Bestimmung der thermodynamischen Eigenschaften von Alkaline Erde-Liquid Metall-Legierungen mit der elektromotorischen Kraft-Technik

Das übergeordnete Ziel dieser Technik ist es, thermodynamische Eigenschaften von binären Metallsystemen zu messen, wie z.B. Aktivität, partielle molare Entropie und partielle molare Enthalpie. Diese vielseitige Methode kann dazu beitragen, Schlüsselfragen im metallophilen Bereich zu den thermodynamischen Eigenschaften binärer Legierungen zu beantworten. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie es uns ermöglicht, thermodynamische Größen für binäre Legierungssysteme, die oft schwer zu messen sind, wie z. B. die Aktivität, genau zu untersuchen.

Nate Smith, Tim Lichtenstein und Jarrod Gesualdi, allesamt Studenten aus meinem Labor, werden das Verfahren vorführen. Bereiten Sie zunächst in einer 1,5-Liter-Flasche eine 350-Gramm-Mischung aus 97 Molprozent Calciumfluorid und drei Molprozent Bariumfluorid vor. Fügen Sie dieser Mischung 1,3 Kilogramm eines drei Millimeter yttriumstabilisierten Zirkonoxid-Mahlmediums und 25 Gramm Polyvinylalkohol hinzu.

Suspendieren Sie die Mischung in ausreichend Isopropylalkohol, um 4/5 der Flasche zu füllen. Stellen Sie dann die Flasche auf eine Kugelmühle und mahlen Sie die Mischung 24 Stunden lang bei 250 U/min. Trennen Sie das Elektrolytgemisch mit einem 10-Mesh-Sieb vom Mahlmedium.

Verwenden Sie eine Quetschflasche mit Isopropylalkohol, um die restliche Salzmischung aus dem Medium zu spülen. Trocknen Sie das gemahlene Elektrolytgemisch 24 Stunden lang in einem Abzug. Mahlen Sie die Mischung dann mit einem Mörser und einem Stößel zu einem feinen Pulver.

Laden Sie anschließend gleichmäßig 130 Gramm des Elektrolytpulvers in einen 75 Millimeter x 60 Millimeter großen Pelletfarbstoff. Tragen Sie mit einer Färbepresse zwei Minuten lang einseitig 30 Megapascal auf das Pulver auf. Drehen Sie dann die Pelletfarbe um und legen Sie einen Edelstahlring auf die Farbe, wobei die Pellets in der Mitte des Rings liegen.

Tragen Sie vorsichtig einen Riegel auf den Pellet-Färbestempel auf, um das Elektrolyt-Pellet aus dem Farbstoff zu entfernen. Bohren Sie anschließend mit einem 1-Millimeter-Bohrer ein 0,5 Millimeter tiefes Gewindebohrloch in die Mitte des Pellets. Bohren Sie sechs gleichmäßig verteilte Gewindebohrungen um das erste Loch mit einem Achsabstand von jeweils 25,4 Millimetern zum ersten Loch.

Ersetzen Sie den Bohrer durch einen 11,2-Millimeter-Bohrer. Geführt von den Gewindebohrungen. Bohren Sie sieben 12 Millimeter tiefe Vertiefungen in das Pellet.

Geben Sie als nächstes 4,5 Gramm fein gemahlenes Elektrolytpulver in einen 19 Millimeter x 15 Millimeter großen Pelletfarbstoff. Tragen Sie mit der Färbepresse eine Minute lang uniaxial 7,5 Megapascal auf das Pulver auf, um eine Elektrolytkappe zu bilden.

Bereiten Sie auf diese Weise insgesamt sechs Verschlüsse vor. Bohren Sie mit einem Zwei-Millimeter-Bohrer ein Loch durch die Mitte jeder Kappe. Dann eine 10 Zentimeter große Tonerdeplatte leicht mit Corse-Aluminiumoxidpulver bedecken.

Legen Sie jedes Elektrolytstück auf die Platte und achten Sie darauf, dass sie sich nicht berühren. Und zentrieren Sie die Teile. Platzieren Sie insgesamt sechs Gramm Barium und Wismut im gewünschten molaren Verhältnis in der Mitte einer Lichtbogenschmelzstufe.

Evakuieren Sie die Kammer und füllen Sie sie mindestens dreimal mit Argon. Schließen Sie dann den Augenschutz und schalten Sie den Lichtbogenschmelzstrom ein, um die Teile miteinander zu schmelzen. Schalten Sie den Strom- und Lichtbogenschmelzer aus und entfernen Sie den Probentisch.

Drehen Sie die Legierung um und befestigen Sie den Tisch in der Lichtbogenschmelzkammer. Wiederholen Sie den Lichtbogenschmelzvorgang noch zweimal, um eine homogene Legierung zu bilden. Der Schlüssel zum richtigen Lichtbogenschmelzen besteht darin, den Strom niedrig genug zu halten, um die Metalle miteinander zu schmelzen, ohne sie signifikant zu verdampfen.

Und um die Homogenität des Metalls zu gewährleisten, indem es mehrmals nachgeschmolzen wird. Schneiden Sie die umgeschmolzene Legierung in drei bis sechs Stücke und schmelzen Sie die Stücke zusammen. Lagern Sie die Legierung unter einer inerten Argonatmosphäre.

Wiederholen Sie diesen Vorgang für jede zu prüfende Legierungszusammensetzung. Schneiden Sie als Nächstes sechs 46 Zentimeter lange Längen von einem Millimeter Wolframdraht ab. Schleifen und reinigen Sie die Drahtoberfläche mit Schmirgelpapier der Körnung 100 und Aceton.

Führen Sie die Drähte in sechs Aluminiumoxidrohre ein. Positionieren Sie die Drähte mit 12,7 Zentimetern Freifläche am unteren Rand jedes Rohrs und 2,5 Zentimetern Freiliegend an der Oberseite. Fixieren Sie die Drähte mit schnell aushärtendem Epoxidharz.

Befestigen Sie ein 45 Zentimeter langes Thermoelement vom Typ K in einem anderen Aluminiumoxidrohr. Übertragen Sie die Komponenten der elektrochemischen Zellbaugruppe in eine mit Argon gefüllte Handschuhbox. Verwenden Sie eine Mini-Drehmaschine, um die Legierungen so zu formen, dass sie in die Löcher im Elektrolytpellet passen.

Bohren Sie ein zwei Millimeter breites Loch in die Mitte jeder Legierung. Danach wird das zentrierte Elektrolytpellet in den sauberen Aluminiumoxidtiegel der Prüfkammer gelegt. Zwei der äußeren Vertiefungen werden mit einer Barium-Wismut-Referenzlegierung mit bekanntem molaren Verhältnis gefüllt.

Füllen Sie die verbleibenden äußeren Vertiefungen mit vier Barium-Wismut-Legierungen mit unterschiedlichen Molverhältnissen. Setzen Sie Elektrolytkappen über jede gefüllte Vertiefung. Führen Sie dann eine elektrische Kabelbaugruppe aus Wolframdraht durch einen äußeren Vakuumanschluss der Kammerkappe und der Kammerleitplatten ein.

Mit dem freiliegenden 12,7 Zentimeter langen Draht nach unten. Fädeln Sie den Draht durch eine Elektrolytkappe und eine Legierung. Stellen Sie sicher, dass die Spitze des Drahtes fest gegen den Elektrolytboden der Vertiefung gedrückt wird.

Montieren Sie auf diese Weise elektrische Leitungen zu den restlichen fünf äußeren Vertiefungen. Beim Zusammenbau der elektrochemischen Zelle ist es zwingend erforderlich, dass die Elektroden die Vertiefungen im Elektrolyten füllen und die Wolframleitungen in Kontakt mit den Elektroden sind. Kontaktprobleme sind die häufigsten Ursachen für Ausfälle.

Setzen Sie das Thermoelement in den Mittelvakuumanschluss ein und setzen Sie es in die mittlere Vertiefung ein. Platzieren Sie einen O-Ring in der Nut der Vakuumkammer aus Edelstahl. Laden Sie die elektrochemische Zellenbaugruppe vorsichtig in die Prüfkammer.

Ziehen Sie die Vakuumdichtungen und Klemmen fest. Anschließend wird die zusammengebaute Kammer in einen Tiegelofen geladen. Umhüllen Sie die freiliegende Oberfläche der Vakuumkammer außerhalb des Ofens mit einer zweilagigen Glasfaserisolierung.

Befestigen Sie die Kühlmittelleitungen, die Vakuumleitung und die Argonleitung an der Prüfkammer. Schließen Sie den Gasauslassanschluss und evakuieren Sie die Prüfkammer auf unter 10 Millitorr. Trocknen Sie die Kammer unter dynamischem Vakuum.

Spülen Sie dann die Kammer mindestens dreimal. Beginnen Sie, Argon mit 50 Millilitern pro Minute bei einer Atmosphäre Kammerdruck durch die Kammer zu fließen. Verbinden Sie die Zähl- und Referenzelektroden aus der Küvettenbaugruppe mit einem Potentiostaten.

Schließen Sie die Arbeitselektroden an einen Multiplex-Schaltkasten an. Schließen Sie ein Erdungskabel an die Edelstahlprüfkammer an und stecken Sie das andere Ende in eine geerdete Steckdose. Beginnen Sie gleichzeitig mit der Erfassung von Temperatur- und elektromotorischen Kraftdaten.

Heizen Sie dann den Ofen von 543 Kelvin auf 1.073 Kelvin bei fünf Kelvin pro Minute auf. Programmieren Sie den Ofen so, dass er von 1.073 Kelvin auf 723 Kelvin bei fünf Kelvin pro Minute wechselt und alle 25 Kelvin ein bis zwei Stunden hält. Anhand der während dieses Zyklus aufgezeichneten Messungen können die elektromotorischen Kraftwerte jeder Legierung in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmt werden.

Eine Barium-Wismut-Legierung mit einem Bariummolenbruch von 0,05 wurde als Referenzelektrode für elektromotorische Messungen anderer Barium-Wismut-Legierungen verwendet. Die Potentialdifferenz zwischen den identischen Legierungen mit 0,05 Molenbruch betrug während der gesamten Messung weniger als zwei Millivolt, was darauf hindeutet, dass die Legierung eine zuverlässige Referenz war. Symmetrische elektromotorische Kraftprofile wurden für die Legierungen mit Bariummolenbrüchen von 0,10 und 0,20 beobachtet, was darauf hindeutet, dass während des thermischen Zyklus reproduzierbare elektromotorische Kraftwerte erhalten wurden.

Die Referenzelektrode wurde in Bezug auf reines Barium kalibriert. Anschließend wurden die elektromotorischen Kraftwerte von Legierungen mit Bariummolenbrüchen im Bereich von 0,05 bis 0,25 in Bezug auf reines Barium bewertet. Lineare Fünftel der Daten wurden verwendet, um Änderungen der partiellen molaren Entropie und Enthalpien zu berechnen.

Die Aktivität von Barium wurde ebenfalls aus den elektromotorischen Kraftwerten berechnet. Elektromotorische Kraftmessungen wurden mit dynamischer Differenzkalorimetrie, Atomemissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma und Röntgenbeugungsdaten kombiniert, um die Phasenübergangstemperaturen für jede Legierungszusammensetzung zu bestimmen. Dies wurde verwendet, um das Phasendiagramm der Barium-Wismut-Legierung zu verfeinern.

Einmal gemeistert, kann diese Technik in drei Tagen durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Denken Sie beim Versuch dieses Verfahrens daran, bei der Einrichtung und Ausführung aller Schritte sorgfältig und geduldig zu sein. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie die elektromotorische Kraftmesstechnik durchführen.

Untersuchung der thermodynamischen Eigenschaften binärer Legierungssysteme.