Способ определения сталагмометрической постоянной Российский патент 2025 года по МПК G01N13/02 

Предлагаемый способ относится к области физических исследований свойств жидкостей, а именно агрессивных расплавов тугоплавких веществ с высокими (больше 0,1 МПа) давлениями собственных паров над расплавами.

К таким веществам можно причислить, например, бинарные и тройные соединения A^IIB^VI (ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, Cd_1-xZn_xTe и другие халькогениды цинка и кадмия). Для предотвращения испарения исследуемого материала и возможного при этом изменения его химического состава с расплавами таких веществ работают под высокими давлениями инертных газов.

Измерение поверхностного натяжения расплавов этих соединений обычно проводится сталагмометрическим методом, также называемым методом веса капли [Н.Н. Колесников. Устройство для определения поверхностного натяжения расплавов. Авторское свидетельство СССР № 1357794, опубл. в Б.И. № 45, 1987]. Метод дает надежные результаты, но требует экспериментального определения поправочного коэффициента, чаще называемого постоянной сталагмометра или сталагмометрической постоянной [Колесников Н.Н., Борисенко Д.Н. Устройство для определения поверхностного натяжения расплавов сталагмометрическим методом. Патент РФ на изобретение № 2709422, опубл. 17.12.2019 Бюл. № 35].

В сталагмометрическом методе для вычисления величины поверхностного натяжения расплава γ необходимо взвешиванием определить суммарную массу полученных капель Σm_к и вычислить средний вес одной капли где n – число капель. Затем γ рассчитывается по формуле:

где g – ускорение свободного падения, R – радиус капилляра, k – сталагмометрическая постоянная.

Известен способ определения сталагмометрической постоянной [N.N. Kolesnikov, M.P. Kulakov, Yu.N. Ivanov. Some properties of melts of A²B⁶ compounds. J. Cryst. Growth, 1992, v. 125, N 3-4, p. 576-582] – аналог, в котором, при определении сталагмометрическим методом зависимости поверхностного натяжения расплава ZnSe от давления аргона, сталагмометрическую постоянную определяли экспериментально с использованием эталонных расплавов GaSb, GaAs и InSb. Недостатками способа являются как необходимость доступных эталонных соединений с достоверно известным поверхностным натяжением расплава, так и сложность проведения экспериментов.

Известен способ определения сталагмометрической постоянной [G. Kuznetsov, E. Borisenko, N. Kolesnikov. Surface tension of Cd_0.9Zn_0.1Te melt. Materials Letters 317 (2022) 132093] – аналог, в котором, при определении сталагмометрическим методом зависимости поверхностного натяжения расплава Cd_0,9Zn_0,1Te от давления аргона, сталагмометрическую постоянную определяли экспериментально с использованием эталонных расплавов GaAs и InSb. Недостатками способа также являются как необходимость доступных эталонных соединений с достоверно известным поверхностным натяжением расплава, так и сложность проведения экспериментов.

Известен способ определения сталагмометрической постоянной [М. Джейкок, Д. Парфит. Химия поверхностей раздела фаз. М.: Мир, 1984, с. 56-58] – прототип, в котором сталагмометрическую постоянную определяют расчетным путем по зависимости k=f(R/V^1/3), полученной обработкой экспериментальных данных, где V – суммарный объем капли и капли-спутника, а R – радиус капилляра. Основной недостаток способа-прототипа, это невозможность определения величины сталагмометрической постоянной для расплавов A^IIB^VI. При измерении поверхностного натяжения таких расплавов не образуются капли-спутники [N.N. Kolesnikov, M.P. Kulakov, Yu.N. Ivanov. Some properties of melts of A²B⁶ compounds. J. Cryst. Growth, 1992, v. 125, N 3-4, p. 576-582], а подстановка объема капли вместо величины V дает значения сталагмометрической постоянной, в среднем отличающиеся в 1,5 раза от определенных экспериментально с использованием эталонных расплавов.

Задачей настоящего изобретения является создание способа определения сталагмометрической постоянной расчетным путем по экспериментальным данным, пригодного для определения поверхностного натяжения бинарных и тройных расплавов соединений A^IIB^VI и не требующего проведения экспериментов с эталонными расплавами.

Эта задача решается в предлагаемом способе за счет того, что сталагмометрическую постоянную определяют расчетным путем по эмпирической формуле

где k – сталагмометрическая постоянная; – средний объем капли, м³; n – число таких капель в одном моле исследуемого вещества в твердом состоянии, моль^-1; – мольный объем расплава, м³/моль; е – число е.

Эта формула получена эмпирически, но в ней прослеживается физический смысл. Сталагмометрическая постоянная оказывается пропорциональной отношению фактически определяющему объемный эффект кристаллизации исследуемого вещества. Коэффициент пропорциональности e/2 вероятно связан с экспоненциальным характером зависимости объемной скорости формирования капли от времени образования капли, наблюдаемым в экспериментах.

По предлагаемому способу сталагмометрическая постоянная может быть определена расчетом с использованием экспериментальных данных, полученных непосредственно в экспериментах по определению поверхностного натяжения расплава исследуемого вещества.

В Табл. 1 представлено сравнение результатов определения сталагмометрической постоянной k при измерении зависимости поверхностного натяжения расплава ZnSe от давления аргона. Сравниваются значения k, полученные экспериментально с использованием эталонного расплава InSb и определенные по предлагаемому способу. Видно, что для ZnSe, являющегося бинарным соединением A^IIB^VI, результаты полностью совпадают.

В Табл. 2 представлено сравнение результатов определения сталагмометрической постоянной k при измерении зависимости поверхностного натяжения расплава Cd_0.9Zn_0.1Te от давления аргона. Сравниваются значения k, полученные экспериментально с использованием эталонного расплава InSb и определенные по предлагаемому способу. Видно, что для Cd_0.9Zn_0.1Te, являющегося тройным соединением A^IIB^VI, результаты удовлетворительно близки, так как значения k, определенные по предлагаемому способу, отличаются от экспериментальных на ≈15 %.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет, при измерении поверхностного натяжения бинарных и тройных расплавов соединений A^IIB^VI, определять сталагмометрическую постоянную без проведения экспериментов с эталонными расплавами.

Таблица 1

Расплав ZnSe Давление Ar, МПа Значение k, определенное экспериментально с использованием эталонного расплава InSb Значение k, определенное по предлагаемому способу 2,0 1,11±0,02 1,11 4,0 1,11±0,02 1,11 6,0 1,11±0,02 1,11 8,0 1,11±0,02 1,11 10,0 1,11±0,02 1,11

Таблица 2

Расплав Cd_0.9Zn_0.1Te Давление Ar, МПа Значение k, определенное экспериментально с использованием эталонного расплава InSb Значение k, определенное по предлагаемому способу 2,0 1,12±0,03 1,29 3,0 1,12±0,03 1,29 4,0 1,12±0,03 1,29 5,0 1,12±0,03 1,29 6,0 1,12±0,03 1,29 7,0 1,12±0,03 1,29 8,0 1,12±0,03 1,29 9,0 1,12±0,03 1,29

Изобретение относится к области физических исследований свойств агрессивных расплавов тугоплавких веществ с высокими (больше 0,1 Мпа) давлениями собственных паров над расплавами и может быть использовано для определения сталагмометрической постоянной. Сущность: сталагмометрическую постоянную определяют по эмпирической формуле где k – сталагмометрическая постоянная; – средний объем капли, м³; n – число таких капель в одном моле исследуемого вещества в твердом состоянии, моль^-1; – мольный объем расплава, м³/моль; е – число е. Технический результат: настоящее изобретение не требует проведения экспериментов с эталонными расплавами. 2 табл.

Способ определения сталагмометрической постоянной расчетным путем с использованием экспериментальных данных, полученных непосредственно в экспериментах по определению поверхностного натяжения расплава исследуемого вещества, отличающийся тем, что сталагмометрическую постоянную определяют по эмпирической формуле

где k – сталагмометрическая постоянная; – средний объем капли, м³; n – число таких капель в одном моле исследуемого вещества в твердом состоянии, моль^-1; – мольный объем расплава, м³/моль; е – число е.