專利名稱：高壓高溫相變測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量方法，特別提供了一種用于材料高壓下相變過程研究的測(cè)量方法，即高壓高溫相變測(cè)試方法。
研究材料在各種溫度條件下(包括恒溫過程和變溫過程)相變過程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，是材料科學(xué)研究中的重要環(huán)節(jié)，它對(duì)深入理解材料的性質(zhì)變化及如何得到更高性能的材料有指導(dǎo)作用。測(cè)試材料相變的方法多種多樣，從古老的金相法，到近年來發(fā)展起來的熱分析方法，都是利用材料在相變過程中物理性質(zhì)的變化，如金相形貌、硬度、熱膨脹系數(shù)、電阻、體積、熱效應(yīng)等，來監(jiān)測(cè)材料的相變過程。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，有必要研究材料在受壓狀態(tài)時(shí)的相變過程。然而，現(xiàn)有的測(cè)試方法都不能很好地適用于高壓下的相變過程。目前，一般采用電阻測(cè)量法或取樣法。取樣法類似于金相法，利用X-射線或顯微鏡確定相變的程度。這種方法工作量大，而且不能連續(xù)定量地測(cè)試。電阻法可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)定量的測(cè)試，但成本高，而且容易因樣品形變發(fā)生偏差。所以有必要發(fā)展一種新的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓下相變過程的連續(xù)高精度的測(cè)量。
本發(fā)明的目的在于提供一種高壓高溫相變測(cè)試方法，其可以準(zhǔn)確地測(cè)量出材料的相變過程。
本發(fā)明提供了一種高壓高溫相變測(cè)試方法，其特征在于測(cè)試過程如下(1)首先將樣品置于模具中，并抽真空到0.01Pa以下；(2)對(duì)樣品預(yù)先施予恒定壓力，壓力范圍在200MPa～1.5GPa；(3)以恒定速率升溫，升溫速率2～30℃/分鐘，同時(shí)記錄壓力和溫度；(4)繪制壓力隨溫度的變化率dP/dT曲線，以確定樣品的相變過程。
實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓下相變的高精度測(cè)試，必須通過測(cè)量樣品本身對(duì)相變敏感的物理量。眾所周知，相變過程一般伴隨有體積的變化，如非晶晶化時(shí)體積收縮，晶體熔化時(shí)體積膨脹等。而在高壓下，樣品所受壓力對(duì)樣品的體積變化非常敏感。樣品體積收縮時(shí)壓力會(huì)降低，膨脹時(shí)壓力會(huì)增加。這樣就可以通過監(jiān)測(cè)壓力狀態(tài)下樣品壓力的變化來確定相變的開始和結(jié)束。同時(shí)，樣品壓力的變化也能定量地反映相變過程進(jìn)行的程度。下面具體闡述本發(fā)明的原理。
考慮一個(gè)等體積的過程。固態(tài)系統(tǒng)的初始溫度、壓力和長(zhǎng)度分別為To、Po和Lo，截面積恒定為S。一般地，隨著系統(tǒng)溫度T的升高，系統(tǒng)的壓力P也將增加(如

圖1所示)。直接確定系統(tǒng)在等體積過程中壓力與溫度的關(guān)系比較復(fù)雜，簡(jiǎn)便起見，可以將這一等體積過程等價(jià)為一個(gè)等壓過程和一個(gè)等溫過程(如圖1中虛線)。首先，系統(tǒng)的溫度由To等壓升溫至T。設(shè)系統(tǒng)的線膨脹系數(shù)在此溫度范圍內(nèi)為一常數(shù)KT，則系統(tǒng)長(zhǎng)度的變化可表示為L(zhǎng)-Lo=KT·Lo·(T-To) (1)然后作等溫壓縮使系統(tǒng)長(zhǎng)度恢復(fù)到Lo。設(shè)系統(tǒng)的平均楊氏模量在此壓力范圍內(nèi)為常數(shù)E，則有P=E·L-LoL+Po---(2)]]>由(1)和(2)可得P=E·KT·LOL(T-TO)+PO----(3)]]>當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生相變，由于原始相和生成相的密度差，系統(tǒng)的體積將發(fā)生變化。這里我們研究的是壓力下溫度變化引起的相交，所以可以認(rèn)為相交發(fā)生在前面所說的等壓變溫過程?？紤]到系統(tǒng)中相的組成發(fā)生變化，(1)式變?yōu)長(zhǎng)-Lo=∫ToT[1-x(T)]·L·KT1·dT+∫ToTx(T)·L·KT2·dT+ΔLP(T)----(4)]]>這里，x(T)是相轉(zhuǎn)變的體積分?jǐn)?shù)；
和
分別是原始相和生成相的線膨脹系數(shù)；ΔLP是相變導(dǎo)致的長(zhǎng)度變化。ΔLP是x(T)的函數(shù)ΔLP=x(T)·M·(V2-V1)S---(5)]]>其中，V1和V2分別是原始相和生成相在壓力P下的摩爾體積；M是發(fā)生相變的摩爾數(shù)。作如下簡(jiǎn)化a)在比較小的溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)不很大時(shí)，熱膨脹引起的長(zhǎng)度增加非常有限(KT～10-8)，即使發(fā)生了相變，對(duì)于固態(tài)系統(tǒng)ΔLP/L也小于10％，所以L≈Lo；b)固體的線膨脹系數(shù)大都在一個(gè)數(shù)量級(jí)，同種物質(zhì)的KT很接近，所以
KT。將(5)式代入(4)式則得到L-Lo=KT·Lo·(T-To)+M·V2-V1S·x(T)---(6)]]>(6)式代入(2)式P=E·KT·(T-To)+E·M·V2-V1Vo·x(T)+Po----(7)]]>即P＝A·(T-To)+B·x(T)+Po(8)A、B在一定壓力和溫度范圍內(nèi)分別為常數(shù)。這樣，壓力隨溫度的變化就可以精確反映相變過程的進(jìn)行。更進(jìn)一步，dPdT=A+B·dxdT----(9)]]>即，壓力隨溫度的變化率可以看作相變速率。
如果是等溫相變，則相對(duì)更加簡(jiǎn)單。這時(shí)沒有溫度變化引起的體積變化，(6)式右邊只有第二項(xiàng)，(7)、(8)、(9)式也都只有右邊的第二項(xiàng)，只是x(T)須變成x(t)，即時(shí)間的函數(shù)。壓力的變化同樣反映相變的進(jìn)行。
在原理說明中已經(jīng)提到，關(guān)系式在一定壓力范圍和溫度范圍內(nèi)有效，即P～P+ΔPΔP一般應(yīng)小于300MPaT～T+ΔTΔT＜400℃另外，實(shí)驗(yàn)最大溫度不應(yīng)超過樣品的熔點(diǎn)和模具的耐熱溫度，因?yàn)闇囟冗^高將導(dǎo)致模具軟化，一般小于600℃，實(shí)驗(yàn)的最大壓力不應(yīng)超過模具的最大耐壓值，一般為1.5GPa。
為了提高測(cè)量的精確度，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)1.樣品的量要適中。太少的樣品，相變時(shí)的壓力變化可能會(huì)很小，測(cè)不到相變，太多的樣品會(huì)導(dǎo)致樣品內(nèi)受壓不均勻。
2.壓桿和模具內(nèi)壁之內(nèi)的滑動(dòng)阻力要盡量小。
3.利用這種方法測(cè)量，由于是在壓力下，測(cè)量體積收縮的相變的精度比測(cè)量體積膨脹相變的精度更高。
下面通過實(shí)施例詳述本發(fā)明。
附圖1為等體積過程的系統(tǒng)狀態(tài)示意圖。
附圖2為高壓高溫相變測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖3為壓力下非晶硒的晶化曲線。
實(shí)施例所用實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，高壓高溫相變測(cè)試設(shè)備，主體部分為爐體(1)，其通過壓力表(2)、溫度表(3)與計(jì)算機(jī)(4)相接；爐體(1)為帶加熱裝置(14)的封閉結(jié)構(gòu)，模具(15)置于加熱裝置(14)中部，一熱電偶(17)由模具(15)中伸出，并通過連線與溫度表相接，一壓桿(12)伸入爐體施壓于模具(15)中的樣品(16)之上，壓桿(12)上端與一壓力傳感器(11)相接，壓力傳感器(11)通過壓力表(2)與計(jì)算機(jī)(4)相連。將樣品封裝在圓筒形模具內(nèi)預(yù)先加壓力P，然后加熱，測(cè)量壓力隨溫度的變化，就可以測(cè)量壓力下樣品的相變。在這里，壓桿、樣品和墊片組成系統(tǒng)。在比較小的溫度范圍To～T和較小的壓力范圍Po～P內(nèi)，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)能符合(8)式成立的條件。
圖3是在本相變測(cè)試系統(tǒng)上得到的非晶硒的變溫晶化過程。圖中的壓力-溫度曲線(P-T)為實(shí)測(cè)曲線。隨著溫度的升高，由于樣品和壓桿的熱膨脹，壓力開始增加。當(dāng)溫度升至145度時(shí)，非晶硒開始發(fā)生晶化。由于晶化時(shí)，樣品體積發(fā)生收縮，壓力開始下降。溫度達(dá)到170度時(shí)，晶化完成，壓力又開始升高。從圖中可以看到，在相變前和相變結(jié)束后，壓力-溫度曲線都呈直線，說明(8)式與實(shí)際情況是符合的。圖3中還同時(shí)給出了壓力的微分曲線(dP/dT-T)和非晶硒在常壓下的DSC曲線進(jìn)行對(duì)比。兩者不僅在形狀上非常一致，而且在較低的壓力下，兩者的特征溫度也很接近。這說明本方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壓力狀態(tài)下樣品的相變過程的高精度測(cè)試。
權(quán)利要求
1.一種高壓高溫相變測(cè)試方法，其特征在于測(cè)試過程如下(1)首先將樣品置于模具中，并抽真空到0.01Pa以下；(2)對(duì)樣品預(yù)先施予恒定壓力，壓力范圍在200MPa～1.5GPa；(3)以恒定速率升溫，升溫速率2～30℃/分鐘，同時(shí)記錄壓力和溫度；(4)繪制壓力隨溫度的變化率dP/dT曲線，以確定樣品的相變過程。
全文摘要
一種高壓高溫相變測(cè)試方法,其特征在于測(cè)試過程如下:(1)首先將樣品置于模具中,并抽真空到0.01Pa以下;(2)對(duì)樣品預(yù)先施予恒定壓力,壓力范圍在200MPa－1.5GPa;(3)以恒定速率升溫,升溫速率2～30℃/分鐘,同時(shí)記錄壓力和溫度;(4)繪制壓力隨溫度的變化率dP/dT曲線,以確定樣品的相變過程。本發(fā)明可以準(zhǔn)確地測(cè)量出材料的相變過程。
文檔編號(hào)G01N25/00GK1247978SQ98114309
公開日2000年3月22日 申請(qǐng)日期1998年9月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月16日
發(fā)明者唐鳳軍, 周飛, 葉豐, 王群, 盧柯 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所