Способ определения газопроницаемости материалов

Изобретение относится к техникеизмерения проницаемости материаловгазами.Известен способ определения газо"проницаемости пористых материалов,основанный на пропускании газа через испытуемьдй образец и измерениидавлений газа на входе в Образеци на.его выходе, расхода газа и егоскорости на выходе из материала 111, 10Недостатком этого способа является необходимость измерения большого числа параметров,Известен способ определения возду хопроницаемости материалов, заключающийся в создании перепада давления между внутренней полостью камеры и внешней средой и измерении временной зависимости давления в полости 20 после отключения камеры от насоса 2 д.Недостатком данного способа явля. ется его невысокая точность, так как величину газового потока через 25 образец определяют косвенно по давлению и в нестационарном режиме,Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения газопроницаемости ЗО материалов, заключающийся в пропускании электрического тока через, электрохимическую ячейку с пористыми электродами, один иэ которых отделен исследуемым образцом от объема с га- З зом, измерении величины тока в стационарном состоянии и определении газопроницаемости по величинам тока и перепада давления 3 .К недостаткам известного способз относится необходимость проведения дополнительных измерений с ячейкой без образца для получения калибровочной зависимости, связывающей величину тока с перепадом давления для 45 определения значений перепада давления при осуществлении способа.Цель изобретения - упрощение спо соба путем исключения операций независимого определения перепада дав О ления.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения газопроницаемости материалов 1 заключающемуся в пропускании элект-, рического тока через электрохимическую ячейку с пористыми электродами один из которых отделен исследуемым образцом от объема с газом, измерении величины тока в стационарномсостоянии и определении газопроницаемости по величинам тока и перепададавления, регистрируют зависимостьэлектродвижущей силы на электродахот времени после выключения тока,определяют по этой зависимости величину электродвижущейся силы в момент выключения тока и по полученнымзначениям рассчитывают перепад дав-ления,На фиг,1 приведена схема устройства для определения газопроницаемос.ти; на фиг,2 - график зависимостинапряжения на электродах ячейки отвремени.Устройство для осуществленияпредложенного способа представляетсобой электрохимическую ячейку, выполненную из твердого электролита 1и снабженную двумя пористыми электродами, Исследуемый образец 2 герметично соединяют с ячейкой таким образом, что его внутренняя сторонаобразует с электродом 3 замкнутоегазовое пространство, Другой электрод 4 располагают в той же газовойсреде, что и наружная сторона образца, Для пропускания через ячейкуэлектрического тока к электродам через ключ 5 и амперметр 6 подключаютвнешний источник ЭДС 7. Для регистрации временной зависимости ЭДС наэлектродах ячейки после отключениятока к ним подключают вольтметр илиосциллограф 8. Устройство работает следующим образом.Через твердый электролит, обладающий, например, проводимостью по ионам кислорода, пропускают электрический ток, в результате чего происходит перенос газа из одного приэлектронного пространства в другое, Таким образом, создают перепад давлений с противоположных сторон образца. Величина перепада давлений принимает определенное значение после достижения стационарного состояния, когда потоки через электролит и исследуе мый Образец уравниваются,На фиг.2 представлена типичная временная зависимость ЭДС на электродах электрохимической ячейки. Напряжение О на электродах при пропускании между ними электрического то(4) Е=2 Е -Е1 г 3 11387 ка 3 от внешнего источника ЭДС складывается из следующих составляющихО =ЗР+ 1, + Е, (1) где Р - омическое сопротивление ячейки;1 - суммарная поляризация элект. родов;Е - ЭДС концентрационного гальванического элемента, величи Она которой определяется уравнением Нернста где Р - газовая постоянная, Дж/г мольград;Т " абсолютная температура, К;и - заряд иона потенциалопреде Оляющего газа;Г - число Фарадея, Кул/г моль; Р ,Р - парциальные давления газа всредах, контактирующих сэлектродами ячейки, Па. 25Величину Е, соответствующую отношению парциальных давлений газа при прохождении в ячейке электрического тока, опредяляют по ее значению в момент выключения тока.(йо), Для этого кривую спада ЗДС концентрационного гальванического элемента во времени экстраполируют на ось ЭДС, проходящую через точку, соответствующую моменту выключения тока,С целью, дальнейшего упрощения оп- . ределения величины Е на прямолинейном участке спада ЭДС концентрационного гальванического элемента измеряют по крайней мере два значения ЭДС Е и Е через определенные интервалы времени 1 и Йг с момента вы - ключения тока, например в точках А и В (фиг.2 ), Величину ЭДС Е в момент выключения тока (точка О ) определяют следующим образом. Из фиг.2 видно, что Е = ОМ + Е, так как отрезок ЧМ параллелен оси абсцисс по построению. Прямоугольные треугольники АОИ и АВМ подобны вследствие равенства их углов, из подобия треугольников следует ОИ = МВ АИ/АМ.Отношение отрезков АИ/АМ равноотношению Й /С -Й ; а величина отрезг 1 фка МВ равна разности величин Е иЕг, следовательно Е - ЭДС концейт 11 4рационного гальванического элемента, можно определить по формуле Выключение электрического тока, проходящего в ячейке, после установления стационарного состояния и измерения его величины, и последующее определение значения ЭДС, соответствующего отношению парциальных давлений газа на противоположных сторонах образца, в момент выключения тока позволяет определить перепад давлений в заданных условиях, не прибе" гая к определению калибровочной зависимости, что в целом упрощает процесс определения газопроницаемости. Точность определения при этом не уменьшается, так как определение перепада давлений осуществляется в процессе испытаний конкретного образца при заданных условиях, что исключает погрешности, возможные при определении калибровочной зависимости и связанные с необходимостью точного воспроизведения условий, при которых снята калибровочная зависимость, во время испытаний образца. Л р и м е р. При исследовании кислородопроницаемости ряда оксидных полупроводников в интервале темпера" тур 600-1273 К применена электрохи- мическая ячейка с твердым электролитом на основе диоксида циркония иФплатиновыми электродами. При достижении стационарного состояния и после измерения величины электрического тока последний выключают и с помощью запоминающего осциллографа регистрируют временную зависимость ЭДС на электродах ячейки. Значенйе ЗДС, соответствующее отношению Раг, определяют по осциллограмме спада ЗДС во времени. В случаях, когда характер кривой известен, ток в ячейке выключают и с помощью цифрового импульса вольтметра измеряют два значения ЭДС через равные промежутки времени. В этол случае Сг = 211, и значение ЭДС в момент вь;ключения тока определяют по формуле) 1 104 5 8.103Перепад давлений, т.е. их разви 11 1ца Рог -Ро) ) составляет при этом 2,1 104-5)8 105 = 1,52 104 Па. Поток кислорода через образец в соответствии с законом Фарадея определяется как 0 где Е ,Е - результаты первого и нто 1)рого измерений соответственно, Формула (4) представляет собой частныйслучай уравнения (3). 5При испытании образца диоксида церия, изготовленного в виде таблетки диаметром 6,0 и толщиной 1,12 мм при температуре 1273. К и парциальном давлении кислорода в газовой среде с 10 паружной стороны образца 2,110 Па4 (атмосферный воздух ) к электродам электрохимической ячейки приложено стабилизированное напряжение величиной 37 мВ в полярности, приводящей 15 к уменьшению парциального давления кислорода с внутренней стороны образца относительно внешней газовой среды. Величина электрического тока, проходящего через ячейку, после ус тановления стационарного состояния составляет 72 мкА.По осциллограмме временной зависимости ЭДС на электродах ячейки после отключения электрического тока опре делено значение ЭДС, соответствующее отношению давлений с противоположных сторон образца, которое составляет 35 мВИз уравнения Нернста (2 ) следует, З 0 что величина парциального давления кислорода с внутренней стороны образца равнапоток газа, м /с;зэлектрический ток, А;объем 1 г - молекулы газапри нормальных условиях,мзчисло электронов, участвую.щих в электрохимнческой реакции при образовании 1-й Где027 алЧо молекулы газа;Г число фарадея, Кул/г моль Удельный поток кислорода с учетом толщины с) и площади поперечного сечения образца 5 равен.3 О 2 ДЛ=7 .10 4,00 1 12 102,83 10 ) 1,651 О " мс/с На основании закона Фика постоянная кислородопроницаемости: П равна Зов д/5 , 1,65 10 "-Р 2 1,52 10 ф)х 10 м 2/с Па.Использование предлагаемого спо-.соба позволяет упростить процесс определения газопроницаемости, таккак для его осуществления достаточно определить лишь то значение перепада давлений, значение которогО необходимо для расчета газопроницае-,мости испытуемого материала в конкретных условиях испытаний,При этом электрохимическую ячейку используют не только для создания перепада давлений и определения по. тока газа, но и для определения величины перепада давлений в широком диапазоне давлений и температур,Предлагаемый способ может применяться для испытаний кислородопроницаемости широкого круга материалов, предназначенных для использования в вакуумной технике, химической промышленности и металлургии, Особое значение способ имеет при исследовании материалов, обладающих газопроницае. мостью исключчтельцо по кислороду.Редактор П.Коссей тор И.Эрд Тирай 897 НИИПИ Государственн по делам изобрете москва, Ж, Ра. Уагород,и оектная, 4 аз 10679 33 Подпис о комитета ССС ий и открытий ская наб,д, 4