Способ определения поверхностного натяжения металлических расплавов

Изобретение относится к исследованию материалов путем определения их физических свойств, а именно к определению поверхностного натяжения жидких металлов. Способ определения поверхностного натяжения металлического расплава включает измерение максимального давления в капле, образованной на горизонтальном срезе вертикально расположенного капилляра, путем измерения высоты столба металлического расплава в манометрическом сосуде, сообщающегося с капилляром, относительно горизонтального среза капилляра, при которой происходит продавливание расплава сквозь капилляр, при этом для учета влияния кривизны поверхности расплава в манометрическом сосуде на результаты измерений дополнительно измеряют высоту мениска, образованного исследуемым расплавом в манометрическом сосуде известного диаметра. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений и снижение расхода исследуемых материалов. 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к исследованию материалов путем определения их физических свойств, а именно к определению поверхностного натяжения жидких металлов.

Известны способы определения поверхностного натяжения жидкостей, основанные на измерении избыточного, лапласовского, давления, создаваемого искривленной поверхностью исследуемой жидкости. Избыток давления под искривленной поверхностью относительно давления под плоской поверхностью описывается формулой [Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979. 568 с]

где σ - поверхностное натяжение жидкости на границе с собственным насыщенным паром, r1 и r2 - главные радиусы кривизны поверхности жидкости в рассматриваемой точке.

Известен способ определения поверхностного натяжения металлических расплавов путем измерения максимального давления в капле исследуемого расплава [Миссол В. Поверхностная энергия раздела фаз в металлах. М.: Металлургия, 1978. 176 с, стр. 79, рис. 31]. Указанный способ разработан и подробно изложен в работе [Пугачевич П.П. Поверхностное натяжение и адсорбция в металлических растворах: дисс.… д.х.н. Моск. хим.-технол. ин-т им. Д. И. Менделеева. - М: 1964].

Измерительную ячейку (фиг. 1), выполненную из стекла, после тщательной химической очистки, термо- и плазменной обработки, направленных на десорбцию посторонних веществ с внутренней поверхности ячейки, в условиях вакуума заполняют предварительно дегазированным и фильтрованным исследуемым расплавом [Саввин B.C. Поверхностные свойства амальгам таллия, свинца и висмута. Дисс.… к.ф.-м.н. Чечено-Ингушский гос. университет. - Грозный: 1978].

После заполнения исследуемым расплавом измерительную ячейку отпаивают от вакуумного поста и крепят внутри воздушного термостата со смотровыми окнами на специальном держателе, позволяющем поворачивать измерительную ячейку внутри термостата для переливания исследуемого расплава внутри измерительной ячейки.

Исследуемый расплав из накопительного сосуда 1 (фиг. 1) через сужение 2 медленно перетекает в манометрический сосуд 3. Одновременно на горизонтальном срезе 4 вертикально расположенного капилляра формируется капля исследуемого расплава. Лапласовское давление, обусловленное кривизной поверхности капли на срезе капилляра 4, компенсирует гидростатическое давление столба жидкости в манометрическом сосуде.

По мере роста столба жидкости в манометрическом сосуде 3 происходит увеличение объема капли над срезом капилляра 4 с одновременным возрастанием кривизны поверхности капли и, соответственно, лапласовского давления (формула (1)), компенсирующего гидростатическое давление столба жидкости в манометрическом сосуде 3.

Для роста кривизны поверхности капли существует предел, обусловливающий максимальное лапласовское давление, после достижения которого дальнейшая компенсация растущего гидростатического столба жидкости в манометрическом сосуде 3 становится невозможной - происходит продавливание расплава сквозь капилляр, расплав вытекает через капилляр и уровень расплава в манометрическом сосуде снижается. Максимальная высота расплава в манометрическом сосуде фиксируется с помощью катетометра через смотровое окно в термостате. Далее измерительную ячейку можно наклонить внутри термостата для перевода расплава в накопительный сосуд 1 и повторения измерений.

Расчет поверхностного натяжения производят по формуле Кантора-Фершафельта [Дадашев Р.Х. Термодинамика поверхностных явлений - М.: Физматлит, 2007. - 280 с. Стр. 94, формула (3.1.2)]

где r0 - радиус отверстия капилляра на срезе, ρ - плотность расплава, g - ускорение свободного падения, Н0 - высота столба жидкости с плоской поверхностью в манометрическом сосуде относительно среза капилляра.

Недостатком изложенного способа определения поверхностного натяжения является необходимость использования достаточно широких манометрических сосудов для уменьшения погрешности, обусловленной кривизной поверхности расплава в манометрическом сосуде, которая создает дополнительное к гидростатическому лапласовское давление. Для соблюдения с приемлемой точностью условия Н≈Но, где Н - высота вершины мениска в манометрическом сосуде относительно среза капилляра 4 (фиг. 1), требуется применение широких манометрических сосудов (∅~30 мм) [Пугачевич П.П. Поверхностное натяжение и адсорбция в металлических растворах: дисс.… д-ра хим. наук. Моск. хим.-технол. ин-т им. Д. И. Менделеева. - М: 1964]. Соблюдение указанного условия влечет за собой значительный расход исследуемых материалов, несоблюдение этого условия приводит к существенному занижению значений поверхностного натяжения, рассчитываемого по формуле (2).

Целью изобретения является повышение точности измерений и снижение расхода исследуемых материалов.

Предлагаемый способ основан на дополнительном измерении параметров мениска в манометрическом сосуде, что позволяет учесть создаваемое мениском давление и снимает необходимость использования широких манометрических сосудов.

Суть предлагаемого способа поясняется следующим примером. Измерительную ячейку (фиг. 1) заправляют исследуемым расплавом, укрепляют в термостате и производят измерения в соответствии с вышеописанной процедурой. В момент, когда кривизна поверхности капли достигает максимального значения, происходит продавливание расплава сквозь капилляр. В этот момент фиксируют положение вершины мениска в манометрическом сосуде 3 относительно среза капилляра Н и высоту мениска в манометрическом баллоне h. Затем, поворотом измерительной ячейки против часовой стрелки, возвращают расплав в сосуд 1 и повторяют измерение необходимое число раз.

Форма поверхности мениска в манометрическом сосуде 3 определяется силами тяжести и поверхностного натяжения и описывается уравнением Юнга-Лапласа [Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979, 568 с.]:

с начальными и граничным условиями

где z - вертикальная координата вдоль оси симметрии мениска, направленной вниз (фиг. 2). За начало отсчета принимают положение, которое занимала бы плоская поверхность расплава на расстоянии H0 от среза капилляра, r - горизонтальная координата точки поверхности мениска, отсчитываемая от оси симметрии мениска, R - внутренний радиус сечения манометрического сосуда, z0 - вертикальная координата вершины мениска. Таким образом

Численное решение системы уравнений (2)-(5) по заданным значениям g, ρ, r0, R и измеренным значениям h и Н позволяет определить поверхностное натяжение расплава σ.

В таблице приведены результаты измерений поверхностного натяжения чистого индия (Ин-00) при температуре 174°С. Применяли манометрические сосуды двух размеров с R=14,15 и с R=3,45 мм. Показанная в таблице погрешность измерений представляет собой случайную погрешность при доверительной вероятности 95%.

Из приведенных результатов следует, что применение широкого манометрического сосуда позволяет пренебречь влиянием мениска. Применение сравнительно узких манометрических сосудов существенно уменьшает расход исследуемых материалов. Использование предложенного способа для узких манометрических сосудов обеспечивает получение результатов, которые в пределах погрешности измерений не отличаются от результатов, получаемых с использованием широких манометрических сосудов.

Способ определения поверхностного натяжения металлического расплава, включающий измерение максимального давления в капле, образованной на горизонтальном срезе вертикально расположенного капилляра, путем измерения высоты столба металлического расплава в манометрическом сосуде, сообщающегося с капилляром, относительно горизонтального среза капилляра, при которой происходит продавливание расплава сквозь капилляр, отличающийся тем, что для учета влияния кривизны поверхности расплава в манометрическом сосуде на результаты измерений дополнительно измеряют высоту мениска, образованного исследуемым расплавом в манометрическом сосуде известного диаметра.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области поверхностных явлений в жидкости и может использоваться в измерительной технике для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости.

Устройство относится к измерительной технике для физических исследований свойств жидкостей. Устройство позволяет измерять поверхностное натяжение химически агрессивных расплавов тугоплавких веществ с высокими (больше 0,1 МПа) давлениями собственных паров над жидкой фазой, находящихся в инертной атмосфере.

Изобретение относится к области поверхностных явлений и предназначено для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Устройство формирования сферической поверхности жидкости для определения коэффициента поверхностного натяжения состоит из сосуда для исследуемой жидкости, плотно закрытого пробкой, в которую вертикально вставлен капилляр, нижний срез вертикально закрепленного капилляра погружен в исследуемую жидкость, а верхний срез капилляра расположен в горизонтальной плоскости, избыточное давление, создаваемое микропомпой и измеряемое микроманометром через дополнительный боковой отвод в сосуде, поднимает исследуемую жидкость по вертикальному капилляру до формирования капли со сферической поверхностью, измерение высоты капли со сферической поверхностью на верхнем горизонтальном срезе капилляра производится с помощью инструмента видеоконтроля.

Изобретение относится к области нефтяной геологии и может использоваться для определения смачиваемости нефтенасыщенных горных пород. Способ определения смачиваемости горных пород методом рентгеновской томографии керна включает изготовление из керна горных пород стандартных цилиндрических образцов, экстрагирование их от нефти и высушивание до стабилизации массы, последующее томографирование полученных сухих образцов с получением 2D-срезов, насыщение сухих образцов раствором йодида натрия и проведение повторного томографирования насыщенных образцов керна с получением 2D-срезов, затем, используя полученные при томографировании 2D-срезы, производят 3D-реконструкцию образцов путем сравнения указанных 3D-реконструкций для сухих и насыщенных образцов, определяя при этом поровые объемы указанных образцов, и определяют смачиваемость горной породы с использованием установленных поровых объемов образцов, в качестве раствора йодида натрия для насыщения сухих образцов используют раствор концентрацией 300 г/л и насыщение проводят под вакуумом в течение не менее 3 часов, при этом при проведении 3D-реконструкции образцов определяют поровый объем не всего образца, а только сердцевины образца на расстоянии 3-5 мм от верхнего и нижнего торцов образца и 5-6 мм от боковых сторон образца с использованием определенных при проведении 3D-реконструкции образцов их поровых объемов, далее рассчитывают показатель пропитки - К пропитки - как отношение разности объема пор между сухим V1 и насыщенным образцом V2 к объему пор в сухом образце V1 по следующей формуле: и по полученному значению показателя пропитки К пропитки судят о смачиваемости керна посредством установления категории его гидрофильности или гидрофобности.

Изобретение относится к способам определения термобарических параметров (температуры и давления) образования гидратов в многокомпонентной смеси типа нефтяных или природных газов.

Группа изобретений относится к технической физике, в частности к определению параметров металлических расплавов путем фотометрии силуэта лежащей на подложке эллипсовидной капли образца расплава, и может быть использована в лабораторных исследованиях, на металлургических предприятиях, в вузах.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения содержания жиров в жидкости. В настоящем изобретении предлагается способ определения присутствия жиров в телесной жидкости путем фотографирования капли телесной жидкости и расчета изменения площади контакта капли телесной жидкости и коэффициента диффузии площади контакта.

Изобретение относится к области физико-химического анализа материалов, более конкретно к определению термодинамической активности (в дальнейшем активности) компонентов в поверхностном слое наночастицы, находящейся в матрице в бинарной системе в равновесных условиях.

Изобретение относится к области физико-химического анализа. Предложен способ определения состава поверхностного слоя двухкомпонентной наночастицы сферической формы в матрице, согласно которому с целью установления размерной зависимости состава поверхностного слоя наночастицы, сплав, содержащий наноразмерные частицы, подвергают термическому отжигу, определяют состав наночастицы и матрицы, а также средний радиус наночастицы.

Изобретение относится к области геологии и может быть использовано для прогнозирования добычи углеводородов из продуктивного пласта. Предложен способ, который позволяет осуществлять определение смачиваемости с пространственным разрешением для пористых или других материалов.

Изобретение относится к исследованию материалов путем определения их физических свойств, а именно к определению поверхностного натяжения жидких металлов. Способ определения поверхностного натяжения металлического расплава включает измерение максимального давления в капле, образованной на горизонтальном срезе вертикально расположенного капилляра, путем измерения высоты столба металлического расплава в манометрическом сосуде, сообщающегося с капилляром, относительно горизонтального среза капилляра, при которой происходит продавливание расплава сквозь капилляр, при этом для учета влияния кривизны поверхности расплава в манометрическом сосуде на результаты измерений дополнительно измеряют высоту мениска, образованного исследуемым расплавом в манометрическом сосуде известного диаметра. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений и снижение расхода исследуемых материалов. 2 ил., 1 табл.

Наверх