2
Содержание
ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ СМАЧИВАНИЯ И РАСТЕКАНИЯ В СИСТЕМЕ ТВЕРДОЕ ТЕЛО - МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ РАСПЛАВ 9
1.1. Влияние различных факторов на смачивание жидкостью твердых поверхностей 9
1.1.1. Размерный эффект краевого угла смачивания 11
1.1.2. Зависимость краевого угла от степени шероховатости 13
1.1.3. Зависимость угла смачивания от анизотропии поверхности 18
1.1.4. Смачивания химически неоднородной поверхности 20
1.1.5. Компьютерное моделирование растекания мальгх капель по микрогетерогенной подложке 21
1.1.6 Смачивание упруго деформируемых тел 24
1.1.7 Прекусионная пленка 25
1.1.8. Учет перекрестных эффектов при смачивании 27
1.2. Растекание жидкости по поверхности твердого тела 31
1.2.1. Кинетика растекания по плоской поверхности 31
1.2.2. Кинетика расплющивания капель 32
1.2.3. Кинетика растекания в тонкопленочных системах 3 8
1.3 Кинетика капиллярного впитывания 39
1.4. Фрактальная размерность поверхности пористого тела и проблемы смачивания 44
1.5. Влияние электрического и магнитного полей на смачиваемость и растекание электропроводящей жидкости 45
Выводы к главе 1 54
ГЛАВА II. РАСТЕКАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ ПО ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ 55
2.1 Модель двумерного растекания металлической капли по поверхности твердого тела в магнитном поле 55
2.2 Решение уравнения растекания малой капли по поверхности твердого тела 59
2.3 Анализ полученных результатов 65
Выводы к главе II 67
ГЛАВА III. КАПИЛЛЯРНОЕ ВПИТЫВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ В МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ 68
3.1 Определение начальной скорости и продолжительности движения жидкости в капиллярах 68
3.2 Уравнение движения жидкости в капилляре в магнитном поле с учетом релаксации краевого угла смачивания 74
3.3 Определение начальной скорости и продолжительности движении жидкости в капиллярах в магнитном поле 76
3.4 Влияние размеров капилляров на межфазную энергию на границе металлическая нить-диэлектрическая среда 86
Выводы к главе III. 93
3
ГЛАВА IV. ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ФОРМУ КАПИЛЛЯРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ МАЛОУГЛОВОМ РАСТЕКАНИИ ПРОВОДЯ1ЦЕЙ КАПЛИ НА ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ 94
4.1. Оценка влияния электромагнитного поля на капиллярную постоянную и равновесный краевой угол смачивания 94
4.2. Определение профиля капиллярной поверхности проводящей капли в электромагнитном поле при малоугловом смачивании. 98
4.3. Определение линейных размеров проводящей капли в электромагнитном поле 101
4.4. Вычислительный эксперимент и анализ результатов 103
Выводы к главе IV 106
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 107
ЛИТЕРАТУРА 109
4
Актуальность темы. Несмотря на значительные успехи, достигнутые в области исследования смачиваемости и адгезионного взаимодействия в системах твердое тело-жидкость, эти процессы до сих пор недостаточно хорошо изучены, а некоторые фундаментальные проблемы капиллярности лишь теперь начинают решаться.
Процессы смачивания и растекания жидких металлических расплавов по поверхности твердого тела являются начальными и важнейшими стадиями многих физико-химических явлений, сопутствующих современным технологиям. Задача управления этими процессами является чрезвычайно актуальной и требует комплексного теоретико-экспериментального исследования сложных физико-химических явлений и разработки новых способов силового воздействия на них через внешние поля (электрические, магнитные, электромагнитные и др.) Следует отметить, что даже при отсутствии указанных внешних полей, гидродинамические условия течения жидкости по поверхности твердого тела при смачивании очень сложны и определяются как свойствами жидкости, так и свойствами твердого тела, а также его геометрией и степенью шероховатости поверхности. В настоящее время даже для систем, в которых жидкость не взаимодействует химически с твердым телом, отсутствует решение уравнений Навье-Стокса, которое в достаточной мере адекватно описывает все стадии процесса растекания жидкости по поверхности твердого тела.
При исследовании течения проводящей жидкости в электрическом и магнитном полях, объединение электромагнитных и поверхностных явлений с динамикой жидкости порождает новые трудности. Однако новые физические явления, возникающие при этом, дают новые возможности для управления исследуемыми в работе процессами смачивания и растекания.
Изложенное свидетельствует об актуальности теоретических исследований процессов смачивания и растекания металлических расплавов по поверхности твердых тел в электрическом и магнитном полях.
5
Цель работы. Изучить влияние электрического и магнитного полей на
процессы растекания и смачивания проводящими жидкостями поверхности
твердого тела.
В рамках поставленной цели решались следующие задачи:
1. Оценить влияние внешнего магнитного поля на скорость растекания проводящей капли по поверхности твердого тела.
2. Определить кинетику, начальную скорость и продолжительность движения жидкости в капиллярах.
3. Определить капиллярную поверхность при малоугловом смачивании жидкостью поверхности твердого тела.
4. Оценить влияние электрического и магнитного полей на капиллярную постоянную и равновесный краевой угол смачивания
5. Определить капиллярную поверхность электропроводной частично смачивающей жидкой капли в магнитном поле.
6. Оценить степень влияния электрического и магнитного полей на линейные размеры капли.
7. Определить кинетику капиллярного впитывания проводящей жидкости в магнитном поле.
Научная новизна
1. Построена математическая модель процесса растекания проводящей капли по поверхности твердого тела, учитывающая впервые одновременное влияние вязкой, магнитной, гравитационной и поверхностых сил.
2. Получены соотношения для расчета времени растекания проводящей капли в магнитном поле с учетом конфигурации профиля растекающейся капли по поверхности твердого тела.
3. Построена математическая модель процесса капиллярного впитывания проводящей жидкости в магнитном поле.
4. Разработан метод исследования кинетики капиллярного впитывания, определения начальной скорости и продолжительности движения жидкости в капиллярах в отсутствии и при наличии внешнего магнитного поля.
6
5. Уточнена размерная зависимость межфазной энергии на границе тонкая металлическая нить-диэлектрическая среда.
6. В процессах капиллярной пропитки расплавами пористых тел в магнитных полях учтены размерные эффекты поверхностных свойств металлических систем.
7. Определена капиллярная поверхность электропроводящей капли в магнитном поле.
8. Проведена оценка степени влияния электрического и магнитного полей на линейные размеры капли и равновесный краевой угол смачивания.
9. Разработаны компьютерные программы для оценки на ПЭВМ процессов растекания и капиллярного впитывания жидкими расплавами пористых тел.
Практическая ценность результатов
Полученные соотношения и установленные закономерности позволяют целенаправленно управлять процессами смачивания и растекания, капиллярного впитывания жидкими расплавами пористых тел и на основе этого оптимизировать технологии лужения и пайки, металлизации керамик, полупроводников, создания новых композиционных материалов методами пропитки и т.д.
Основные положения выносимые на защиту
1. Математическая модель процессов смачивания и растекания проводящей капли по поверхности твердого тела, впервые учитывающая одновременное влияние вязкой, магнитной, гравитационной и поверхностых сил.
2. Соотношения для расчета времени растекания проводящей капли в магнитном поле с учетом конфигурации профиля растекающейся капли по поверхности твердого тела.
3. Метод исследования кинетики капиллярного впитывания с одновременным нахождением начальной скорости и продолжительности движения жидкости в капиллярах, основанный на редукции исследуемой нелинейной граничной задачи к задачам Коши для систем обыкновенных дифференциальных уравнений.
7
4. Размерная зависимость межфазной энергии на границе тонкая металлическая нить-диэлектрическая среда.
5. Теоретическая модель позволяющая рассчитать капиллярную поверхность электропроводящих капель в магнитных полях.
6. Результаты оценок степени влияния электрического и магнитного полей на линейные размеры капли.
Степень обоснованности научных положений, выводов, сформулированных в диссертации подтверждается согласованностью полученных результатов и следствий из них с известными литературными теоретическими и экспериментальными данными.
Личный вклад автора. Задачи по исследованию влияния электрического и магнитного полей на процессы растекания и смачивания жидких расплавов на поверхности твердого тела были поставлены научным руководителем, профессором Созаевым В.А. Теоретические выкладки, анализ полученных соотношений проведены совместно с Канчукоевым В.З., разработка компьютерных программ, вычисления выполнены лично автором.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международной конференции “High temperature capillarity НТС-2000. (Japan 2000)”, региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Северного Кавказа “Кавказ-2000”, 10-ой международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития вакуумной техники" (Казань, 2001), XI межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2001), X - Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Казань, 2002), на научных семинарах кафедры экспериментальной физики и региональном семинаре по физике межфазных явлений в КБГУ
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 работах из них четыре опубликованы в центральных журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Она изложена на 124 страницах, содержит 42 рисунка и 5 таблиц.
9
ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ СМАЧИВАНИЯ И РАСТЕКАНИЯ В СИСТЕМЕ ТВЕРДОЕ ТЕЛО -МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ РАСПЛАВ
Явления смачивания и растекания играют большую роль во многих технологических процессах: лужении и пайке, создании композиционных материалов методом пропитки, жидкофазным спеканием порошковых изделий, получении нанопроводов методом капиллярного впитывания, металлизации керамик, создании капиллярных аккумуляторов энергии и т.д. В связи с этим проблемы смачиваемости в системах твердое тело-жидкость изучались во многих работах [1-8], однако ряд вопросов смачивания и растекания изучен пока еще недостаточно. Это связано с тем, что процессы смачивания и растекания весьма чувствительны как к состоянию поверхности, так и влиянию внешних воздействий.
1.1. Влияние различных факторов на смачивание жидкостью твердых поверхностей
Межфазную поверхность твердое тело — жидкость исследовать сложней, чем поверхность твердое тело — вакуум. Большинство экспериментальных методов, использующих электронные пучки, становятся неприменимыми для жидкостей. Существуют ограничения и в применении электрохимических методов. В теоретическом плане некоторые фундаментальные проблемы капиллярности начинают решаться только сейчас, в частности отклонения от термодинамического равновесия находятся лишь на начальной стадии понимания. Недостаточно изучено влияние внешних воздействий на процессы смачивания, растекания, капиллярного впитывания.
В зависимости от величины краевого угла в (см. рис. 1.1) различают абсолютное смачивание в= 0°, абсолютное несмачивание 0 = 180°, смачивание 0°<#<90о, неполное смачивание 90°<#< 180°. Характер смачиваемости поверх-
10
ности, а следовательно величина краевого угла, определяются соотношением величин взаимодействия частиц жидкости (молекул, ионов, атомов) с твердым телом и между собой. Если величина взаимодействия частиц жидкости между собой больше величины взаимодействия жидкости с твердым телом, имеет место неполное смачивание. В противном случае жидкость будет смачивать поверхность твердого тела, т.е. в<90°.
Рис. 1.1 Капля жидкости (2) на недеформируемой поверхности твердого тела (1), окруженная газообразной средой (3)
Т. Юнг установил [9] связь между краевым углом и величинами межфаз-ных натяжений в виде
С08£ = (<Т13-0-|2)/сг2з (1.1)
»
где 0|2, 013, 023 - межфазные энергии на границах твердое тело-жидкость, твердое тело-газ и жидкость-газ соответственно.
Уравнение Юнга (1.1) относится к случаям смачивания жидкостью гладких, однородных и недеформированных поверхностей твердого тела. Поверхности реальных твердых тел имеют разнообразные дефекты (вакансии, ступени, микрошероховатости, структурную и химическую неоднородности, выход дислокаций, адсорбционные слои и т.д), которые влияют на величину краевого угла. Поэтому жидкость может образовывать различные краевые утлы на поверхности твердого тела в зависимости от состояния поверхности и условий формирования капли. Возможность существования нескольких устойчивых краевых углов, отличных от равновесного значения #о> для данной системы твердое тело—жидкость называется гистерезисом смачивания. Учет гистерезиса смачивания необходим для правильной интерпретации и использования экспериментальных данных в.
В реальных условиях при растекании жидкости по поверхности твердого тела линия трехфазного контакта, цепляясь за дефект поверхности, остается не-
- Київ+380960830922