Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Решение многих проблем науки и техники связано с разработкой технологии и созданием новых материалов. Щелочные металлы, их сплавы и соединения с их участием являются перспективными материалами для различных областей современной науки, техники и технологии. Они обладают сочетанием таких уникальных физико-химических свойств, как самые низкие плотность и вязкость среди металлических систем, низкие потенциал ионизации и работа выхода электрона, высокие тепло- и электропроводность, низкая температура плавления, высокая электронная эмиссия и др. В связи с этим возрос интерес исследователей, проявляемый в последнее время к щелочным металлам и сплавам с их участием.
Важнейшими областями практического использования этих материалов являются ядерная энергетика, химические источники тока, аэрокосмическое материаловедение, эмиссионная электроника, медицина и т.д. Применение многокомпонентных систем щелочных металлов как наиболее перспективных высокотемпературных теплоносителей принципиально нового типа обусловлено широкой температурной областью жидкого состояния, высокой критической температурой и низкими температурами плавления, достигающими для тройных эвтектических сплавов до –72 С. Варьируя их компонентный состав, можно создавать теплоносители с заданными физико-химическими характеристиками. Отсюда понятна актуальность комплексного исследования физико-химических свойств щелочных металлов и их многокомпонентных сплавов.
Степень разработанности темы диссертации
Физико-химические свойства многокомпонентных щелочных металлов изучены очень слабо. Причина этого в том, что экспериментальное исследование свойств щелочных металлов и сплавов на их основе связано с большими трудностями, возникающими в связи с их высокой химической активностью. Весьма слабо изучены трехкомпонентные системы. В литературе имеются сведения о плотности и вязкости сплавов только для одной тройной системы натрий-калий-цезий. Отметим, что обнаруженная недавно невоспламеняемость на воздухе тройного эвтектического сплава и близких к нему по составу сплавов системы Na-K-Cs значительно расширяет возможность их практического применения в энергетике. Понятно, что проблема разработки и создания соответствующих экспериментальных и расчетных методов изучения физико-химических свойств щелочных металлов и их многокомпонентных сплавов является весьма актуальной.
Цель работы заключалась в теоретическом расчете плотности и поверхностных свойств сплавов тройных систем щелочных металлов.
С этой целью поставлены следующие задачи:
– провести анализ состояния исследований плотности и поверхностных свойств щелочных металлов и их сплавов;
– освоить новый расчетно-графический метод [1], позволяющий определять физические свойства сплавов тройных систем по ограниченному количеству данных величины изучаемого свойства; автоматизировать все этапы расчетных и графических работ метода, необходимые для получения конечных результатов изучаемых свойств;
– построить изотермы плотности и поверхностного натяжения двойных и тройных сплавов системы натрий-калий-цезий во всем концентрационном интервале и на всей площади концентрационного треугольника Na-K-Cs; разработать и реализовать соответствующую программу расчетов на компьютере;
– определить значения плотности и поверхностного натяжения тройных сплавов сечений, идущих к вершинам цезия, калия и натрия концентрационного треугольника по соответствующим программам расчетов на языке программирования Delphi;
– рассчитать адсорбции и поверхностные концентрации компонентов калия, цезия и натрия в тройных сплавах системы натрий-калий-цезий.
Научная новизна работы
1. Практически апробирован новый расчетно-графический метод, позволяющий определять физические свойства сплавов тройных систем по ограниченному количеству данных величины изучаемого свойства. Метод дает возможность автоматизировать все этапы расчетного и графического процессов, необходимые для получения конечных результатов.
2. Впервые на примере системы Na-K-Cs определены значения плотности и поверхностного натяжения 124 тройных сплавов; построены графики концентрационной зависимости плотности, мольных объемов и поверхностного натяжения для тройных сплавов 27 сечений, идущих к вершинам цезия, калия и натрия концентрационного треугольника.
3. Построено уравнение концентрационной зависимости поверхностного натяжения (ПН) тройных систем, позволяющее описать изотерму поверхностного натяжения во всем концентрационном интервале, используя значения ПН двух произвольно выбранных сплавов сечения. Разработаны соответствующие программы расчетов плотности и ПН на языке программирования Delphi.
4. Рассчитаны адсорбции и поверхностные концентрации компонентов калия, цезия и натрия в тройных сплавах. Впервые показано, что сумма величин адсорбций натрия, калия и цезия в каждом тройном сплаве равна нулю (в моль/м2), а сумма поверхностных концентраций компонентов равна единице (в атомных долях).
Теоретическая и практическая значимость работы
Результаты работы расширяют возможность определения влияния концентрации любого из 3-х компонентов на свойства системы при сохранении постоянными количественных соотношений двух других концентраций компонентов в сплавах. Расчетно-графический метод позволяет уменьшить число экспериментально изучаемых разрезов треугольника составов, автоматизировать процесс расчетов, следовательно, экономить дорогостоящие расходные материалы и время получения результатов.
Полученные данные по плотности и поверхностному натяжению тройных сплавов системы натрий-калий-цезий с учетом их малой плотности, высокой теплопроводности и низкой вязкости позволяют рекомендовать их в качестве эффективных теплоносителей в тепловых трубах и ядернокосмических установках [2]. Численные значения полученных результатов по плотности и поверхностным свойствам трехкомпонентных сплавов щелочных металлов могут быть использованы как справочные при решении многих физических и технологических задач.
Основные результаты работы вошли в спецкурсы «Термодинамика межфазных явлений и фазовые переходы», «Диаграммы состояния многокомпонентных систем», «Специальный физический практикум по физике конденсированного состояния» магистерской программы «Физика конденсированного состояния вещества» по направлению 011200.68 – физика, магистр физики.
Методология и методы исследования
Высокая химическая активность и большая упругость собственных насыщенных паров щелочных металлов затрудняют экспериментальное исследование физико-химических свойств щелочных металлов, в особенности поверхностных свойств их многокомпонентных систем. Построение теорий поверхностных свойств уже двухкомпонентных систем, не говоря о трех- и четырехкомпонентных системах, представляет достаточно сложную задачу. Продолжаются многочисленные попытки по разработке теоретических методов, но часто приходится пользоваться полуэмпирическими и аппроксимационными методами.
В данной диссертации впервые апробирован новый расчетно-графический способ для расчетов поверхностного натяжения и плотности тройных сплавов 27 сечений, идущих ко всем трем вершинам концентрационного треугольника системы Na-K-Cs. Результаты вполне удовлетворительные и можно рекомендовать для использования на практике.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Значения плотности и поверхностного натяжения тройных сплавов 27 сечений системы Na-K-Cs, идущих к вершинам К, Cs и Na концентрационного треугольника, определенные расчетно-графическим способом. Построенные изотермы и таблицы плотности, мольных объемов и поверхностного натяжения тройных сплавов в зависимости от концентраций калия, цезия и натрия.
2. Компонент цезий проявляет поверхностную активность во всех тройных сплавах системы, заметно понижая ПН в области его малых концентраций; компонент натрий проявляет поверхностную инактивность, значительно повышая ПН сплавов в области его больших концентраций.
3. Разработанная и реализованная программа расчетов концентраций компонентов, плотности и поверхностного натяжения тройных сплавов системы Na-K-Cs, соответствующих точкам пересечений линий разрезов, идущих к вершинам треугольника составов; разработанные на языке программирования Delphi способы для расчета изотерм плотности и поверхностного натяжения сплавов сечений, идущих к любой вершине треугольника составов.
4. Значения адсорбций и поверхностных концентраций всех трех компонентов системы натрий-калий-цезий. Адсорбция цезия положительная, адсорбция натрия отрицательная для всех тройных сплавов сечений, идущих к вершинам цезия и натрия треугольника составов. Адсорбция калия испытывает инверсию – переход от положительной адсорбции в тройных сплавах Na-K-Cs, содержащих менее 6,5 ат. % Cs, к отрицательной адсорбции в сплавах, в которых содержание цезия больше 6,5 ат. %; в сплавах сечения, в которых концентрация цезия равна 6,5 ат. %, адсорбция калия равна нулю.
5. Сумма величин адсорбций натрия, калия и цезия в каждом тройном сплаве равна нулю (в моль/м2), а сумма поверхностных концентраций компонентов равна единице (в атомных долях).
Соответствие диссертации Паспорту научной специальности
Отраженные в диссертации научные положения соответствуют области исследований по специальности 01.04.07 – «Физика конденсированного состояния», включающей теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов. Полученные научные результаты соответствуют пунктам 1 и 2 Паспорта специальности 01.04.07 – «Физика конденсированного состояния».
Степень достоверности и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается согласованностью полученных результатов и следствий из них с известными в литературе теоретическими и экспериментальными данными. Полученные в диссертации результаты докладывались на многих международных и российских научных конференциях, публиковались в научных журналах и получили одобрение специалистов. Все выводы физически обоснованы и не противоречат современным представлениям науки и практики.
Личный вклад автора
Цель и задачи диссертационной работы сформулированы научным руководителем Т.М. Таовой, которая также принимала непосредственное участие на всех этапах выполнения работы. Автор лично сделала подробный обзор исследований поверхностных свойств щелочных металлов и их двойных и тройных систем, составила программы расчетов на компьютере необходимых в работе параметров и свойств. Автором совместно с соавторами выполнены все расчеты, представленные в работе.
Апробация результатов
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, семинарах и симпозиумах: II Международный семинар «Теплофизические свойства веществ (жидкие металлы и сплавы, наносистемы)». Нальчик, 2006 г.; XII Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ и материалов. Москва, ИМЕТ РАН, 2008 г.; Студенческая конференция «Прорыв -2010», секция «Физика». Нальчик, 2010 г.; Межрегиональный Пагуошский симпозиум «Наука и высшая школа Чеченской республики: перспективы развития межрегионального и международного научно-технического сотрудничества». Грозный, АНЧР, 2010 г.; Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученных «Перспектива - 2010». Нальчик, 2010 г.; II Международный междисциплинарный симпозиум «Физика низкоразмерных систем и поверхностей» (Low Dimensional Systems, LDS-2). Ростов-на-Дону – п. Лоо, 2010 г.; XIII Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ (РКТС-13) (с международным участием). Новосибирск, 2011 г.; I Междисциплинарный международный симпозиум «Физика межфазных границ и фазовые переходы (МГФП-1)-(IPBPT-1)». Нальчик - п. Лоо, 2011 г.; IV Международная научно-техническая конференция «Микро- и нанотехнологии в электронике». Нальчик, 2011 г.; VII Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых «Наука и устойчивое развитие». Нальчик, 2012 г.; Баксанская молодежная школа физики. Нальчик, 2012 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том числе 4 статьи в центральных физических журналах, входящих в список ВАК, и 3 статьи в зарубежных изданиях.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, приложений и списка литературы, включающего 147 наименований. Текст работы изложен на 150 страницах машинописного текста и включает 53 рисунка и 22 таблицы.
