ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Одним из наиболее надежных статических методов измерения поверхностного натяжения высокотемперат урных расплавов является метод лежащей капли. Он бесконтактен, сравнительно прост в экспериментальном осуществлении и достаточно точен.

Преимуществом метода явл яется возможность следить за изменением поверхностного или межфазного натяжения во времени, изучать скорость адсорбции, растворения поверхностно-активных веществ или кинети ку взаимодействия между двумя фазами (например, растворения кислорода в железе). Метод лежащей капли позволяет проводить измерения как в вакууме, так и в контролируемой газовой атмосфере.

В его основе лежит дифференциальное уравнение второго порядка , описывающее кривизну капиллярной поверхности:

	(1)

гдеzи х- координаты точки на меридиональном сечении капли;

z', z''-первая и вторая производныеzпоx, соответственно;

a ²-капиллярная постоянная, связанная с поверхностным натяже­нием (s)соотношением: , гдеd-плотность,g-ускорение силы тяжести.

Точного решения уравнения (1) нет, но оно может быть получено приближенно с заданной степенью точности. Один из наиболее надежных приближенных способов расчета основан на использовании таблиц Башфорта и Адамса или таблиц, составленных на их основе.

Для вычисления поверхностного натяжения каплю фотографируют и на снимке измеряют характерные размеры капли. В используемом методе измеряются следующие параметры:2l-максимальный диаметр капли, Н- расстояние от вершины капли до плоскости максимального диаметра иh-расстояние от плоскости максимального диаметра до основания капли (рис. 1). Объём капли вычисляется по формуле,

где - объём чашечки (подложки) при данной темпера туреt,

v ₀-объем подложки при комнатной температуре,

b-коэффициент объемного расширения огнеупора;

- коэффициент увеличения оптической системы,

l-диаметр подложки, измеренный с помощью оптической системы,

l ₀- истинный диаметр подложки.

Затем поверхностное натяжение определяется как: ,

где f(l/h)находится с помощью таблиц Кошевника А.Ю., Кускова М.М., ЛубманаН.М. или с помощью полиномов Чебышева.

Схема установки для измерения поверхностного натяжения показана на рис. 2.

Установка пред­ставляет собой водо-охлаждаемую вакуумную камеру (1 ) горизонталь­ного типа. Нагреватель­ный элемент печи (4) выполнен из молибдена. Для создания более равномерной рабочей зоны по температуре вставлена сеть экранов (2). По бокам камеры установ­лены кварцевые окна (6): одно для фотографи­рования капли, второе для ее освещения. Симметричность капли (7) достигается регулировочными винтами и штоком (5).

Максимальная рабочая температура нагревателя составляет 2100 К. Необходимая температ ура в рабочей зоне печи задается с помо щью программного прецизионного терморегулятора РИФ-101 и контролируется вольфрам-рениевой термопарой ВР-5 /20 и вольтметром В7-21А. Из-за небольших размеров исследуемого объе кта (около 1 см ²) и равномерности температуры в зоне размещения образца температурный градиент по сечению капли практически отсутствует.

Разрежение в вакуумной камере установки до 10 ^-3-10 ^-4 мм рт. ст. (10 ^-1 - 10 ^-2Па) создается форвакуумным насосом 2 НВР-5Д М и вак уумным постом АВП-100. Контроль осуществляется вакуумметром ВИТ-2. Опыт можно выполнять в вакууме и в атмосфере инертного газа.

Для повышения производительности установки, изображение капли не фотографируется , а с помощью оптической системы (фотокамера ФК-13 /18) проецируется на экран (матовое стекло), на который нанесена сетка. Измерение размеров изображения капли осуществляется с помощью специального микрометрического подвижного столика с приборами часового типа.

Порядок выполнения работы:

1 .Определить объём (v ₀)и диаметр (l ₀) подложки.

2.Определить массу исследуемого образца и загрузить в установку.

3.Определить коэффициент увеличения оптической системы(k).

4.Откачать установку до остаточного давления 0,10 - 0,25 Па.

5.Выключить насосы и запустить в установку инертный газ, если требуется. При измерении в вакууме насосы не выключать.

6.Включить воду, охлаждающие корпус установки и токоподводы.

7.Включить печь и плавно, примерно за 20-30 минут, поднять темпера туру и расплавить образец.

8.После исчезновения плёнок на поверхности капли приступит ь к измерению размеров каплиh,h,2l.

9.По выше приведённым формулам вычислить плотность и поверхностное натяжение, занести их в таблицу. Для расчётов целесообразно использоват ь программируемый калькулятор или ЭВМ.

10.Увеличить температуру и через 10 - 15 минут продолжить с п. 9 и т.д.

11.После завершения эксперимента, медленно (в течении 20 - 30 мин) охладить установку до комнатной температуры.

12.Если были включены насосы - выключить.

13.Выключит ь воду.

14.Нарисовать графики температурной зависимости плотности и поверхностного натяжения.

15.Рассчитать погрешность измеренных величин.

16.Сделать вывод по проделанной работе.