Способ определения газопроницаемости материалов Советский патент 1985 года по МПК G01N15/08 

.1 Изобретение относится к технике измерения проницаемости материалов газами. Известен способ определения газо проницаемости пористых материалов, основанный на пропускании газа через испытуемый образец и измерении давлений газа на входе в образец и на.его выходе, расхода газа и его скорости на выходе из материала 1 Недостатком этого способа является необходимость измерения большо го числа параметров. Известен способ определения возд хопроницаемости материалов,заключаю щийся в создании перепада давления между внутренней полостью камеры и внешней средой и измерении временной зависимости давления в полости после отключения камеры от насоса 2. Недостатком данного способа является его невысокая точность, так как величину газового потока через образец определяют косвенно по давлению и в нестационарном режиме. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является спо соб определения газопроницаемости материалов, заключающийся в пропускании электрического тока через . электрохимическую ячейку с пористым электродами, один из которых отделе исследуемым образцом от объема с га зом, измерении величины тока в стационарном состоянии и определении газопроницаемости по величинам тока и перепада давления З. К недостаткам известного способ относится необходимость проведения дополнительных измерений с ячейкой без образца для получения калибровочной зависимости, связывающей величину тока с перепадом давления дл определения з начений перепада давления при осуществлении способа. Цель изобретения - упрощение спо соба путем исключения операций независимого определения перепада дав ления. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения газопроницаемости материалов заключающемуся в пропускании электрического тока через электрохимичес кую ячейку с пористыми электродами один из которых отделен исследуемым 112 образцом от объема с газом, измерении величины ,тока в стационарном состоянии и определении газопроницаемости по величинам тока и перепада давления, регистрируют зависимость электродвижущей силы на электродах от времени после выключения тока, определяют по этой зависимости величину электродвижущейся силы в момент выключения тока и по полученным значениям рассчитывают перепад давления. На фиг.1 приведена схема устройства для определения газопроницаемости на фиг.2 - график зависимости напряжения на электродах ячейки от времени. Устройство для осуществления предложенного способа представляет собой электрохимическую ячейку, выполненную из твердого электролита 1 и снабженную двумя пористыми электродами. Исследуемый образец 2 герметично соединяют с ячейкой таким образом, что его внутренняя сторона образует с электродом 3 замкнутое газовое пространство. Другой электрод 4 располагают в той же газовой среде, что и наружная сторона образца. Для пропускания через ячейку электрического тока к электродам чег рез ключ 5 и амперметр 6 подключают внешний источник ЭДС 7. Для регистрации временной зависимости ЭДС на электродах ячейки после отключения тока к ним подключают вольтметр, или осциллограф 8, Устройство работает следующим образом. Через твердый электролит, обладающий, например, проводимостью по ионам кислорода, пропускают электрический ток, в результате чего происходит перенос газа из одного приэлектронного пространства в другое. Таким образом, создают перепад давлений с противоположных сторон образца. Величина перепада давлений принимает определенное значение после достижения стационарного состояния, когда потоки через электролит и исследуе-мый Образец уравниваются. На фиг.2 представлена типичная временная зависимость ЭДС на электродах электрохимической ячейки. Напряжение и на электродах при пропускании между ними электрического тока 3 от внешнего источника ЭДС складывается из следующих составляющих и JR + 1 + Е, (1 где R - омическое сопротивление ячей 1) - суммарная поляризация электродов;Е - ЭДС концентрационного гальва нического элемента, величина которой определяется урав нением Нернста где R - газовая постоянная, Дж/г мол Т - абсолютная температура, Kj п - заряд иона потенциалопределяющего газа-, F - число Фарадея, Кул/г моль; Р ,р - парциальные давления газа в средах, контактирующих с электродами ячейки. Па. Величину Е, соответствующую отношению парциальных давлений газа при прохождении в ячейке электрического тока, определяют по ее значению в момент выключения тока. (t,). Для этого кривую спада ЭДС концентрацион ного гальванического элемента во вре мени экстраполируют на-ось ЭДС, проходящую через точку, соответствующую моменту выключение тока. С целью, дальнейшего упрощения определения величины Е на прямолинейном участке спада ЭДС концентрационного гальванического элемента измеряют по крайней мере два значения ЭДС Е и . определенны.е интервалы времени t и 2 момента вй ключения тока, например в точках А и В (фиг.2 ). Величину ЭДС Е в момент выключения тока (точка О) определяют следующим образом. Из фиг.2 видно, чтоЕ ОМ + Е , так как отрезок MN параллелен оси абсцисс по построению. Прямоугольные треугольники АОМ и ABN подобны вследствие равенства их углов, из подобия треугольников следует ОМ NB AM/AN. Отношение отрезков АИ/AN равн.о отношению , а величина отрез ка NB равна .разности величин Е и Ej, следовательно Е - ЭДС концентрационного гальванического элемента, можно определить по формуле tt(E, - ЕЗ) Ч - Ц Выключение электрического тока, проходящего в ячейке, после установления стационарного состояния и измерения его величины, и последующее определение значения ЭДС, соответствующего отношению парциальных давлений газа на. противоположных стороhax образца, в момент выключения тока позволяет определить перепад давлений в заданных условиях, не прибе-гая к определению калибровочной зависимости, что в целом упрощает про цесс определения газопроницаемости. Точность определения при этом не уменьшается, так как определение перепада давлений осуществляется в процессе испытаний конкретного образца при заданных условиях, что исключает погрешности, возможные при определении калибровочной зависимости и связанные с необходимостью точного воспроизведения условий, при которых снята калибровочная зависимость, во время испытаний образца. Пример. При исследовании кислородопроницаемости ряда оксидных полупроводников в интервале температур 600-1273 К применена электрохимическая ячейка с твердым электролитом на основе диоксида циркония и платиновыми электродами. При достижении стационарного состояния и после измерения величины электричес- кого тока последний выключают и с помощью запоминающего осциллографа регистрируют временную зависимость ЭДС на электродах ячейки. Значение ЭДС, соответствующее отношению Р , определяют по осциллограмме спада ЭДС во времени. В случаях-,когда характер кривой известен, ток в ячейке выключают и с помощью цифрового импульса вольтметра измеряют два значения ЭДС .через равные промежутки времени. В этол случае tj 2t.,, и значение ЭДС в момент выключения тока определяют по формуле Е 2Е. - Е(4) где Е ,Е. - результаты первого и вто рого измерений соответственно. Формула (4) пре ставляет собой частный случай уравнения (3). При испытании образца диоксида церия, изготовленного в виде таблетки диаметром 6,0 и толщиной 1,12 мм при температуре 1273 К и парциальном давлении кислорода в газовой среде-с наружной стороны образца 2,1 Па (атмосферный воздух ) к электродам электрохимической ячейки приложено стабилизированное напряжение величиной 37 мВ в полярности, приводящей к уменьшению парциального давления кислорода с внутренней стороны образца относительно внешней газовой среды. Величина электрического тока проходящего через ячейку, после установления стационарного состояния составляет 72 мкА. По осциллограмме временной зависи мости ЭДС на электродах ячейки посл отключения электрического тока определено значение ЭДС, соответствующее отношению давлений с противоположных сторон образца, которое составляет 35 мВ. ; Из уравнения Нернста (2) следует что величина парциального давления кислорода с внутренней стороны образца равна ,5 4-96500 ехр - 35-10 8,ЗГ4.1273 2,ЫО 5,840 Па. Перепад давлений, т.е. юс развица составляет при этом 2,1 ,8-10 1,52 -10 Па. Йото кислорода через образец в соответствии с законом Фарадея определяетс как Зо2 J.A VoAF. 1 б 0-2 газа, зл электрический ток, Aj Vp - объем 1 г - молекулы газа при нормальных условиях,м п - число электронов, участвующих в электрохимической ре акции при образовании 1-й молекулы газа; F - число Фарадея, Кул/г моль, Удельный поток -кислорода с учетом толщины d и площади поперечного сечения образца S равен 3 -10- -,0 ,12-10 .Jojd/b 72 10 4-96500 2,83-10 бЗ-Ю- г/с. На оснований закона Фика постоян ная кислородрпроницаемости: П равна Зог-d/S , 1,65-10 - 1,09х pl 1 S9-in4 02 02 - vlO- MVc Па. Использование предлагаемого способа позволяет упростить процесс оп ределения газопроницаемости, так как для его осуществления достаточно определить лищь то значение перепада давлений, значение которого необходимо для расчета газопроницае- . мости испытуемого материала в конкретных условиях испытаний. При этом электрохи1 ическую ячейку используют не только для создания перепада давлений и определения по тока газа, но и для определения величины перепада давлений в широком диапазоне давлений и температур. Предлагаемьй способ может применяться для испытаний кислородопроницаемости широкого круга материалов, предназначенных для использования в вакуумной технике, химической промьшленности и металлургии. Особое значение способ имеет при исследовании материалов, обладающих газопроницае(мостью исключительно по кислороду.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ, заключающийся в пропускании электрического тока через электрохимическую ячейку с по- ристыми электродами, один из которых отделен исследуемым образцом от объема с газом, измерении величины тока в стационарном состоянии и определении газопроницаемости по величинам тока и перепада давления, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа путем исключения операций независимого опреГделения перепада давления, регистрируют зависимость электродвижущей силы на электродах от времени после выключения тока, определяют по этой зависимости величину электродвижущей силы в момент выключения тока и по полученным значениям рассчитывают пе(Л репад давления. ее 00 «/./