Способ определения поверхностного натяжения твердых тел Советский патент 1982 года по МПК G01N13/02 

Изобретение относится к физикохимическому анализу материалов и может быть использовано для измерения поверхностного натяжения металлов, силикатных и -полимерных материалов во всем температурном интервале твердого состояния.

Известен способ измерения поверхностного натяжения металлов в твердом состоянии методом нулевой ползучести, заключающийся в том, что под действием сил поверхностного натяжения площадь поверхности тела сокращается, так как при этом уменьшаетсч свободная поверхностная энергия системы. При температурах, близких к температуре плавления,вязкость металла резко уменьшается, и силы поверхностного натяжения могут вызвать заметные сокращения поверхности металла, что приводит к уменьшению длины нитевидного образца из исследуемого металла, В способе определяется величина внешней нагрузки, при которой скорость ползучести обращается в нуль 1.

Наиболее близким техническим решением является способ определения йоверхностного натяжения твердых тел,включающий отжиг нитевидного образца с одновременным приложением разтягивающей нагрузки в пределах упругой деформации. В этом способе добиваются компенсации сил поверхностного натяжения с помощью регули- . руемого внешнего усилия (компенсацион-ный метод нулевой ползучести) 2. Недостатками этих способов являются невозможность измерения поверх10ностного натяжения твердых тел в широком температурном интервале,практическая неприменимость их ри измерении поверхностного.натяжения атомных-и ионных кристаллов.В связи

15 с розвитием производства композиционных материалов возникла необходимость измерения поверхностного натяжения твердого тела в широком интервале температур, так как многие

20 композиционные материалы получают методом пропитки наполнителя смолами или жидкими металлами, а.качество и стоимость этого процесса в значительной степени зависит от физико25 механических параметров межфазной границы мёзкду матрицей и наполнителем. - . Цель изобретения - определение поверхностного натяжения твердых тел

30 в широком температурном интервале. Поставленная цель достигается те что согласно способу определения поверхностного натяжения твердых те включающему отжиг нитевидного образ ца с одновременным приложением раэтягивающей нагрузки в пределах упругой де(|ормации после отжига снижают температуру образца до температуры измерения, снимают растягивающую .нагрузку,измеряют максимальный прогиб образца и определяют поверхност ное натяжение по формуле g -EOwi n . ,) Е - модуль продольной упругости , Yn-ivt - минимальный главный мо мент инерции поперечно го сечения, периметр поперечного сечения, м; коэффициент учитывающи характер закрепления концов образца; длина образца;, максимальный поперечны прогиб образца, м; при этом длину образца берут не мен ше критической длины самопроизвольного изгиба, под действием сил поверхностного натяжения. В основу способа положено явление самопроизвольного изгиба нитевидных структур определенных геомет рических размеров под действием сил поверхностного натяжения. Способ осуществляется следующим образом. Для определения поверхностного натяжения металлов готовят образец в -виде проволоки или ленты из иссле дуемого металла, по известн.ой техно логии очищают его поверхность и помещают в камеру с регулируемой средой, например в вакуум или инертный газ. Длину образца берут не менее критической длины самопроизвольного изгиба. Например, для меди диаметром 0,05 мм длина должна быть не ме нее 32 мм. Верхний конец образца закрепляется в держателе, а к нижнему концу прикладывают небольшую механическую нагрузку для спрямлени образца в процессе отжига. После отжига нагрузку плавно уменьшают до нуля, а температуру снижают до значения, при котором необходимо измерить поверхностное натяжение,наприМер, до 293 К.. После снятия нагрузки образец по действием сИл поверхностного натяжения самопроизвольно изгибается. Измерив величину стрелы прогиба образца и подставив ее наряду с другими известными параметрами в форму лу, получают значение поверхностног натяжения при данной температуре. Приме р.Определение поверхностного натяжения индия при комнатной температуре в среде инертного газа. Методом холодной экструзий изготавливают из индия проволоку диаметром 0,1 мм и длиной не менее 50 мм. Образец подвешивают вертикально в вакуумном термостате. На нижнем кЬнце образца закрепляют грузик массой не более 0,2 г. Камеру термостата путем многократной откачки воздуха и напуска аргона промывают аргоном. Производят нагрев камеры с образцом со скоростью не более 1 .градус а в минуту до темпе|эатуры 425 +. + 2 К и выдерживают ее при этой температуре не менее 10 ч. Охлаждают камеру До комнатной температуры со скоростью не более 0,5 градуса в минуту. Производят удаление грузика без вскрытия камеры путем кратковременного включения нихромового микронагревателя размещенного на расстоянии около 2-3 vsA от нижнего, края образца . .Сразу после удаления грузика провод должен самопроизвольно изогнуться под действием сил поверхностного натяжения, так как его длина была взята больше критической длины. Величина критической длины была подсчитана до эксперимента по оценочныхзначениях поверхностного натяжения индия в твердом состоянии. Через прозрачное окно термостата с помощью микроскопаМБС-2 измеряют длину образца и величину стрелы прогиба образца., , Поверхностное натяжение индия при комнатной температуре определяют подставив в формулу Найденные вели- : чины 6 46 мм, Е 1100 кг/мм, / l,,l мм, 5гФ1. . 7 ) . - foo-o.o &t,i2.Ъ4() :: 0,ОООО651 KtC MM-feff-fdMH/CM О.бИ И//И Предлагаемый способ позволяет измерять не только поверхностное натяжение, но и температурный коэффициент поверхностного натяжения, измерять поверхностное натяжение твердых тел любой природы во всем температурном интервале твердого состояния. Кроме того, способ не требует большого количества исследуемого вещества, им измеряют равновесные значения поверхностного Натяжения.

Формула изобретения

Способ определения поверхностного натяжения твердых тел, включающий отжиг нитевидного образца с одновре- . менным приложением разтягивакяцей нагрузки в пределах упругой деформации, отличающийся тем, что/ с целью определения поверхностного натяжения в широком температурном интервале, после отжига снижают температуру до температуры измерения, снимают растягивающую нагрузку, измеряют максимальный прогиб образца и определяют поверхностное натяжение, по формулеi

fetC EOiNnMH

(Гт-t Cee -it -fJIi.Kc

Е ,- модуль продольной упругосгдети образца, Алим - минимальный главный момент

инерции поперечного сечения, t - периметр поперечного сечения, м;

Л коэффициент,учитывающий характер закрепления концов образца;

С длина образца, м; максимальный поперечный

/|(С1КС

прогиб, Mf

при зтом длину образца берут не ме0нее критической длины самопроизвольного изгиба под действием сил поверхностного натяжения.

Источники информации принятые во внимание пой экспертизе

5

l.UdinH., А. |. Wulf I. Измерение поверхностной энергии меди и золота. Trans AIME, т.18Ь,1949, р 186..

2. Авторское свидетельство СССР

0 № 408198, кл. -С 01 N 13/02, 1970 (прототип).