Способ определения избыточной энергии порошковых металлических материалов

 

Изобретение относится к испытательной технике. Способ включает измерение теплового эффекта окисления материала, при этом тепловой эффект окисления определяют для серии различных навесок материала и графически определяют поправку к тепловому эффекту окисления путем экстраполяции линейного участка зависимости удельного теплового эффекта от величины навески к нулевой навеске. Избыточную энергию определяют как сумму теплового эффекта окисления и поправки к тепловому эффекту за вычетом теплового эффекта реакции окисления металла. Технический результат - увеличение точности определения. 1 ил., 1 табл.

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

Известен способ дифференциально-термического анализа, являющийся инструментальным аналогом заявляемого изобретения (а.с. СССР 1721487, МПК⁷ G 01 N 25/02, опубл. 08.04.88). 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, а затем измеряют разность полученных температур образца и эталона.

Недостатком этого способа является усложнение процедуры анализа за счет введения дополнительных измерений, что приводит к увеличению затрат времени на проведение анализа и обработку данных.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является выбранный за прототип способ дифференциально-термического анализа, являющийся ближайшим аналогом заявляемого изобретения (D.E.G. Jones et al., Thermal Characterization of Passivated Nanometer Size Aluminum Powders, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol.61 (2000) 805-818). Способ заключается в том, что образцы по 5 мг исследуемого порошка ультрадисперсного алюминия и эталона помещаются в тигли из оксида алюминия и подвергаются термическому анализу в термоаналитической системе ТА 2100 с модулем SDT 2960, позволяющим одновременно регистрировать изменения массы (кривая TG) и тепловые эффекты при нагревании (кривая DTA).

Недостатком данного способа является низкая точность в определении тепловых эффектов окисления ультрадисперсных порошков.

Основной технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение точности определения тепловых эффектов окисления ультрадисперсных порошков. По сравнению с прототипом предложенный способ позволяет увеличить точность в 1,6 раза.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе определения избыточной энергии порошковых металлических материалов, включающем измерение теплового эффекта окисления материала, согласно предложенному решению тепловой эффект определяют для серии различных навесок материала и графически определяют поправку к тепловому эффекту окисления путем экстраполяции линейного участка зависимости удельного теплового эффекта от величины навески к нулевой навеске, а избыточную энергию определяют как сумму теплового эффекта окисления и поправки к тепловому эффекту за вычетом теплового эффекта реакции.

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. На чертеже приведена зависимость теплового эффекта от исходной навески. Для осуществления данного способа были взяты навески по 10•10^-6, 20•10^-6, 30•10^-6; 40•10^-6; 50•10^-6 и 60•10^-6 кг ультрадисперсного порошка алюминия, полученного методом электрического взрыва проводников. Выбор таких навесок вызван тем фактом, что при меньших навесках сильно падает точность определений, что связано с теплопотерями. 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. Уэндландт У. Термические методы анализа. - М.: Мир, 1978, с.150) ΔH_ок = k•S, (1) где ΔH_ок - тепловой эффект окисления при нагревании образца, Дж; S - площадь пика на кривой ДТА, м²; k - калибровочный коэффициент, Дж/м².

На полученных дериватограммах определялись площади S пиков первой экзотермической стадии окисления материала.

Калибровочный коэффициент k определялся по температурной зависимости k= f(T).

Тепловые эффекты окисления при нагревании для всех образцов определялись по формуле (1).

Величины тепловых эффектов реакции окисления ΔH_х.р определялись на основании стехиометрического уравнения реакции окисления 2Al+3/2O₂ = Al₂O₃-ΔH^o_f(Al₂O₃, T_п), (Т_п - температура процесса) где ΔH^o_f - энтальпия образования Аl₂О₃, рассчитанная по величине прироста массы при окислении (по количеству связанного кислорода) и отнесением к массе исходного образца.

Для определения поправки к тепловому эффекту окисления численные значения тепловых эффектов относились к величинам прироста массы при окислении, полученным с помощью термогравиметрических кривых. Найденные значения являются удельными тепловыми эффектами ΔH_ок/Δm для данных образцов. Далее строится графическая зависимость удельного теплового эффекта ΔH_ок/Δm от величины исходной навески исследуемого образца m₀. Методом экстраполяции линейного участка графика к оси ординат (m₀) определяется величина удельного теплового эффекта (тепловой эффект при "нулевой" навеске). Затем из этой величины вычитается величина стандартного удельного теплового эффекта ΔH_ст, который вычисляется согласно следующей формуле: ΔH_ст = ΔH^o_f/m_кисл, (2) где ΔH^o_f - стандартная энтальпия образования Аl₂О₃, 1673000 Дж;
m_кисл - количество связываемого кислорода воздуха, необходимого для образования 1 моля Аl₂О₃, 0,048 кг.

В данном случае стандартный удельный тепловой эффект равен 34,85•10⁶ Дж/кг. Разница между удельным тепловым эффектом ΔH_ок/Δm и стандартным удельным тепловым эффектом ΔH_ст, умноженная на величину прироста массы Δm для данной навески, будет искомой величиной поправки к тепловому эффекту δ.

Избыточную энергию определяли как сумму теплового эффекта окисления и поправки к тепловому эффекту за вычетом теплового эффекта реакции окисления металла по формуле (3)
ΔH_изб = ΔH_ок+δ-|ΔH_х.p|, (3)
где ΔH_ок - тепловой эффект окисления для данного образца, Дж;
δ - поправка к тепловому эффекту, Дж;
ΔH_x.p.i - тепловой эффект реакции окисления для данного образца, Дж.

Экспериментальные данные и результаты приведены в таблице. Из данных таблицы следует, что для данного ультрадисперсного порошка алюминия, полученного по методу электрического взрыва проводников, максимальное значение избыточной энергии составляет 15,71 кДж/моль. Таким образом, предложенный способ позволяет определить избыточную энергию, запасенную в порошковых металлических материалах, при этом найденные поправки позволяют повысить точность измерений.

Как следует из таблицы средняя погрешность в определении тепловых эффектов составляет не более 2,5%, в то время как средняя погрешность определения тепловых эффектов в прототипе (с.810, табл.1, 2-я колонка) составила 4%. Таким образом, точность измерения по заявляемому способу в 1,6 раза выше, чем в прототипе.

Формула изобретения

Способ определения избыточной энергии порошковых металлических материалов, включающий измерение теплового эффекта окисления материала, отличающийся тем, что тепловой эффект окисления определяют для серии различных навесок материала и графически определяют поправку к тепловому эффекту окисления путем экстраполяции линейного участка зависимости удельного теплового эффекта от величины навески к нулевой навеске, а избыточную энергию определяют как сумму теплового эффекта окисления и поправки к тепловому эффекту за вычетом теплового эффекта реакции окисления металла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2