Способ определения коэффициента диффузии кислорода в металлах и окислах

Способ определения коэффициента диффузии кислорода в металлах и окислах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

(72) Авторы . изобретения

В. Г. Баранов, Ю. Г. Годин и А. В; Хлунов Московский ордена Трудового Красного Знамени физический институт (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ

КИСЛОРОДА В МЕТАЛЛАХ И ОКИСЛАХ

Изобретение относится к метрологии процессов диффузионного переноса кислорода в металлах и нестехиометрических соединениях и может быть использовано для определения коэффициента химической диффузии кислорода в металлах и в таких соединениях; как

Т10, ЙЬрО,, СеО х.

Известен способ определения коэффициента диффузии кислорода с помощью устройства, включающего твердоэлектролитную гальваническую ячейку (ТТЯ), обладающую . кислородоионной проводимостью, путем пропускания постоянного тока. через ячейку и измерения изменения ЭДС ячейки во времени 11).

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

Наиболее близким техническим 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, проходящий через ячейку, и рассчитывают по полученным данным коэффициент диффузии (2).

Коэффициент диффузии кислорода определяют из уравнения Коттрелла

15 где 3 — нонныи ток, протекающий через ! ячейку;

F — постоянная Фарадея;

0 — коэффициент химической диффузии кислорода;

Co, Со"- начальная и конечная концентрация кислорода в исследуемом образце: — время;

911299 lO

S . — площадь поверхности раздела электролит — образец;

Х вЂ” первый корень функции Бесселя нулевого порядка.

В уравнении (1) концентрация кислорода . Со", определяемая величиной приложенного напряжений к поверхности раздела образец— электролит, должна быть постоянной во времени измерения тока.

Однако в известном способе поддерживают постоянной величину приложенного к гальванической ячейке напряжения. При этом б в соответствии с уравнением

I где U — приложенное ианряжение;

3 — ток;

R —. омическое сопротивление электролита; - . химический потенциал кислорода уп И

Оа о2. электрода сравнения и исследуемого образца на поверхности разделе электролит — образец будет происходит увеличение приложенного к поверхности раздела образец — электролит ,напряжения, которое в конце измерений, когда ток почти равен нулю, составить значение, равное произведению 7о ° К, а это, в

- свою очередь, приведет к изменению концентрации кислорода на поверхности раздела образец — электролит, что может вызывать существенное увеличение погрешности измерения коэффициента диффузии кислорода

Кроме того, поскольку концентрация кислорода на свободной поверхности образца не контролируется и не поддерживается на первоначальном. уровне,: то это тоже приводит к увеличению погрешности.

Цель изобретения — повышение точности определения коэффициента диффузии кислорода В металлах и окислах.

Поставленная цель достигается. тем, что в способе определения коэффициента диффузии кислорода в металлах и окислах с помощью твердоэлектролнтной гальваничес кой ячейки, заключающемся в том, что на электроды ячейки подают напряжение, измеряют во времени ионный ток, проходящий через ячейку, и рассчитывают по полученным. данным коэффициент диффузии, величину напряжения уменьшают обратно пропорционально корню квадратному из интервала времени, прошедшего с момента подачи напряжения.

На чертеже изображено устройство, реали зующее способ. ф

Исследуемый образец 1 помещают на плоское дно твердоэлектролитной пробирки

2, внутреннее пространство которой заполнено равномерной смесью металл-окись металла, служащей электродом 3 сравнения.

IIo центру пробирки проходит потенциометрический вывод 4. На свободной поверхности образца 1 имеется платиновый кольцеобразный слой 5, снабженный потенциометрическим выводом 6, и конусное твердоэлектролитное тело 7, имеющее вывод 8. Сборку располагают внутри кислородного керамического 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, прошедшего 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— электролит в соответствии с, величиной при3S ложенного напряжения. По характеру изменения ионного тока по известной зависимости определяют коэффициент диффузии кислорода в исследуемом образце.

П р и м e y. Измеряют изменение ионного тока во времени для образца при

1300 К. Анализируя уравнения (1) нетрудно увидеть, что построив зависимость тока от

1/9t можно определить величину коэффициента диффузии кислорода при известных ос- тальных величинах. Было получено значение р, равное (2,7+0,3) 10 м /с для отношения О/И=2,0001.

Таким образом, способ позволяет производить измерение коэффициента 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.

55 Преимущества способа заключаются в том, что он может применяться для определения коэффициента диффузии кислорода в интер.вале значения от 10 вплоть до 10 " м /с

5 911299 6 в температурном диапазоне от 900 до 1800 К та диффузии, величину напряжения уменьс погрешностью 8-10%. Полученные значения шают обратно пропорционально корню кваднеобходимы для расчетов кннематических xa- ратному нз интервала времени,.прошедптего рактеристик различных технологических про- с момента полин напряжения. цессов, в ядерной энергетике. 5

Составитель Г. Боровик

Техред А.Ач Корректор Л. Бокшан

Редактор Н. Пушненкова

Заказ 1110/29

Тираж 883 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул, Проектная, 4

Формула изобретения

1. Способ определения коэффициента диффузии кислорода в металлах и окислах с помощью твердоэлектролнтной 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 диффузнн, о тличающийся тем,что,сцелью повышения точности определения коэффнлиенИсточники информавии, принятые во внимание при экспертизе

1. R. Z. Pastore L. and R. А. Йарр The

solibility and diffusirity of oxygen in solid

from electrochemical measurement", 245 (1969), р- 1711 — 1720.

2. R, С. Steel and Riccardi in Metallurgical chemistró "Measument of Chemical.

diffusion coeffisient in non-stehiometrical

oxides using solid state е1естгосЬапнса1

technics". О. Kuba schevsd, -London, 1972, р. 123 (прототип).