Проекты

Поиск оптимальных параметров выращивания скелетных кристаллов висмута

Работа победителя конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» Открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная физика» среди работ учащихся 7−9 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 179
Предметы: Физика, Биология
Классы: 9 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

В интернете есть много видеороликов о росте, но нигде нет чётких указаний и методики, что привело к необходимости подробно изучить тему (к тому же скелетные кристаллы весьма красивы).

Цель

Определить оптимальные условия выращивания крупных скелетных кристаллов висмута и добиться их успешного роста.

Задачи

  1. Определить основные факторы, влияющие на рост скелетных кристаллов висмута.
  2. Определить оптимальный диапазон факторов, влияющих на рост кристаллов.
  3. Добиться повторяемого результата.
  4. Разработать оптимальную методику выращивания крупных скелетных кристаллов висмута (не менее 2 см в поперечнике) в условиях школьной лаборатории.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Фарфоровые тигли
  • Образцы (С, Cu, W)
  • Электроплитка мощностью 1000 Вт
  • Аналитические весы Sartorius G150D
  • Теплоизолятор из базальтовой ваты, способной выдерживать до 1200°С
  • Мультиметр HoldPeak HP830CN
  • Гильзованные термопары
  • Список используемого специализированного ПО: Adobe Photoshop, Trello, Tinkercad, Maestro Wizard, Arduino IDE
  • 3D-принтер Maestro Classic

Описание

Первым делом автор прописал термокривую нагревания и охлаждения расплава для понимания его поведения. Полученные кривые довольно чётко разделяются на пять условных стадий. При охлаждении расплав остывает до точки плавления в двести семьдесят один градус, затем температура проседает до точки переохлаждения из-за образования зародышей.

Следующий за этим агрегатный переход поднимает температуру до начала продолжительной ступеньки, во время которой остывание расплава компенсируется выделением теплоты при кристаллизации. И завершает процесс остывание уже твёрдой фазы. При нагревании процесс происходит в обратном порядке. Подозревая, что разные типы примесей будут вести себя по-разному, для изучения взяли два типа – нерастворимую и растворимую. В качестве первой выступил высокочистый графит, в качестве второй – химически чистое олово. После каждого добавления одной сотой процента примеси в одинаковое количество висмута строились термокривые и оценивались кристаллы. Из навески с графитом лучшие кристаллы были получены при семи сотых процента примеси, а диапазон удачного скелетообразования составил от пяти до девяти сотых процента. Как видно, при этой концентрации – самая короткая стадия кристаллизации и самая большая её средняя температура. Попутно выяснилось, что нерастворимой примеси необходима повторная плавка для лучшего результата. В литературе такое явление носит название «активация» и объясняется созданием переходного слоя между примесью и висмутом на молекулярном уровне. Для этого металлу надо захватить частицу примеси в себя и так застыть. У висмута с примесью олова рабочий диапазон скелетного кристаллообразования тоже узкий, но находится чуть дальше – от двенадцати до пятнадцати сотых процента, а наилучший результат получен при двенадцати сотых. При этом наблюдалась наименьшая температура переохлаждения.

Далее была найдена скорость остывания расплава, изучено влияние объёма и мест зарождения кристаллов, проверен рост на стержнях-затравках с микровибрацией и током, а также на затравках из шлака.

Результаты работы/выводы

На размер и скелетность кристаллов висмута, в первую очередь, влияет строго определённый процент примеси, и если её нет, то скелетные кристаллы просто не вырастают. Лучшие и повторяемые результаты получены при росте на стержневой вольфрамовой затравке под электротоком с микровибрацией и на свободноплавающей автозатравке из шлака. По этим способам отработаны и составлены подробные методики.

Перспективы использования результатов работы

  • Более тщательное изучение влияния давления, магнитного поля, удара, а также роста на затравках в режиме электропереноса
  • Поиск способа восстановления висмута из шлака
  • Разработка способа очистки висмута от примесей после многократных переплавок в лабораторных условиях школы

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Минералогический музей им. А.Е. Ферсмана РАН

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«Проект даёт уникальную возможность попробовать себя в технической сфере. Для меня проект очень важен, и я очень рада, что смогла выйти с материалами проекта на заключительный этап конференции и представить его участникам и уважаемому жюри. Мне всё понравилось, огромное спасибо организаторам и школе за предоставление такой возможности!»