CC BY
13
УДК 541.183
ВЛИЯНИЕ ПАРА ЛЕГКОЛЕТУЧЕГО КОМПОНЕНТА НА СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ РАСПЛАВОВ
© 2004 г. З.Х. Калажоков, Х.Х. Калажоков, Н.С. Пономаренко, Т.М. Таова
Influence of a vapour of the binary alloy’s light-volatile component, getting to the measured camera through the communication tubes on the measured properties of its surface has been studied. It was found the conditions allowing to exclude such effect on the measured surface properties.
При изучении концентрационной зависимости поверхностных свойств (поверхностного натяжения (ПН), работы выхода электрона (РВЭ) и др.) жидких металлических растворов исследователи широко используют вакуумные стеклянные приборы, позволяющие без вскрытия камеры образовать в условиях высокого вакуума сплавы различных концентраций и исследовать их в одинаковых условиях. Устройство и принцип действия такого прибора описаны в [1]. При его использовании на свойства изучаемого расплава может влиять пар добавляемого компонента с относительно высокой упругостью пара (например, щелочных металлов, ртути, висмута, свинца, цинка и т.д.) к металлам с низкой упругостью пара или к растворам на их основе, который поступает в измеряемую камеру через коммуникационные трубки.
Для описания такого процесса положим, что имеем две камеры 1 и 2, соединенные трубкой диаметром d. Атомы жидкого металла из 2, имеющего относительно высокое давление собственного пара, будут поступать через трубку в камеру 1, в которой находится исследуемый металл (сплав). Будем считать, что материал камеры инертен к изучаемым металлам, и в камерах установилось равновесное давление насыщенного пара. Пусть в момент времени t = 0 в камере 1 образована свежая чистая поверхность металла (сплава). Она будет сорбировать атомы из паровой фазы, понижая давление в 1. Но пар металла из объема 2 будет поступать в 1 через трубку, повышая давление в камере 1. Поток металлического пара из объема 2 в 1 определим выражением [2]
где Ба- объемная скорость сорбции поверхностью сплава; р0 начальное давление в объеме 1; р- давление металлического пара в произвольный момент времени в 1;
(2)
где £ - длина трубки; М - газовая постоянная; Т - абсолютная температура; М— молярная масса металла в 2.
Уравнение (1) используют, как правило, при Sa = const. В рассматриваемом случае Sa меняется: в начале процесса Sa = Smsx, а в конце, при равновесии, Sa = 0. Закон изменения Sa нам не известен.
Положим, что поверхность изучаемого образца за единицу времени адсорбирует (связывает) Л„ частиц из общего числа Л',, Л', ЛЧ причем Л', Л'2
(Л'і и \'2 - количество атомов в парной фазе металлов из 7 и 2). Пусть за счет указанной адсорбции давление в объеме 1 уменьшается на величину ра. Тогда поток пара на поверхность образца за одну секунду будет равен paV, где V-объем камеры 1. Уравнение (1) с учетом paV=NaRT и I -const можно переписать в виде
±Ш^(Ро. ,(,)). (3)
dt V Fo F V dt
Введем в (3) коэффициент заполнения поверхности адсорбата в = \'а \'„s. где Na = N0s А', А - площадь поверхности образца; \'„s - концентрация адсорбционных центров на поверхности адсорбата. Получим для изменения давления в объеме 1
dp(t) _ RTN0SA dq(t) . (4)
dt V(P°' P>' V dt Уравнение (4) описывает изменение давления в камере с учетом временной зависимости скорости сорбции пара поверхностью сплава. Уравнение, описывающее изменение коэффициента заполнения поверхности адсорбента, имеет вид [3]:
^p- = S0bp(t)(l-q(t))-q(t), (5)
at
где b - постоянная Ленгмюра.
Изменение давления в камере 1 со временем p(t) и изменение коэффициента заполнения поверхности адсорбента 0(t) атомами металла из 2 могут быть найдены, если решить совместно уравнения (4) и (5) при начальных условиях:
t = о ]
I • (6)
Р = Рof v ’
в = о j
Нами сделан численный расчет времени заполнения однородной грани вольфрама W(100) при адсорбции паров цезия из 2. Параметры расчета и некоторые полученные результаты приведены в таблице.
Результаты расчета показывают, что при d > 1 мм поверхность адсорбента в камере 1 покрывается атомами металла из 2 практически мгновенно до одного монослоя. При этом влияние адсорбции металлического пара из объема 2 на свойства изучаемой поверхности может быть значительным [4]. При d< 1 мм процесс растягивается на десятки секунд, но в конце поверхность
также покрывается монослоем адсорбата. Влияние пара легколетучего компонента на результаты определения поверхностных свойств металла и сплава можно практически исключить, проведя измерения либо достаточно быстро при с! < 1мм, либо образовывая изучаемую поверхность в камере 7, который отсекается от камеры 2 пробкой из жидкого металла с низким давлением собственного пара или сплава изучаемого состава, находящегося в 7.
Зависимость времени заполнения поверхности до монослойного покрытия от диаметра трубы
Металл Адсорбат Теплота адсорбции Н, Дж/моль 4 мм І, мм Начальное давление Ро, Па Коэфециент заполнения, вц Время заполнения, Ґ, с
\¥(100) Ся 100560 1 50 1,33-Ю'2 1 30
5 1 0,5
10 1 0,17
Литература
1. ХоконовХ.Б. и др. II Заводская лаборатория. 1974. Т. 40. Вып. 5. С. 558-559.
2. Уэстон Дж. Техника сверхвысокого вакуума. М., 1988.
3. Калажоков З.Х. и др. // Физика межфазных явлений и процессов взаимодействия потоков частиц с твердыми телами. Нальчик, 1998. С. 78-81.
4. Калажоков З.Х. и др. // Тр. 5-й Междунар. конф. «Вакуумные технологии и оборудование». Харьков, 2002. С. 20-25.
Кабардино-Балкарский государственный университет 9 марта 2004 г.
