Способ определения коэффициента диффузии кислорода в металлах и окислах Советский патент 1982 года по МПК G01N27/46 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ КИСЛОГОДА В МЕТАЛЛАХ И ОКИСЛАХ

1

Изобретение относится к метрологии при- цессов диффузионного переноса кислорода в металлах и нёстехиометрических соединениях и может быть использовано для определения коэффициента химической диффузии кислорода в металлах и в таких соединениях, как

TiOj, Nb2Os, CeOjfxИзвестен способ определения коэффициента диффузии кислорода с помощью устройства, включающего твердоэлектролитную гальваническую ячейку (ТТЛ), обладающую кислородоионной проводимостью, путем пропускания постоянного тока, через ячейку и измерения изменения ЭДС ячейки во времени (1..

Недостатком данного способа является то, что на него влияют зарядки двойных электрических слоев .и электронных токов ячейки, что приводит к увеличению погреиюости измерений и кроме того, дает среднее значение коэффициента диффузии при изменении состава образтщ.

Наиболее близким технюгеским решением к изобретению является способ определения

коэффициента диффузии кислорода в металлах и окислах с помощью твердоэлектролитной гальванической ячейки, заключающийся в том, что на электроды ячейки подают напряжение, измеряют во времени ионный ток, проходяицта через ячейку, и рассчитывают по полученным данным коэффициент диффузии 2.

Коэффициент диффузии кислорода определяют из уравнения Коттрелла

10

,-.2ffik), (,

15

где ,Э -ионный ток, протекающий через

ячейку;

F - постоянная Фарадея; Ь - коэффициент химической диффузии кислорода;

20

COL, начальная и конечная концентрация кислорода в исследуемом образце:t - время; S - плои(адь поЬерхности раздела электролит - образец; X - первый корень функции Бесселя ,нулевого порядка. В уравнении (I) концентрация кислорода Со, определяемая величиной приложенного напряжений к поверхности раздела образец электролит, должна быть постоянной во вре мени измерения тока. Однако в известном способе поддерживают постоянной величину приложенного к гальванической ячейке напряжения. При это в соответствии с уравнением и-ЭИ (2.) 4-F где и - приложенное напряжение; Э - ток; R - омическое сопротивление электро лита; шсмический потенциал кислорода n GU Oa. электрода сравнения и исследуемо образца на поверхности раздела электролит - образец будет происходит увеличение приложенного поверхности раздела образец - электролит : напряжения, которое в конце измерений, ко да ток почти равен нулю, составить значение, равное произведению Jp R , а это, в свою очередь, приведет к изменению концейтрации кислорода на поверхности раздела образец - электролит, что может вызывать существенное увеличение погрешности измерения коэффициента диффузии кислоро Кроме того, поскольку концентрация кис лорода на свободной поверхности образца не контролируется и не поддерживается на первоначальном уровне, то это тоже приводит к увеличению потрешностн. Цель изобретения - повышение точности определения козффициента диффузии кислорода в металлах и окислах. Поставленная цель достигается тем, что в способе определения коэффициента диффузий кислорода в метЕШлах и окислах с помоицью твердоэлектролитной гальванической ячейки, заключающемся в том, что на электроды ячейки подают напряжение, нзмеряют во времени ионньш ток, проходящий через ячейку, и рассчитывают по полученным- данным коэффициент диффузии, величи ну напряжения уменьшают обратно пропорционально корню квадратному из интервала времени, прошедшего с момента подачи напряжения. На чертеже изображено устройство, реали 13ующее способ. Исследуемый образец 1 помещают на плоское дно твердоэлектролитной пробирки 2, внутреннее пространство которой заполнено равномерной смесью металл-окись металла, служащей электродом 3 сравнения. По центру пробирки проходит потенцийметрический вывод 4. На свободной noBepixHocти образца имеется платиновый кольцеобразный слой 5, снабженный потенциометрическим выводом 6, и конусное твердоэлектролитное тело 7, имеющее вывод 8. Сборку располагают внутри кислородного керамичесiKoro насоса, выполненного из глухой твердо электролитной трубы 9, содержащей дозировочные 10 и измерительный 11 электроды, герметизируют, вакуумируют и нагревают до заданной температуры, лежащей в интервале от 900 до 1800 К. Способ осуществляют следующим образом. Подают на электроды твердоэлектролитной ячейки напряжение 60-100 мВ, измеряют во времени ионный ток, проходящий через ячейку, а по мере снижения тока, величину напряжения уменьшают обратно пропорционально корню квадратному из интервала времени, прощедшего с момента подачи напряжения. Вследствие того, что материал пробирки при температуре измерений обладает чисто ионной проводимостью, протекающий через ячейку ток переносит ионы кислорода и уменьшает или увеличивает концентрацию кислорода на поверхности раздела образец - элекгтролит в соответствии с, величиной прилбженного напряжения. По характеру изменения ионного тока по известной зависимости определяют коэффициент диффузии кислорода в исследуемом образце. П р им е р. Измеряют изменение ионного тока во времени для образца при . Анализируя уравнения (1) нетрудно увидеть, что построив зависимость тока от I/V-b можно определить величину коэффициента дифф)гзин кислорода при известных остальных величинах. Было получено значение 5 равное (2,7+0,3) Ю для отношения ,0001. Таким образом, способ позволя ет производить измерение козффициента диффузии кислорода в металлах и окислах, используя простое уравнение Коттрелла, для чего необходимо поддерживать стабильными значения концентрации кислорода с высокой точностью путем применения описанных операций. Преимущества способа заключаются в том, что он может применяться для определения коэффициента диффузии кислорода в интервале значения от Ш вплоть ло

59

в температурном диапазоне от 900 до 1800° К с погрешностью 8-10%. Полученные значения необходимы для расчетов кинематических характеристик различных технологических процессов, в ядерной энергетике.

Формула изобретения 1. Способ определения коэффициента диффузии кислорода в металлах и окислах с помощью твердоэлектролитной гальванической ячейки, заключающийся в том, что на электроды ячейки подают напряжение, измеряют во времени ионный ток, проходящий через ячейку, и рассчитывают по полученным данным коэффициент диффузии, о тлнчающийся тем, что, с целью повышения точности определения коэффйциенI2996 .

та диффузии, величину напряжения уменьшают обратно пропорционально корню квадратному из интервала времени, прошедшего с момента подачи напряжения.

5 :., ,

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

.from electrochemical measurement, 245 (1969), p- 1711-1720.

oxides using solid state electrochemical technics. 0. Kuba schevsd, London, 1972, p. 123 (прототип)..