Вплив агресивного середовища на матеріал

Розглянемо докладніше корозійні явища, які відбуваються в матеріалах термоперетворювачів. Середовище, яке викликає хімічне руйнування металів, називають агресивним. Приклади агресивних середовищ – це різноманітні кислоти (соляна, сірчана, азотна, фосфорна), луги, солі, основи, гази, пари. Вплив агресивного середовища спричиняє корозію.

Корозією називають руйнування речовин внаслідок хімічної або електрохімічної взаємодії з довкіллям. Корозію металів, перебіг якої відбувається під дією окисників-неелектролітів, називають хімічною корозією. Якщо ж корозія відбувається під дією електроліту або прикладеної різниці електричних потенціалів, то її називають електрохімічною корозією.

Внаслідок хімічної корозії метал вкривається шаром продуктів окиснення — найчастіше плівкою оксиду або гідроксиду.

Наприклад, алюміній в сухому повітрі швидко вкривається тонкою, проте дуже щільною оксидною плівкою, після чого окиснення алюмінію практично припиняється. Оксидна плівка на поверхні заліза (FeO або Fe3O4) не є суцільною й тому не запобігає подальшій корозії заліза.

Корозія проходить тим інтенсивніше, чим агресивніше середовище і значно зростає з підвищенням температури. Хімічна активність газів і швидкість газової корозії металів сильно підвищується при температурах, вищих за 200 – 300 °С.

Отже, є проблема: прецизійне вимірювання температури в агресивних середовищах. Як уже було сказано вище, платина не вирішує всіх проблем. Огляд літературних джерел показав, що перспективними матеріалами чутливих елементів термоперетворювачів можуть бути металеві аморфні стопи (МАС).

Металеві аморфні стопи як матеріали чутливих елементів термоперетворювачів

Аморфний стан (від грецького amorphous – безформенний) – стан твердої речовини, в якому, на відміну від кристалічного стану, частинки (атоми, іони,

молекули) розміщені безладно і речовина ізотропна, тобто має однакові фізичні властивості в усіх напрямках. Для аморфного стану характерний так званий ближній порядок, який зумовлюється взаємодією частинок на близьких віддалях. Найважливішими характеристиками ближнього порядку є кількість найближчих сусідів і тип найближчих сусідів, а також просторове розташування частинок в околі конкретного атома. Зі збільшенням віддалей закономірності у розміщенні частинок зникають. Дослідження за допомогою електронного мікроскопа, а також за допомогою рентгенівських променів свідчать, що в аморфних матеріалах спостерігається нечіткий порядок в розташуванні їх частинок. Різниця між аморфним і склоподібним станами полягає в тому, що у склі існує зворотний перехід від склоподібного стану в розтоп і з розтопу в склоподібний стан. Ця властивість характерна тільки для скла. В інших типах аморфних станів під час нагрівання відбувається перехід матерії спочатку в кристалічний стан, а тільки потім у разі підвищення температури до температури топлення – в рідкий стан. У склоутворюючих розтопах поступове зростання в’язкості розтопу перешкоджає кристалізації матеріалу, тобто переходу в термодинамічний стійкіший стан з меншою вільною енергією.

В аморфному стані при кімнатній температурі питомий електроопір МАС становить близько 50 – 200 мкОм.см, а в кристалічному – зменшується в 3–4 рази. Під час поліморфної кристалізації спостерігається різке зменшення електроопору з підвищенням температури. В кристалічному стані питомий електроопір зростає з підвищенням температури. Поблизу температурного інтервалу топлення електроопір різко зростає і в рідкому стані (тут практично відсутні внутрішні напруження) лежить в області, що приблизно на 10 – 20 % нижче від відповідної екстраполяції експериментальних даних для аморфного стану.

Як показують літературні джерела, МАС володіють високою корозійною стійкістю і довговічністю, що характерно для матеріалів з гомогенною структурою. Хімічна однорідність, відсутність лінійних дефектів типу дислокацій вказують на можливість підвищеної корозійної стійкості. Були виконані попередні дослідження. Металічне скло, у складі якого є Cr, проходило випробування у стандартних розчинах. Спостерігались дуже низькі, порівняно зі звичайними неіржавіючими сталями, швидкості корозії. Це аморфне скло стійке до пітингової корозії в сірчаних розчинах. Швидкість корозії аморфного стопу нижча. На відміну від аморфного зразка, у кристалічній неіржавіючій сталі в цих умовах виникала пітингова корозія.

Варто підкреслити, що феромагнетизм аморфних стопів зумовлений наявністю в них одного, двох або всіх трьох феромагнетних елементів: заліза, нікелю і кобальту. Подвійні феромагнетні стопи можна розділити на такі групи: стопи феромагнетних елементів з перехідними металами: Fe-Au, Co-Zr, Ni-Pt тощо; стопи феромагнетних елементів з неметалами: Fe-C, Co-B, Ni-P тощо; стопи феромагнетних елементів з одним з рідкісноземельних елементів: Co-Sm, Ni-Nd тощо.

Металеві аморфні стопи є перспективними матеріалами для застосування в електро-термометрії, але потрібні додаткові дослідження, які повинні довести, що металеві аморфні стопи є справді найкращими матеріалами чутливих елементів термоперетворювачів опору для вимірювання температури в агресивних середовищах.

Висновок

Використання аморфних матеріалів для виготовлення чутливого елемента є одним із варіантів вирішення проблеми підвищення стабільності метрологічних характеристик. Аморфні матеріали майже не взаємодіють з матеріалами арматури, їхні електрофізичні властивості подібні до властивостей розтопів; механічні властивості кращі за властивості кристалічних зразків.

Застосування металевих аморфних матеріалів у термометрії дасть змогу мінімізувати термічно активовані внутрішні механічні напруження у термоелектродах та забезпечити високу відтворюваність електрофізичних параметрів останніх. Аморфні матеріали є перспективними для термометрії, тому доцільно дослідити електрофізичні властивості, зокрема ефект Холла, що дасть нам змогу отримати їх характеристики в магнетному полі, а саме: дослідити рухливість електронів, концентрацію носіїв заряду, поведінку матеріалу під впливом магнетних полів, критичні точки, в яких матеріал переходить з одного стану в інший.