Нагрев в ходе анализа осуществлялся до 1000^oС, скорость нагрева 10^oС/мин. Математической обработке по данному способу подвергались синхронные временные зависимости кривых дифференциального термического анализа (ДТА), термогравиметрии и температуры образца. Основой математической модели способа послужила теория Спейла (см. У. Уэндландт. Термические методы анализа. - М.: "Мир", 1978, с. 150) ΔH_i=k•S_i , (1) где ΔH_i - общая теплота, выделившаяся в процессе с навеской m_i, Дж; S_i - площадь пика на кривой ДТА, мм²; k - калибровочный коэффициент, Дж/мм².

На полученных дериватограммах определялись площади S_i экзотермических пиков первой стадии окисления материала. Калибровочный коэффициент k определялся по температурной зависимости k=f(T). Теплоты, выделившиеся в процессе нагрева, для всех образцов определялись по формуле (1). Далее численные значения выделившихся теплот относились к величинам исходных навесок. Найденные величины являются общими тепловыми эффектами для данных образцов ΔН_общ.,i.

Величины тепловых эффектов реакции окисления ΔН_х.р.,i определялись на основании стехиометрического уравнения реакции окисления 4Аl+3O₂=2Аl₂О₃+ΔН^o _f (Аl₂О₃, Т_п), (Т_п - температура процесса)
где ΔН^o _f - стандартная величина окислительного процесса с учетом величины привеса при окислении (количество связанного кислорода) при данной температуре и отнесением к массе исходного образца.

Избыточную энергию определяли как разницу между общим тепловым эффектом и тепловым эффектом реакции окисления. Среднюю величину избыточной энергии определяли по формуле

где ΔН_общ.,i - общий тепловой эффект для данного образца, Дж/кг;
ΔН_х.р.,i - тепловой эффект реакции окисления для данного образца, Дж/кг;
n - число исследуемых образцов.

Экспериментальные данные и результаты приведены в таблице. Из данных таблицы следует, что для данного ультрадисперсного порошка алюминия, полученного по методу электрического взрыва проводников, средняя избыточная энергия составляет 1,15•10⁵ Дж/кг. Таким образом, предложенный способ позволяет определить избыточную энергию, запасенную в порошковых металлических материалах.

Из таблицы также видно, что погрешность измерений составляет 12%.

Формула изобретения

Способ определения избыточной энергии порошковых материалов, включающий нагрев исследуемого образца и эталона и измерение временных зависимостей массы образца и разности температур дифференциально-термического анализа, отличающийся тем, что для серии образцов исследуемого материала определяют площади пиков дифференциально-термического анализа и соответствующие им общие тепловые эффекты, а избыточную энергию рассчитывают как среднюю величину разностей общих тепловых эффектов, отнесенных к массам образцов, и тепловых эффектов реакции окисления, отнесенных к массам образцов

где ΔН_общ.,i - общий тепловой эффект для данного образца, Дж/кг;
ΔН_х.р.,i - тепловой эффект реакции окисления для данного образца, Дж/кг;
n - число исследуемых образцов.

РИСУНКИ

Рисунок 1