МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ

КАФЕДРА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ НАНОСИСТЕМ И

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МАТЕРИАЛ

Курсовая работа по дисциплине

«Методы физико-химических исследований»

на тему:

«Проект исследовательской установки по определению вязкости методом параболоида вращения в интервале температур 20 – 1100 °C»

Студент: Загулин Евгений

Группа: ФХ-12-2/Ф7-12-2

Вариант: 2

Руководитель работы: Конюхов Юрий Владимирович

Оценка________________________

Дата ________________________

Москва 2016

Оглавление

Введение 4

Измерение вязкости весьма востребованная задача, так как с каждым днем растет интерес к исследованию структурных превращений в жидких металлах и их сплавах, потому что в свое время они влияют на свойства кристаллических и аморфных твердых тел. Поэтому, вязкость является важнейшим физическим свойством. Одним из наиболее эффективных и часто используемых способов исследования структуры расплава является измерение кинематической вязкости. 4

Вязкость металлов в значительной мере определяет скорости различных физико-химических процессов и особенно диффузионные явления в расплавах. Вязкость металла влияет на выбор режима разливки, определяет условия формирования слитка, заполняемость литейных форм. Существует связь между вязкостью жидкого металла и процессом его кристаллизации, а следовательно, и свойствами твердого металла. Для характеристики вязкости жидкости принят коэффициент вязкости η, называемый динамической вязкостью. Значение этого коэффициента, зависящего от природы жидкости, можно определить, исходя из закономерностей изменения силы внутреннего трения, возникающей между двумя слоями несжимаемой жидкости, перемещающимися с различной скоростью относительно друг к другу [1]. 4

Для улучшения физических и механических свойств конечных продуктов, получаемых из расплавленных металлов или полимеров, применяют наномодифицирование. Инжекцию нанодобавок проводят в жидком состоянии, что приводит к уменьшению вязкости исходных веществ, что нужно обязательно учитывать при разливке или экструдировании. 4

1. Анализ литературных данных 5

1.1 Общая характеристика явления вязкости 5

1.2 Общая характеристика методов измерения вязкости 6

1.3 Подготовка образцов для вискозиметрических измерений 10

1.4 Метод параболоида вращения 8

1.1 Применение вискозиметров 9

1.1.1 Области применения 9

1.1.2 Применение в физико-химическом анализе металлических расплавов 9

1.2 Выводы по анализу литературных данных 11

При измерении вязкости жидких металлов с использованием метода параболоида вращения особое внимание должно быть обращено на соблюдение условий, обеспечивающих гомогенизацию расплава, равномерность температурного поля в месте расположения образца металла и исключение возможности взаимодействия жидкого металла с огнеупорным тиглем и нейтральной атмосферой. Даже применение высокоочищенных нейтральных газов(гелия, аргона) не исключает возможности поверхностного окисления образца жидкого металла. Образование на поверхности оксидной пленки, что является характерным для таких активных металлов как алюминий, кремний, титан, цирконий и др., а также расплавов железа, содержащих эти элементы, может привести к существенным ошибкам определения вязкости, что иногда принимают за аномальное поведение вязкости. 11

2 Описание работы вискозиметра, основанного на методе параболоида вращения 12

3 Подбор оборудования 14

3.1 Выбор печи 14

3.2 Выбор термопары 15

3.3 Выбор тигля 15

3.4 Выбор источника гамма-излучения 16

3.5 Выбор механического привода 17

3.6 Выбор водоохлаждаемого кожуха 17

3.7 Выбор детектора излучения 18

Dt-1130 (рисунок 8) детектора электромагнитного излучения. Управление устройством простое и состоит из двух кнопок: включить и зафиксировать измерение. Данный прибор эффективно определяет наличие и силу электромагнитного излучения, и путем принятия мер безопасности позволяет избежать его негативного воздействия как на организм человека так и на различные электронные устройства. Детектор излучения можно заказать на сайте http://ru.aliexpress.com/ 18

18

3.8 Выбор потенциометра 19

Достоинства цифрового потенциометра 19

4 Технико-экономический анализ 19

Цифровой потенциометр 20

5 Инструкция по технике безопасности 20

6 Вывод по курсовой работе 21

Список использованной литературы 22

Введение

Измерение вязкости весьма востребованная задача, так как с каждым днем растет интерес к исследованию структурных превращений в жидких металлах и их сплавах, потому что в свое время они влияют на свойства кристаллических и аморфных твердых тел. Поэтому, вязкость является важнейшим физическим свойством. Одним из наиболее эффективных и часто используемых способов исследования структуры расплава является измерение кинематической вязкости.

Вязкость металлов в значительной мере определяет скорости различных физико-химических процессов и особенно диффузионные явления в расплавах. Вязкость металла влияет на выбор режима разливки, определяет условия формирования слитка, заполняемость литейных форм. Существует связь между вязкостью жидкого металла и процессом его кристаллизации, а следовательно, и свойствами твердого металла. Для характеристики вязкости жидкости принят коэффициент вязкости η, называемый динамической вязкостью. Значение этого коэффициента, зависящего от природы жидкости, можно определить, исходя из закономерностей изменения силы внутреннего трения, возникающей между двумя слоями несжимаемой жидкости, перемещающимися с различной скоростью относительно друг к другу [1].

Для улучшения физических и механических свойств конечных продуктов, получаемых из расплавленных металлов или полимеров, применяют наномодифицирование. Инжекцию нанодобавок проводят в жидком состоянии, что приводит к уменьшению вязкости исходных веществ, что нужно обязательно учитывать при разливке или экструдировании.

1. Анализ литературных данных

1.1 Общая характеристика явления вязкости

В термодинамически неравновесных системах возникают особые необратимые процес­сы, называемые явлениями переноса, в результате которых происходит пространствен­ный перенос энергии, массы, импульса. Внутреннее трение (вязкость) обусловлено переносом импульса.

 Механизм возникновения внутреннего трения меж­ду параллельными слоями жидкости, движущимися с различными скоростями, заключается в том, что из-за хаотического теплового движения происходит обмен молекулами между слоями, в результате чего импульс слоя, движущегося быстрее, уменьшается, движущегося медленнее — увеличивается, что приводит к торможению слоя, движущегося быстрее, и ускорению слоя, движущегося медленнее. Согласно формуле (31.1), сила внутреннего трения между двумя слоями жидкости подчиняется закону Ньютона::

(1)

где η — динамическая вязкость (вязкость), dv/dx — градиент скорости, показывающий быстроту изменения скорости в направлении х, перпендикулярном направлению дви­жения слоев, S —площадь, на которую действует сила F. 

Как было установлено в дальнейшем опытами Пуазейля, Стокса, Навье и др. коэффициент представляет собой константу, характерную для данной жидкости, и не зависит от скорости. Таким образом, коэффициент вязкости можно определить как "тангенциальную силу, действующую на единицу поверхности одной из двух параллельных плоскостей, отстоящих друг от друга на единицу длины, причем пространство между этими плоскостями заполнено исследуемой жидкостью, и одна из плоскостей передвигается в своей плоскости относительно другой со скоростью, равной единице". Физическая размерность динамической вязкости в системе СИ Па*с(Н*с/м²) в системе CGS единица динамической вязкости называется пуазом (Пз) и имеет размерность г/(см∙сек). Различают динамическую вязкость ( ), еденицей которой является пуаз, и кинематическую вязкость ( ), являющуюся отношением динамической вязкости к плотности; за единицу кинематической вязкости принято считать стокс, который выражается в /сек. (1 Ст=10^-4 /сек).

Я.И. Френкель вывел температурную зависимость вязкости жидкости, состоящих из однородных частиц, которая выражается уравнением:

(2)

где -

А – постоянная, зависящая от природы жидкости.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что для многих жидких металлов вязкость подчиняется экспоненциальной зависимости от температуры, и отклонения от нее характеризуют изменения структуры расплавов.

Вязкость жидких металлов зависит от их природы и закономерно уменьшается с повышением температуры. А.И. Бачинский установил зависимость между динамической вязкостью неассоциированных жидкостей и их удельным объемом:

где V – удельный объем;

С и В – постоянные.

Формула А.И. Бачинского также характеризует изменение вязкости при изменении температуры, так как удельный объем является функцией температуры [1].