Способ определения размеров частиц мелко-и ультрадисперсных порошков Советский патент 1991 года по МПК G01N23/20 

Изобретение относится к металлургии и инженерии материалов и может быть использовано для определения размеров частиц мелко- и ультрадисперсных (УД) материалов при разработке новых технологий получения и использования этих материалов в порошковой металлургии, химии порошков и катализаторов, а также в других отраслях науки и техники.

Целью изобретения является повышение экспрессности, упрощение и увеличение измеряемых размеров частиц.

Поставленная цель достигается тем, что в способе аттестации размеров частиц, включающего облучение пробы нейтронами, получение дифрактограммы, измерение ее параметров, зависящих от размера частиц порошка и определение этих размеров,

на любом участке измеренной дифрактограммы исследуемого порошка, содержащего отдельный дифракционный пик, измеряют площадь этого пика Ihki и амплитуду некогерентного фона под ним ф, дополнительно измеряют в том же угловом диапазоне при тех же условиях эксперимента амплитуду фона на нейтронограмме пустой (без порошка) цилиндрической кассеты IK, внутренний диаметр которой d, удовлетворяет условию jU в К1, где /л в -линейный коэффициент выведения нейтронов материалом исследуемого порошка, и в которую в процессе эксперимента попеременно упаковывают исследуемые и эталонные порошки, и определяя отношение , судят о

1ф IK

размере частиц исследуемого порошка по

ь

предварительно полученной для участка нейтронограммы зависимости

-о размере частиц для нескольких

1ФТаЛ-1к

порошков с известными размерами частиц, синтезируемых по одной и той же технологии из одного материала с исследуемым порошком. При этом, поскольку достаточно использовать любой разрешенный дифракционный максимум, соответствующий отражению нейтронов, выбранной длины волны, то нет необходимости проведения нейтро- нографического, как в спучае прототипа, в широком диапазоне измерений вектора рассеяния нейтронов, что резко сокращает время измерения исследуемого и эталонного образцов.

Рассмотрим физические основы предлагаемого способа аттестации размеров частиц мелко- и ультрадисперсных порошков

Физические особенности данных материалов во многом определяются свойствами поверхности частиц, удельный вклад которой в этом случае велик. Из-за неком- пенсированности атомных связей на повер- хности и контакта с внешней средой, кристаллическая решетка в приповерхностной области искажена. Основные причины данного явления следующие: явление релаксации и реконструкции поверхности;наличие примесей -окисные пленки, твердые растворы внедрения и замещения в приповерхностном слое; наличие дислокаций соответствия решеток.

Из изложенного следует следующий вывод: частицу условно можно представить в виде оболочки (размер и состав которой зависит от способа получения и хранения порошка и не зависит в первом приближении от размера частицы), не дающей вклада в упорядоченное брэгговское (когерентное) расстояние, и кристаллического ядра, дающего вклад в упорядоченное рассеяние нейтронов.

Способ осуществляют следующим образом.

Каждый из порошков, сформированный из частиц одного известного размера попеременно упаковывается в одну и ту же ци линдрическую кассету, внутренний диаметр d которой, равный толщине насыпного слоя исследуемого образца, определяется из условия

,(1)

при котором вкладом в интенсивность брэг- говского пика от многократного рассеяния можно пренебречь. Оценки d для большинства материалов дают значения порядка нескольких миллиметров. Непосредственные

0

5

вычисления показывают, что при диаметре образца 0,4 см, высоте 10 см и плотности 50% от масивчого образца вклад многократного рассеяния в фон составляет менее 10%. Все порошки синтезируются по одной технологии из одного и того же материала.

Каждый из порошков подвергается облучению монохроматическим пучком нейтронов известной длины волны. Для каждого порошка измеряется один и тот же выбранный участок нейтронограммы в фиксированном диапаз$не углов Брэгга, содержащий отдельный дифракционный пик. Во всех измерениях используется одно и то же оборудование при сохраняющейся геометрии эксперимента.

Пустая (без порошка) кассета подвергается облучению монохроматическим пучком нейтронов, выбранной длины волны и измеряется участок нейтронограммы в том же диапазоне углов Брэгга, в котором измерялись порошки с известным размером частиц. Из полученной нейтронограммы определяется составляющая фона I. обусловленная рассеянием нейтронов на материале кассеты, радиотехническим шумом аппаратуры и радиационным фоном.

Из полученных нейтронограмм находят

отношение ( -.--Л- , для каждого из по1ф1 I

рошков, состоящих яз частиц известных размеров RI. Полученный набор экспериментальных значений ( . hkli ), Ri апп ф к

5 роксимируется функцией вида

F(R)- 1

0

5

0

R

-k

I bk

k - 1

0 (2)

Значения постоянных коэффициентов Ьк и число членов п в аппраксимирующей функции определяется по методу наименьших квадратов из условия минимальности

5 фактора недостоверности (критерия X квадрата):

1

-Z N-i N F9Kca-F

. расч

0

5

где Fi3

( ) определяется из экс1ф1 IK

Р|расч

периментальных нейтронограмм; рассчитывается по формуле (2); N - общее число измеряемых порошков; Д|- абсолютная погрешность экспериментального значения FI для i-ro порошка. Используя полученные значения Ьк и п по формуле (2), строится градуировочный график F f(R).

Порошок с неизвестным средним размером частиц, синтезируемый по той же технологии и из того же материала, что и порошки, использованные для построения градуировочной кривой F f(R), упаковывается в кассету, которая применялась в описанных пунктах реализации способа, и подвергается облучению монохроматическим пучком нейтронов, выбранной длины волны. Измеряется участок нейтронограм- мы, интенсивность в том же диапазоне углов Брэгга, в котором проводилось измерение нейтронограмм порошков, используемых для построения градуировочно- го графика. Из получонной для исследуемого образца нейтроногрзммы находят площади дифракционного пика Ihki, амплитуду некогерентного фона под ним 1ф,

вычисляют отношение -;г- и по градуи1ф - к

ровочному графику F f(R) определяют средний размер частиц, из которых состоит этот порошок.

Пример. Определение неизвестного размера частиц порошка никеля.

Размеры частиц десяти порошков никеля, синтезированных методом газового испарения и концентрации, были определены на электронном микроскопе, В табл.1 приведены полученные результаты. Затем для каждого из порошков на 15-детекторном суперпозиционном дифрактометре, установленного на ГЭК-8 экспериментального зала реактора ИРТ-2000 МИФИ при комнатной температуре были измерены нейтронограм- мы этих порошков. Для получения нейтронограмм использовался сколлимированный монохроматический пучок нейтронов с длиной волны Я 1-0439 X. Съемка нейтронограмм проводилась в мониторном режиме с угловым шагом 6 в диапазоне удвоенных углов Брэгга от 33 до 36° (измерялся участок нейтронограммы, содержащий дифракционный пик с индексами Миллера (200). Время измерения на одной точке составляло в среднем 5 мин. Все порошки во время эксперимента попеременно упаковывались в одну и ту же цилиндрическую ванадиевую кассету, размеры которой (р 4, h 100, а толщина стенки I 0,3 мм) удовлетворяли условию ju в d 1. Вклад, вносимый в измеряемую нейтронограмму рассеянием нейтронов на материале кассеты, радиотехническим и радиационными шумами 1К+з определялся из измеренной при тех же условиях эксперимента нейтронограммы пустой (без порошка) кассеты. Он составил 62 имп/с.

Из полученных нейтронограмм находят отношение

и

20

25

30

35

40

45

50

55

F ыл| Ui - к

для каждого из порошков состоящих из ча- 5 стиц одного размера, строилась градуиро- вочная зависимость F(R). Значения коэффициентов Ьк для аппраксимирующей экспериментальные данные функции (2) составляет bi 5,624848-10 2; 02 27-69473; Ьз 10 3702529, п 3, .1%.

Затем на том же самом оборудовании и при тех же самых условиях эксперимента были измерены нейтронограммы еще четырех порошков никеля с неизвестным раз- 15 мером частиц, полученных по методу газового испарения и конденсации. Из полученных нейтронограмм были найдены

отношения -. и из построенной

Ф1 - 1 +з

градуировочной кривой определены неизвестные размеры частиц исследуемых порошков. Для контроля эти же порошки исследовались на электронном микроскопе. Данные по размерам частиц хорошо согласуются и приведены в табл.2.

Предлагаемый способ аттестации размеров частиц порошка практически не зависит от разрешающей способности дифрактометра, исследуемого для получения нейтронограммы и поэтому может быть использован для определения размеров частиц свыше 10П0 А. В предлагаемом способе мет необходимости измерения полной дифракционной картины. Достаточно проводить измерение образца до появления первого разрешенного дифракционного максимума. Обработка полученных результатов проста и практически не требует затрат маши иного времени, что резко повышает экспрессность предлагаемого способа.

Формула изобретения Способ определения размеров частиц мелко- и ультрадисперсных порошков, включающий облучение пробы нейтронами, получение нейтронограммы и измерение ее параметроз, отличающийся тем, что, с целью повышения экспрессности, упрощения способа и увеличения определяемых размеров частиц, все измерения проводят в цилиндрической кассете, внутренний диаметр d которой удовлетворяет условию /г в d 1, где ju, в - линейный коэффициент выведения нейтронов материалов исследуемого порошка, на выбранном участке нейтронограммы определяют площадь дифракционного пика Ihki, амплитуду некогерентного фона под ним ф и амплитуду фона 1К от пустой цилиндрической кассеты

для порошка, вычисляют отношение 1ыс1/(ф- - IK), по которому на основании градуи- ровочной зависимости Ihki/Офэт - U) от размера частиц, полученной для ряда

порошков с известными размерами частиц, приготовленных по той же технологии и лз того же материала, что и проба, судят о размерах частиц.

Изобретение относится к нейтроногра- фическим методам исследования и может быть использовано для определения размеров частиц мелко- и ультрадисперсных порошков в различных отраслях науки и промышленности. Целью изобретения является повышение экспрессности, упрощение способа и увеличение определяемых размеров частиц. Для этого на выбранном участке нейтронограммы определяют площадь дифракционного пика - Thki. амплитуду фона под ним ф и-амплитуду фона от пустой цилиндрической кассеты для порошка IK. Вычисляют отношение Ihki/Оф -1), по которому, на основании градуировочной зависимости 1ыс1эт/(1фэт - IK) от размера частиц, судят о размерах частиц пробы. 2 табл.

Таблица 1

Таблица 2