Поверхностное натяжение сплавов металлических систем с участием свинца, лития и алюминия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Чочаева, Асият Масхутовна АВТОР
кандидат физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Нальчик МЕСТО ЗАЩИТЫ
2003 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.04.14 КОД ВАК РФ
Автореферат по физике на тему «Поверхностное натяжение сплавов металлических систем с участием свинца, лития и алюминия»
 
Автореферат диссертации на тему "Поверхностное натяжение сплавов металлических систем с участием свинца, лития и алюминия"

На правах рукописи

Чочаева Асият Масхутовна

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ СПЛАВОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ С УЧАСТИЕМ СВИНЦА, ЛИТИЯ И АЛЮМИНИЯ

01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НАЛЬЧИК - 2003

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела физического факультета Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.Б. Бербекова

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор, заслуженный деятель науки КБР Алчагиров Борис Батокович,

доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Хоконов Хазретали Бесланович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Ашхотов Олег Газизович,

доктор технических наук, профессор Дохов Магомед Пашевич

Ведущая организация: Институт металлургии и материаловедения

РАН им. A.A. Байкова, г. Москва

Защита состоится « £ » июля 2003 года в /2 часов на заседании диссертационного совета Д 212.076.02 при Кабардино-Балкарском государственном университете, 360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кабардино-Балкарского государственного университета по адресу: 360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173

Автореферат разослан" Ч '' июня 2003 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Ахкубеков A.A.

Введение

Актуальность темы. Исследования поверхностных свойств металлов и их сплавов имеют важное значение для развития теории межфазных явлений, разработки и совершенствования новых технологических процессов создания композиционных материалов.

Особенно актуальны исследования строения и свойств поверхности и границ раздела фаз в многокомпонентных системах, которые находят широкое применение на практике. Поэтому теоретическому и экспериментальному изучению поверхностных свойств металлов и сплавов уделяется большое внимание. Однако большинство исследований проведено без должного обеспечения условия термодинамического равновесия поверхности исследуемого расплава со своим насыщенным паром. Имеющиеся в литературе экспериментальные данные различных авторов по поверхностному натяжению (ПН) металлов и их сплавов нередко отличаются заметно друг от друга.

Поверхностные явления в многокомпонентных металлических системах с малым содержанием одного из компонентов оказались по существу слабоизученными. Такое состояние, на наш взгляд, обусловлено большими трудностями как экспериментального изучения таких систем, так и теоретического анализа получаемых результатов. Вместе с тем малые добавки одного из компонентов в многокомпонентные сплавы могут существенно влиять на их поверхностные свойства, что следует учитывать при решении многих технологических задач. Отметим также, что широко используемые для улучшения свойств металлических сплавов процессы легирования и наличие в металлах и сплавах естественных примесей в первую очередь сказываются на поверхностных свойствах материала. Все это диктует необходимость изучения проблемы влияния малых добавок на физико-химические свойства вещества.

Изложенное свидетельствует об актуальности экспериментальных исследований плотности и ПН бинарных и многокомпонентных расплавов, разработки и создания новых методик и устройств для их изучения.

Цель работы - разработка и создание новых эффективных устройств, измерение температурных и концентрационных зависимостей плотности и поверхностного натяжения металлов и сплавов в условиях сверхвысокого вакуума и равновесия системы исследуемое вещество -атмосфера собственных насыщенных паров.

В рамках поставленной цели решались задачи:

1. Разработать и собрать экспериментальные установки для измерения плотности и поверхностного натяжения металлических систем,

I !)!. НАЦИОНАЛЬНАЯ I

БИБЛИОТЕКА 1 3

Г.. Петербург ¿-.И ОЭ ШЭккь/У! \

учитывающие особенности работы с химически активными металлами: литием и алюминием.

2. Провести прецизионные измерения температурной зависимости плотности и поверхностного натяжения высокочистых алюминия, индия и олова;

3. Изучить влияние микродобавок компонента на поверхностное натяжение металлов и сплавов;

4. Исследовать температурную и концентрационную зависимости ГТН расплавов тройной системы алюминий-олово-индий. Провести расчеты адсорбции компонентов и состава поверхностного слоя для изученных металлических систем. '

Научная новизна полученных результатов.

1. Разработана новая конструкция и создана измерительная ячейка, позволяющая успешно получать надежные значения ПН и плотности жидких металлов и учитывающая особенности работы с высокоактивными литием и алюминием.

2. Показано, что в методе большой капли отклонение поверхности подложки от горизонтальной плоскости на 1° приводит к увеличению погрешности измерения поверхностного натяжения металлических расплавов почти в 2 раза.

3. Установлено, что температурная зависимость плотности жидкого олова повышенной чистоты описывается линейным уравнением. Не подтверждается отмеченная ранее в литературе аномалия в виде минимума на политерме плотности олова.

4. Определены температурные и концентрационные зависимости поверхностного натяжения 14 сплавов системы Бп-РЬ в концентрационном интервале от 0 до 1,00 ат.% РЬ. Политермы ПН сплавов являются линейными с отрицательными температурными коэффициентами при концентрациях до 0,050 ат.% РЬ и от 0,42 до 1,00 ат.% РЬ, а в области 0,086 - 0,40 ат.% РЬ в 8п политермы ПН сплавов имеют положительный температурный коэффициент. На изотерме о(х) системы Бп-РЬ обнаружены два минимума при концентрациях около 0,086 и 0,420 ат.% РЬ.

5. Показано, что ПН околоэвтектических сплавов системы Бп-Гл 1 обнаруживает необычную температурную зависимость: политермы ПН являются линейными с положительными температурными коэффициентами, величины которых испытывают от сплава к сплаву изменения в 5

6. Обнаружено, что индий проявляет высокую поверхностную активность в сплавах с алюминием: добавки менее 1 ат.% индия при температуре 973 К приводят к понижению ПН алюминия почти на 200 мН/м. Предельная поверхностная активность 1п в системе А1-1п составляет 104

мН/м-ат.%. Дальнейшее увеличение концентрации индия практически не меняет величины поверхностного нагяжения растворов.

7. Установлено, что при малых концентрациях олова и индия политермы ПН расплавов системы алюминий-индий-олово имеют нелинейный вид, а температурные коэффициенты поверхностного натяжения (ТКПН) обнаруживают тенденцию перехода от положительных значений к отрицательным. Поверхностная активность бинарного сплава Бп-Гп в тройной системе А1+(1п-8п) определяется главным образом содержанием олова в двойных сплавах. Наибольшую предельную поверхностную активность проявляют сплавы 8п-1п с большими концентрациями олова; с уменьшением содержания олова в двойном сплаве 8п-1п уменьшается его поверхностная активность.

Практическая ценность результатов. Результаты, полученные по температурной зависимости плотности жидкого олова, можно рекомендовать в качестве справочных данных.

Результаты изучения концентрационной зависимости поверхностного натяжения сплавов системы свинец-висмут позволяют рекомендовать жидкий эвтектический сплав РЬ-В1 в качестве эффективного теплоносителя для ядерной энергетики и тепловых труб.

Отработана методика экспериментального исследования поверхностного натяжения алюминия и его сплавов в условиях сверхвысокого вакуума и термодинамического равновесия со своим насыщенным паром. Установлено, что при использовании метода большой капли отклонения плоскости подложки от горизонтальной более чем на 1 ° приводят к ошибкам в определении ПН, превышающим погрешность метода в два раза.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Прибор и методика для изучения температурной и концентрационной зависимости поверхностного натяжения и плотности высокоактивных жидких металлов, например, алюминия и сплавов с его участием.

2. Влияние отклонения плоскости чашки-подложки от горизонтальной плоскости начинает существенно сказываться на результатах определения ПН методом большой (лежащей) капли, начиная с углов в 30' и более.

3. Прецизионные измерения температурной зависимости плотности жидкого олова в интервале температур 500 - 760 К.

4. Экспериментально определенные значения температурных и концентрационных зависимостей поверхностного натяжения, а также результаты вычислений основных термодинамических параметров поверхностного слоя бинарных систем: олово-свинец, олово-литий, свинец-висмут и алюминий-индий

5. Экспериментальные данные по ПН расплавов тройной системы алюминий-индий-олово. Заключение о преобладающей роли компонента олова в определении поверхностной активности бинарного сплава олово - индий в тройной системе алюминий-олово-индий.

Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации. Плотность измерялась прецизионным двухкапиллярным пикнометрическим методом в усовершенствованном нами варианте, значительно облетающем процедуру измерения плотности и повышающем воспроизводимость и надежность получаемых данных. Погрешность в определении плотности оценивается в 0,1%.

Измерения поверхностного натяжения проводились методом большой капли, являющимся наиболее надежным из известных методов. Погрешность определения ПН составляет около 1%.

Все измерения проводились в условиях сверхвысокого вакуума (10'6 Па по воздуху) и термодинамического равновесия образцов со своим насыщенным паром. Воспроизводимость результатов определения плотности и ПН не выходила за пределы погрешности измерений.

Приборы, на которых получены экспериментальные результаты, прошли поверку метрологической службы.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, физически обоснованы и не противоречат современным представлениям.

Личное участие автора в получении научных результатов, изложенных в диссертации. Задача изучения влияния степени негоризонтальности подложки на точность определения поверхностного натяжения металлических расплавов, а также экспериментального исследования плотности и ПН олова, индия, алюминия и их двойных и тройных расплавов поставлена научными руководителями Б.Б. Алчагировым и Х.Б. Хоконовым, которые приминали участие в обсуждении выбора методов исследования и полученных результатов.

Измерительные приборы, в которых изучались физико-химические свойства металлов и сплавов, усовершенствованы и подготовлены к работе автором совместно с Б.Б. Алчагировым. Измерение ПН сплавов систем Sn-Li и Pb-Bi проводилось совместно с В.Б. Бекуловым. Все остальные результаты получены автором лично.

Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на ежегодных Северо-Кавказских региональных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива» (Нальчик, 1998-2001), Международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2000), Third International Conference. High temperature capillarity (Japan, 2000),

Международном семинаре «Теплофизические свойства веществ (жидкие металлы и сплавы)» (Нальчик, 2001), Российской межотраслевой конференции «Тепломассоперенос и свойства жидких металлов», (Обнинск, 2002), на Межрегиональном научном семинаре им. С.Н. Задумкина (Нальчик, 1997-2003), Научном семинаре ФФ КБГУ «Фдаико-химия металлов и металлических систем» (Нальчик, 1996-2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ.

Обьем и структуры диссертации. Диссертационная работа изложена на 177 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок и 22 таблицы. Список литературы включает 252 наименования. Она состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. В приложении 11 таблиц.

Содержание диссертации. Во введении дается обоснование актуальности темы и выбора объектов исследования, сформулированы цели и задачи работы, приводятся научная и практическая ценность полученных результатов.

Первая глава посвящена обзору исследований плотности и поверхностного натяжения изучаемых металлов и сплавов с их участием.

Анализ литературных данных показывает, что плотности чистых металлов и их двойных сплавов изучены удовлетворительно, но имеющиеся данные не всегда согласуются между собой. Разброс экспериментальных значений плотности, полученных различными авторами для одних и тех же металлов, значителен и достигает I %, а ТК плотности в разных работах отличается почти в два раза. Многие авторы недостаточно полно описывают методические особенности проведения экспериментов и чистоту используемых материалов, поэтому полный анализ причин расхождения результатов по плотности жидких металлов весьма затруднителен.

Большинство имеющихся в литературе данных по поверхностному натяжению металлов и сплавов получены методом большой капли и методом максимального давления в капле или в газовом пузырьке. Весьма слабо исследовано влияние малых добавок на плотность и ПН сплавов многокомпонентных металлических систем. Обзор литературных данных позволяет сделать вывод, что в большинстве случаев наблюдается согласие между результатами, полученными различными методами, по характеру концентрационной и температурной зависимости поверхностного натяжения чистых металлов и сплавов, но абсолютные значения ПН зачастую плохо согласуются между собой. ТКПН даже для чистых металлов, но данным различных авторов, могут различаться в несколько раз.

Из анализа литературы следует вывод об актуальности исследования плотности и поверхностного натяжения металлов и их бинарных и

многокомпонентных растворов в области малых добавок поверхностно-активных компонентов и околоэвгектических составов.

Вторая глава посвящена описанию использованных в работе методик и техники измерений плотности и ПН жидких металлов и их сплавов. В ней приводятся описания разработанных и созданных нами экспериментальных установок, методик очистки и заправки измерительных ячеек металлами, а также оценки погрешностей измерений.

Экспериментальное изучение поверхностных свойств металлов и сплавов сопряжено с большими трудностями, которые многократно возрастают при исследовании многокомпонентных систем с участием химически активных компонентов. При этом важно использование высокопроизводительных приборов, которые позволяют значительно сократить время проведения опытов и расход дорогостоящих металлов.

Для определения ПН мы использовали метод лежащей (большой) капли. При использовании этого метода имеется вероятность появления систематических ошибок, связанных с погрешностью юстировки поверхности подложки вдоль горизонтальной плоскости. Мы исследовали влияние степени отклонения поверхности подложки от горизонтальной плоскости на точность определения величины ПН. Установлено, что отклонение плоскости подложки от горизонтальной начинает существенно сказываться на результатах определения ПН методом большой (лежащей) капли, начиная с углов в 30' и более. Если указанное отклонение составляет один градус, то погрешность измерения увеличивается почти в два раза.

В наших экспериментах использованы металлы высокой чистоты с содержанием основного элемента не менее 99,995 мас.%. Термовакуумная обработка и заправка измерительных ячеек образцами производилась в вакууме не хуже 10"7 Па (по воздуху), получаемом безмасляными средствами откачки. Опыты проводились в отпаянной ячейке в атмосфере собственных насыщенных паров.

При определении плотности использован двухкапиллярный пикнометр в усовершенствованном нами варианте, который отличается высокой точностью, надежностью и легкостью заполнения капилляров исследуемыми расплавами.

Для измерения ПН сплавов бинарных систем Бп-РЬ, Яп-У и РЬ-В1 была использована стеклянная цельнопаяная ячейка. А для исследования Г1Н жидкого алюминия и сплавов с его участием нами разработан измерительный прибор (рис.1), позволяющий успешно решать задачу получения надежных данных в области температур до 1100 К.

У1 - О'

;вакууму

Рис.1. Схема измерительной ячейки для определения поверхностного натяжения и плотности жидких алюминиевых сплавов: 1 - кварцевый корпус; 2 - смотровые окошки; 3 - кварцевая трубка с сужением, предназначенная для присоединения ячейки к сверхвысоковакуумной откачной установке; 4 - 7 - графитовые тшли, вставленные друг в друга, причем 5 и 6 имеют конусообразные донышки; 8 - графитовая подставка-стержень; 9 - чашка-подложка для исследуемой капли; 10 - графитовый капилляр; 11 - сквозная графитовая трубка с бункером 12; 13 - резервуар для ме-1алла-добавки; 14 - вентильная капельница; 15 - и-образная трубка; 16 -вентильный затвор; 17 - трубка - перепускник.

В связи со значительной активностью, с которой жидкий алюминий взаимодействует с кварцевым стеклом, для изготовления всех деталей прибора, соприкасающихся с алюминий - содержащими образцами (сплавами), нами использован спекгрально чистый графит. Прозрачное кварцевое стекло использовано лишь для изготовления плоских смотровых окошек, защитной вакуумно-плотной оболочки прибора и узла-дозатора для металлов-добавок, которые необходимы для приготовления исследуемых сплавов, и не взаимодействуют с кварцевым стеклом.

В третьей главе представлены экспериментальные данные по изучению плотности жидкого олова, ПН сплавов систем олово-свинец, олово-литий и свинец-висмут, а также результаты расчетов адсорбции поверхностно-активных компонентов и составов поверхностного слоя в бинарных системах.

Температурная зависимость плотности жидкого олова нами изучена в сверхвысоком вакууме на образцах повышенной чистоты и с использованием усовершенствованного двухкапиллярного пикнометра в температурном интервале от Тп, олова до 760 К. На политерме плотности жидкого олова, построенной нами по 28 экспериментальным точкам, отсутствуют какие-либо особенности. Аналитически наши данные по р(Т) жидкого олова хорошо описываются уравнением прямой:

р(Т)-7374,7 - 676,5-10"3 Т, (1)

где р в кг/м3, Т в К.

Таким образом, результаты наших исследований по изучению плотности жидкого олова свидетельствуют об отсутствии ранее отмеченной в литературе аномалии на политерме плотности жидкого олова.

Методом большой капли изучено поверхностное натяжение 14 жидких сплавов системы Sn-Pb в концентрационном интервале 0-1,00 ат.% РЬ в олове в области температур от 520 до 700 К. Обнаружено, что при концентрациях до 0,050 ат.% РЬ политермы ПН являются линейными с отрицательными температурными коэффициентами. В области 0,086 -0,40 ат.% РЬ в Sn политермы имеют положительный ТКПН, а в области составов от 0,420 до 1,00 ат% РЪ политермы ПН сплавов системы Sn-Pb снова являются линейными с отрицательными температурными коэффициентами.

Изотермы ст(х) системы Sn - РЬ для температур 520 и 620 К показаны на рис.2. Вблизи концентрации 0,086 ат.% РЬ на изотерме ПН обнаруживается первый глубокий минимум, а второй минимум - около 0,420 ат.% РЬ в Sn.

Рис.2. Концентрационная зависимость ПН сплавов системы 8п - РЬ в интервале 0,00-1,00 ат.% РЬ: 1 и 2- наши данные, 3 - по данным Ибрагимова, Покровского, Пугачевича.

Отмеченная особенность концентрационного хода поверхностного натяжения сплавов в области малых концентраций поверхностно-активного компонента, по нашему мнению, свидетельствует о сложных процессах структурной и адсорбционной перестройки, происходящих на поверхности сплава при микродобавках поверхностно-активного компонента.

Для всех изученных 11 сплавов системы олово-литий получены линейные политермы ПН с положительными температурными коэффици-I ентами в интервале температур от 523 до 680 К. Исследования проводи-

лись в околоэвтектической области составов от 6 до 15 ат.% лития в олове.

Концентрационная зависимость ПН расплавов системы олово-литий при температуре 623 К представлена на рис.3, из которого видно, что при этой температуре по мере увеличения концентрации лития поверхностное натяжение сплавов уменьшается достаточно быстро. Так, первая добавка лития (6,3 ат.%) к олову приводит к снижению ПН олова на 15%. Дальнейшее повышение концентрации лития (до 15 ат.%) в сплавах

Бп-ЬЛ приводит к понижению поверхностного натяжения сплавов почти до значения ПН лития.

Рис.3. Изотерма ПН системы олово-литий при 623 К.

Жидкий расплав эвтектики системы РЬ-ЕН является перспективным теплоносителем в ядерной энергетике. Поэтому весьма важно знание ПН, плотности и других свойств расплавов этой системы. При изучении ПН сплавов системы РЬ-ГН не было выявлено каких-либо особенностей на политермах и изотермах поверхностного натяжения расплавов. Нами было измерено ПН 9 жидких сплавов бинарной системы РЬ-ЕН в интервалах температур 473 - 673 К и концентраций 33,1 - 73,8 ат.% ЕН в свинце.

В исследованном интервале температур политермы ПН расплавов системы свинец-висмут описываются линейными уравнениями с о грица-тельными температурными коэффициешами ПН, в том числе и для сплава эвтектического состава: уравнение политермы эв1екчического сплава

а(Т) =402,0 - 11,0 10'3-Т, (2)

где а в мН/м, Т в К.

На рис. 4 приведена изотерма ПН системы РЬ-В1 в сравнении с литературными данными. Наши результаты несколько уточняют ход изотермы ПН этой системы. Эвтектика не находит отражения на изотерме ПН.

Рис. 4. Изотерма поверхностного натяжения околоэвтектических сплавов системы свинец-висмут при 673 К. 1 - И. Казакова и др.; 2 - Н. Покровский и др.; 3 - настоящая работа; 4 — расчет ст(х) по уравнению Попеля -Немченко; 5 - аддитивная прямая.

По экспериментальным данным ПН для всех изученных систем проведены расчеты адсорбции поверхностно-активного компонента по - варианту Гугенгейма-Адама и состава поверхностного слоя. Результаты расчета адсорбции свинца в системе олово - свинец при температуре 620 К показаны на рис.5. Как и следовало ожидать, изотерма адсорбции свинца испытывает осцилляции в области концентрации 0 - 0,8 ат.% РЬ, что соответствует концентрационному ходу изотермы ПН (рис. 2).

Изотерма адсорбции лития в системе олово - литий при Т= 623 К представляет собой гладкую кривую. Максимальная величина адсорбции лития составляет 8,3-10"6 моль/м2, которая достигается для сплавов в области объемного состава около 4 ат.% 1л в олове.

Максимальная адсорбция висмута в сплавах со свинцом при температуре 673 К составляет 3,2-10"6 моль/м2 для сплавов в области объемного состава около 40 ат.% В1 в свинце. Проведено вычисление состава поверхностного слоя системы РЬ-В1. Соотношение мольных долей висмута

хДю) л^ОО

в поверхностном слое () и в объеме расплава (), полученные

по результатам наших расчетов, представлены на рис.6.

• Г^0 Ш^моль/м2

Рис.5. Изотерма адсорбции свинца в системе 8п-РЬ при 620 К. 1,0

ат. доли В1

Рис.6. Мольные доли висмута в поверхностном слое (Хц- ) и в объеме (V)

(Х^^ ) растворов системы свинец - висмуг (1) и избыточная поверхностная концентрация висмута (2).

В четвертой главе приводятся результаты исследования температурных и концентрационных зависимостей ПН расплавов бинарной системы А1-1п и тройной системы АМп-Бп.

Нами исследовалась температурная и концентрационная зависимость ПН сплавов системы А1 - 1п с содержанием до 7 ат.% индия в алюминии. Температурные зависимости ПН чистых компонентов описываются линейными уравнениями:

стА!(Т) = 860 - 0,115-(Т-Т)1Л), (3)

ст,„(Т) = 556- 0,081-(Т-Тпл). (4)

Политермы ПН всех 6 изученных сплавов являются линейными, однако температурные коэффициенты поверхностного натяжения испытывают от сплава к сплаву заметные изменения по абсолютной величине и по знаку.

Показано, что индий проявляет высокую поверхностную активность в сплавах с алюминием: при температуре 973 К добавка около 1 ат.% индия приводит к понижению ПН алюминия почти на 200 мН/м. Дальнейшее обогащение алюминия индием практически не меняет величины поверхностного натяжения растворов (рис.7).

Рис.7. Изотерма поверхностного натяжения (при 973 К) системы А1 - 1п.

На основании полученных данных рассчитана адсорбция индия в поверхностном слое растворов А1-1п. Обнаружено, что адсорбция индия на поверхности расплава достигает максимальной величины при содержании его ~ 0,1 ат.% в объеме (рис.8), а избыток индия в поверхностном слое соответствует трем монослоям индия (рис.9).

Расчет числа монослоев индия на поверхности сплава А1-1п показал (рис.9), что сначала наблюдается преобладающий рост содержания поверхностно-активного компонента (индия) в поверхностном слое по сравнению с его содержанием в объеме раствора.

Г^-10бмоль/м2

Г£0- Юб моль/м2

А1 1 3 5 7 ат.%1п

Рис.8. Изотерма адсорбции индия в системе индий- алюминий при 973 К.

лДю) ЛДУ)

Расчет А^ при в области концентраций А ^ = 0,1-0,3 приводит к антибатному изменению составов в объеме раствора и поверхностном слое. Расчеты л^ при п=3 показывают, что на изотерме

составов поверхностного слоя исчезают экстремумы (кривая 3 на рис.9). Следовательно, в случае образования грех монослоев достигается концентрационное равновесие в поверхностном слое.

ма раствора Хт системы алюминий - индий.

Впервые изучена температурная и концентрационная зависимость поверхностного натяжения 15 сплавов тройной системы алюминий - индий - олово. Составы тройных сплавов выбирались вдоль трех лучевых разрезов, исходящих из вершины А1 концентрационного треугольника, и готовились добавлением к алюминию двойных сплавов олово-индий при постоянном отношении концентраций XSn:X|„ = const. Первая группа тройных сплавов содержала сплав Sn - In с постоянным отношением концентраций компонентов = 4:1, вторая группа - с отношением = 7:3 и третья группа - с отношением =1:1.

Прежде всего отметим, что все политермы ПН имеют положительные температурные коэффициента. В случаях малых концентраций олова и индия политермы ПН тройных сплавов имеют нелинейный вид, обнаруживая тенденцию перехода ТКПН от положительных значений к отрицательным. При увеличении концентрации олова и индия политермы ПН могут быть описаны линейными уравнениями с положительными ТК

в температурном интервале от 933 до 1073 К. Подобная зависимость ПН тройных сплавов от температуры, на наш взгляд, связана прежде всего с проявлениями большей поверхностной активности олова в тройных алюминиевых сплавов.

На рис.10 представлены изотермы ПН при 973 К для трех разрезов. Легко видеть, что поверхностная активность сплавов Бп - 1п определяется главным образом процентным содержанием олова в двойных сплавах. Наибольшую предельную поверхностную активность проявляют бинарный сплав, имеющий состав Хбп'.Х],, = 4:1 (кривая 1 рис.10); с уменьшением процентного содержания олова в двойном сплаве индий-олово уменьшается и его предельная поверхностная активность (кривая 2 и 3 рис. 10).

ат.% А1 «-

Рис.10. Изотермы поверхностного натяжения системы А1-8п-1п при температуре 973 Л" для лучевых разрезов с Хх„: Х,п« 4:1 (1), 7:3 (2) и 1:1 (3).

Адсорбция алюминия в тройной система А1-8п-1п отрицательная. Расчеты адсорбции показывают, что при температуре 973 К максимальная адсорбция алюминия составляет для 1-го разреза 15-Ю'6 моль/м2 при его объемной концентрации 96,5 ат.% А1, для 2-го разреза - 14,6-10"6 моль/м2 при концентрации 94,0 ат.% алюминия и для 3-го разреза И,9-Ю"6 моль/м2 при концентрации 86,0 ат.% А1.

1. Разработаны и изготовлены усовершенствованные измерительные приборы для прецизионного определения плотности и поверхностного натяжения металлов и сплавов, содержащих химически активные компоненты; приборы позволяют приготавливать сплавы известных составов и изучать температурные зависимости их свойств, не вскрывая и не нарушая герметичности и вакуумных условий в них.

2. Изучено влияние негоризонтальности поверхности подложки на ' погрешность определения поверхностного натяжения жидких

металлов методом большой капли. Установлено, что при погрешности метода 1% максимально допустимый угол отклоне-^ ния подложки от горизонтальности составляет не более 30'.

При этом ошибки юстировки подложки в поперечном оптической оси направлении приводят к большей погрешности в измерениях ПН.

3. В сверхвысоковакуумных условиях (по воздуху) на образцах повышенной чисготы двухкапиллярным пикнометрическим методом проведены измерения плотности жидкого олова в интервале температур от Тпл до 760 К. Политерма плотности описывается линейным уравнением и не подтверждает отмечавшуюся ранее в литературе аномалию в виде минимума на политерме плотности олова.

4. Впервые проведены измерения ПН 14 жидких сплавов системы олово - свинец в области составов от 0 до 1,00 ат.% РЬ. Показано, что политермы ПН сплавов описываются линейными уравнениями с отрицательными температурными коэффициентами при концентрациях от 0 до 0,050 ат.% РЬ в олове и в области составов от 0,420 до 1,00 ат% РЬ, а в интервале 0,086 - 0,400 ат.%

' РЬ политермы ПН имеют положительные температурные коэф-

фициенты. Изотермы ПН сплавов системы олово-свинец обна-^ руживают два минимума при концентрациях 0,086 и 0,420 ат.%

РЬ в Sn.

5. Измерены температурные и концентрационные зависимости поверхностного натяжения сплавов сис1емы олово-литий в области концентраций от 6,0 до 15,0 ат.% Li, охватывающий эвтектический состав. Политермы ПН характеризуются линейными уравнениями с положительными температурными коэффициентами. Литий является поверхностно-активным компонен-

том в сплавах с оловом, изотерма ПН представляет собой гладкую кривую без экстремумов.

Показано, что на политермах и изотермах поверхностного натяжения жидких свинец-висмутовых сплавов не наблюдается каких-либо особенностей: политермы ПН сплавов, включая эвтектический сплав, описываются линейными уравнениями с отрицательными температурными коэффициентами, а изотермы ПН системы РЬ-Ш характеризуются гладкими кривыми, слегка вогнутыми к оси составов.

Определены температурные и концентрационные зависимости поверхностного натяжения сплавов бинарной системы алюминий-индий в концентрационной области от 0 до 7,0 ат.% 1п. Показано, что небольшие добавки индия (до 1,0 ат.%) значительно понижают ПН алюминия; температурные коэффициенты ПН изученных сплавов имеют положительные значения. Впервые определены температурные и концентрационные зависимости поверхностного натяжения 15 сплавов тройной системы алюминий-индий-олово, составленных по трем сечениям концентрационного треугольника, исходящим от вершины А1. Тройные сплавы готовились добавлением к алюминию бинарных растворов 8п-1п постоянных составов 8п:1п=4:1 (1 сечение), 7:3 (2 сечение) и 1:1 (3 сечение). Установлено, что политермы ПН имеют положительные температурные коэффициенты и описываются линейными уравнениями за исключением ПН сплавов с малыми добавками. В случае малых концентраций олова и индия политермы ПН тройных сплавов имеют нелинейный вид. Изотермы поверхностного натяжения представляют собой гладкие кривые без экстремумов. Обнаружено, что с увеличением процентного содержания олова в добавляемом сплаве Бп-Гп увеличивается поверхностная активность бинарного сплава в тройной системе, что указывает на определяющую роль компонента олова в понижении ПН тройного сплава. Рассчитаны адсорбции поверхностно-активных компонентов и составы поверхностного слоя исследованных бинарных систем, а также адсорбция алюминия для тройной системы ЛИи-Бп.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. Ллчагиров А.Б., Чочаева A.M. К методу большой (лежащей) капли: влияние негоризонтальности подложки на точность определения поверхностного натяжения // Приборы и техника эксперимента.-1998. №3. -С.131-133.

2. Алчагиров Б.Б., Чочаева A.M., Шидова С.М. Поверхностное натяжение бинарных и тройных сплавов с участием алюминия / Тезисы докладов Северо-Кавказской региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива - 98». Пальчик: КБГУ. 24-27 апреля. -1998. -С.5-6.

3. Чочаева A.M., Шидова С.М. Поверхностное натяжение сплавов системы алюминий-индий-олово / Тезисы докладов СевероКавказской региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива - 99». Нальчик: КБГУ. 23-26 апреля. -1999. -С.327.

4. Алчагиров Б.Б., Чочаева A.M. Прибор для изучения температурных и концентрационных зависимостей поверхностного натяжения и плотности алюминиевых сплавов // Вестник КБГУ. Серия Физические науки. Нальчик: КБГУ. -2000. В.4. -С.14-17.

5. Ibragimov Kh. I., Alchagirov B.B., Taova T.M., Chochaeva A.M., Khokonov Kh.B. Surface tension of aluminium and its alloys with indium and tin / Abstracts Third International Conference. High temperature capillarity. Japan. -2000. -P. 212.

6. Алчагиров Б.Б., Чочаева A.M. Температурная зависимость плотности жидкого олова // Теплофизика высоких температур. -2000. Т.38. №1.-С.48-52.

7. Алчагиров Б.Б., Чочаева A.M., Хоконов Х.Б., Таова Т.М., Ибрагимов Х.И. Поверхностное натяжение алюминия и его сплавов с индием и оловом // Вестник КБГУ. Серия Физические науки. Нальчик: КБГУ. -2000. В.4. -С.6-10.

8. Чочаева A.M., Кондрашова И. А. Плотность и поверхностное натяжение сплавов системы алюминий-индий-олово / Тезисы докладов Международной конференции молодых ученых и студентов. Актуальные проблемы современной науки. Самара. -2000. 12-14 сентября. -С. 103.

9. Ibragimov Kh. I., Alchagirov B.B., Taova T.M., Chochaeva A.M., Khokonov Kh.B. Surface tension of aluminium and its alloys with indium and tin / Trans. JWRI. Japan.-2001. V.30. -P.323-327.

10. Чочаева A.M., Бекулов В.Б. Поверхностное натяжение расплавов бинарной системы алюминий-индий. Материалы СевероКавказской региональной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Перспектива - 2001». Нальчик: КБГУ,-2001. T.III. -С.115.

11. Алчагиров Б.Б., Чочаева A.M., Бекулов В.Б. Поверхностное натяжение сплавов лития на основе олова / Труды международного семинара «Теплофизические свойства веществ (жидкие металлы и сплавы)». Нальчик: КБГУ. 11-15 июня. -2001. -С. 239241.

12. Алчагиров Б.Б., Чочаева A.M., Таова Т.М. Влияние малых примесей свинца на поверхностное натяжение олова // Вестник КБГУ. Серия Физические науки. Нальчик: КБГУ. -2001. В.6. -С. 20-21.

13. Алчагиров Б.Б., Бекулов В.Б., Чочаева A.M., Хоконов Х.Б., Арнольдов М.Н., Мозговой А.Г. Поверхностное натяжение околоэвтектических сплавов системы свинец-висмут / Тезисы докладов Российской межотраслевой конференции «Тепломассопе-ренос и свойства жидких металлов». Обнинск. ГНЦ РФ ФЭИ. -2002. -С.83.

14. Чочаева A.M. Температурная зависимость поверхностного натяжения жидких сплавов индия на основе алюминия // Вестник КБГУ. Серия Физические науки. Нальчик: КБГУ, -2002. В. 7. -С.10-11.

Сдано в набор 3.06.2003. Подписано в печать 4.06.2003. Гарнитура Тайме. Печать трафаретная. Формат 60x84 '/,6. Бумага офсетная. Усл.п.л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 819.

Типография Кабардино-Балкарской государственной сельскохозяйственной академии

Лицензия ПД № 00816 от 18.10.2000 г.

г. Нальчик, ул. Тарчокова, 1а

12. Со?

 
Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидат физико-математических наук , Чочаева, Асият Масхутовна
 
Введение диссертация по физике, на тему "Поверхностное натяжение сплавов металлических систем с участием свинца, лития и алюминия"
 
Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"
 
Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидат физико-математических наук , Чочаева, Асият Масхутовна, Нальчик