СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кречетова Г.А. Исследование термодинамических свойств систем и соединений щелочных металлов при высоких температурах (бинарные системы Сэ-К, К-№, Сэ-Ка в широком диапазоне концентраций, трехкомпонентная эвтектика Ка-К-Сэ, гидрид лития). Дис. ... канд. техн. наук. М.: ИВТАН, 1978. 195 с.
2. Новиков И.И., Шпилърайн Э.Э., Фомин В.А. и др. Экспериментальное исследование плотности жидких натрий-калиевых сплавов при высоких температурах // Перспективные материалы. 2001. № 4. С. 43.
3. Новиков И.И., Шпилърайн Э.Э., Фомин В.А. и др. Экспериментальное исследование плотности жидких натрий-цезиевых сплавов при высоких температурах // Перспективные материалы. 2002. № 2. С. 48.
4. Новиков И.И., Шпилърайн Э.Э., Фомин В.А. и др. О плотности жидких калий-цезиевых сплавов // Перспективные материалы. 2002. № 3. С. 37.
5. Коган В.Б. Гетерогенные равновесия. Л.: Химия, 1968. 432 с.
6. Пригожин И., Дефэй Р. Химическая термодинамика. Новосибирск: Наука, 1966. 362 с.
7. Срывалин ИТ., Есин O.A. Применение квазихимического метода к металлургическим системам с тройными соединениями // Изв. высш. учебн. заведений. Черная металлургия. 1962. № 9. С. 10.
8. Шпилърайн Э.Э., Белова A.M., Шкермонтов В.И. и др. Экспериментальное исследование давления насыщенных паров жидких сплавов щелочных металлов при высоких температурах. Система Na-K // ТВТ. 2001. Т. 39. № 4. С. 552.
9. Шпилърайн Э.Э., Белова A.M., Шкермонтов В.И. и др. Экспериментальное исследование давления насыщенных паров жидких сплавов щелочных металлов при высоких температурах. Система K-Cs // ТВТ. 2001. Т. 39. № 5. С. 724.
10. Шпилърайн Э.Э., Шкермонтов В.И, Сковородъ-ко С.Н., Мозговой А.Г. Активность компонентов бинарных систем сплавов щелочных металлов. Система Na-K // ТВТ. 2002. Т. 40. № 1. С. 39.
11. Шпилърайн Э.Э., Шкермонтов В.И., Сковородъ-ко С.Н., Мозговой А.Г. Активность компонентов бинарных систем сплавов щелочных металлов. Система K-Cs // ТВТ. 2002. Т. 40. № 2. С. 220.
12. Hildebrand JH., Scott R.L. Solubility of Nonelectro-lytes. N.Y., USA: Reinhold Publ. Co., 1950. 448 p.
13. Срывалин И Т., Есин O.A. О простейших поправках к формулам регулярных растворов // Научн. доклады высшей школы. 1959. № 1. С. 5.
УДК 532.64:546.32-35
СМАЧИВАЕМОСТЬ ЛИТИЯ ЖИДКИМИ НАТРИЕМ, КАЛИЕМ И РУБИДИЕМ
© 2004 г. А. Б. Алчагиров, Б. Б. Алчагиров, Т. М. Таова и X. Б. Хоконов
Кабардино-Балкарский государственный университет, г. Налъчик Поступила в редакцию 22.04.2003 г.
ВВЕДЕНИЕ
Щелочные металлы и сплавы с их участием находят широкое применение в ядерной энергетике, эмиссионной электронике, авиакосмическом материаловедении, медицине и других областях техники и технологии [1-4]. Поэтому исследование поверхностных свойств щелочных металлов и их сплавов представляет значительный научный и практический интерес. Имеется много работ, посвященных исследованиям физико-химических свойств щелочных металлов, однако результаты по поверхностным свойствам носят, как правило, качественный характер [5, 6]. Данные по смачиванию поверхности щелочных металлов другими жидкими щелочными металлами в литературе отсутствуют. Такое состояние объясняется тем, что высокая химическая активность щелочных металлов значительно затрудняет эксперименты по изучению их весьма чувствительных к примесям поверхностных свойств.
В настоящей работе приводятся результаты исследований температурной и временной зависимостей угла смачивания поверхности лития жидкими натрием, калием и рубидием.
Методика измерений угла смачивания. Для исследования смачиваемости поверхности лития жидкими щелочными металлами в широкой области температур использован цельнопаяный прибор, описанный в работе [7]. Схема прибора показана на рис. 1. В качестве образцов использовался литий с содержанием 99.9 мас. % и натрий, калий и рубидий с содержанием 99.993 мас.% основного элемента. Загрузка прибора металлами и подложкой проводилась в условиях сверхвысокого вакуума, а его термовакуумная обработка -при температуре около 1200°С.
Подложки готовились из нержавеющей стали и имели 12-й класс чистоты поверхности. Пленки лития толщиной не менее 0.2 мм наносились на подложки путем напыления лития из ампулы-ис-
5 6 71916 8 9
11 14 12 15
1 18 17
Рис. 1. Прибор для исследования смачиваемости поверхности твердых тел жидкими металлами и сплавами: 1 - корпус прибора, 2 - направляющие рельсы, 3 -каретка, 4 - подложка, 5 - ампула-испаритель с литием, 6 - печь испарителя, 7 - загрузочный бункер, 8 и 9 - манометрические датчики, 10,11 - оптические окна, 12 -электроды, 13 - осветитель, 14 - фотоаппарат, 15 -спирали высокочастотного нагревателя, 16 - внутренний бункер для калия или рубидия, 17 - капилляр, 18 - металл, 19 - стержень-затвор.
Т, мин
30 60 90 120 180 210
40 30 20 10 0
1 1 гул 1-КТ 1 Тщ^а / -"—1- ТплП 1
ТплК /
ТПЛЯЪ 2 1
1 1 1 1
20 60
100
140 180
г, °С
320
325
Рис. 2. Температурная и временная зависимости угла смачивания поверхности лития жидкими щелочными металлами: 1 - натрий, 2 - калий, 3 - рубидий.
парителя. Они имели зеркально-гладкую поверхность серебристого цвета.
Каретка с пленкой лития подводилась к капилляру, из которого жидкая капля исследуемого металла при температуре на 3-5°С выше температуры его плавления наносилась на пленку лития. После затвердевания капли каретка устанавливалась для фотографирования между окнами на одной оптической оси. С помощью катетометра осуществлялась тщательная юстировка прибора, обеспечивающая строгую горизонтальность поверхности подложки с каплей.
Определение углов смачивания б производилось методом лежащей капли. Капля фотографи-
ровалась с требуемой частотой фотоаппаратом. Температурная зависимость б изучалась при повышении температуры со скоростью около одного градуса в минуту до температуры начала быстрого уменьшения величины б. После начала заметных изменений б прекращалось повышение температуры, увеличивалась частота фотографирования капли при постоянной температуре. Угол смачивания определялся путем прямых измерений по увеличенным в 5 раз негативным фотоснимкам капли с помощью измерительного микроскопа УИМ-21. Погрешность измерения б составляла около 1°.
Результаты измерений угла смачивания. На
рис. 2 представлены результаты измерений углов смачивания поверхности лития жидкими натрием, калием и рубидием. Вблизи температуры плавления угол смачивания составлял для натрия 42°, для калия 26°, для рубидия 15°. Эти значения б сохранялись практически постоянными до температуры 310°С для № и до 150°С для К, после чего краевые углы быстро уменьшались.
В случае ИЬ уменьшение угла смачивания с повышением температуры начинается сразу же после его плавления (рис. 2), достигая почти нулевого значения при 105°С.
Особенностью смачивания поверхности твердого лития жидким калием является наличие температурного порога смачивания, т.е. постоянства угла смачивания до достижения некоторой температуры, называемой критической температурой смачивания 1к (КТС). При КТС б начинает резко уменьшаться. Как видно из рис. 2, от ¿пл = 63.7°С до 150°С угол смачивания остается постоянным, равным 26°. Резкое уменьшение б начинается при 1к = 160°С, достигая нулевого значения за 15-20 мин. Таким образом, температурный порог смачивания для этой системы составляет 160°С, что почти на 100°С выше температуры плавления калия.
Жидкий натрий при температуре плавления 1пл = = 97.8°С образует на поверхности твердого лития угол смачивания б = 42°, который сохраняется вплоть до 320°С. При температуре 325°С начинается быстрое уменьшение б и за 15-20 мин достигается нулевое значение (рис. 2). Следовательно, температурный порог смачивания в этой системе равен 1к = 325°С, что выше температуры плавления натрия на 225°С и лития на 145°С. Поэтому жидкая капля натрия на поверхности жидкой пленки лития имеет такой же угол смачивания ~40°, что и на поверхности твердого лития до 1к = 325°С.
В связи с этим были поставлены специальные опыты по смачиванию жидким натрием поверхности массивного образца лития в твердом и жидком состояниях. Опыты проводились в приборе, в котором образовывалась большая капля лития диаметром около 30 мм с достаточно чистой и гладкой поверхностью. После затвердевания кап-
б
о
ли лития при температуре 130°С на поверхность твердого лития "сажалась" капля натрия и затем проводились исследования зависимости б от температуры. На рис. 3 приведена серия фотографий, на которых показано поведение капли натрия на поверхности массивного лития.
Угол смачивания при 130°С составлял 41°. Температура повышалась со скоростью 1.5 град/мин. Заметное изменение б наблюдалось после 320°С. Затем температура выдерживалась постоянной при 325°С. При этой температуре угол смачивания быстро уменьшался, достигнув 12° за 25 мин (рис. 3). Таким образом, и в случае массивной подложки характер смачиваемости поверхности лития жидким натрием сохранялся.
Обсуждение результатов. Прежде всего отметим, что экспериментально обнаруженная зависимость угла смачивания от температуры характерна как для систем со слабым взаимодействием и весьма малой взаимной растворимостью компонентов, так и для систем с химическим взаимодействием [5, 8].
Температурный порог смачивания может быть обусловлен такими факторами, как наличие окис-ной пленки или шероховатости на поверхности, химическое взаимодействие компонентов системы с образованием плохо смачиваемых расплавов ин-терметаллидов, отсутствие взаимной растворимости при низких температурах и др. В данной работе принимались все меры, чтобы исключить влияние окисления или неоднородности в поверхностном слое. В изученных системах отсутствовало химическое взаимодействие компонентов, а некоторая их взаимная растворимость наблюдалась только при сравнительно высоких температурах.
Из диаграмм состояния двойных систем Ы-Ка, Ы-К и Ы-ИЬ [9] следует, что компоненты в этих системах взаимодействуют между собой весьма слабо в твердой и жидкой фазах. Мала также их взаимная растворимость вплоть до высоких температур. Так, при температуре плавления лития 180.7°С растворимость лития в жидком калии состав
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.