Введение к работе
Актуальность темы. Исследование поверхностных явлений в металлах и сплавах на сегодняшний день остается актуальным научным направлением. Особый интерес к их изучению обусловлен ролью, которую они играют в технологических процессах и при решении многих актуальных научных проблем. Развитие современной техники и разработка новых нанотехнологий требует знания процессов, протекающих на межфазной границе. Для эффективного решения этих проблем необходимы надежные данные о поверхностных свойствах металлов и сплавов. Этим можно объяснить большое внимание, которое уделяется теоретическому и экспериментальному исследованию свойств на границе раздела фаз, в частности, поверхностного натяжения, адсорбции, состава поверхностного слоя, молярной и парциально-молярной поверхности и т.д.
Поверхностное натяжение входит во многие формулы, описывающие процессы зарождения и роста фаз. Если известна температурная и концентрационная зависимость поверхностного натяжения, то можно определить адсорбцию в расплавах и другие важные термодинамические характеристики поверхностного слоя.
Для чистых металлов и двойных систем в жидком состоянии получены надежные экспериментальные данные. Но при увеличении числа компонентов экспериментальное исследование поверхностного натяжения встречает большие трудности.
Значительно меньшие успехи по сравнению с экспериментальными исследованиями достигнуты в теоретическом описании концентрационной зависимости поверхностного натяжения двойных и в особенности многокомпонентных систем. Поэтому получение надежных уравнений для вычисления поверхностного натяжения двойных и многокомпонентных систем остается актуальной задачей. Есть немало попыток выразить поверхностное натяжение через физические константы атомов и молекул – размеры частиц, потенциалы межчастичного взаимодействия или через термодинамические свойства – теплоты испарения, свободную энергию, молярные объемы и молярные поверхности. Расчеты по этим уравнениям сдерживаются главным образом тем, что в общем случае неизвестно распределение атомов и валентных электронов в объеме и в поверхностном слое, следовательно, и энергии взаимодействия при выходе частиц в поверхностный слой.
Для описания концентрационной и температурной зависимости поверхностного натяжения предложено большое количество уравнений. Имеющиеся в научной литературе уравнения изотерм поверхностного натяжения имеют сложный вид, а более простые выражения не передают реальную зависимость поверхностного натяжения растворов от состава. Многие из них являются полуэмпирическими и не распространяются дальше регулярных растворов, и только некоторые из них относятся к многокомпонентным системам. Поэтому с помощью известных уравнений удается найти лишь приближенные значения поверхностного натяжения многокомпонентных расплавов или определить его значение в небольшом интервале концентраций компонентов.
Имеющиеся уравнения, как правило, связывают поверхностное натяжение растворов со свойствами чистых компонентов. На наш взгляд более перспективными могут быть исследования, направленные на получение уравнения, связывающего поверхностное натяжение многокомпонентных расплавов со свойствами боковых двойных систем.
Цель работы заключалась в теоретическом и экспериментальном исследовании концентрационной зависимости поверхностного натяжения двойных и тройных систем, а также в установлении функциональной зависимости поверхностного натяжения многокомпонентных расплавов от свойств боковых двойных систем.
Научная новизна
-
Получено новое уравнение для расчета поверхностного натяжения бинарных систем, учитывающее зависимость молярной площади от состава.
-
Получены новые уравнения изотерм поверхностного натяжения тройных систем, которые устанавливают зависимость поверхностного натяжения тройных расплавов от свойств боковых двойных систем. При выводе этих уравнений рассмотрены различные способы задания функциональной зависимости молярной площади от состава.
-
Проведены расчеты для 20 двойных и девяти тройных систем и показано, что это уравнение в пределах ошибки эксперимента описывает свойства большого количества двойных и тройных систем.
-
Экспериментально определена концентрационная зависимость поверхностного натяжения тройных расплавов системы индий-олово-галлий. Рассчитаны значения адсорбции компонентов, состава поверхностного слоя и молярной площади тройной системы индий-олово-галлий.
Практическая ценность результатов. Полученные уравнения позволяют с высокой точностью провести расчеты поверхностного натяжения двойных и тройных систем. Эти уравнения могут быть использованы для быстрой оценки зависимости поверхностного натяжения от концентрации компонентов в расплавах.
Основные положения, выносимые на защиту
-
-
Новое уравнение изотерм поверхностного натяжения двойных систем, при выводе которого учтена концентрационная зависимость молярной площади.
-
Новые уравнения изотерм поверхностного натяжения тройных систем, которые устанавливают зависимость поверхностного натяжения тройных расплавов от свойств боковых двойных систем. При выводе этих уравнений рассмотрены различные способы задания функциональной зависимости молярной площади от состава.
-
Экспериментальные данные по концентрационной зависимости поверхностного натяжения тройной системы индий-олово-галлий и результаты расчетов адсорбции компонентов, и состава поверхностного слоя.
Личный вклад автора. Цель и задачи диссертационной работы сформулированы научным руководителем Р.Х. Дадашевым, который также принимал непосредственное участие на всех этапах работы. Экспериментальные исследования проведены совместно с профессором Дадашевым Р.Х. и доцентом Кутуевым Р.А.. Вывод основных уравнений осуществлен совместно с Дадашевым Р.Х. и Хоконовым Х.Б. Автором самостоятельно проведены все расчеты по полученным уравнениям. Также совместно с руководителем проведен расчет основных термодинамических параметров поверхностного слоя расплавов индий-олово-галлий.
Апробация результатов. Основные результаты докладывались на Всероссийской научной конференции (г. Грозный, 2003 г.); Fourth International conference «High temperature Capillarity HTC» (San-Remo, 2004); Научно-практической конференции «Чечня на рубеже веков: состояние и перспективы» (Грозный, 2004 г.); XI Российской конференции «Теплофизические свойства веществ и материалов» (Санкт-Петербург, 2005 г); XI международном междисциплинарном симпозиуме «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» ОМА-9, (12-16 сентября г. Сочи, 2006); В Международном семинаре «Теплофизические свойства веществ (жидкие металлы и сплавы, наносистемы)» (г. Нальчик, 2006 г.); The 13th International Conference on «Liquid and Amorphous Metals» (LAM13) (Ekaterinburg, 2007.); X международном междисциплинарном симпозиуме «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» ОМА-10 (19-24 сентября г. Сочи, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 работ из них три статьи в журналах рекомендуемых ВАК, 5 статей в материалах международных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованной литературы. Объем работы составляет 133 страниц, в том числе 20 рисунков и 9 таблиц. Список цитированной литературы включает 132 наименований.
Похожие диссертации на Исследование концентрационной зависимости поверхностного натяжения двойных и тройных систем
-
