简介概要

连续变温金属固-液电阻率测试装置及应用

来源期刊：稀有金属2004年第5期

论文作者：薛国宪余瑾李先芬刘兰俊祖方遒丁厚福

关键词：液-固金属; 电阻率; 结构变化;

摘要：概述了液态金属电阻的测试方法,利用直流恒流四电极法测量原理建立了固-液金属电阻率连续变温测试装置,并利用该装置对合金Pb61 9Sn381及固体非晶Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6Al10的电阻率进行了连续变温测量,验证了该装置测试的可靠性.

稀有金属 2004,(05),880-884 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.05.016

连续变温金属固-液电阻率测试装置及应用

祖方遒丁厚福刘兰俊李先芬薛国宪

合肥工业大学材料科学与工程学院,合肥工业大学材料科学与工程学院,合肥工业大学材料科学与工程学院,合肥工业大学材料科学与工程学院,合肥工业大学材料科学与工程学院,合肥工业大学材料科学与工程学院安徽合肥230009 ,安徽合肥230009 ,安徽合肥230009 ,安徽合肥230009 ,安徽合肥230009 ,安徽合肥230009

摘要：

概述了液态金属电阻的测试方法 , 利用直流恒流四电极法测量原理建立了固液金属电阻率连续变温测试装置 , 并利用该装置对合金Pb6 1 .9Sn38.1 及固体非晶Zr57Nb5Cu1 5.4 Ni1 2 .6 Al1 0 的电阻率进行了连续变温测量 , 验证了该装置测试的可靠性。

关键词：

液-固金属;电阻率;结构变化;

中图分类号： TG115

作者简介：祖方遒, 通讯联系人 (Email:Fangqiuzu@hotmail.com) ;

收稿日期：2003-09-10

基金：国家自然科学基金 ( 5 0 3 710 2 4);安徽省自然科学基金项目 ( 0 3 0 462 0 2 );

Design and Application of Instrument of Electrical Resistivity Testing for Solid-Liquid Metal during Temperature Continuous Change

Abstract：

The methods of measuring the electrical resistivity of liquid metal were reviewed. The instrument of solid-liquid metal electrical resistivity measurement during the temperature continuous change by four-probe method was designed and made. The electrical resistivity of the solid-liquid Pb 61.9Sn 38.1 and bulk solid metal glass Zr 57Nb 5Cu 15.4Ni 12.6Al 10 were measured by means of the instrument, and it is proved that the instrument is available.

Keyword：

liquid-solid metal; resistivity; structure change;

Received： 2003-09-10

液态金属的物理性能研究一直是科学研究的热门课题, 各国科学家都为此做了大量的研究工作, 近年来在我国也取得了一些可喜的研究成果 ^[1] 。通过研究金属电阻在不同条件下的变化规律窥视金属结构的变化是液态金属研究的重要内容之一, 液态金属电阻测试研究源于20世纪30年代, 由于受诸多条件的限制, 仍有许多问题急待研究。

不论是固态金属还是液态金属其电阻率通常较小, 为了精确地测量其电阻值, 大体采用两种测量方法。一种是电极法, 在电极法中最常用的是直流恒流源四电极法, 四根电极中, 两根给被测导体通入恒定的直流电流, 另两根则用来测量被测导体的电压降, 再通过换算求其电阻值。在固体的超导测量中常用此法, 在液态金属的电阻测量中采用这种方法也最为合理。通常测量方法是四根电极埋在带有毛细管的电导池中, 电导池可以是单根的浸入管 ^[2] , 也可以是双“U”形管 ^[3] 。当坩埚中金属熔体达到被测定的温度时, 将带有电极的电导池浸入熔体使金属充填电导池, 形成测试的通电回路。电导池一般只能一次性使用。也有人用气体将液态金属压入电导池, 测定完后再卸压, 液态金属又将流出电导池, 这样电导池可重复使用。另一种是无电极法, 该方法是不接触法, 其中较为普遍的是旋转磁场法 ^[4,5] 。本文将建立直流恒流源四电极液-固金属电阻连续变温测试装置, 并利用其对Pb_61.9Sn_38.1合金的液-固电阻随温度的变化进行了测量, 很清晰地揭示了金属的固液结构转变时的电阻率的相应变化; 对大块固体非晶随温度上升发生晶化转变其电阻率也发生相应变化的过程进行了测试, 证明该装置通过测量金属电阻率的变化来探测其结构的变化行之有效。

1 测试装置的制作

1.1 测试原理及特点

四电极法测量电阻的特点是电流电极与电压电极分开, 使电流测量和电压测量分别构成回路。这样能使测量系统的引线电阻和接触电阻以及电极等对测量结果的影响降到最小程度, 对测量微电阻非常有效, 可减少测试装置的尺寸和被测材料的用量, 降低测试成本。本装置可测固态金属、液态金属或金属随温度变化发生液-固转变、相变、结构转变等的电阻值变化的连续测量, 图1是测试装置示意图, 图中a, b, c, d为四根电极, a, d为电流引入电极, b, c为电压测量电极。在电极a, d两端输入的是恒定的直流电流I, 由恒流电源提供。用高精度的数字纳伏表测定b, c两极间被测试样的电压降V。根据欧姆定律, 电极b, c间被测试样的电阻为R=V/I。然后将被测试样的电阻转换成电阻率ρ, ρ=RS/L, 式中S, L分别是被测试样的截面积和长度 ^[6,7] 。

图1 测试装置示意图Fig.1 Test equipment sketch map

1-测温热电偶;2-样杯;3-被测金属液;4-电阻炉;5-陶瓷管;6-电极;7-控温热电偶

1.2 制作特点

由于测试过程要在不同温度下进行金属还将发生液固相变, 测试装置将涉及诸多难题, 如测量仪表的选定、被测试样、电极、测温装置等在升温过程的氧化, 试样的制备, 试样样杯的设计, 样品室的设计, 加热炉的设计和选定等等。

1.2.1 仪表

四电极法电阻测试系统中的恒流源和数字电压表可以选购。从已有的研究资料表明液态金属的电阻率大约范围在1～3000 μΩ·cm^-1 ^[8,9,10] 。为了获得理想的测量精度, 又能节约测量成本, 被测试样的尺寸不宜太大, 本测量装置设定被测试样测量部分尺寸为: Φ0.25～0.5 cm, l=1～3 cm, 试样最小电阻约为5～10 μΩ。

为了确保测量精度, 本套测量装置配置的电流源为上海电表厂生产的PF66M型数字多用表, 最大恒定直流电流为500 mA时最小分辨率为10 μA, 电压表为美国Keithely公司生产的Keithely 2182纳伏表, 当测量量程为10.000000 mV时最小分辨率为1 nV。

1.2.2 加热炉

测试装置中关键设备之一是加热炉, 其升温、控温和测温是技术难点, 综合样品室的设计和防止液态金属、电极的氧化以及便于测量操作的实施, 本测试装置选用管式电阻炉为加热炉。管式炉的选择主要根据其最高升温温度和升温速率以及它的控温方式和控温精确度及易于实现气体保护等因素来确定, 为此在上海电机 (集团) 公司实验电炉厂生产的sk2-2.5-13st双管定碳炉的基础上进行了非标改造, 并配有ksy-6D-16S可控硅温度控制器+ (AI-708P) , 可以实现30段程序升温控制, 最高炉温为1500 ℃。可满足除黑色金属以外的绝大部分有色金属测量的需要。

1.2.3 样品室及样杯

样品室要求耐高温且绝缘, 选用高纯Al₂O₃陶瓷管符合要求。陶瓷管长度60 cm, 外径32 cm, 内径24 cm, 陶瓷管两端用带玻璃管 (通保护气体用) 的橡皮塞塞住, 如图2所示。为防止橡皮塞的高温老化现象, 在管内橡皮塞前端的玻璃管上裹上石棉 (图中未画出) , 减小高温对橡皮塞的烘烤影响, 延长其使用寿命。除玻璃管外, 测量电极和测温热电偶也从橡皮塞中穿过。样杯可采图3所示的不同结构, 可用石英玻璃吹制而成, 也可用陶瓷或高纯Al₂O₃经熔模涂挂烧制而成, 样杯内径为Φ0.25～0.3 cm, 电流和电压电极间距为0.5～0.8 cm, 电压电极之间间距为1～3 cm。

图2 样品室示意图Fig.2 Sketch map of sample room

1-橡皮塞;2-玻璃管;3-热电偶;4-陶瓷管;5-样杯;6-电极

1.2.4 电极及气体保护

测量电极选择钨或钼作为电极较合适, 它们不易与其他金属发生反应, 且耐高温。本装置中进行固-液转变测量时用直径1 mm的钨丝作电极, 为防止短路, 在电极上套上小瓷管进行绝缘隔离。为防止被测试样及电极氧化, 本装置采用通入氩气进行保护 (见图1) 。

2 测量试验

2.1 Pb61.9Sn38.1合金固-液及液-固转变电阻率的测量

选取30 ml陶瓷坩埚在马沸炉中熔化试样, 熔化时采用B₂O₃覆盖保护防止氧化, 预先将样杯与电极联接并用钼丝固定。制样时, 先将覆盖剂置于陶瓷坩埚中熔化, 再将配好的Pb_61.9Sn_38.1合金加入熔化, 同时将备好的样杯预热以防破裂, 待合金熔化均匀后将金属液注入样杯中并随炉缓慢冷却后移至电阻仪中, 连接好测量电缆、气路及相关仪表装置后待测。测量时升温速率以20 ℃· min^-1从室温升至850 ℃后保温5 min再降至室温。测量结果如图3。

图4中的测量结果表明, Pb_61.9Sn_38.1合金在固态时随温度的升高电阻率缓慢线性上升, 当温度到达某一温度区间电阻率急剧上升, 表明合金开始熔化, 发生相变, 其相关物理性能也发生了相应变化, 当温度进一步上升时, 电阻率又以不同的速率缓慢上升, 表明Pb_61.9Sn_38.1合金在液态时电阻率随温度缓慢上升。当降温时, Pb_61.9Sn_38.1合金的温度-电阻率特性呈现可逆过程, 只是升温时熔化呈现过热现象而降温时呈现过冷现象, 这是受升降温速率的影响所至。测量结果说明该装置在探测金属相变及结构变化方面较为敏感, 将成为研究金属材料的相变及结构变化的有效工具。

2.2 块体非晶连续变温电阻率的测量

块体非晶试样成分: Zr₅₇Nb₅Cu_15.4Ni_12.6Al₁₀试样尺寸: 15 mm×1.5 mm×1.3 mm, 采用四线测量法测量, 其中电极为直径0.15 mm的钼丝, 试样电极结点处刻有小沟槽以便钼丝绕接。

图3 不同结构的样杯Fig.3 Sample cup of different shape

(a) 陶瓷池型样杯; (b) 石英玻璃吹制定型样杯; (c) 熔模壳型样杯

图4 合金Pb61.9Sn38.1连续升降温时温度-电阻率曲线图Fig.4 Graph of temperature-resistivity of alloy Pb61.9Sn38.1during the temperature rising and falling

(a) 升温固-液转变; (b) 降温液-固转变

测量过程采用连续升温, 升温速率为20 ℃·min^-1。由于非晶组织随温度的升高会发生晶化转变其物理性能也会发生相应的变化, 可通过利用该装置测试固体非晶Zr₅₇Nb₅Cu_15.4Ni_12.6Al₁₀的电阻率随温度的变化过程来考查固体非晶随温度连续升温的晶化转变过程。测量时, 测温热电偶置于靠近试样的正上方以确保测温准确。其测量结果如图5所示。

图5 (a) 中的测量结果可见, 本测量装置很好地展现了非晶组织随温度升高的晶化转变过程和规律: 随温度的升高固体非晶的电阻率开始缓慢线性下降, 这时其组织并未发生晶化转变, 当温度升至某点时, 其电阻率下降速率急剧增大, 表明试样开始发生晶化转变, 表现出导电性能提高, 晶化主要集中在一较小温度区间内进行, 随后温度继续上升时, 非晶试样的电阻率还在以较慢的速率继续下降, 表明非晶试样的晶化过程还在继续。在随后的降温过程中, 被测试样电阻率与温度的关系呈典型晶体特征, 当温度下降时, 电阻率下降, 几乎成线性关系, 如图5 (b) 所示。该测量结果为进一步研究非晶组织的晶化转变及相关的研究工作提供了重要的参考依据。

图5 块体非晶Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6Al10电阻率与温度的关系

Fig.5 Relation of temperature-resistivity of solid glass Zr₅₇Nb₅Cu_15.4Ni_12.6Al₁₀

(a) 升温过程; (b) 降温过程

3 结论

本研究所建立的固-液金属电阻率连续变温测试装置, 既可测量固态金属电阻也可进行液态金属电阻或金属固-液及液-固随温度连续变化的电阻率测量, 测试方便灵活可靠。采用的氩气保护装置简捷有效, 样杯的设计及试样的制备可保证被测试样质量可靠, 配以直流恒流四电极测量, 可确保很高的测量精度和稳定性。该装置可作为探测金属相变及结构变化的有效工具。