2.2 Визначення густини полікристалів кубічного нітриду бору

Спікання – це обробка порошку або суміші порошків при температурі нижче температури плавлення хоча б одного з компонентів, проведена з метою консолідації і забезпечення заданого комплексу механічних і фізико-хімічних властивостей. При спіканні порошків пориста заготовка перетворюється в відносно компактне тіло завдяки направленому переміщенню маси і зменшенню розмірів. Традиційні методи дослідження усадки в процесі спікання – це високотемпературна дилатометрія, метод електропровідності, метод акустичних коливань та інші [33]. Дослідження усадки пористої заготовки в умовах спікання в АВТ при надвисоких тисках і температурах традиційними методами неможливе в зв’язку з недоступністю робочої зони, в якій відбувається спікання. Найбільш прийнятний метод досліджень – це переривання процесу спікання на певному етапі, вилучення зразку з АВТ і після цього дослідження зміни його розмірів, властивостей.

Мірою консолідації частинок порошку в компактне тіло може бути густина. Дані по залежності густини скомпактованого зразку від технологічних параметрів спікання – цінна наукова інформація, яка дозволяє судити про енергетику і кінетику процесів консолідації.

Для вимірювання густини спечених полікристалів частіше застосовують менш трудомісткий метод гідростатичного зважування, заснований на використанні закону Архімеда. Для вимірювання густини твердого тіла методом гідростатичного зважування тіло послідовно зважують у повітрі й у рідині відомої густини.

Густину визначають по формулі:

(2.2)

де m_г, m_гж – маса гир, що врівноважують тіло в повітрі густиною , в рідині густиною _ж і зануреним у неї тілом відповідно, г;

_ж - густина рідини, г/см³;

D - густина повітря при температурі експериментів.

Для зважування в рідині випробуване тіло прикріплюють на дроті до гачка терезів. В якості робочої рідини для вимірювання густини твердої речовини використовують дистильовану воду, спирт, бензин, толуол, бензол, чотирихлористий вуглець або іншу відповідну рідину відомої густини. Ця рідина повинна бути хімічно інертною стосовно досліджуваної речовини, малолетучою, малов’язкою, мати хорошу і незмінну спроможність до змочування, а її густина повинна бути постійною і меншою густини речовини. Гідростатичне зважування дозволяє вимірювати густину твердого тіла з похибкою до 0,001% [64]. Проте варто зауважити, що на практиці при вимірюванні густини спечених композиційних матеріалів на основі алмазу і кубічного нітриду бора, як правило, поправки на густину повітря, на зміну густини рідини при зміні температури ігнорують, що веде до зниження точності до 0,3% [65, 66]. Крім того зразки мають відкриту пористість на рівні 6-8 %, особливо на початкових стадіях спікання, при збільшенні часу спікання, відкрита пористість складає 2 %. Наявність у зразках відкритої пористості веде до того, що при зануренні зразка, остання заповнює відкриті пори, чим вноситься значна похибка до значення щільності спеченого тілу.

Отже, спрощена формула розрахунку густини (2.3) виглядає таким чином:

m_{в ж.}=m_зр –V·_ж =m_зр –( )·_ж, звідси виводимо формулу густини зразків,

; (2.3)

де m_зр – маса зразка, г;

m_гач. – маса гачка, на який розміщується зразок, г;

m_{в ж.} – маса зразка в рідині, г;

_ж – густина рідини, у якій зважуємо зразки, г/см³.

В даній роботі в якості рідин використовувалися дистильована вода та ацетон. Для початку, були виміряні маси отриманих зразків на повітрі та у вище згаданих рідинах (див. табл. 2.7). Маси гачка в даній таблиці не ураховуються, m_{г. в воді сер.} = 0,373 г, m_{г. в ацетоні сер.} = 0,383 г.

Таблиця 2. 7 – Експериментальні дані мас після зважування у рідинах

№ шихти	№ зразка	mзр, г	mв воді, г	mв ацет,. г
I	1	0,7214	0,8780	0,9290
	2	0,7517	0,9037	0,9541
	3	0,7450	0,9008	0,9485
	4	0,7407	0,8961	0,9456
	5	0,7347	0,8878	0,9409
II	1	0,7799	0,9332	0,9830
	2	0,7881	0,9336	0,9883
	3	0,7894	0,9349	0,9895
	4	0,7667	0,9144	0,9736
	5	0,7784	0,9290	0,9857
III	1	0,8100	0,9543	1,0144
	2	0,8124	0,9585	1,0160
	3	0,7969	0,9439	1,0049
	4	0,7988	0,9462	1,0059
	5	0,8157	0,9660	1,0182
IV	1	0,8289	0,9760	1,0361
	2	0,8194	0,9718	1,0318
	3	0,8355	0,9841	1,0395
	4	0,8378	0,9844	1,0457
	5	0,8370	0,9834	1,0438
V	1а	0,3223	0,6082	0,6411
	1б	0,5424	0,7715	0,8156
	2	0,8640	1,0061	1,0726
	3	0,8580	1,0036	1,0640
	4а	0,4364	0,6945	0,7309
	4б	0,4238	0,6848	0,7203
	5а	0,3621	0,6379	0,6708
	5б	0,4863	0,7313	0,7700
VI	1	0,8827	1,0332	1,0882
	2	0,8842	1,0345	1,0934
	3а	0,4432	0,7047	0,7412
	3б	0,4478	0,7080	0,7406
	4	0,8889	1,0364	1,0958
	5	0,8826	1,0339	1,0932

Щоб розрахувати густини зразків, необхідно урахувати кімнатну температуру, аби визначити густини рідин із довідника. Отже, при кімнатній температурі 18 ⁰С, _в = 0,99859 г/см³, _ац = 0,79268 г/см³.

Тепер за формулою (2.3) визначаємо густини зразків і отримані дані заносимо до табл. 2.8.

Таблиця 2. 8 – Густина та статистична похибка зразків на основі КНБ

№ шихти	№ зразка	в воді, г/см3	ср± Δстат г/см3 (%)	в ацет, г/см3	ср± Δстат г/см3
I	1	3,3297	3,378±0,052 (99,2±1,8)	3,2606	3,288 ± 0,019 (96,6±0,6)	т-пікн = 3,4037 т-рентг = 3,4459
	2	3,3970		3,2997
	3	3,4258		3,2896
	4	3,3998		3,2957
	5	3,3367		3,2927
II	1	3,5436	3,472±0,070 (98,7±2,0)	3,4355	3,446 ± 0,050 (98,6±1,4)	т-пікн = 3,5162 т-рентг = 3,5651
	2	3,4592		3,4166
	3	3,4647		3,4200
	4	3,3977		3,4496
	5	3,4940		3,5104
III	1	3,5376	3,565±0,070 (98,1±1,9)	3,5944	3,595 ± 0,009 (99,0±0,3)	т-пікн = 3,6324 т-рентг= 3,6887
	2	3,5762		3,5907
	3	3,5206		3,6086
	4	3,5362		3,6008
	5	3,6570		3,5812
IV	1	3,6636	3,695 ± 0,029 (98,4±0,8)	3,7365	3,760 ± 0,050 (100,2±1,3)	т-пікн = 3,7538 т-рентг = 3,8183
	2	3,7097		3,8071
	3	3,7184		3,7008
	4	3,6959		3,7930
	5	3,6885		3,7652
V	1а	3,6964	3,756 ± 0,029 (96,8±0,7)	3,9794	3,900 ± 0,039 (100,5±1,0)	т-пікн = 3,8805 т-рентг = 3,9541
	1б	3,7620		3,9147
	2	3,7364		3,9269
	3	3,7679		3,8409
	4а	3,7937		3,9111
	4б	3,7781		3,8832
	5а	3,7197		3,8626
	5б	3,7927		3,8816
VI	1	3,9617	3,962 ± 0,009 (98,8±0,2)	3,9417	4,017 ± 0,079 (100,2±2,0)	т-пікн = 4,0096 т-рентг = 4,0950
	2	3,9645		4,0321
	3а	3,9693		4,1341
	3б	3,9650		3,9340
	4	3,9355		4,0001
	5	3,9748		4,0569

За допомогою програми на ПК, яка базується на законі розподілення похибок (формула Гауса), визначимо середнє значення та статистичну (випадкову) похибку для кожної шихти (табл. 2.8). Чим менша кількість вимірів, тим більша випадкова похибка.

Була розрахована також інструментальна похибка для першої шихти, для того, щоб дізнатися наскільки високою є точність вимірювальних приладів. Для цього необхідно було продиференціювати вираз 2.3:

Δ  /dm_зр + /d_ж + /dm_вж + /dm_гач. Після всіх перетворень отримали: Δ( + ) + + + .

-_. для дистильованої води:

_ср = 3,378 ± 0,023 г/см³, де Δ_інстр.

- для ацетону:

_ср = 3,288 ± 0,038 г/см³, де Δ_інстр.

Загалом для циліндричних зразків полікристалічного нітриду бору діаметром 7-30 мм і висотою 3-6 мм точність вимірювання густини становила  (0,001-0,016 г/см³) (0,3-0,03%). Отримані інструментальні похибки достатньо високі. В більшості це залежить від нестабільних значень маси гачка в рідинах, які обумовлені наявністю бульбашок повітря, які можуть знаходитися на гачку в момент зважування на ньому зразків в тій чи іншій рідині.

Для того щоб зменшити величину інструментальної похибки, треба взяти більш точні інструменти вимірювань, для зменшення величини статистичної похибки треба збільшити кількість вимірювань на окремих зразках, або збільшити кількість зразків для вимірювань з кожної шихти.

Також густина полікристалічного КНБ, одержаного спіканням порошків BN, в значній мірі залежить від структури і фазового складу полікристалу, що визначаються умовами його одержання. Основні технологічні чинники, що мають визначальний вплив на густину полікристалів КНБ – це тиск, температура і тривалість спікання, а також зернистість і реальна структура вихідних порошків КНБ.