Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
140
При решении практических задач сложно оперировать с поверхностной энергией жидкости, поэтому введено более простое понятие о коэффициенте поверхностного натяжения а, численно равном силе поверхностного натяжения, приходящейся на единицу длины поверхностного слоя жидкости и действующей в направлении, перпендикулярном к этой линии:
, (1V.1)
где ? — сила поверхностного натяжения, к; I — длина свободной поверхности жидкости, на которой действует сила поверхностного натяжения F, м.
Коэффициент поверхностного натяжения соответствует силе на единицу длины (н/м) или работе на единицу поверхности (дж/м2).
Величину работы АЛ образования новой поверхности жидкости можно определить из соотношения:
ДЛ=оД5, (IV.2)
где о — коэффициент поверхностного натяжения; AS — приращение поверхности жидкости. / /у у
Коэффициент поверхностного натяжения » системе СГС выражается в дин/см или эрг/см2.
Поверхностное натяжение, или, в общем случае, меж-фазное натяжение обусловлено тем, что частицы жидкости испытывают преимущественное притяжение одной из фаз. В рассмотренном взаимодействии молекул основное влияние на поверхностный слой оказывает сама жидкость, в то время, как вторая фаза, в данном случае газовая атмосфера, оказывает на поверхностный слой не-
значительное влияние. Чем резче выражена эта асимметрия силовых полей, тем больше величина поверхностного натяжения. В тех случаях, когда различие в силовых полях проявляется в меньшей степени, поверхностное натяжение имеет низкие значения. В растворах частицы с сильными силовыми полями вытесняют на поверхность частицы с более слабыми силовыми полями. Повышение концентрации их в поверхностном слое вызывает снижение поверхностного натяжения. Если отдельные компоненты взаимодействующих систем, например легирующие элементы в сплавах, имеют силовое поле, близкое по значению силовому полю основы сплава, то эти компо-
141
ненты практически распределены равномерно и представляют собой растворы, свойства которых близки к идеальным.
Характер смачивания и капиллярного течения флюсов и припоев в условиях пайки во многом зависит от величины коэффициента поверхностного натяжения их расплавов, значения межфазного натяжения в контакте расплав флюса — расплав припоя и расплав припоя — основной металл, а также величины поверхностной энергии * основного металла, находящегося в твердом состоянии.
Для однокомпонентных систем коэффициент поверхностного натяжения а на границе твердое тело — вакуум имеет максимальное значение, на границе жидкость — насыщенный пар — более низкое значение о, на границе твердое тело — жидкость коэффициент поверхностного натяжения имеет наименьшее значение.
Смачиваемость флюсами и припоями характеризуется их способностью в расплавленном состоянии взаимодействовать с поверхностью основного металла, а флюса еще и с поверхностью припоя, результатом чего является растекание припоя.
Растекание жидкостей и смачивание ими поверхности твердого тела сопровождается увеличением поверхности, связанным с преодолением сил поверхностного натяжения. Пусть нормали в точках а и b (рис. 40 [2]) эле--ментЯ^рассматриваемой поверхности жидкое^; пересекаются в точке Оь образуя угол фЬ а нормали в точках b
* Для жидкостей поверхностная энергия, приходящаяся на единицу поверхности, и коэффициент поверхностного натяжения совпадают не только по размерности, но и по численному значению. Поэтому между поверхностной энергией на единице поверхности и коэффициентом поверхностного натяжения жидкостей не делают различия. Поверхностная же энергия на единицу поверхности и коэффициент поверхностного натяжения твердых тел могут значительно отличаться по величине. Это связаио с анизотропией в свойствах кристаллов твердых тел. Если свойства жидкостей одинаковы во всех направлениях, т. е. жидкости изотропны, то в твердых телах расстояния между соседними атомами в кристаллах в разных направлениях неодинаковы. Поэтому и свойства кристаллов по разным направлениям различны. Аналогичная анизотропия присуща и поверхности кристалла. Кроме того, дефекты кристаллической решетки и в первую очередь дислокации и границы зерен, обладающие избыточной энергией, усугубляют различия в понятиях поверхностная энергия и поверхностное натяжение твердых тел.
142
и с пересекаются в точке 02, образуя угол фг, тогда площадь прямоугольного элемента abed будет равна произведению сторон:
S = ab-bc. (IV.3)
Под действием разности давлений между вогнутой и выпуклой сторонами поверхности элемента точки а, b, с и d переместятся по нормалям на расстояние 8п соответ-
Рис. 40. Элемент криволинейной поверхности жидкости
ственно в положение а', Ь', с', d', образуя элемент с площадью Si. Площадь нового элемента, выраженная через аЬ Ьс
углы cpi = — и ®2=—.
К\
s1=(«l6+8„-^)(i,c+s„i).
Пренебрегая величинами второго порядка, после перемножения получаем:
Sl=ab-bc(l+^-+^). (IV.4)
143
Приращение поверхности рассматриваемого элемента жидкости при перемещении
LS = S1 — S = ab-bc-ln( — + -Ц ; (IV.5)
\ Ri Ri J
тогда работа преодоления сил поверхностного натяжения Л==а1.2Л5 = а1,2'ab'bc'bn(~j^+-^) • (,V-6)
