Твердое тело - жидкость - раздел Образование, Классификация композиционных материалов К Сожалению, До Настоящего Времени Отсутствуют Надежные Экспериментальные Мет...
К сожалению, до настоящего времени отсутствуют надежные экспериментальные методы определения свободной поверхностной энергии на границе твердое тело - жидкость. Однако отдельные попытки, экспериментального определения межфазной энергии известны. В.И. Лихтман и др. измерили sТ.Ж методом нулевой ползучести, обнаружив резкое снижение поверхностного натяжения цинка на границе с жидким Sn (до 200 мДж/м2) и не слишком большое (~ 100 мДж/м2} снижение его на границе с расплавленным Pb.
В.И. Костиковым и др. предпринята попытка определить свободную межфазную энергию на границе жидкий кремний - пирографит для случая, когда капля жидкого металла на поверхности твердого тела имеет сколь угодно малый равновесный краевой угол. Для определения sТ.К применяли метод подъема металла между двумя плоскопараллельными пластинами (рис. 4.15), теория которого изложена ниже.
Рис. 4.15. Схема методы определения межфазной свободной поверхностной энергии на
границе твердое тело - жидкость
Уравнение Лапласа можно записать следующим образом:
, (4.31)
где:
Р1 и Р2 – давления с вогнутой и выпуклой сторон мениска соответственно;
sЖ.Г – свободная поверхностная энергия жидкости;
R1 и R2 – главные радиусы кривизны.
Для случая двух параллельных пластин одни из радиусов кривизны равен бесконечности, и уравнение (4.31) можно записать в виде:
,
но
,
где:
r – плотность жидкости;
g – ускорение силы тяжести;
h – высота подъема металла между пластинами.
Радиус кривизны R определяется уравнением:
,
где:
d – расстояние между пластинами;
q – краевой угол смачивания.
Следовательно:
.
Или, принимая во внимание уравнение (4.18) можно окончательно получить:
. (4.32)
Возможен также, и другой вывод уравнения (4.32). Действительно, если предположить, что ширина пластины а, то движущая сила F при подъеме металла между двумя пластинами определяется очевидным уравнением:
. (4.33)
С другой стороны, сила тяжести Р при подъеме металла на высоту h равна:
,
где:
r – плотность металла;
g – ускорение силы тяжести;
d – расстояние между пластинами.
В момент достижения максимальной высоты Р = F легко получить:
,
откуда
Таким образом, если измерить высоту подъема металла между параллельными пластинами при заданном расстоянии, можно определить значение (sТ.Г – sТ.Ж), а зная свободную поверхностную энергию твердого тела, легко рассчитать свободную межфазную энергию на границе твердое тело - жидкость, В качестве жидких металлов использовали кремний и сплавы на основе кремния с добавками титана и циркония.
Сплавы из кремния полупроводниковой чистоты и иодидных титана и циркония приготавливали двойной дуговой плавкой на медном водоохлаждаемом поду в атмосфере очищенного аргона.
В качестве твердого тела применяли пирографит марки П2100А, для которого методом Обреимова была предварительно определена свободная поверхностная энергия (sТ.Г. = 350 мДж/м2).
Кремний и его сплавы расплавляли в алундовых тиглях. Размеры тиглей выбирали так, чтобы исключить эффект влияния стенок тигля на поднятие металла между пластинами, Параллельные пластины из пирографита с фиксированным и измеренным расстоянием между ними погружали в расплавленный металл и выдерживали в течение 1 ч при температуре, превышающей на 50-100°С температуру плавления металла.
Рис. 4.16. Влияние добавки легирующих элементов на sТ.Ж на границе сплав - пирографит:
1 – сплав Si-Ti; 2 – сплав Si-Zr
Опыты проводили в печи ТВВ-4 в вакууме 6,67 сПа. Высоту подъема жидкого металла между пластинами определяли после опыта. Расстояние между пластинами варьировали от 2 до 4 мм.
Во всех случаях за высоту подъема металла принимали расстояние от уровня металла в тигле до максимальной точки подъема металла.
Значения sТ.Ж на границе жидкий кремний (сплав) - пирографит для указанных металлов и сплавов при температуре опыта 1500°С, d = 0,15 см и sТ = 275 мДж/м2 приведены ниже:
Si
Si + 5% Ti
Si + 15% Ti
Si + 25% Ti
sТ.Г – sТ.Ж, мДж/м2
sТ.Ж, мДж/м2
–25
–125
–225
–325
h, см
1,7
2,0
2,5
3,0
Si + 10% Zr
Si + 20% Zr
Si + 30% Zr
sТ.Г – sТ.Ж, мДж/м2
sТ.Ж, мДж/м2
–225
–325
–725
h, см
2,5
3,0
4,0
Величины свободной поверхностной энергии пирографита при температурах опытов рассчитывали с использованием температурного коэффициента k, равного 0,05 мДж/(м2×К).
Оказалось, что свободная межфазная энергия на границе кремний - пирографит близка к нулю.
При увеличении содержания титана и циркония в кремнии (рис. 4.16) свободная межфазная энергия на границе с пирографитом понижается, но не так резко, как это можно было бы ожидать. Лишь при содержании 30% циркония в кремнии наблюдается довольно значительное понижение sТ.Ж. Недостаточно высокая межфазная активность титана и циркония в кремниевых расплавах па границе с пирографитом, по-видимому, объясняется сильным взаимодействием этих атомов с кремнием в объеме с образованием комплексов типа TixSy и ZrxSiy. Это предположение подтверждается результатами рентгеноструктурного исследования расплава в тиглях после опытов. Во всех случаях обнаружено наличие силицидов: TiSi2, Ti5Si3, ZrSi2, Zr5Si3. Следует далее отметить, что полученные отрицательные значения межфазной энергии реализуются только в процессе поднятия металла между пластинами, т.е. речь идет о динамической межфазной энергии. В условиях равновесия межфазная энергия может быть как угодно близка к нулю, но обязательно положительна. В наших экспериментах столб жидкости поднимается под действием движущей силы (sТ.Г – sТ.Ж), причем значение sТ.Ж во времени изменяется от больших отрицательных значений до некоторой положительной величины. Однако столб жидкости, поднявшись между пластинами, не может опуститься в результате повышения межфазной энергии. Поэтому здесь определены эффективные значения sТ.Ж, которые оказались отрицательными, за исключением sТ.Ж на границе жидкий кремний - пирографит.
4.6.4. Смачивание в системах «твердые металлы - жидкие металлы»
Чистые поверхности металлов обычно хорошо смачиваются жидкими металлами, т.е. в этих системах q < 90°. Однако наличие оксидных пленок или других примесей на межфазной границе приводит к ухудшению смачивания. В таких случаях для улучшения смачивания нужно повышать температуру расплава, уменьшать шероховатость поверхности, проводить процесс смачивания в восстановительной атмосфере или применять специальные флюсы. Экспериментальные данные о смачивании приведены в специальной и справочной литературе. Здесь мы приведем только отдельные примеры смачивания в системе твердый металл - жидкий металл (см. таблицы 4.6 – 4.8).
Введение... Естественные волокнистые материалы известны с далеких времен Достаточно внимательно посмотреть на растительные и животные вещества имеющиеся на...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Твердое тело - жидкость
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Цели и задачи создания композиционных материалов (КМ)
В широком смысле понятие композиционный материал (КМ) (его синонимами являются композит, композиция) – включает в себя любой материал с гетерогенной структурой (т.е. состоящий из дв
Матрицы, ориентации и типу арматуры, назначению
Армированные КМ можно классифицировать по следующим признакам. По материалу матрицы (материаловедческий принцип) все КМ можно разбить на три группы: композиции с металлической матри
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Для разработки теории поведения армированных материалов при различных видах нагружения применяются макро- и микромеханический подходы. При макромеханическом подходе КМ рассматривает
И в перпендикулярном направлении
Рассмотрим, как рассчитать модули упругости армированных КМ по известным упругим характеристикам и объемным концентрациям его компонентов. Остановимся на простейшем
Армированных композиционных материалов
При растяжении происходит уменьшение диаметра образца (или – ширины, толщины). При деформации стержня относительная продольная деформация
Композиционные материалы, армированные непрерывным волокном
Развитие методов расчета прочности изделий и конструкций из КМ основывается на использовании следующих трех принципов: 1) расчетная модель и созданные на ее основе методы расчета до
Правило смесей
Так как свойства КМ определяются свойствами составляющих его матрицы и арматуры, то необходимо установить зависимость свойств КМ от концентрации (количества) этих составляющих.
Оптимальная объемная доля волокон
В соответствии с уравнением (2.19) прочность КМ должна возрастать пропорционально объемной концентрации волокон Vв. Но это уравнение способно описать прочность ком
Удельная прочность композиции
Удельная прочность композиции σуд – это отношение предела прочности материала σв к удельной массе g: σуд = σв/g. Измеряют уде
Влияние ориентации волокон на прочность КМ
В технике обычно использую анизотропные КМ с определенной симметрией свойств. При изучении их физико-механических характеристик реальный, как правило, весьма неоднородный материал п
Критическая длина волокон
Рассмотренные в разделе 2.2.1 формулы для определения прочности КМ справедливы лишь тогда, когда армирующие волокна непрерывны. Если же КМ армированы короткими (дискретными) волокнами, следует учит
Правило смесей
Прочность в направлении армирования для КМ, упроченных параллельными отрезками волокон, можно оценить по правилу смесей с учетом концевого эффекта. Рассмотрим, какое влияние оказыва
Распределение напряжений по длине волокон
Выше уже говорилось о том, что от матрицы к волокну нагрузка передается касательными напряжениями τ, действующими на границе раздела. Эти напряжения, как и нормальные напряжения в волокнах, на
Статистическая модель разрушения композиционных материалов
Статистическая модель разрушения КМ используется для определения прочности КМ, армированных пучком (или пучками) волокон. Эта модель учитывает возможный разброс свойств волокон по длине.
Е
Статистическая прочность композиционных материалов
Поскольку нормальные напряжения у концов волокон малы, волокна здесь оказываются недогруженными. В результате часть волокна неэффективна как элемент, несущий нагрузку. Длина этой части зависит от с
Прочность пучка волокон
Вначале рассмотрим, как зависит вероятность разрушения одного волокна от его длины.
Волокно длиной l мысленно разделим на равные отрезки, длина которых равна диаметру dв
Формирование и развитие трещин в КМ
В предыдущем разделе было показано, что использование правила аддитивности (правила смесей) и статистической теории для оценки прочности КМ дают зачастую противоречивые результаты. Полезным дополне
Прочность КМ на сжатие
Изучая поведение КМ при одноосном сжатии вдоль волокна, рассматривают двумерную модель (рис. 2.20). Она состоит из жестких параллельных пластинок-волокон единичной толщины с длиной l и ширин
Методы определения механических свойств армированных КМ
Новые КМ разрабатывают обычно в два этапа. На первом этапе – расчетном – анализируют предполагаемые условия нагружения конструкции из КМ и оценивают возможности материала, рассчитывая его упругие к
Растяжение
Испытание материалов на одноосное растяжение – традиционно самый распространенный вид механических испытаний. При растяжении ортотропных КМ в направлении главных осей симметрии можно определить мод
Трехточечный изгиб
Наиболее распространен такой его вид, когда свободно опирающийся на две опоры образец нагружен в середине пролета сосредоточенной силой Р (рис. 3.7, а). Рассчитывая модуль упругости слоистых
Чистый изгиб
Образец - балка нагружен сосредоточенными изгибающими моментами по его концам (рис. 3.7, б). Практически этот изгиб осуществляют, поворачивая специальные блоки-головки, в которых закрепляют концы о
Четырехточечный изгиб
Изгиб по этой схеме можно проводить двумя способами. По первому способу (рис. 3.7, в) две одинаковые силы Р прикладывают внутри пролета на одинаковом расстоянии а от опор; по второму
Растяжение
Испытания на растяжение проводят, нагружая жесткие полудиски, на которые одето испытываемое кольцо (рис. 3.9, а). Предварительно контактирующие поверхности колец и полудисков смазывают графитовыми
Микроскопический анализ
Микроскопический анализ армированных КМ является важным методом определения их структуры, а следовательно, и эксплуатационных свойств. В процессе изготовления и эксплуатации КМ могут сформироваться
Фрактографический анализ
Фактографический анализ (изучение структуры поверхности разрушения, т.е. изломов) является эффективным средством анализа причин эксплуатационных повреждений в КМ.
При хрупком внутризеренно
Термодинамическая и кинетическая совместимость компонентов
Большинство КМ – представители термодинамически неравновесных систем, для которых характерно наличие развитой сети внутренних границ раздела и градиентов химических потенциалов элементов в матрице
Виды межфазного взаимодействия
В соответствии с классификацией А. Меткалфа по видам межфазного взаимодействия все КМ делятся на три класса. К первому относятся КМ, у которых волокна и матрица взаимно нерастворимы и не образуют х
Типы связей между компонентами
В КМ связи между матрицей и волокнами могут быть шести типов. Механическая связь (рис. 4.2, а) осуществляется за счет чисто механического зацепления неровностей контактирующих поверхностей матрицы
Уравнения Фика
Первый закон Фика. Уравнение первого закона Фика для одномерной диффузии в направлении х записывается в виде:
Диффузия в полуограниченный образец
При диффузии в полуограниченный образец (0 < х < ¥) с нулевой начальной концентрацией С (х, 0) = 0 из другого полуограниченного образца (– ¥ < х< 0) с посто
Диффузионное растворение цилиндрического включения в матрице
Если самодиффузия внутри включения мала по сравнению с диффузией в матрице, толщина переходного слоя значительно меньше размеров включения и на границе включения с матрицей выполняется условие терм
Смачивание и растекание
Способность смачивать твердые тела – важная характеристика взаимодействия жидкости с поверхностью твердого тела. На практике с явлением смачивания приходится встречаться при плавке, нанесении защит
Поверхностное натяжение
Поверхностное натяжение жидкости, sЖ-Г, равно но величине ее удельной поверхностной энергии или энергии, которая необходима для обратимого, изотермического образования единицы нов
Поверхностная энергия твердых тел
Строго говоря, поверхность кристаллических тел имеет свободную поверхностную энергию (скаляр) и поверхностное натяжение (тензор) в отличие от жидкостей, для которых поверхностное натяжение и энерги
, (4.31)
,
,
,
.
. (4.32)
. (4.33)
,
,
Новости и инфо для студентов