Способ определения поверхностного натяжения твердых тел

 

(п)966561

ОП ИСАНИЕ

И306РЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз CoBQTcKNx

Социалистических

Респубики (6l ) Дополнительное к авт, свид-ву (22) Заявлено 24. 12. 80 (21) 3258068/18-25. с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 15. 10,82. бюллетень Рй38

Дата опубликования описания 15 ° 10. 82 (51)М. Кл.

Q 01 N 13/02

ГоеударствснныН коинтет

СССР оо аелни нзооретеннй н открытнЯ

{53) УДК543. 542 (088. 8} (72) Авторы изобретения

В. Т. Федоров, Х ° Б. Хоконов и Б. С.

Кабардино-Балкарский государственный у (7l) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Изобретение относится к физикохимическому .анализу материалов и может быть использовано для измерения поверхностного натяжения металлов, силикатных и полимерных материалов в широком температурном интервале твердого состояния, а также для измерения поверхностного натяжения веществ с высоким модулем упругости и с низким поверхностным натяжением,. например таких, как углеродные волок на и некоторые нитевидные кристаллы, измерение поверхностного натяжения которых другими методами сопряжено с рядом трудностей.

Известен способ измерения поверхностного натяжения металлов в твер" дом состоянии компенсационным методом "нулевой" ползучести, сущность которого заключается в том, что под действием сил поверхностного натяжения площадь поверхности тела сокращается, так как при этом умень2 шается свободная поверхностная Nf6pгия системы. При температурах, близких к температуре плавления, вязкость металла резко уменьшается, и силы поверхностного натяжения могут вызвать заметные сокращения поверхности металла, что приводит к умень" вению длины нитевидного образца из исследуемого металла. В этом способе добиваются компенсации сил поверхностного натяжения с помощью регулируемого внешнего усилия, приложенного к образцу (1).

Недостатком этого способа являются невозможность измерения поверхностного натяжения твердых тел в широком температурном. интервале„ практическая неприменимость его при измерении поверхностного натяжения атомных

20 и ионных кристаллов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ определения поверхностного натя966561 кр где

m r e ч. ч рг

9) уп а

3 жения твердых тел, заключающийся в том, что производят отжиг нитевидного образца с одновременным прило жением растягивающей нагрузки в пределах упругой деформации, после чего снижают температуру образца до температуры измерения, снижают растягивающую нагрузку, измеряют максимальный прогиб образца и по формуле определяют искомую величину (2).

Известный способ не обеспечивает достаточной точности измерений.

Цель изобретения - повышение точ ности измерений, Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения поверхностного натяжения твер", дых тел, включающему отжиг ните"

1 видного образца с одновременным приложением растягивающей нагруз" ки в пределах упругой деформации, снижение температуры до температуры измерения, снятие растягивающей нагрузки, после снятия растягиваюаей нагрузки образец закрепляют на консоли, возбуждают собственные механические колебания, измеряют частоту этих колебаний и определяют поверхностное натяжение по формуле где 9 = и/21С - линейная частота колебаний, 1/с;

r - радиус поперечного сечения образца, м;

Е - модуль продольной упругости, Н/м2.;

2 - длина образца, м

P - плотность, кг/м ", а - 1,79 (коэффициент пропорциональности).

Частота собственных колебаний кон соли, найденная по классической фор1 муле, отличается от частоты колебаний реального образца малых размеров. Это различие обусловлено силой поверхностного натяжения на частоту колебаний, которое не учитывает классическая формула.

Для измерения поверхностного натяжения твердого тела готовят образец в виде проволоки или ленты из . исследуемого металла или другого вещества, по известной методике очищают его поверхность и помещают в камеру с регулируемой средой, например в вакуум или инертный газ. ф

Длину образца берут меньше критической длины самопроизвольного изгиба, которую определяют по формуле

- минимальный главный момент, инерции сечения образца, м.

Например, для индиевой проволоки диаметром 0,0417 мм длина должна быть не более 16 мм. После отжига нагрузку снимают, а температуру уменьшают до значения, при котором необходимо измерить поверхностное натяжение, например, до 293 К. Образцу одним из способов сообщают колебания, частоту. которых измеряют. Найденное из эксперимента значение частоты собственных колебаний подставляют в формулу (1) и находят поверхностное натяжение исследуемого вещества.

ft р и м е р . Определяется поверхностное натяжение углеродных волокон при температуре 293 К. 8олокна посту- пает на исследование физико-химических, свойств в отожженном состоянии. Моноволокно диаметром 0,006 мм закрепляется консольно в микроштативе. Иикроштэтив с образцом устанавливается на предметном столике микроскопа

"Cari Zeiss" 0101. На свободном конце волокна с помощью клея закрепляется ферритовая частица массой не бо

ЗЗ лее 0,1 мг. На расстоянии около

0,2 мм от ферритовой частицы находит" ся полюс электромагнита с ферритовым сердечником. Электромагнит подключен на выход звукового генератора типа

ГЗ-106. Частота переменного тока, подаваемого на электромагнит, контролируется с помощью цифрового частото" мера ф=5041. Собственная частота колебаний исследуемого образца определяется резонансным методом. Основная собственная частота колебаний равна 720 Гц. Подстановка найденного значения в формулу дает величину поверхностного натяжения углеродного

so волокна при температуре 293 К.

")) = 720 Гц, 3 = О,ОО4 м; r = > 0 м; р = 1700 кг)м ;

Е25 <0 Н!М Vn =8 Яу

ss rn+ E BF4 P-С 8,5 27.<о 2,5 <О е8 г Уи . в. 16 ОЕ7. 7 ОЭ.Ь 10 - 6 <О

9,54

9665

Фr E Ю Ъ рК

М Ь 2

- линейная частота колебаний, 1/с;

- радиус поперечного сечения образца, м

- модуль продольной упругости, Н/м ;, - длина образца, м;

- плотность, кг/м

1,79 (коэффициент пропорциональности). гдето = n/27ò

Формула изобретения

Составитель С. Беловодченко

Техред Т. Маточка Корректор М. Коста

Редактор Т. Митрович

Тираж 887

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

Заказ 7833/60

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

Поверхностное натяжение исследованного углеродного волокна равно

0,091 н/м при температуре 293 К.

В известном способе точность измерений составляет 2- 103, а в предла. гаемом - 0,112 . Последний позволяет измерять поверхностное натяжение веществ с большим модулем упругости, но с малым поверхностным натяжением, например углеродных волокон, некото- 30 рых нитевиднйх кристаллов и других материалов, важных с точки зрения использования их в композиционных материалах. Способ позволяет измерять поверхностное натяжение ве- 13 ществ различной природы (металлов, полупроводниКов, стекла, кварца, полимеров и др.) и температурный коэффициент поверхностного натяжения. Пред-. лагаемый способ отличается просто- 26 той реализации.

23

Способ определения поверхностного натяжения твердых тел включающий отжиг нитевидного образца с одновре:менным приложением растягивающей наг- . рузки в пределах упругой деформации, Зв снижение температуры до температуры измерения, снятие растягивающей нагрузки, отличающийся ем, что, с целью повышения точности

61 6 определения, после снятия растягивающей нагрузки образец закрепляют на консоли, возбуждают собственные механические колебания, измеряют частоту этих колебаний и определяют поверхностное натяжение по формуле

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Хоконов Х. Б. Методы измерения поверхностной энергии и натяжения металлов и сплавов в твердом состоянии.- В кн.: Поверхностные явления, в расплавах и возникающих из них твердых Фазах Кишинев, "Штиинца", 1974, с. 247.

2 ° Авторское свидетельство СССР по заявке N 2891816/18-25, кл. G 01 N 13/02, 1980 (прототип).