Термодинамические параметры поверхностного слоя двойных и многокомпонентных расплавов легкоплавких Р-металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Введение

I. Термодинамические параметры поверхностного слоя многокомпонентной двухфазной системы жидкость-пар

1.1. Основное уравнение термодинамики поверхностных явлений.

1.2. Состав поверхностного слоя многокомпонентных 10 растворов.

1.3. Эффективная толщина поверхностного слоя. ^

1.4. Вычисление молярной поверхности и эффективной толщины поверхностного слоя многокомпонентных растворов.

Выводы

II. Методика измерения поверхностного натяжения и плотности жидких металлов и сплавов

2.1. Выбор методов измерения поверхностного натяжения и плотности.

2.2. Прибор для совместного определения поверхностного натяжения и плотности.

2.3. Комбинированный прибор для определения концентрационной зависимости поверхностного натяжения и плотности многокомпонентных систем.

2.4. Экспериментальная установка и методика измерения физико-химических свойств многокомпонентных металлических расплавов.

2.5. Закон распределения случайной ошибки измерения поверхностного натяжения.

2.6. Ошибки измерения плотности, поверхностного натяжения 42 и состава расплавов.

Выводы

III. Поверхностное натяжение и молярные объемы чистых металлов и двойных систем

3.1. Поверхностное натяжение и плотность чистых металлов.

3.2. Поверхностные свойства двойной системы таллий-свинец.

3.3. Поверхностные свойства двойных систем: олово-таллий, индий-таллий.

3.4. Термодинамические свойства поверхности расплавов 72 двойной системы галлий-висмут.

Выводы

IV. Термодинамические параметры поверхностного слоя многокомпонентных систем

4.1. Состояние экспериментального изучения и методы прогнозирования свойств многокомпонентных расплавов.

4.2. Концентрационная зависимость поверхностного натяжения расплавов индий-олово-свинец-висмут.

4.3. Адсорбция, эффективная толщина, молярная поверхность и состав поверхностного слоя четырехкомпонентной системы индий- олово- свинец- висмут.

Общие результаты и выводы

Интенсивное развитие современной науки и техники в области разработки и внедрения новых технологий, решение проблемы получения материалов с заранее заданными свойствами привело к широкому использованию металлов и сплавов в различных отраслях промышленности [1-3].

Для эффективного решения многих технических проблем необходимы достоверные данные о свойствах металлов и сплавов. Этим можно объяснить то большое внимание, которое уделяется в последние десятилетия теоретическому и экспериментальному исследованию границ раздела фаз.

Однако, несмотря на интенсивные экспериментальные исследования, поверхностные свойства двойных и, в особенности, многокомпонентных расплавов изучены недостаточно. Имеющиеся в литературе экспериментальные данные по плотности и поверхностному натяжению двойных систем нередко отличаются не только количественно, но и качественно.

Систематические исследования поверхностных свойств многокомпонентных систем начаты сравнительно недавно и, в силу специфических трудностей, находятся в начальной стадии. Достаточно сказать, что к настоящему времени в широкой области составов температурная и концентрационная зависимость поверхностного натяжения и плотности изучены только для нескольких десятков тройных систем. Экспериментальные исследования поверхностных свойств систем с большим числом компонентов, за исключением отдельных сплавов технического назначения [4], нам неизвестны.

С другой стороны, данные о температурной и концентрационной зависимости поверхностного натяжения и плотности позволяют найти многие термодинамические параметры поверхностного слоя двойных расплавов. Тем не менее, до последнего времени вычисление этих параметров для многокомпонентных систем встречали большие трудности, обусловленные отсутствием строгих термодинамических методов расчета.

В лаборатории физики межфазных явлений ЧГУ в семидесятых годах были начаты систематические экспериментальные исследования поверхностных свойств двойных ^ и тройных металлических систем. Были получены формулы и разработаны методы вычисления таких термодинамических свойств, как парциально- молярная поверхность, адсорбция и состав поверхностного слоя. При этом открытым и нерешенным оставался вопрос об эффективной толщине поверхностного слоя.

Существенным вкладом в развитие термодинамики поверхности является критерий "симбатности" [5], который позволяет оценить минимально возможную толщину поверхностного слоя. Однако, критерий "симбатности" не позволяет оценить реальное значение эффективной толщины поверхностного слоя и его зависимости от состава сосуществующих фаз. С другой стороны, критерий "симбатности" разработан для бинарных систем и неприменим к расплавам с большим числом компонентов. Эффективная толщина поверхностного слоя, являясь одной из важнейших характеристик межфазного слоя, зависит от состава раствора. Определение этой зависимости имеет большое научное и практическое значение.

В связи с изложенным, в работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Собрать экспериментальную установку для измерения поверхностного натяжения и плотности легкоплавких металлов и их сплавов;

2. Экспериментально измерить поверхностное натяжение и плотность двойных систем: индий - таллий, олово - таллий, таллий - свинец, галлий - висмут;

3. Исследовать поверхностные свойства четырехкомпонентной системы индий - олово - свинец - висмут;

4. Провести расчеты основных термодинамических параметров поверхностного слоя изученных систем - адсорбции, состава и толщины поверхностного слоя, молярной и парциально- молярной поверхности компонентов.

Диссертационная работа состоит из введения и четырех глав.

1. Громов Б.Ф., Субботин В.И., Тошинский Г.И. Применение расплавов эвтектики свинец-висмут в качестве теплоносителей ЯЭУ./ М., Атомная энергия 1998, 73 №1 с. 1924.

2. Поверхностные свойства расплавов и твердых тел и их использование в материаловедении/ Найдич Ю.В., Перевертайло В.М., Лавриненко И.А. и др. Киев: Наукова думка, 1991. 276 с.

3. Блинкин В.Л., Новиков В.Н. Жидкосолевые атомные реакторы М.: Металлургия, 1978. 112 с.

4. Семенов В.Н., Сковородько С.Н., Качалов В.В. Влияние температуры на плотность и поверхностное натяжение медно-серебряных припоев. // Материаловедение, 2000 №5 с. 15-19.

5. Русанов А.И. Фазовые равновесия и поверхностные явления. Л.: Химия, 1967. 388 с.

6. Ван-дер-Ваальс И.Д. Констамм Ф. Курс термостатики. Т.1. ОНТИ. 1936. 318 с.

7. Van der Waals 1. D. Thermodynamische Theorie der capillaritat. Verh. Kon. Acad. Amsterdam. 1893.

8. Guggenheim E.A. Thermodynamics. Amsterdam. North.-Holland Publishing. Co.1967.

9. Rusanov A.I. Phasengleichgewichte und Oberflachenerscheinun-gen. Berlin, Academie-Verlag, 1978. 678 s.

10. Попель С.И. Свободная поверхностная энергия растворов и адсорбция компонентов на границе с газом. // Поверхностные явления в расплавах и возникающих из них твердых фазах. Кишинев: Штиинца 1974. с. 47-75.

11. Семенченко В.К. О некоторых вопросах термодинамики поверхностных явлений // Смачиваемость и поверхностные свойства расплавов и твердых тел. Киев: Наукова думка. 1972. с. 3-7.

12. Задумкин С.Н, Хоконов Х.Б. Уравнение изотермы поверхностного натяжения многокомпонентных растворов// Физическая химия поверхности расплавов. Тбилиси: Мэцниереба, 1977. с.5-12.

13. Дадашев Р.Х. Состав и толщина поверхностного слоя многокомпонентных растворов // Расплавы. 1992. №6. с.20-26.

14. Русанов А.И., Левичев С.А., Пшеницын В.И. Термодинамическое и эллипсометрическое исследование толщины поверхностных слоев жидких растворов. // Поверхностные явления в жидкостях и жидких растворах. Л.: изд-во ЛГУ, 1972. с. 3-21

15. Вейцман Э.В. Проверка уравнения состояния для межфазовой области раздела оптическим методом // ЖФХ. 1985. 51. № 2 с. 803811.

16. Ибрагимов Х.И., Саввин B.C. Расчет параметров поверхностного слоя однокомпонентных металлических расплавов. // Физико-химические исследования металлургических процессов. Свердловск: изд-во УПИ, 1979. Вып. 7 с. 34-36.

17. Ибрагимов Х.И., Саввин B.C. Расчет характеристик поверхностного слоя растворов. // Поверхностные свойства расплавов. Киев: Наукова думка, 1982. с. 22-24.

18. Bakker G. Kapillaritat und Oberflachenspannung. Handb. d. Experimentalphysik. 6. Leipzig. 1928. p. 168

19. Lekner I., Henderson I.K. Physica, 1978. 94 A. № 3/4. p.548.

20. Вейцман Э.В. О граничных точках между межфазовой областью раздела и гомогенными фазами. // ЖФХ. 1985. т. 59. № 8, с. 2101-2105.

21. Семенченко В.К. Поверхностные явления в металлах и сплавах. М.: Гостехиздат, 1957. 491 с.

22. Роулинсон Дж., Уидом Б. Молекулярная теория капиллярности. М.: Мир, 1986. 386 с.

23. Пшеницин В.И., Русанов А.И. Отражение света и толщина поверхностного слоя вблизи критической точки. // Поверхностные явления в жидкостях и жидких растворах. JL: Изд-во ЛГУ, 1972. С. 150-157.

24. Heyes D.M. Clarke I.H.R. Molecular Dynamics model of the Vapor-Liquid Interface of Molten Potassium Chloride. // 1. Chemical Soc. Faraday. Transactions, 11. 1979. № 9 p. 12401255.

25. Груверман С.Л., Сухман А.Л., Кононенко В.И. Оценка толщины поверхностного слоя жидких РЗМ. // Металлы, 1986. № 2. с. 67-71.

26. Дадашев Р.Х., Шевченко A.M., Мустапаев Х.И. Вычисление параметров поверхностного слоя простых жидкостей. // Современные проблемы механики жидкости и газа. Тез. докл. Всесоюзного совещания-семинара. Грозный, 1986. с. 113.

27. Langevin D. Optical Studies of fluid interfaces // Progr.-Colloid and Polym Sci.1990. 83. p. 10-15.

28. Анализ поверхности методами Оже и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии / Под ред. Д. Бриггса и М.П. Сиха. М.: Мир, 1987. 599 с.

29. Вудраф Д., Делгар Т. Современные методы исследования поверхности. М.: Мир, 1989. 568 с.

30. Ашхотов О.Г., Шебзухов А.А., Кармоков A.M. Сверхвысоковакуумная установка для комплексного исследования поверхности // Межвузов, тем. сб. "Физика межфазных явлений". Нальчик. 1980. с.268-273.

31. Дадашев Р.Х., Сагов Б.Б., Кутуев Р. А., Батаева Л.Б. Особенности определения термодинамических параметров поверхностного слоя многокомпонентных растворов.// Физика и химия поверхности. Грозный: АН ЧРИ. 1994 Вып.1 с. 145151

32. Butler I A.V. The thermodynamics of the surface of solution. // Proceedings of the Royal society. 1932. A 135. № 827. 348-375.

33. Гващенко Ю.М., Еременко B.H. Основи прецизшного вимгрювання поверхнево1 энергп розплав1в за методом лежачо1 краши. Кшв: Наукова думка, 1972. 316 с.

34. Hansen F.K. Rodsrud G. Surface tension by pendant drop 1. A fast standard instrument using computer image analysis // 1. Colloid and interface, sci. 1991. 141. № 1 p. 1-9.

35. Русанов А.И. Прохоров В.А. Межфазная тензометрия. Химия. С-П. отд-е. 1994. 397с.

36. Мездрогина М.М., Сидорова Т.А. Способ определения поверхностного натяжения и плотности жидких металлов, удерживаемых электромагнитным полем во взвешенном состоянии. // Физическая химия поверхности расплавов. Тбилиси: Мецниереба 1974. с. 279-283.

37. Хоконов Х.Б. Методы измерения поверхностной энергии и натяжения металлов и сплавов в твердом состоянии. // Поверхностные явления в расплавах и возникающих из них твердых фазах. Кишинев: Штиинца. 1974. с. 190-201.

38. Кисиль И.С. Погрешности определения капиллярной постоянной жидкостей методом капиллярного поднятия. // Наука. Колл. журнал, т. 53. Вып. 4 1991. с. 642-645.

39. Байдаков В.Г., Черных Г.Г., Проценко С.П. Равновесие жидкость- пар и поверхностное натяжение в Леннард-Джонсоновских системах. // ЖФХ 2000 т.74 №8 с. 1382-1386.

40. Физико-химические методы исследования металлургических процессов. // П.П. Арсентьев, В.В. Яковлев, М.Г. Крашенинников и др. // М., 1988. 512 с.

41. Близнюков С.А., Вишкарев А.Ф., Явойский В.И. Установка для измерения поверхностного натяжения жидких металлов. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1964. № 7. с. 227-238.

42. Соколов В.И., Попель С.И. Установка для измерения поверхностного натяжения, плотности и вязкости расплавов в защитной атмосфере. // Поверхностные явления в расплавах и возникающих из них твердых фазах. Нальчик: изд-во КБГУ, 1965. с. 216-222.

43. Еременко В.Н., Иващенко Ю.Н., Ниженко В.И. Измерениечповерхностного натяжения металлов и сплавов методом лежащей капли. // Экспериментальная техника и методы исследования при высоких температурах М., 1959. с. 285-294.

44. Пугачевич П.П. Некоторые вопросы измерения поверхностного натяжения металлических расплавов методом максимального давления в газовом пузырьке. // Поверхностные явления в металлургических процессах. М., 1963. с. 177-192.

45. Пугачевич П.П. Элементарная теория расчета усовершенствованных газовых приборов для измерения поверхностного натяжения. // Поверхностные явления врасплавах в процессах порошковой металлургии. Киев: Наукова думка, 1963. с. 422-432.

46. Хоконов Х.Б., Задумкин С.Н., Алчагиров Б.Б. Работа выхода электрона, поверхностное натяжение и плотность системы галлий-индий. // Докл. АН СССР. 1973. Т. 210. № 4. с. 899901.

47. Физическая химия неорганических материалов. В 3 т. / Под общ. ред. Еременко В.Н. Киев: Наукова думка, 1988. т. 2. 192с.

48. Попель С.И. Теория металлургических процессов. М.: ВИНИТИ 1971. 136 с.

49. Хантадзе Д.В., Оникашвили Э.Г., Тавадзе Ф.Н. Некоторые