Способ определения пористости неэлектропроводных пленок на металлах Советский патент 1992 года по МПК G01N15/08 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике исследования физических свойств веществ неразрушающим методом испытаний и может быть использовано в различных производствах для измерения- пористости неэлектропроводных пленок на поверхности металлов, наносимых как с целью электроизоляции, так и для защиты от коррозии.

Известны способы для определения пористости капиллярнопористых тел путем вдавливания ртути в поры материала-ртут- ная порометрия.

Однако указанные способы не пригодны для измерения пористости защитных пленок из-за малой чувствительности.

Кроме того, ртуть в ряде случаев (прецизионные исследования окисных пленок на электроположительных металлах-платине, палладии, родии, золоте и т.д.) образует с металлами амальгаму, что необратимо изменяет физические свойства системы металл-пленка.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения распределения пор по радиусам, включающий введение ис-ч ю со ел о

следуемого образца в контакт с жидким металлом под вакуумом и измерение проводимости образца при последовательном увеличении давления.

К недостаткам известного способа относится невозможность определения пло- .щади тупиковых пор и распределение их по радиусам.

Однако наличие тупиковых пор, их радиусы и площадь играют решающую роль в плане противокоррозионной защиты металлов неметаллическими (неорганическими и органическими) и металлическими защитными покрытиями. Тупиковые поры значительно уменьшают их эффективную (реальную) толщину, с ростом которой увеличивается защитная способность противокоррозионных покрытий. Снижение защитной способности покрытия, имеющего тупиковые поры, сопряжено с увеличением скорости диффузии корро- зионно-активных веществ из внешней среды через покрытие к защищаемому металлу, поскольку коэффициент диффузии в классическом уравнении Фика резко снижается в системе материал локрытия-газонаполненные поры. Рост скорости диффузии через покрытие с тупиковыми порами приводит к снижению защитной способности покрытия в сравнении с идентичным покрытием равной толщины без тупиковых пор. Вышеописанное явление полностью распростра- нимо и на защитные пленки (продукты коррозии), образующиеся на ряде металлов в результате воздействия на их поверхность агрессивных сред.

Таким образом, определяя суммарную площадь тупиковых пор при известной толщине покрытия, выявляют истинную толщину покрытия, которая является истинным критерием защитной способности этого покрытия. Достоверная количественная информация относительно тупиковых пор позволяет подобрать оптимальное соотношение ингредиентов в материале, определить необходимую и достаточную толщину покрытия, которая обеспечит требуемую толщину защитного покрытия применительно к конкретным условиям эксплуатации изделия.

Цель изобретения - повышение информативности путем учета тупиковых пор.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения пористости неэлектропроводных пленок на металлах, заключающемуся во введении исследуемого образца в контакт с жидким металлом под вакуумом и измерении электрического параметра пленки при последовательном увеличении давления, в качестве электрического параметра измеряют электрическую емкость пленки, причем по увеличению емкости в процессе увеличения давления с

использованием зависимости размера тупиковых пор, заполняемых жидким металлом, от давления определяют площадь тупиковых пор и распределение пор по их радиусам.

0 На фиг. 1 схематично представлено устройство для исследования пористой структуры материала предлагаемым способом, общий вид; на фиг. 2 - герметичная бомба; на фиг. 3 - держатели плоских образцов; на

5 фиг. 4 - то же, цилиндрических; на фиг. 5 - то же, из проволоки.

Устройство содержит бомбу 1 высокого давления, состоящую из крышки 2, жестко прикрепленной к плите 3, и навертываемого

0 снизу в крышку 2 стального стакана 4 с жидким металлом 5 на дне и теплообменником

6для поддержания постоянной температуры. Крышка 2 имеет штуцеры 7, 8 и краны 9, 10.

5 Держатель 11 с исследуемым образцом

12крепится к нижней части штока 13, проходящего через центральное отверстие в крышке2 и перемещаемого путем вращения его во втулке 14 микровинтом 15с лимбом.

0 С одной стороны бомба 1 через штуцер

7соединена с вакуумной системой, состоящей из форвакуумного насоса 16 с ловушкой, кранов 17 и 18, форбаллона 19, ртутного манометра 20, вакууметра 21 и манометри5 ческой лампы 22.

С другой стороны через штуцер 8 бомба 1 соединена с манометром 23 и баллоном 24 с инертным газом (азот, аргон и т.п.). Линия высокого давления имеет вентиль 25, с по0 мощью которого она сообщается с атмосферой, и предохранительный клапан 26.

С помощью электрических контактов 27 и 28 бомба соединяется с прибором для измерения сопротивления постоянному то5 ку и электрической емкости, например мостом Р-571.

Конструкция держателя 11 должна обеспечить постоянство давления жидкого металла на всей испытываемой поверхно0 сти неэлектропроводной пленки, надежный электрический контакт с металлом образца и выделять определенную часть поверхности для контакта с жидким металлом.

Они состоят из металлической втулки

5 29, с помощью которой крепятся на штоке

13бомбы 1 и через которую осуществляется электрический контакт с образцом, неподвижной 30 и подвижной 31 частей, изготовленных из полимерного материала (эбонит, текстолит и т.д.) и уплотнительных резиновых прокладок 32. В стакан 4 вводят жидкий металл.

В связи с наличием в полости теплообменника 6 для циркуляции термостатирую- щей среды (воды) и возможности, кроме этого, создавать во внутренней полости требуемую температуру используются легкоплавкие металлы, например галлий (т.пл. 29,8°С), и сплавы состава, %: BI 50,0; РЬ 25.0; Sn 12,5; Cd 12,5 с т.пл. 60,5°С.

Количество жидкого металла такое, чтобы образец 12 мог погружаться и извлекаться из него без нарушения герметичности бомбы 1.

При выведенном из соприкосновения с жидким металлом образце 12, закрытом кране 10 и открытом кране 9 бомбу вакууми- руют с помощью насоса 16 в те чение 1 ч до остаточного давления 10 -10 мм рт.ст., которое контролируется вакууметром 21 с помощью манометрической лампы 22.

Одновременно с помощью термостата (не показан) и теплообменника 6 в бомбе 1 устанавливается постоянная температура.

При измерениях с использованием в ка- честве жидкого металла галлия или легкоплавких сплавов температура должна поддерживаться на 5°С выше их т.пл.

После откачки адсорбированных паров, газов и воздуха образец 12с помощью што- ка 13 погружают в жидкий металл на глубину 2-5 мм, контролируемую с помощью отсчет- ного устройства (лимба) с точностью до 0,1 мм, и производят измерение сопротивления току и электрической емкости, например, мостом Р-571.

Измерения проводят при постоянно увеличивающемся давлении, которое изменяют впуском воздуха через кран 18 и контролируют вначале вакууметром 21, а затем манометром 20.

Давление выше атмосферного создают в бомбе подачей инертного газа из баллона 24 через редуктор и контролируют с помощью манометра 23. Кран 9 при этом за- крывают, а кран 10 открывают.

После окончания измерений избыточное давление в бомбе 1 стравливают в атмосферу через вентиль 25.

Для заполнения пор несмачивающей их стенки жидкостью необходимо увеличить давление Р на величину, определяемую в зависимости от радиуса пор г уравнением Юнга-Лампаса

р 2аcosy v

р- краевой угол на границе жидкость- твердое тело.

Используя эту зависимость, рассчитывается эффективный радиус заполняемых жидким металлом пор при изменении давления с Рп до Рп+1 по формуле

Гп

4 a cosр Рп +РП-Ы

(2)

При увеличении давления постепенно заполняются поры все более малого радиуса и соответственно этому изменяется или сопротивление постоянному току при наличии сквозных пор, или электрическая емкостьсистемыметаллснеэлектропроводной пленкой - жидкий металл при наличии тупиковых пор, что позволяет рассчитать число пор и их распределение по радиусам.

Неэлектропроводная пленка является диэлектриком разной степени добротности конденсатора, одной из пластин которого является металлическая основа, другой пластиной является жидкий металл, в который в предлагаемом изобретении погружают исследуемый металл с неэлектропроводной пленкой (защитным ограническим покрытием, неэлектропроводным слоем окисных и гидроокисных слоев сложного стехиометри- ческого состава, продукта химической и электрохимической коррозии металла и т.д.). Формально электрически эквивалентной схемой замещения системы металл-не- электропроводная пленка - жидкий металл является конденсатор с утечкой, причем емкость и сопротивление соединены параллельно.

При поляризации системы переменным, например, синусоидальным электрическим током малой амплитуды (примерно 5 мВ), соединенной с мостом переменного тока, например марки Р-571, с последнего одновременно снимаются значения.активной (сопротивление R) и реактивной (емкость С) составляющей импеданса переменному току. Активная составляющая импеданса R ха- рактеризует наличие сквозных пор, реактивная С - тупиковых пор.

Если в неэлектропроводной пленке имеются сквозные поры, то их число рассчитывается из измеренных значений сопротивления постоянному току по формуле:

... р I (Rn -Rn + 1)

rJn -о.

rtrSRnRn + iS

(3)

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике для-исследования физических свойств веществ неразрушающим методом и может быть использовано в различных производствах для измерения пористости неэлектропроводных пленок на поверхности металлов, наносимых как с целью электроизоляции, так и для защиты от коррозиции. Цель изобретения - повышение информативности путем учета тупиковых пор. Цель достигается тем, что образец приводят в контакт с жидким металлом при последовательном увеличении давления. В качестве жидкого металла используют металл, не образующий амальгаму с металлическим основанием. Измеряют сопротивление постоянному току и электрической емкости системы металл с неэлектропроводной пленкой - жидкий металл. 5 ил. (Л

где а- поверхностное натяжение жидкости;

где Nn - число пор с радиусом гп;

р- удельное сопротивление жидкого металла;

I - толщина неэлектропроводной пленки;

Rn - измеренное сопротивление при давлении Р;

Rn-M - измеренное сопротивление при давлении Рп-и;

();

S - поверхность соприкосновения неэлектропроводной пленки с жидким металлом.

При увеличении давления жидким металлом заполняются не только сквозные, но и тупиковые поры, которые не вносят вклад в проводимость образца, но изменяется емкость системы металл с неэлектропроводной пленкой - жидкий металл.

При наличии в пленке одной тупиковой поры емкость пленки определяется из уравнения

5пл , Snop

|

1пл пор I

(4)

где С - емкость пленки ;

ЕО- диэлектрическая постоянная вакуума, равная 8,86 -КГ14 ф .

Ј2- диэлектрическая постоянная пленки (табличные значения).

Snn, Snop - площадь беспористой пленки и площадь единичной поры, см2;

1пл, Inop - толщина образца (пленки) и глубина единичной поры, см; или

ЕоЕ2

|™+2я К1+К2лгг2,

1пл1пл

где

Ki ЈоЈ2

Зпл

тл

1/ 2еоЕ2

N2i

тл

Изменение емкости пленки, вызванное заполнением пор в количестве AN радиусом г,

AC Ki -t-IQjrr2 AN ,

где л:г2AN - общая площадь сечения ASnop тупиковых пор радиусом г,

Тогда

число пор AN радиусом г

AN

ля -Дс-Ki

ЛЬпорр;-

Л

г2

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить с высокой точностью наличие и распределение по радиусам как сквозных, так и тупиковых пор без нарушения целостности образца. Он может найти применение в различных производствах для измерения пористости неэлектропроводных пленок на поверхности металлов, наносимых как с целью электроизоляции,так и для защиты от коррозии.

30

Формула изобретения

Способ определения пористости неэлектропроводных пленок на металлах, включающий введение исследуемого образца в контакт с жидким металлом под вакуумом и измерение электрического параметра пленки при последовательном увеличении давления, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности путем

учета тупиковых пор, в качестве электрического параметра дополнительно измеряют электрическую емкость пленки, причем по увеличению емкости в процессе увеличения давления с использованием зависимости

размера тупиковых пор, заполняемых жидким металлом, от давления, определяют площадь тупиковых пор и распределение пор по их радиусам, а в качестве жидкого металла используют металл, не образующий

амальгаму с металлическим основанием.

Шг Х уА-Лч/ 7

J/

0«г

.