DIFFERENTIATION OF FOUR-COMPONENT MUTUAL SYSTEM K, CA, BA // F, WO 4 BY USE OF INNOVATIVE TECHNOLOGIES

Full Text

Физико-химический анализ многокомпонентных систем является основой современного материаловедения. Коллективом авторов на основе комплекса Na, K, Ca, Ba // F, Cl, MoO4, WO4 из 16 солей получено 96 авторских свидетельств на изобретения и патентов на разработку разнообразных материалов. Среди них: антифризы, электролиты для химических источников тока, низкоплавкие солевые смеси, экзотермические смеси, способы получения химических соединений, в том числе молибдата бария, фторида кальция, фторида стронция, фторида бария, вольфрамата кальция, молибдата кальция, хромата кальция, расплава для получения карбидного, молибденового покрытий, способ утилизации медьсодержащих отходов, теплоаккумулирующих смесей, способ получения рабочего тела для тепловых машин, устройства для дифференциального термического анализа и многие другие приложения, имеющие большое значение для современного материаловедения. На ряд последних авторских свидетельств и патентов в статье делаются ссылки [1-10]. Однако изучение многокомпонентных систем (МКС) трудоемко. В последние 15-20 лет расплавы солей являются объектом всесторонних исследований и находят все более широкое применение во многих областях промышленности [11-12]. В связи с этим разработка способов оптимизации исследования гетерогенных физико-химических систем с целью снижения временных и материальных затрат является актуальной задачей. Цель работы - на примере дифференциации четверной взаимной системы K, Ca, Ba // F, WO4 с использованием инновационных технологий [12-15] показать новую методологию исследования МКС, позволяющую разрабатывать новые материалы с комплексом ценных свойств. Универсальный алгоритм инновационного исследования многокомпонентных взаимных систем представлен в табл. 1. На основе приведенного алгоритма создан программный комплекс, позволяющий автоматизировать процесс дифференциации и построения древ фаз МКС [13]. Ранее система K, Ca, Ba // F, WO4 была частично исследована [18-20], однако авторами она была заново изучена с использованием инновационных технологий. Особенность настоящих исследований заключается в том, что дифференциация системы K, Ca, Ba // F, WO4 и построение древа фаз в настоящее время осуществляются автоматически с использованием программы [14]. Эксперимент сводится к единичному (подтверждающему). Для этого авторами использовано «Мобильное малогабаритное устройство дифференциального термического анализа (ММУ ДТА)» [16]. На рис. 1 представлены граф и развертка системы K, Ca, Ba // F, WO4, а на рис. 2 - древо фаз, полученные с применением автоматизированного программного комплекса [14]. Таблица 1 Универсальный алгоритм исследования многокомпонентных систем с использованием инновационных технологий Уровень Содержание уровня Постановка задачи исследования Анализ исходных данных, разработка плана исследования, выбор программных продуктов 0 Нулевой информационный уровень - база данных 0.1 Моделирование фазовых равновесий систем низшей мерности с применением программного обеспечения 0.2 Сопоставление и анализ данных моделирования и эксперимента для ранее изученных систем 0.3 Проведение подтверждающего (уточняющего) эксперимента методом рентгенофазового анализа или дифференциального термического анализа на ММУ ДТА 0.4 Формирование и использование автоматизированных баз данных для реализации задач моделирования топологической структуры и метрики МКС 1 Первый информационный уровень - качественное описание системы 1.1 Дифференциация системы на фазовые единичные блоки (ФЕБы) с применением разработанных программных продуктов 1.2 Автоматическое построение древа фаз МКС 1.3 Проведение единичного подтверждающего (уточняющего) эксперимента методом рентгенофазового анализа или дифференциального термического анализа на ММУ ДТА 2 Второй информационный уровень - количественное описание системы 2.1 Расчет характеристик нонвариантных равновесий с применением разработанных алгоритмов и программных продуктов, проведение единичного подтверждающего (уточняющего) эксперимента на ММУ ДТА 2.2 Определение характеристик моновариантных равновесий с применением разработанных алгоритмов и программ, проведение единичного подтверждающего (уточняющего) эксперимента на ММУ ДТА 2.3 Определение характеристик поливариантных равновесий расчетными или геометрическими методами с корректировкой по данным единичных экспериментов на ММУ ДТА 3 Построение модели фазового комплекса МКС Система K, Ca, Ba // F, WO4 имеет двойные соединения: D8 - KF*K2WO4, D9 - KF*CaF2, D13 - K2WO4*BaWO4. Соединения D8 и D9 - конгруэнтного плавления, а соединение D13 - инконгруэнтного плавления. Эти данные были использованы для дифференциации системы в соответствии с программой [100]. а б Рис. 1. Граф (а) и развертка (б) системы K, Ca, Ba // F, WO4 С помощью программного комплекса выявлена внутренняя секущая CaF2-D13 и семь фазовых единичных блоков (ФЕБов) (табл. 2), на основе которых в автоматизированном режиме строится древо фаз с указанием секущих элементов (рис. 2). Таблица 2 Фазовые единичные блоки четырехкомпонентной системы K, Ca, Ba // F, WO4 № ФЕБ № 1 CaF2-CaWO4-K2WO4-D13 5 BaF2-K2WO4-D9-D8 2 CaF2-BaF2-K2WO4-D13 6 BaF2-KF-D9-D8 3 CaF2-CaWO4-BaWO4-D13 7 BaF2-CaF2-K2WO4-D9 4 CaF2-BaF2-BaWO4-D13 Рис. 2. Древо фаз системы K, Ca, Ba // F, WO4 Для подтверждения достоверности дифференциации и древа фаз системы K, Ca, Ba // F, WO4 осуществлено исследование тройной эвтектики стабильного треугольника системы BaF2 - CaF2 - K2WO4 состава 44,5 % K2WO4, 46 % BaF2 и 9,5 % CaF2, а методом ДТА подтверждена ее температура при 760 oC, что совпадает с данными [19]. 898 K Использование программного комплекса [14] и единичного (подтверждающего) эксперимента методом ДТА [15] на несколько порядков снижает трудоемкость исследования дифференциации и построения древ фаз четверных взаимных систем, что важно для исследования многокомпонентных солевых систем в целом, в том числе для разработки новых материалов и их патентования. Выводы: 1. Физико-химический анализ многокомпонентных систем является основой современного материаловедения, однако их исследование является исключительно трудоемкой процедурой. 2. С помощью инновационных технологий проведена дифференциация четверной взаимной системы K, Ca, Ba // F, WO4. Древо фаз состоит из семи фазовых единичных блоков и имеет циклическую структуру. 3. В статье впервые приводится информация об эффективном использовании автоматизированного программного комплекса для дифференциации и построения древ фаз на примере реальной четырехкомпонентной взаимной системы K, Ca, Ba // F, WO4. 4. Разработан и апробирован аппаратно-программный комплекс «Мобильное малогабаритное устройство дифференциального термического анализа (ММУ ДТА)». 5. Показано, что важной составляющей инновационных методов исследования МКС является проведение единичного подтверждающего и уточняющего эксперимента методом ДТА. 6. Инновационные методы исследования МКС выводят процесс исследования на качественно новый инновационный уровень, значительно снижая затраты времени и труда на исследование топологии многокомпонентных взаимных солевых систем, и позволяют разрабатывать разнообразные материалы с комплексом ценных свойств.

About the authors

Elena A Katasonova

Samara State Technical University

Email: mail38@mail.ru
Postgraduate Student. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russia

Alexander S Trunin

Samara State Regional Academy of Nayanova

Email: mail38@mail.ru
(Dr. Sci. (Chem.)), Professor. 196, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443001, Russia

Olga E Morgunova

Samara State Technical University

Email: mail38@mail.ru
(Ph.D (Chem.)), Senior Research. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russia

Konstantin D Surinsky

Samara State Technical University

Email: mail38@mail.ru
Engeneer. 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russia

References

Supplementary files