| |
|
Когда определяют содержание водорода в твердой пробе?
Водород является одним из самых распространенных элементов на Земле. Он химически агрессивный, обладает низкой вязкостью и высокой подвижностью, легко образуется при химических реакциях из воды.
В твердых материалах, как правило, газообразный водород заполняет поры, трещины, микротрещины. Вследствие большой диффузной подвижности при нагревании материала скапливается в этих дефектах рвет материал и образует: флокены, блистеры, трещины, сколы. Водород явлется причиной блистерного разрушения в парах трения, провоцирует хладоломкость сталей, провоцирует стресс-коррозию, является единственной причиной образования "холодных" трещин в сварных швах, является одной из основнх причин радиационного распухания материалов, является причиной отслоения покрытий и пленок как на металлах, так и на полупроводниках.
Накопление водорода внутри материалов - главная причина аварий парогенераторов атомных силовых установок, главня причина разрушения циркония и его сплавов в ядерных установках.
В полупроводниковых и наноматериалах может играть как полезную, так и "вредную" роль, в зависимости от величины содержания.
Содержание водорода в металлах определяется для большинства выпускаемых промышленностью сплавов. Контроль содержания предусматривается ГОСТ, ТУ, включен в нормативы воненной приемки. ГОСТ предусматривает выходной контроль содержания водорода в твердой пробе как из отливки, так и из сварного шва, прочие нормативы могут предусматривать и входной контроль. Таким образом, содержание водорода необходимо определять как на металлургических, так и на металлообрабатывающих и машиностроительных заводах.
Определеие содержания водорода в твердой пробе для сертификата
Наши высококвалифицированные лаборанты и инженеры помогут решить проблемы связанные с опрделением содержания водорода в металлах и сплавах. Наша лаборатория имеет существенное преимущество, из серийно-выпускаемых приборов, только наш анализатор работает по методу вакуум-нагрева, который рекомендован во многих ТУ, как единственный метод определения содержания водорода.
При промышленном контроле для измерения концентрации водорода в твердой пробе металлов и сплавов применяютя методы вакуум - нагрева, вакуум - плавления и инструментальные методы. Инструментальные методы основаны либо на определении плотности сплава и последующего сравнения ее с плотностью эталона, либо на анализе концентрации водорода выделившегося в поток спектрально-чистого азота при нагревании образца (Анализаторы водорода LECO, Juve, Hmat).
Эти методы имеют принципиальный недостаток, связанный с очень маленьким объемом водорода в образце (около 4 мм3). При объеме азота порядка 1л концентрация водорода составит около 4 ppmv. Точно измерить такую концентрацию сложно. Необходимо учесть, что спектрально чистый азот имеет около 100 ppmv неизвестных заранее примесей, с которыми водород может реагировать и смешиваться.
Вакуумные методики лишены этого недостатка. В вакууме с давлением 100 мкПа объем водорода возрастает в миллиард раз с 4 мм3 до 4м3. Такие количества легко зафиксировать.
Достоверность и точность вакуумных методик определения содержания водорода подтверждена практикой в течение многих десятилетий использования в заводских лабораториях. В некоторых случаях Нормативы, ГОСТ, ТУ допускают только вакуумные методики определения содержания водорода
(например, ГОСТ 22720.1-77 Редкие металлы и сплавы на их основе. Методы определения кислорода, водорода, азота и углерода,
ГОСТ 23338-91 Сварка металлов. Методы определения Диффузно-подвижного водорода в наплавленном металле и металле шва)
Наш Анализатор представляет собой сертифицированный, специализированный высокочувствительный магнитный масс-спектрометр, настроенный на регистрацию водорода при высокотемпературной вакуумной экстракции водорода из испытуемых образцов материалов или их расплавов.
Принцип действия прибора основан на измерении количества водорода выделенного из образца весом 0.003-3г при его нагреве до температуры близкой к точке плавления (вакуум-нагрев) или при плавлении образца в вакууме (вакуум-плавление).
Анализатор полностью соотвествует:
ГОСТ 21132.1-98 Алюминий и сплавы алюминиевые. Метод определения водорода в твердом металле вакуум-нагревом,
ГОСТ 17745-90 Стали и сплавы. Методы определения газов,
ГОСТ 22720.1-77 Редкие металлы и сплавы на их основе. Методы определения кислорода, водорода, азота и углерода,
ГОСТ 23338-91 Сварка металлов. Методы определения Диффузно-подвижного водорода в наплавленном металле и металле шва,
ГОСТ 24956-81 Титан и сплавы титановые. Метод определения водорода.
Примеры протоколов измерений можно посмотреть здесь.
Исследования влияния водорода на механические свойства металлов
За счет особой конструкции чувствительность нашего анализатора в тысячу раз выше, чем у стандартных масс-спектрометров.
Высокая чувствительность позволяет исследовать концентрацию водорода в образцах весом 3 мкг. Имеется возможность на экране монитора точно выделить из общего объема поверхностный водород.
Появляются принципиально новые возможности:
Непрерывная запись потока водорода из образца (экстракционная кривая) позволяет не только точно и достоверно определить момент окончания анализа (в отличие от экспресс методов, где такой контроль не возможен), но и разделить экстрагированный водород по; энергиям связи внутри материала. Все это можно сделать в процессе обыкновенного серийного промышленного анализа без специальной пробоподготовки и насыщения образцов водородом.
АВ-1 дает возможность контролировать структуру материалов по данным вакуум-экстракции водорода, что в некоторых случаях заменяет дорогостоящие структурные исследования, требующие специальной подготовки образов.
Конструкция АВ-1 позволяет анализировать концентрации водорода в любых металлах, сплавах, наноматериалах, полупроводниках (в том числе, содержащих Li, Mg, Sr, Pb и т.д.). Проведены испытания со сталями, в том числе по определению диффузно-подвижного водорода, с магниевыми, титановыми, циркониевыми сплавами, бериллием , металлом сварного шва, сплавами теллура.
Имеется возможность задавать температуру экстракции водорода с точностью до 1-2 градусов Цельсия. Это позволяет проводить на одном приборе анализы содержания диффузно-подвижного и связанного водорода.
Благодаря этим особенностя можно эффективно использовать анализатор водорода при структурных и технлогических исследованиях, разработках новых материалов и выборе технологических режимов закалки, отжига, дегазации, нанесения покрытий, гальванической обработки и т.д.
Наши специалисты принимали участи в подобных работах. По заказам НИИ, лабораторий выполнялись анлизы для разработки технолоических режимов закалки и отпуска, технологии сварки, технологии цинкования, технологии дегазации бериллия.
Получены данные о связи механических свойств материалов с распределением концентраций водорода по энергетическим уровням внутри металла.
Мы готовы и в дальнейшем участвовать в подобных исследованиях, имеем определенный опыт, оказываем консультационные услуги.
Исследования водорода в полупроводниках
Как правило, для исследования водорода в полупроводниках применяют комбинированные методы, определяется оптический спектр, снимаются термо-дессорбционные спектры, проводится измерение вольтамперных характеристик полупроводников, насыщенных водородом в электролите.
Наш анализатор позволяет ускорить эти исследования, определять энергии связи водорода и распределение его концентраций по энергиям связи за десятки минут. Сильной строной является возможность фиксировать температуру экстракции, абсолютный характер измерений и возможность исследования образцов малой массы.
Нами выполнены самые различные измерения содержания водорода в полупроводниках. Определено влияние микросколов и микротрещин на содержание водорода, определены технологические режимы дегазации кремниевых подложек оптических зеркал, измерены содержания водорода в тонких полупроводниковых пленках на кремниевых подложках.
Исследования водорода в наноматериалах
Особые свойства наноматериалов в части взаимодействия с водородом известны. Наноматериалы широко применяются для накопления водорода, как катализаторы в топливных водородных элементах, в полупроводниковой нанотехнике. Водород широко используется при получении наноматериалов как специфическая среда и выделяется в гальванических процессах получения наноструктур.
Существует проблема измерений содержания водорода в наноматериалах, она связана с отсутствием стандартных образцов для калибровки и малым количеством исследуемого вещества. Это приводит тому, что имеется значительный разброс абсолютных значений концентраций водорода в наноматериалах, измеренных в различных лабораториях.
Таким образом, при изучении взаимодействия наноматериалов с водородом необходимо решать не только исследовательские, но и метрологические проблемы.
Промышленный анализатор водорода АВ-1 может проводить измерения потоков водорода из пробы практически любой природы, поэтому его можно использовать, как инструмент при исследованиях наноматериалов.
Новый эталон для калибровки анализатора водорода – «Мера молекулярного потока водорода в вакуум» и новый подход к калибровке анализаторов водорода, обеспечивает соблюдение принципа единства средств измерений и достоверные абсолютные измерения величины потока водорода при вакумм-экстракции его из образца.
Нами исследованы образцы наноалмазов, в которых обнаружены аномально большие содержания водорода и несколько энергетических уровней водорода.
Разработан подход к измерениям содержания водорода в нанотрубках и нановолокнах.
Проведены комплексные исследования образцов из нержавеющей стали после барокриодеформирования с различным относительным содержанием наноструктурных элементов.
Проведены опыты с наноплатиной, которые позволяют предолжить новую методику водородной диагностики наноматериалов.
|
