Физика процесса получения эвтектических сплавов

[Трунов]

Легкоплавкие сплавы из википедии.

 

Среди прочих там приводится например такой сплав: галлий 67 %, индий 20,5 %, олово 12,5 %. Температура плавления +10,6 °C.

С теми же самыми элементами, но в иной пропорции: галлий 62 %, индий 25 %, олово 13 %. Температура плавления +4,85 °C.

 

Каким образом элементы смешиваются между собой в определённой пропорции ?

 

Во-первых, что первый сплав, что второй не получается собрать из простых структур, учитывая атомарную массу каждого элемента. Так, например, для эвтектического сплава Ga₂₂ In₅ Sn₃, учитывая атомарный вес элементов Ga - 69.723 , In - 114.818 , - Sn 118.71 , пропорции будут следующими Ga 62,25% In 23,30% Sn 14,45%.

Пробуя подобрать различные варианты, указанные в википедии процентные соотношения так и не получил.

 

Далее было решено провести эксперимент для смешивания металлов именно в указанных пропорциях. Для этого на лабораторных весах было измерено необходимое количество каждого металла с точностью до 0.005%. Использовались Ga 6N, In 6N, Sn 5N (т.е. высокочистые металлы, свободные от примесей). Далее они помещались в колбу с термопарой, из которой откачивался воздух до среднего вакуума. После этого колба нагревалась до 250 градусов, постоянно при этом взбалтываясь, для лучшего перемешивания металлов между собой. Очевидно, что последним плавилось олово при температуре 232 градуса. При остывании колба также непрерывно взбалтывалась вплоть до температуры 60-70 градусов, после чего вакуум убирался, и дальнейшее остывание сплава происходило уже при атмосферном воздухе до комнатной температуры без дальнейшего взбалтывания. Общий объем получившегося сплава немногим превышал 100 грамм. После этого колба помещалась в морозильную камеру -18 °C (термостата под рукой не было) и проводился непрерывный мониторинг температуры. Первый сплав (Ga 67%, In 20,5% Sn 12,5%) начинал кристаллизовываться при температуре близкой к +11 °C. А вот со вторым сплавом начались полные непонятки, сначала ему дали остыть до температуры +2 °C. После этого, при визуальном осмотре, было обнаружено наличие некоторого количества уже кристаллизовавшегося сплава. Пока всё было как и положено, так как сам галлий позволяет достаточно сильно переохлаждать себя, оставаясь в жидкой фазе, что, скорее всего, верно и для сплава. Далее колба в течении нескольких секунд хорошо взбалтывалась для перемешивания жидкого сплава с уже замерзающим, и затем была снова помещена в морозильник. И вот тут началось самое интересное, температура скачкообразно выросла до +11 °C и более не понижалась достаточно длительное время (примерно полчаса), при этом продолжался процесс дальнейшей кристаллизации. До полного замерзания всего объёма сплав не доводили, так как галлий, как и вода, при замерзании расширяется, и мог попросту разорвать колбу. После этого было решено колбу переместить в другую камеру, где температура была примерно +7 °C. По идее, часть кристаллизовавшегося сплава должна была постепенно стать снова жидкой, однако ещё почти час держалась примерно одна и та же температура на уровне около +11 °C, а сам сплав продолжал дальнейшую кристаллизацию. Из чего был сделан вывод, что второй сплав сразу не кристаллизовался лишь по причине его большей стойкости к переохлаждению, но температура кристаллизации никак не соответствовала +4,85 °C, а скорее была почти такой же как и у первого сплава.

 

Были проведены ещё несколько экспериментов, с разными процентными составами, но всякий раз результат повторялся, и даже если какой то вариант сплава лучше переохлаждался, то после перемешивания с частью замерзшего сплава, на экране монитора была опять почти прямая линии на протяжении длительного времени около отметки +11 °C. Что не так было сделано ? Как сплав "узнаёт" в каких пропорциях ему перемешаться и как добиться полного перемешивания ?

[Гость Ефим]

Легкоплавкие сплавы из википедии.

 

Среди прочих там приводится например такой сплав: галлий 67 %, индий 20,5 %, олово 12,5 %. Температура плавления +10,6 °C.

С теми же самыми элементами, но в иной пропорции: галлий 62 %, индий 25 %, олово 13 %. Температура плавления +4,85 °C.

Что интересно, в той же википедии упоминается галинстан (68.5% Ga, 21.5% In, 10% Sn) с Т_пл = -19 °С и эвтектика (59,6% Ga, 26% In, 14,4% Sn) с Т_пл = +11 °С.

По-видимому существует только эта эвтектика. Всё остальное - это или недостоверные данные по составу (галинстан) или ошибки измерения (первые два сплава).

[duke2003]

Подобные неточности режут глаз.

 

"Общий объем получившегося сплава немногим превышал 100 грамм".

[Гость Ефим]

Подобные неточности режут глаз.

 

"Общий объем получившегося сплава немногим превышал 100 грамм".

Российские реалии. Все знают, что десять раз по сто грамм - это литр

[plick]

Все знают, что десять раз по сто грамм - это литр

 

Нет, коллега, 10 раз по 100 грамм, это 2 по поллитра, и поход за 3-ей!

[Гость Ефим]

Нет, коллега, 10 раз по 100 грамм, это 2 по поллитра, и поход за 3-ей!

Короче - без бутылки не разберёшься...:dp: Изменено 23 Июля, 2011 в 12:45 пользователем Ефим

[Galogen_f]

Что не так было сделано ? Как сплав "узнаёт" в каких пропорциях ему перемешаться и как добиться полного перемешивания ?

Думается мне , что нужно сперва сплавить по два металла ( например Олово+Индий и Олово+Галий ), а потом эти два сплава смешать между собой .

Таким образом первоначальный "контраст" между металлами будет менее значим.

[Трунов]

Не было никаких неточностей. Про вес упомянул, чтобы имелось представление о том, какое же количество металла могло по полчаса оставаться в процессе кристаллизации почти с одинаковой температурой, а именно порядка 20 мл, помещённых в обычную колбу из боросиликатного стекла. Поскольку галлий при комнатной температуре уже жидкий, начинать приходилось именно с него, но отмерять с ним сотые доли грамма крайне тяжело. Он имеет свойство скатываться в капли. Отсюда и общий вес не был каким то точным числом. А варианты самого сплава пробовались разные, например сначала отмерялось какое то количество галлия, после чего в соответствующей пропорции индий и олово, которые в свою очередь предварительно так же под вакуумом сплавлялись. Результат это не меняло, температура кристаллизации оставалась прежней. Более того для лучшего смешивания уже имеющийся сплав индий-олово, помещаясь в жидкий галлий, всё равно нагревался в вакууме до 250 градусов.

[akula]

Не было никаких неточностей. Про вес упомянул, чтобы имелось представление о том, какое же количество металла могло по полчаса оставаться в процессе кристаллизации почти с одинаковой температурой, а именно порядка 20 мл, помещённых в обычную колбу из боросиликатного стекла. Поскольку галлий при комнатной температуре уже жидкий, начинать приходилось именно с него, но отмерять с ним сотые доли грамма крайне тяжело. Он имеет свойство скатываться в капли. Отсюда и общий вес не был каким то точным числом. А варианты самого сплава пробовались разные, например сначала отмерялось какое то количество галлия, после чего в соответствующей пропорции индий и олово, которые в свою очередь предварительно так же под вакуумом сплавлялись. Результат это не меняло, температура кристаллизации оставалась прежней. Более того для лучшего смешивания уже имеющийся сплав индий-олово, помещаясь в жидкий галлий, всё равно нагревался в вакууме до 250 градусов.

А разве сплавление не начинают с более тугоплавкого компонента?В Вашем случае с олова.

[Трунов]

akula

А разве сплавление не начинают с более тугоплавкого компонента?В Вашем случае с олова.

Начинал с галлия, имелось ввиду отмерял остальные компоненты по общему объёму галлия. Выше я писал, что пробовал по-разному, как сплавлять все три компонента сразу вместе, так и по отдельности, т.е. сначала олово сплавлял с индием и уже потом этот сплав помещал в подогретый до температуры плавления галлий. Результат был одним и тем же. Переохлаждались сплавы по разному, но кристаллизовались всегда при одной и той же температуре, около +11 градусов.