Determinazione delle proprietà termodinamiche di leghe di metalli alcalino-terrosi-liquido usando la tecnica di forza elettromotrice

L'obiettivo generale di questa tecnica è quello di misurare le proprietà termodinamiche dei sistemi metallici binari, come l'attività, l'entropia molare parziale e le entalpie molari parziali. Questo metodo versatile può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo metallofilo sulle proprietà termodinamiche delle leghe binarie. Il vantaggio principale di questa tecnica è che ci permette di sondare con precisione le grandezze termodinamiche per i sistemi binari di lega, che sono spesso difficili da misurare, come l'attività.

A dimostrare la procedura saranno Nate Smith, Tim Lichtenstein e Jarrod Gesualdi, tutti studenti del mio laboratorio. Per prima cosa, prepara in una bottiglia da 1,5 litri una miscela da 350 grammi di fluoruro di calcio al 97% mole e fluoruro di bario al tre mole percento. Aggiungere a questa miscela 1,3 chilogrammi di un mezzo di macinazione in zirconia stabilizzato con ittrio da tre millimetri e 25 grammi di alcol polivinilico.

Sospendere la miscela in una quantità sufficiente di alcol isopropilico per riempire 4/5 del flacone. Quindi, posizionare la bottiglia su un mulino a palle e macinare il composto per 24 ore a 250 giri/min. Separare la miscela di elettroliti dal mezzo di macinazione con un setaccio da 10 maglie.

Usa una bottiglia da spremere di alcol isopropilico per sciacquare la miscela di sale rimanente dal mezzo. Asciugare la miscela di elettroliti macinati in una cappa aspirante per 24 ore. Quindi, usa un mortaio e un pestello per macinare il composto fino a ridurlo in polvere fine.

Quindi, caricare uniformemente 130 grammi di polvere elettrolitica in un colorante in pellet da 75 millimetri per 60 millimetri. Utilizzare una pressa per colorante per applicare uniassialmente 30 mega pascal sulla polvere per due minuti. Quindi, capovolgere il colorante in pellet e posizionare un anello in acciaio inossidabile sul colorante con il pellet centrato all'interno dell'anello.

Applicare con cautela una barra sul punzone di tintura in pellet per rimuovere il pellet di elettrolita dal colorante. Quindi, utilizzare una punta da trapano da un millimetro per praticare un foro di maschiatura profondo 0,5 millimetri al centro del pellet. Praticare sei fori di maschiatura equidistanti attorno al primo, ciascuno con una distanza da centro a centro di 25.4 millimetri dal primo foro.

Sostituire la punta del trapano con una punta da 11,2 millimetri. Guidato dai fori di maschiatura. Perforare sette pozzetti profondi 12 millimetri nel pellet.

Prossimo posto 4,5 grammi di polvere elettrolitica finemente macinata in un colorante in pellet da 19 millimetri per 15 millimetri. Utilizzare la pressa colorante per applicare uniassialmente 7,5 mega pascal sulla polvere per un minuto per formare un tappo elettrolitico.

Prepara un totale di sei tappi in questo modo. Usa una punta da trapano da due millimetri per praticare un foro al centro di ciascun tappo. Quindi coprire leggermente una lastra di allumina di 10 centimetri con polvere di allumina corse.

Posizionare ogni pezzo di elettrolito sulla piastra assicurandosi che non si tocchino. E centra i pezzi. Posizionare un totale di sei grammi di bario e bismuto nel rapporto molare desiderato al centro di uno stadio di fusione ad arco.

Evacuare e riempire la camera con argon almeno tre volte. Quindi chiudere lo schermo di protezione per gli occhi e attivare la corrente del fusore ad arco per fondere insieme i pezzi. Spegnere il fusore di corrente e ad arco e rimuovere lo stadio del campione.

Capovolgere la lega e fissare lo stadio nella camera di fusione ad arco. Ripetere la procedura di fusione ad arco altre due volte per formare una lega omogenea. Le chiavi per fondere correttamente l'arco sono mantenere la corrente abbastanza bassa da fondere i metalli insieme senza vaporizzarli in modo significativo.

E per garantire che il metallo sia omogeneo rifondendolo più volte. Tagliare la lega rifusa in tre-sei pezzi e fondere i pezzi insieme. Conservare la lega in un'atmosfera inerte di argon.

Ripetere questo processo per ogni composizione di lega da testare. Quindi, taglia sei lunghezze di 46 centimetri di filo di tungsteno da un millimetro. Carteggiare e pulire la superficie del filo con carta vetrata a grana 100 e acetone.

Inserire i fili in sei tubi di allumina. Posizionare i fili con 12,7 centimetri esposti nella parte inferiore di ciascun tubo e 2,5 centimetri esposti nella parte superiore. Fissare i fili in posizione con resina epossidica a polimerizzazione rapida.

Fissare una termocoppia di tipo K da 45 centimetri in un altro tubo di allumina. Trasferire i componenti del gruppo cella elettrochimica in una scatola a guanti riempita di argon. Usa un mini tornio per modellare la lega in modo che si adatti ai fori nel pellet dell'elettrolita.

Praticare un foro largo due millimetri al centro di ciascuna lega. Successivamente, posizionare il pellet di elettrolita centrato nel crogiolo di allumina pulito della camera di prova. Riempire due dei pozzetti esterni con una lega di riferimento bario-bismuto di rapporto molare noto.

Riempire i pozzetti esterni rimanenti con quattro leghe di bario-bismuto di diversi rapporti molari. Posizionare i tappi degli elettroliti su ogni pozzetto pieno. Quindi inserire un cavo elettrico in filo di tungsteno attraverso una porta del vuoto esterna del tappo della camera e dei deflettori della camera.

Con la lunghezza esposta di 12,7 centimetri del filo rivolta verso il basso. Infilare il filo attraverso un cappuccio dell'elettrolita e la lega. Assicurarsi che la punta del filo sia saldamente premuta contro il pavimento elettrolitico del pozzo.

Montare i cavi elettrici nei restanti cinque pozzetti esterni in questo modo. Durante l'assemblaggio della cella elettrochimica, è imperativo che gli elettrodi riempiano i pozzetti dell'elettrolita e che i conduttori di tungsteno siano a contatto con gli elettrodi. I problemi di contatto sono le cause più diffuse di guasto.

Inserire la termocoppia nella porta del vuoto centrale e posizionarla nel pozzetto centrale. Posizionare un o-ring nella scanalatura della camera a vuoto in acciaio inossidabile. Caricare con cautela il gruppo cella elettrochimica nella camera di prova.

Serrare le guarnizioni del vuoto e i morsetti. Quindi caricare la camera assemblata in un forno a crogiolo. Avvolgere la superficie esposta della camera a vuoto all'esterno del forno con due strati di isolamento in fibra di vetro.

Collegare le tubazioni del refrigerante, la linea del vuoto e la linea dell'argon alla camera di prova. Chiudere la porta di uscita del gas ed evacuare la camera di prova a meno di 10 millitorr. Asciugare la camera sotto vuoto dinamico.

Quindi svuotare la camera almeno tre volte. Inizia a far fluire l'argon attraverso la camera a 50 millilitri al minuto a un'atmosfera di pressione della camera. Collegare il contatore e gli elettrodi di riferimento dal gruppo cella a un potenziostato.

Collegare gli elettrodi di lavoro a una scatola di commutazione multiplexing. Collegare un cavo di terra alla camera di prova in acciaio inossidabile e collegare l'altra estremità a una presa con messa a terra. Inizia contemporaneamente a raccogliere dati sulla temperatura e sulla forza elettromotrice.

Quindi riscaldare il forno da 543 kelvin a 1.073 kelvin a cinque kelvin al minuto. Programmare il forno in modo che passi da 1.073 kelvin a 723 kelvin a cinque kelvin al minuto, mantenendolo per una o due ore ogni 25 kelvin. Utilizzare le misure registrate durante questo ciclo per determinare i valori della forza elettromotrice di ciascuna lega in funzione della temperatura.

Una lega bario-bismuto con una frazione molare di bario di 0,05 è stata utilizzata come elettrodo per le misure elettromotrici di altre leghe bario-bismuto. La differenza di potenziale tra le leghe identiche con frazione molare da 0,05 era inferiore a due millivolt durante la misurazione, indicando che la lega era un riferimento affidabile. Sono stati osservati profili simmetrici della forza elettromotrice per le leghe con frazioni molari di bario di 0,10 e 0,20, indicando che i valori di forza elettromotrice riproducibili sono stati ottenuti durante il ciclo termico.

L'elettrodo di riferimento è stato calibrato rispetto al bario puro. I valori della forza elettromotrice di leghe con frazioni molari di bario comprese tra 0,05 e 0,25 sono stati quindi valutati rispetto al bario puro. I quinti lineari dei dati sono stati utilizzati per calcolare le variazioni dell'entropia molare parziale e delle entalpie.

L'attività del bario è stata calcolata anche dai valori della forza elettromotrice. Le misure della forza elettromotrice sono state combinate con la calorimetria differenziale a scansione, la spettroscopia di emissione atomica al plasma accoppiato induttivamente e i dati di diffrazione dei raggi X, per determinare le temperature di transizione di fase per ciascuna composizione di lega. Questo è stato utilizzato per perfezionare il diagramma di fase della lega bario-bismuto.

Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in tre giorni se eseguita correttamente. Durante il tentativo di questa procedura, ricorda di essere diligente e paziente nella configurazione e nell'esecuzione di tutti i passaggi. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come eseguire la tecnica di misurazione della forza elettromotrice.

Studiare le proprietà termodinamiche di sistemi binari in lega.