Способ регулирования водородопроницаемости электропроводных материалов

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

< ц695340

Союз Советских

Социалистических

Республик (6I ) Дойолнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 19. 12. 77 (21) 2558533/18-25 (51)М. Кл.

С 01 N 15/08 с присоединением заявки ¹ в (23 ) П риорнтет—

Гасудерстввниый комитет

СССР па делам изабретений и аткрытий

Опубликовано 15.06.81. Бюллетень № 22

Дата опубликования описания 15. 06. 81 (53) УДК 539 ° 217 °, 1 (088. 8) 1

В. И. Шарапов, А; П. Захаров в П.А. Уваров аА П Т

° о т 1 А; т З а

Ордена Трудового Красного Знамени институт физической химии АН СССР а (72) Авторы изобретения (7I) Заявитель (54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОДОРОДОТ2РОНИЦАЕМОСТИ

ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к технике управления физическими характеристиками, в частности газопроницаемостью мате-, риалов, а также к исследованию диффузионных свойств материалов с использованием тлеющего электрическоГо разряда для ионизации газа и нагрева материала, и может найти применение, например, в химической промышленнсти, для регулирования водопроницаемости металлических мембран.

Известен способ повышения водбродопроницаемости металлов, основанный на использовании металла в качестве катода при ионизации водорода в ус15 ловиях тлеющего электрического разряда и постоянном потенциале-между электродами (1 ).

Однако этот способ не позволяет управлять водородопроницаемостью при повышенных температурах.

Наиболее близким к предлагаемому является способ регулирования газопроницаемости, например водородопроницаемости электропроводных материалов, заключающийся в том, что после возникновения тлеющего -электрического разряда изменяют в пределах его существования объемную концентрацию ионов водорода в разрядном промежутке при неизменной полярности приложенного напряжения j2 ).

Это способ позволяет расширить диапазон непрерывного регулирования водородопроницаемости материала, однако возможность увеличения водородопроницаемости в пределах существования тлеющего разряда при этом остается ограниченной, что может лимитировать производительность металличес- ких мембран, работающих, например, в качестве водородных фильтров.

Цель изобретения — расширение диапазона регулирования за счет повышения верхнего значения водородопроницаемости.

Это достигается тем,:что в заполненный водородом разрядный объем до-1

3 6953 полнительно вводят инертный;газ, например аргон, и в пределах существования тлеющего разряда изменяют объемную концентрацию ионов в разрядном громежутке при неизменной полярности приложенного напряжения.

Способ основан на том, что при включении электропроводного материала, например металлической мембраны, в качестве катода и возникно- 1О вения в газовой смеси тлеющего элек- трического разряда, этот материал, в отличие от случая чисто водородной плазмы, подвергается бомбардировке не только ионами (атомами ) водорода, но и атомами инертного газа.

При этом концентрация атомов водорода, захватываемых мембраной, повышается за счет образования дополнительных дефектов кристаллической решетки, что и приводит к увеличению водородопрони/ цаемости материала ° В то же время атомы инертного газа практически не диффундируют через металл вследствие весьма малой величины их коэффициентов диффузии.

Способ может быть реализован в случае металлических мембран толщиной

0,1-2,0 мм из молибдена, вольфрама, нержавеющих сталей и др. металлов с высокими коэффициентами диффузии межузельных атомов. Температура материала о варьируется от комнатной до 400-450 С; причем нагрев осуществляется за счет энергии тлеющего разряда. При более 35 высоких температурах диапазон регулирования водородопроницаемости в условиях тлеющего разряда уменьшается изза отжига образующихся дефектов, хотя коэффициенты проницаемости остаются1 значительно выше соответствующей величины при термическом проникновении.

При температурах выше 650 С влияние параметров тлеющего разряда, в том чи йе содержания инертного газа в 4 разрядном объеме, практически исчезает вследствие увеличения роли чисто термической активации водорода. При — рода инертного газа не имеет значения для реализации способа, а его концент-„ рация варьируется в весьма широких пределах, практически от 10 до 90 o6, .

При относительно низких концентрациях, инертного газа число возникающих при разряде дополнительных дефектов крис- 5 таллической решетки невелико, поэтому эффект повышения водородопроницаемости выражен слабее, При относительно высоких концентрациях, положительного

40 4 эффекта также может не быть вследствие того, что атомы инертного газа, захваченные металлом, будут препятствовать диффузии водорода. При реализации способа ввод инертного газа в разрядный объем может быть произведен либо до зажигания тлеющего раз ряда, либо после возникновения разряда, но во всех случаях водородопроницаемость дополнительно плавно регули- . руют изменением объемной концентрации

1 ионов (в пределах существования тлеющего разряда} за счет изменения плотности тока разряда при неизменной полярности приложенного напряжения. Данный способ регулирования водородопроницаемости материалов проверен в лабораторных условиях на специальной диффузионной ячейке для изучения водородопроницаемости металлов йз плазмы тлеющего разряда. Измерения проводят на высоковакуумной установке с масс-спектрометрической регистрацией пводиффундировавшего газа. Определание водородопроницаемости производят ранее предложенным способом, который позволяет использовать тонкие и хрупкие мембраны.

Пример 1. В качестве исследуемого материала используют Мо-мембрану толщиной О,1 мм. Мембрану включают как катод диффузионной ячейки с молибденовым анодом, который одновременно служит нагревателем. Разрядный объем заполняют смесью 50 об. водорода и

50 об, аргона. Давление в ячейке поддерживают в пределах 10-15 мм рт.ст.

При зажигании тлеющего разряда напряжение на электродах составляет

340 В, плотность разрядного тока

3 мА/см . Температуру мембраны поддерживают равной 200 С. Продиффун- . дировавший водород регистрируют массспектрометром и определяют коэффициент водородопроницаемости, равный

1 1- 1О см см с. Для сравнения на-5 3 -2 -4 ходят коэффициент водородопроницаемости при тлеющем разряде в чистом водороде в тех же прочих условиях, -6 который оказывается равным 1,7 10 см

-2. см с . При этом плотность тока разря 2 да ионов водорода берут равной 1,5 MA/см. для того, чтобы плотность тока водородных ионов в обоих случаях была одинаковой. Таким образом, при введении в разрядный объем инертного газа в количестве 50 об. .,водородопроницаеMocTI, повысилась в,6,5 раз. Дальнейшее регулирование водородопроницаемос1

5 695340 6 ти при диффузии водорода через мембра- Ка водородных ионов — 1,5 мЛ/см . Изну в условиях тлеющего разряда из во- менение коэффициента водородопроницаедородно-аргонной плазмы производят мости в зависимости от температуры для изменением концентрации разряжающихся водородной и водородно-аргонной плаэионов водорода за счет изменения плот- мы (при соотношении компонентов сме5 ности разрядного тока, При всех со- си 1:1) представлено в таблице. поставимых плотностях тока в случае разряда в смеси водорода с инертным Темпера- 200 240 290 340 390 430 газом коэффициент водородопроницаемос- тураоС ти вьппе, чем при разряде в чистом во- 1О

P 10 1,7 3 4 7,0 13 22 31,6

II р и м е р 2. В качестве катода

M диффузионной ячейки используют мембP 06 11 рану из нержавеющей стали(Х18Н9Т) тол- H+Al шиной 0,5 мм, а в качестве анода— молибден, В разрядный объем вводят Результаты показывают, что при водород и зажигают разряд. Темпера- всех температурах водородопроницаетуру мембраны поддерживают близкой мость при введении инертного газа в к комнатной. Изменением плотности раз разрядный объем повьппается, однако рядного тока, т.е. концентрации разря- при 430-450 С эффект уже практически жающихся ионов водорода, водородо- исчезает. проницаемость регулируют в пределах Таким образом, предлагаемый способ существования тлеющего разряда лишь регулирования водородопроницаемости до определенной величины. Затем,не электропроводных материалов обеспепрерывая разряда,в разрядный промежу >5 чивает расширение диапазона регулиток вводят инертный газ — гелий в ко- рования за счет повьппения верхнего личестве 10 об.%. В результате верхний предела водородопроницаемости. предел водородопроницаемости повьппается примерно в 1,5 раза.

П р rr, м е р 3. Определяют водородо- Формула изобретения проницаемость трубчатого образца поликристаллического вольфрама с толщиной Crroco6 регулирования водородопростенки 2 мм. Напряжение на электродах ницаемости электропроводных материаизменяют от 350 до 500 В, плотность то- лов, преимущественно металлических ка Разряда поддерживают за счет изме" мембран основанный на пропускании ф35

Ф нения давления водорода около 5 мА/см . потока водорода, ионизированного тлеПри этом водородопроницаемость образ- ющнм газовым разрядом через, матео

Э

I ца нагретого до 360 С, возрастает от риал, отличающийся тем, -8 Ъ -г-

5 до 25 10 см см с . При введении в что, с целью расширения диапазона реразрядный объем,заполненный Водородом 4О гулировання за счет повьппения верхнеаргона в количестве 90 об.% и после- го значения водородопроницаемости, в дующем регулировании водородопроница- заполненный водородом разрядный объем емости изменением объемной концентра дополнительно вводят инертный газ. ции ионов водорода путем изменения плотности разрядного тока, верхний пре4 Источники информации, дел водородопроницаемости увеличивают . принятые во внимание при экспертизе еще в несколько раз. 1. Рябов P.À. и др. Известия вуПример 4, Исследуют влияние зов, сер. физическая, 1969, вып. З температуры на водородопроницаемость с. 1Зб. молибденовой мембраны, толщина кото- 2. Авторское свидетельство СССР рой 0,1 мм. Параметры тлеющего разря- Р 420890, кл. G О1 К 13/00, 25.03.71 да: напряжение — 340 В, плотность то- (прототип), Составитель Е. Маллер

Редактор Т.Колодцева Техред А.."..абинец Корректор Л. Иван

Заказ 4523 18 Тираж 907 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по пелам изобретений и открытий

113035 Москва, Ж-35 Раушская наб. д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4