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

1

Изобретение относится к физикохимическому анализу материалов и может быть использовано для измерения поверхностного натяжения металлов, силикатных и полимерных материалов в широком температурном интервале твердого состояния, а также для измерения поверхностного натяжения веществ с высоким модулем упругости и с низким поверхностным натяжением,, например таких, как углеродные волокна и некоторые нитевидные кристаллы, измерение поверхностного натяжения которых другими методами сопряжено с рядом трудностей.

Известен способ измерения поверхностного натяжения металлов в твердом состоянии компенсационным методом нулевой ползучести, сущность которого заключается в том, что под действием сил поверхностного натяжения площадь поверхности тела сокращается, так как при этом уменьшаётся свободная пове|эхнЬстнаЯ эттергия 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 этом способе добиваются компенсации сил поверхно10стного натяжения с помощью регулируемого внешнего усилия, приложенного к образцу i V.

Недостатком этого способа являются невозможность измерения поверхно15 (Ьтного натяжения твердых тел в ши-„ роком температурном интервале,, практическая неприменимость его при измерении поверхностного натяжения атомных и ионных кристаллов.

20

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ определения поверхностного натя3жения твердых тел, заключающийся в ТОМ, что производят отжиг нитевидного образца с одновременным приложением растягивающей нагрузки в пре делах упругой деформации, после чего снижают температуру образца до т мпературы измерения, снижают растя гивающую нагрузку, измеряют максимальный прогиб образца и по формуле определяют искомую величину f2j. Известный способ не обеспечивает достаточной точности измерений. Цель изобретения - повышение точ ности измерений . Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения поверхностного натяжения твердых тел, включающему отжиг ните1ВИДНОГО образца с одновременным приложением растягивающей нагрузки в пределах упругой деформации, снижение температуры до температуры измерения, снятие растягивающей наг рузки, после снятия растягивающей нагрузки образец закрепляют на консоли, возбуждают собственные механические колебания, измеряют частоту этих колебаний и определяют пове хностное натяжение по формуле c,. }ni где 1 n/21t линейная частота ко лебаний, 1/c; г - радиус поперечного сечения образца, м; Е - .модуль продольной упругости, - длина образца, м ; р- плотность, кг/м- ; m - 1,79 (коэффициент пропорциональности) Частота собственных колебаний ко соли, найденная по классической фор муле, отличается от частоты колебаний реального образца малых размеров. Это различие обусловлено силой поверхностного натяжения на час тоту колебаний, которое не учитывает классическая формула. Для измерения поверхностного натяжения твердого тела готовят образец в виде проволоки или ленты из исследуемого метал.Г1а или другого ве щества, по известной методике очищают его поверхность и помещают в камеру с (зегулируемой средой, напри мер в вакуум или инертный газ. 1 Длину образца берут меньше критической длины самопроизвольного изгиба , которую определяют по формуле V loGryW - минимальный главный момент, инерции сечения образца, м. Например, для индиевой проволоки диаметром 0, мм длина должна быть не более 16 мм. После отжига нагрузку снимают, а температуру уменьшают до значения , при котором необходимо измерить поверхностное натяжение, например, до ZgjK. 06разцу одним из способов сообщают колебания, частоту, которых измеряют. Найденное из эксперимента значение частоты собственных колебаний подставляют в формулу (1) и находят поверхностное натяжение исследуемого вещества. Пример . Определяется поверхностное натяжение углеродных волокон при температуре 293К. Волокна поступают на исследование физико-химических, свойств в отожженном состоянии. Моноволокно диаметром 0,006 мм закрепляется KOHco/ibHO в микроштативе. Микроштатив с образцом устанавливается на предметном столике микроскопа Carl Zeiss 0101. На свободном кон- це волокна с помощью клея закрепляется ферритовая частица массой не более 0,1 мг. На расстоянии около i, 0,2 мм от ферритовой частицы находится полюс электромагнита с ферритовым сердечником. Электромагнит подключен на выход звукового генератора типа ГЗ-106. Частота переменного тока, подаваемого на электромагнит, контролируется с помощью цифрового частотомера . Собственная частота колебаний исследуемого образца определяется резонансным методом. Основная собственная частота колебаний равна 720 Гц. Подстановка найденного значения в формулу дает величину поверхностного натяжения углеродного волокна при температуре 293к. 1) 720Гц; 6 0,004 м; r 3.-fOV; р -1700 кг/м,E-2,5-«O H|w ; vy,,5/; , 9,5 Zl-iO - -JQ P w 0.6 9.e7--f.7-YO -3-fO Y6.-fO 0,г5 M/M Поверхностное натяжение исследованного углеродного волокна равно 0,091 н/м при температуре 293К, В известном способе точность измерений составляет 2-10, а в предла гаемом - 0,1-|2. Последний позволяет измерять поверхностное натяжение веществ с большим модулем упругости, но с малым поверхностным натяжением, например углеродных волокон, некоторых нитевидных кристаллов и других материалов, важных с точки зрения использования их в композиционных материалах. Способ позволяет измерять поверхностное натяжение веществ различной природы (металлов, полупроводников, стекла, кварца,поли меров и др.) и температурный коэффициент поверхностного натяжения. Пред лагаемый способ отличается простотой реализации. Формула изобретения Способ определения поверхностного натяжения твердых тел включающий отжиг нитевидного образца с одновре1менным приложением растягивающей наг рузки в пределах упругой деформации, снижение температуры до температуры измерения, снятие растягивающей нагрузки, отличающийся (тем, что, с целью повышений точности определения, после снятия растягивающей нагрузки образец закрепляют на консоли, возбуждают собственные механические колебания, измеряют частоту этих колебаний и определяют поверхностное натяжение по формуле . от V гдеА) n/27t: линейная частота колебаний, 1/с; г - радиус поперечного сечения образца, м ; Е - модуль продольной упругости, , - длина образца, м; f - плотность, П1 1,79 (коэффициент пропорциональности). Источники, информации, принят1яе во внимание при экспертизе 1.Хоконов X. Б. Методы измерения поверхностной энергии и натяжения металлов и сплавов в твердом состоянии.- В кн.: Поверхностные явления, в расплавах ивозникающих из них твердых фазах. Кишинев, Штиинца, 197, с. 2kl. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2891816/18-25, кл. G 01 N 13/02, 1980 (прототип).