ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2014, том 52, № 6, с. 941-960
= ОБЗОР
УДК 532.612:546.682.121
ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ИНДИЯ. МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ © 2014 г. Б. Б. Алчагиров1, Р. Х. Дадашев2, Ф. Ф. Дышекова1, Д. З. Элимханов2
1Кабардино-Балкарский государственный университет, г. Нальчик 2Чеченский государственный университет, г. Грозный E-mail: alchg@kbsu.ru Поступил в редакцию 08.11.2013 г.
В обзоре рассмотрены основные результаты исследований поверхностного натяжения (ПН) индия за последние шесть десятилетий, а также приведены оригинальные данные о температурной зависимости ПН индия, полученные авторами методами большой лежащей капли и максимального давления в капле. Основное внимание уделено анализу возможных методических недостатков экспериментальных исследований, в которых получены величины поверхностного натяжения чистого индия и ряда других металлов, значительно превышающие результаты измерений ПН традиционными классическими методами. По мнению авторов, очистка исследуемых поверхностей металлов бомбардировкой тяжелыми ионами инертных газов, используемая в подобных работах, не может еще гарантировать получение истинных значений поверхностного натяжения.
DOI: 10.7868/S0040364414060015
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.
Состояние исследований температурной зависимости поверхностного натяжения индия.
Факторы, влияющие на точность определения ПН жидких металлов.
Поверхностная энергия в жидком и твердом состояниях.
Заключение.
Список литературы.
ВВЕДЕНИЕ
Индий и его сплавы находят широкое применение в современной технике и технологии в качестве регулирующих стержней ядерных реакторов (19% 1п + 10% Сё + 71% Л§), присадок для увеличения коррозионной стойкости, в полупроводниковой технике и др. [1—3]. Изучение ПН индия и его соединений имеет также большое значение для развития теории жидкого состояния и физики межфазных явлений в металлических расплавах и возникающих из них твердых фазах [4—7]. В частности, надежные и высокоточные данные о температурных коэффициентах й<з/йТ поверхностного натяжения (ТКПН) металлов и сплавов необходимы для проверки достоверности различных уравнений для аналитического описания температурных и концентрационных зависимостей поверхностного натяжения ст(Т, х), оценки соотношения свободных объемов в поверхностном слое и глубине фазы, установления
различных корреляций ПН и ТКПН с другими физико-химическими свойствами [8—12].
Изучение ПН и его температурной зависимости позволяет судить о степени равновесности жидкометаллических систем и определять пути повышения их однородности [13] и т.д. В настоящей работе рассматриваются основные результаты изучения ПН индия и его температурного коэффициента (ТК), имеющиеся в литературе, а также собственные данные о температурной зависимости ПН ст(Т) индия, полученные авторами двумя независимыми методами — методами большой лежащей капли и максимального давления в капле.
СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ИНДИЯ
Для удобства рассмотрения и обсуждения основных результатов изучения ПН и его температурного коэффициента й<з/йТ индия в жидком состоянии они представлены в сводной табл. 1. Отметим сразу, что в табл. 1 не включены устаревшие исследования ПН, так как достаточно надежные и высокоточные исследования поверхностных явлений стали возможны лишь в последние полвека благодаря появлению сверхвысоковакуумных установок и методик, позволивших экспериментировать с высокочистыми образцами металлов. Из рис. 1 следует, что диапазон значений ПН чистого индия в жидком состоянии очень широк и достигает около 200 мН/м, а для температурного коэффициента ПН он составляет 0.04—0.13 мН/(м К), т.е.
Таблица 1. Основные результаты экспериментальных исследований температурной зависимости поверхностного натяжения жидкого индия
Источник Метод определения ПН Температурная зависимость а( Т) = апл - йъ/йТ(Т - Тпл), мН/м Температуры измерения, К Примечания
[14] ДК а(Т) = 559 - 0.1(Т - 429) 429-673 Измерения проводились в атмосфере водорода усовершенствованным методом ДК. Точность измерения ±5 мН/м.
[15] ДК а(Т) = 559 - 0.1(Т - 429) 429-823 Образцы с содержанием 99.95% 1п. Погрешность измерения около 1%. Основные примеси в 1п: Сё - <0.001%, Си - <0.001%, Fe - 0.001%, N1 - 0.002%, РЬ - 0.014% и Sn - 0.015%.
[16] МДК а = 592 458 Индий марки "чистый". Среда и контактирующие с расплавом материалы: собственные насыщенные пары 1п и стекло.
[17] МДК а(Т) = 556 - 0.085(Т- 443) 443-773 Образцы с содержанием 99.995 вес. % 1п. Измерения в вакууме.
[18] МДК а(0 = 554.85 - 0.085(Т - 443) а = 556 Да = ±0.4 443-773 429 Относительная ошибка измерений не более 0.2%. Измерения в вакууме. Индий чистотой 99.995%. Примеси: 0.003% РЬ, 0.0001% Сё, 0.0001% 7п, а также Си, Fe, Ge, А и Sn. Из них РЬ, Sn и Сё по отношению к 1п являются слабо поверхностно-активными примесями. Для расчетов ПН значения р взяты из [19].
[20] МДГП а = 514 ± 4 600 Содержание 1п - 99.999%. Среда и контактирующие с расплавом материалы: Н2, W, кварц.
[21] МДГП а(Т) = 545 - 0.0668(Т - 473) а = 547.4 473-1070 573 Двухкапиллярный вариант МДГП. Среда и контактирующие с расплавом материалы: аргон, кварцевое стекло. Образцы с содержанием 99.999 вес. % 1п.
[22] БК а = 600 431 Измерения ПН проводились в сверхвысоком вакууме при температуре 431 К.
[23] МДГП а(0 = 559.2 - 0.089(Т - 429) а = 566 429-1973 473 Погрешность ~0.5%. Образцы с содержанием 99.9999% 1п. Измерения ПН проводились в атмосфере аргона, очищенного барботировани-ем через расплавленный литий. При изучении а(Т) в области Т < 473 К наблюдалось некоторое отклонение от линейной зависимости.
[24] БК а = 658 433 Высокочистые образцы индия исследовались в сверхвысоком (10-8 Па) вакууме. Погрешность ±10%.
[25] МДК а(Т) = 559 - 0.057(Т - 473) 473-773 Измерения в вакууме. Образцы с содержанием 99.999 вес. % 1п. Для расчетов ПН р(Т) взяты из [19].
[26] МДГП а(Т) = 559.7 - 0.089(Т - 429) 473-1970 Погрешность около 0.5% (вариант метода с двумя капиллярами). Образцы индия высокой чистоты.
[27] МДК а = 556 а = 539 430 623 Содержание примесей в 1п не превышало 0.0006%. Погрешность - 0.5%. Вакуум - 5 х х 10-5 Па. Численное значение ПН взято из графика.
[28] МДК а = 535 673 Примесей в 1п не более 2 х 10-4%. Остаточный вакуум в момент отпайки измерительной ячейки ~10-5 Па. Значение ПН взято из графика.
[29] МДК а(Т) = 537 - 0.06(Т - 473) 430-730 Содержание примесей в 1п не превышало 2 х х 10-4%. Остаточный вакуум в измерительной ячейке в момент ее отпайки ~5 х 10-5 Па.
[30] МДГП а(Т) = 585 - 0.10(Т- 893) 893-1293 Измерения ПН в среде аргона. Погрешность -около 2%.
Таблица 1. Продолжение
Источник Метод определения ПН Температурная зависимость Т) = ^ - da/dT(T - Тпл), мН/м Температуры измерения, К Примечания
[31] ЛК ст(0 = 568.0 - 0.04t - 7.08 х10-5?2 а = 560 ± 5 Тпл-830Тпл Измерения в среде аргона с использованием индия (99.9999%). Точность измерения ±5 мН/м.
[32] БК а(Т) = 556 - 0.10(Т - Тпл) 773-1273 Погрешность ~3%. Измерения в среде гелия. Образцы с содержанием 99.99% In.
[33] БК а(Т) = 565.0 - 0.09(Т - 428) 428-950 Измерения ПН проводились в вакууме 1.3 х х 10-4 Па; образцы марки Ин-000; погрешность измерений ~2.5%.
[34] БК а(Т) = 556 - 0.081(Т - Тпл) 430-773 Измерения в вакууме 10-7 Па на образцах индия марки Ин-000. Погрешность измерения ~1.5%.
[35] БК а(Т) = 556 - 0.081(Т - Тпл) 430-773 Измерения в вакууме - 10-7 Па; для расчета ПН взята р(Т) = 6982 - 0.074(Т - Тпл) [36]. Погрешность ~ 1%.
[36] БК а = 555 473 Измерения в вакууме, в среде гелия, аргона и углекислого газа. Образцы марки Ин-000. Плотность р(473 К) = 7088 кг/м3 (данные авторов).
БК а = 545 473 Измерения проводились в среде водорода. Образцы Ин-000. Плотность принята равной 7080 кг/м3 [37].
[37] БК а(Т) = 565 - 0.09(Т - Тпл) 430-1473 Измерения ПН в вакууме на образцах Ин-000. Значения рпл и dp/dt взяты из работы авторов; погрешность ~2.5%.
[38] БК а(Т) = 558 - 0.11(Т - Тпл) 581-859 Образцы с содержанием 99.99% In, вакуум ~10-4 Па. Погрешность измерений ±3 мН/м.
МДГП а(Т) = 553 - 0.13(Т - Тпл) 447-723 Измерение ПН методом МДК в газовом пузырьке при тех же условиях эксперимента. Точность ±2 мН/м.
[39] БК а(Т) = 540 - 0.10(Т - Тпл) Тпл-1072 Образцы с содержанием 99.997% In; статический вакуум ~10-7 Па в цельнопаяных стеклянных ячейках. Погрешность ~2%.
[40] БК а(Т) = 571 - 0.101(Т - Тпл) 418-773 Измерения на образцах Ин-00. Вакуум ~ 10-4 Па.
[41] МИП а(Т) = 550 - 0.081(Т - Тпл) 430-770 МИП [41, 42]; образцы Ин-00; измерительная ячейка изготовлена из молибденового стекла.
[43] БК а(Т) = 560 - 0.089(Т - Тпл) а(Т) = 556 530-1215 473 Измерения ПН проведены в среде гелия на образцах с содержанием 99.9999% In.
[44] МДК а = 566 429 Образцы с содержанием 99.9999% In. Погрешность измерений ПН ~1%.
[45] БК а(Т) = 560 - 0.100(Т - Тпл) Тпл-1150 ПН измерялось в среде Н2, очищенном диффузией из палладиевой ячейки; образцы индия -99.9999% чистоты. Погрешность ~3%.
[46] МДК а(Т) = 557 - 0.088(Т - Тпл) а = 527 а = 557 433 773 433 Погрешность не более 0.7% при доверительной вероятности 95%. Образцы с содержанием 99.99% индия, вакуум - 10-4-10-5 Па.
[47] ЛК а = 570 423-674 Индий марки Ин-000. Измерения проводились в приборе из молибденового стекла, в вакууме 5 х 10-4 Па.
[48] БК а = 514.7 970 Образцы с содержанием 99.999% In. Подложки ("чашечки") из оксида алюминия; измерения ПН и плотности проводились в среде Не (давление - 5 х 10-4 Па).
[49] БК а(7) = 556 - 0.08(Т - Тпл) Т -770 *пл ' ' " Погрешность измерения ПН ~1%.
[50] БК а(Т) = 556 - 0.090(Т - 430) Усредненное по всем литературным данным, полученным к 1993 году.
МДГП а(Т) = 561 - 0.095(Т - 430) Усредненное по четырем из имеющихся в литературе (к 1993 году) наиболее высоким значениям ПН.
Таблица 1. Продолжение
Источник Метод определения ПН Температурная зависимость о(Т) = ^пл - йъ/йТ(Т - Тпл), мН/м Температуры измерения, К Примечания
[51] БК ст(Т) = 568 - 0.094(Т - Тпл) Т -773 пл Электронно-спектроскопический метод контроля исследуемых поверхностей. Измерения в вакууме ~10-8 Па. Подложка
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.