Презентация - Материаловедение и технология композиционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

Смачивание и его роль в

технологии и природе

Смачивание оказывает значительное влияние на

многие технологические и природные процессы.

Смачивающие жидкости образуют в капиллярах

вогнутые мениски, благодаря чему жидкость

поднимается на высоту h, определяемую по формуле:

h= 2γl cosθ/ρgr ,

где γl - удельная поверхностная энергия жидкости; θ -

краевой угол смачивания; ρ - плотность жидкости; g -

ускорение свободного падения; r - радиус капиллярной

трубки.

Смачивание композиционных материалов

Основные условия смачивания в

равновесных и неравновесных

системах

Энергия одной связи usl (твердое-жидкое sl):

usl = WA / ns,

а в расчете на 1 моль энергия взаимодействия фаз:

usl = WaNA / ns,

где NA - число Авагадро.

Смачивание композиционных материалов

Основные условия смачивания в

равновесных и неравновесных

системах

Объем поверхностного слоя толщиной в одну

молекулу равен 1/ ns1/2 (в расчете на единицу

площади). Однако этот же объем равен Ms ns /ρs NA

, где Ms и ρs - молекулярная масса и плотность

твердого тела. Отсюда

ns = (ρsNA / Ms)2/3

следовательно,

usl = Wa(Ms / ρs)2/3NA1/3.

Смачивание композиционных материалов

Силы взаимодействия между

жидкостью и веществом

По характеру сил взаимодействия между

жидкостью и веществом подложки различные

случаи смачивания можно разделить на две

группы:

 смачивание с преобладанием молекулярных

сил (обратимое);

 смачивание с преобладанием сил химического

взаимодействия (необратимое).

Смачивание композиционных материалов

Общий анализ смачивания

Общий путь анализа условий смачивания в

неравновесных системах заключается в том, что

работа адгезии рассматривается как сумма двух

слагаемых:

WA = WA(p)+WA(H),

где WA(p) - равновесная составляющая; WA(H)

неравновесная составляющая работы адгезии WA.

Смачивание композиционных материалов

Смачивание различных типов

материалов

Система твердый металл - жидкий металл.

Смачивание осуществляется преимущественно

благодаря химическому взаимодействию.

Твердые металлы хорошо смачиваются

металлическими расплавами в тех случаях,

когда контактирующие вещества образуют

химические соединения (интерметаллиды) или

твердые растворы.

Смачивание композиционных материалов

Смачивание различных типов

материалов

В бинарных металлических системах со сходными

диаграммами состояния краевые углы тем меньше,

чем ближе точки плавления компонентов. В

системах, где образуются химические соединения,

смачивание может ухудшаться, если образующийся

на межфазной поверхности интерметаллид плохо

смачивается жидким металлом.

Ювенильные (чистые, свежеприготовленные)

металлические поверхности обычно хорошо

смачиваются металлами, т.е. в системе твердый

металл - жидкий металл θ < 90°.

Смачивание композиционных материалов

Система жидкий металл -

тугоплавкое соединение

Взаимодействие жидкого металла с окислом определяется

взаимодействием расплава с кислородом окисла. Для

двухвалентных металлов идет реакция:

Ме" + Ме'О = Ме' +Ме" О

Изменение термодинамического потенциала при этой

реакции:

∆G=∆G"-∆G', где =∆G",

∆G'- изменения потенциалов при реакциях окисления

жидкого металла и металла, образующего твердый окисел.

При этом смачивание улучшается при уменьшении

разности термодинамических потенциалов

Смачивание композиционных материалов

Жидкий металл - графит,

алмаз

Смачивание графита и алмаза жидкими

металлами происходит, как правило, в тех

случаях, когда металл достаточно интенсивно

химически взаимодействует с углеродом.

Непереходные металлы Сu, Sn, Ag, Au, In, Pb, Sb,

Bi, Ga, химически инертные по отношению к

углероду, образуют на поверхности графита и

алмаза тупые краевые углы θ.

Смачивание композиционных материалов

Капиллярная пропитка

б)а)

Капиллярная пропитка пучка твердых (s) волокон каплей

расплавленного жидкого (l) металла:

а — без смачивания;

б -со смачиванием

Смачивание композиционных материалов