[发明专利]测定氧交换系数与氧扩散系数的等压密封式装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料物理性能测试装置，特别是涉及一种材料氧传导性能测试装置，应用于材料物理化学性能分析测试技术领域。

背景技术

在材料体系氧传导过程研究过程中，通常用表面氧交换系数(k)与体扩散系数(D)用来表征氧流量变化来表征对应的两个重要的过程-表面吸附与体扩散。迄今为止，通常用两种测量方法来获得这两个参数。一种是同位素交换深度曲线法(IEDP)，用¹⁸O同位素在样品中的扩散曲线来拟合得到两个参数。另一种方法即电导率弛豫法(ECR)，在极短时间内改变样品周围环境的氧分压引起样品表面的氧空位浓度变化，造成样品表面与体内存在化学势差，这一化学势差将引起氧空位的迁移，同时改变样品的电导率。从迁移开始到平衡稳态这一扩散过程远大于分压切换时间，因此仪器将完整记录下氧扩散引起的电导率随时间变化曲线。在此数据基础上，将拟合得出表面氧交换系数(k)与体扩散系数(D)两个参数。

IEDP与ECR都是建立在菲克第二定律的基础上，且都需要致密结构样品因为多孔结构影响并不在其数据处理过程中。在ECR法中，样品的总电导率与氧的化学计量比相关。当氧分压变化率较低时，电导率与化学计量比之间的关系，如下所示，

σ(t)，σ(0)和σ(∞)分别对应t时刻电导率值，初始电导率值与平衡电导率值。而d(t),d(0)和d(∞)分别对应的是材料体内在真实时间，起始点和平衡点时的氧浓度值。

对扩散过程,Fick第一定律指出扩散通量与浓度梯度成正比,其比例系数为扩散系数：

当x∈(-a,a)时,其边界条件为：

其中K为交换系数。设初始浓度C(x,0)＝C₀，利用本征函数展开，可将方程的解可写为：

时间常数变量a满足方程

实际测量时得到的是浓度的平均值，所以需要求出整个区间上浓度的平均值。

本文研究的是三维空间扩散，见图1，同理可以上述方程可以推广到三维，设三维空间长、宽、高分别为2a、2b、2c，则

因此，在菲克第二定律的基础上对其进行修正后得到如下的公式：

β_mtanβ_m＝L_x；γ_ntanγ_n＝L_y；δ_ptanδ_p＝L_z(11)

其中：x,y,z分别是柱状材料的长、高、宽；t是时间参数。

现有的测定氧交换系数与氧扩散系数的分析测试装置成本高，数据精确度不够理想。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种测定氧交换系数与氧扩散系数的等压密封式装置。在高温条件时，两氧分压腔室的总气体压强值相同但氧含量值不同，从而使得气体在两不同的氧分压腔室之间的对流，渗透两种气体交换方式减少到最低，从而能保证气体在两不同氧分压腔室之间实现动态密封。达到动态密封后，通过测试装置收集信号数据，从而准确和快速得到材料的氧交换系数与氧扩散系数性能数据。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：