Wyznaczanie temperatur charakterystycznych przy użyciu mikroskopu wysokotemperaturowego
1. Cel Wyznaczenie temperatur charakterystycznych różnych materiałów przy użyciu mikroskopu wysokotemperaturowego. 2. Wstęp Mikroskopia wysokotemperaturowa należy do grona metod badania właściwości termicznych różnego typu materiałów. Połączenie piecyka i mikroskopu umożliwia obserwację zjawisk fizycznych i chemicznych zachodzących w materiale in situ. Pierwsze badania w mikroskopie wysokotemperaturowym wykonano już w 1865 r. kiedy to przeprowadzono obserwację zachowania kawałka miedzi poddanego ogrzewaniu w palniku gazowym. Rozwój mikroskopii wysokotemperaturowej nastąpił w momencie opracowania i udoskonalenia niewielkich piecyków elektrycznych o dobrze kontrolowanej temperaturze. Typowymi obszarami zastosowania mikroskopii wysokotemperaturowej jest określanie temperatur rozkładu, sublimacji, temperatur przejść fazowych, temperatur charakterystycznych itp. różnego typu substancji jak np. wulkanizacja gumy, mięknięcie szkieł, koagulacji koloidów, obserwacja reakcji chemicznych zachodzących w podwyższonych temperaturach, dehydratacji i dehydroksylacji minerałów, tworzenia nowych faz, spiekania. Przy użyciu tego typu mikroskopu można również określić wpływ dodatków na temperaturę topienia, temperaturę powstawania fazy ciekłej oraz charakter procesów zwilżania w układzie badana próbka i podłoże. Obecnie mikroskopia wysokotemperaturowa jest jedną ze standardowych metod badania materiałów. Przy jej użyciu określa się podstawowe właściwości technologiczne szkieł jak: topliwość, lepkość, zwilżalność, napięcie powierzchniowe. Może służyć również do badania przebiegu topienia zestawów szklarskich, kontroli produkcji szkliw ceramicznych i emalierskich. W przemyśle materiałów ogniotrwałych stosuje się ją do badania: kąta granicznego między szkłem i materiałem ogniotrwałym, obserwacji procesu pęcznienia glin ogniotrwałych w celu wytypowania optymalnych dodatków, korozji kontaktowej wyrobów kadziowych na podstawie określenia temperatur mięknięcia, topienia i płynięcia oraz kąta zwilżania żużli i ich mieszanek z materiałami ogniotrwałymi, procesu spiekania różnych odmian surowców itp. W mikroskopie grzewczym określa się następujące tzw. temperatury charakterystyczne ( na podstawie normy PN-82/G-04535): Temperatura spiekania (T S ) temperatura, w której rozpoczyna się nadtapianie poszczególnych ziarn na granicy ich zetknięcia, przy równoczesnym zmniejszaniu się wymiarów kształtu próbki, bez zmiany jej początkowej postaci (Rys.2). 1
Temperatura mięknięcia (T A ) temperatura, w której obserwuje się pierwszą oznakę mięknięcia kształtki. Stwierdza się ją na podstawie zmiany powierzchni, zaokrąglenia lub przegięcia kształtki. Naroża próbki ulegają zaokrągleniu (Rys 3). Temperatura topienia (T B ) temperatura, w której kształtka topi się, przyjmując w przybliżeniu postać półkuli o wysokości równej długości podstawy kształtki w tej temperaturze ( w przypadku sześcianu lub walca wysokość półkuli jest w przybliżeniu równa 2/3 pierwotnej wysokości kształtki ) (Rys 4.). Temperatura płynięcia (T C ) temperatura, w której kształtka rozpływa się tworząc warstwę o grubości równej ok. 1/3 wysokości półkuli obserwowanej w temperaturze topnienia (T B ) (Rys. 5). Rys. 1. Badana próbka w temperaturze pokojowej. Rys. 2. Temperatura spiekania (T=760 o C) 2
Rys. 3. Temperatura mięknięcia (T=1080 o C) Rys. 4. Temperatura topienia (T=1100 o C ) Rys. 5. Temperatura płynięcia (T=1150 o C) Oprócz obserwacji zmian kształtu próbki w mikroskopie wysokotemperaturowym można wyznaczyć zmiany wymiarów liniowych badanej próbki w zależności od temperatury krzywa przebiegu topienia. Zmiany wymiarów liniowych odpowiadają zmianom wysokości badanej próbki lub zmianom obserwowanego pola przekroju. Względną zmianę wymiarów liniowych oblicza się na podstawie wzoru: 3
lub h h( T) h T 0 100 [%] h 0 gdzie: P P( T) P h 0 wysokość próbki w temperaturze pokojowej T 0 100 [%] P 0 pole przekroju próbki w temperaturze pokojowej h(t) wysokość próbki w temperaturze T P(T) pole przekroju próbki w temperaturze T. P 0 Rys. 6. Względna zmiana wysokości próbki w zależności od temperatury. 4
Rys. 7. Względna zmiana pola przekroju próbki w zależności od temperatury. 3. Metodyka badań Na Rys. 8 przedstawiony jest schemat budowy mikroskopu wysokotemperaturowego, można w nim wyróżnić 3 główne części A- układ oświetlający, B- piec elektryczny z miejscem na próbkę i miernikiem temp., C-mikroskop do obserwacji i fotografowania. 5
Rys. 8. Schemat mikroskopu wysokotemperaturowego: 1- żarówka, 2-kondensator, 3-piec, 4- próbka, 5-miernik temp., 6-obiektyw, 7-okular, 8-płytka, 9-zwierciadło odchylne, 10-matówka, 11- lupa, 12-aparat fotograficzny. Piec elektryczny jest to poziomy piec rurowy o średnicy wewnętrznej rury grzewczej ok. 20 mm i uzwojeniu grzejnym platynowo-irydowym. Do pieca przymocowana jest prowadnica z wózkiem, który pozwala na wsuwanie i wyciąganie z rury pieca termopary spełniającej rolę uchwytu dla stolika z próbką. Temperaturę w piecu mierzy się przy pomocy termopary Pt-Rh-Pt, która połączona jest z galwanometrem wbudowanym w układ optyczny mikroskopu. Pozwala to na rejestrację temperatury na matówce mikroskopu. Materiał przeznaczony do badań musi być próbą reprezentatywną. W przypadku materiału proszkowego musi być on utraty wstępnie w moździerzu agatowym do uziarnienia poniżej 0.063 mm. a następnie zwilża się wodą w celu uzyskania masy plastycznej. Jeżeli badany materiał jest nieelastyczny należy zwilżyć go dekstryną albo alkoholem. Z tak przygotowanej masy formuje się w ręcznej prasce stemplowej będącej na wyposażeniu mikroskopu próbkę o wybranym kształcie. Obserwowaną próbką może być także kawałek szkliwa, odłamek wyrobu, ziarno itp. Wymiary próbki nie powinny przekraczać 3 mm wysokości i 3 mm średnicy. Uformowaną próbkę umieszcza się na podstawce ceramicznej i wraz z podstawką umieszcza się na końcówce termopary. Następnie wsuwa się do rury grzewczej pieca. Kolejno reguluje się ustawieniem pieca aby uzyskać obraz próbki w środku pola widzenia, tak aby krawędzie pastylki pokrywały się z liniami siatki pomiarowej. Ogrzewanie próbki prowadzi się z prędkością ok. 10 o C/min. Podczas ogrzewania obserwuje się na tle siatki pomiarowej zmiany obrazu konturów próbki i wykonuje się zdjęcia z częstotliwością umożliwiającą właściwą rejestrację przebiegu tych zmian. 6
4. Przebieg ćwiczenia 1. Z przygotowanego materiału uformować sześcian przy użyciu formy oraz praski ręcznej. 2. Otrzymaną próbkę umieścić na podstawce ceramicznej i wraz z podstawką umieścić na końcówce termopary. 3. Wsunąć końcówkę termopary wraz z próbką do rury grzewczej pieca, a następnie ustawić obraz próbki w środku pola widzenia, tak aby przynajmniej dwie krawędzie próbki pokrywały się z liniami siatki pomiarowej. 4. Włączyć zasilanie pieca i w trakcie całego pomiaru ustawiać prąd według poniższego schematu, który odpowiada szybkości grzania ok. 10 o C/ min: T [ o C] Prąd [A] 20 4,0 100 4,0 200 4,5 300 4,5 400 4,5 500 4,6 600 4,9 700 5,0 800 5,4 900 5,5 1000 5,8 1100 6,0 1200 6,2 1300 6,5 1400 6,6 1500 6,7 5. Podczas całego pomiaru obserwować obraz próbki, notować temperaturę i rodzaj zmiany oraz wykonywać odpowiednie zdjęcia. 7
5. Opracowanie wyników 1. Na podstawie przeprowadzonych obserwacji i wykonanych zdjęć wyznaczyć temperatury charakterystyczne badanej próbki. 2. Wykonać wykres zależności względnej zmiany wysokości i pola przekroju próbki od temperatury. 3. Oszacować kąt zwilżania badana próbka podłoże. 4. Skomentować otrzymane wyniki. 8