Физико-химические процессы при пайке - Петрунин И.Е.
Скачать (прямая ссылка):
С другой стороны, эта работа может быть выражена через разность давлений между вогнутой и выпуклой стороной поверхности рассматриваемого элемента:
А=(рг — p2)ab-bc-bn, (IV .7)
где pi — давление с вогнутой стороны поверхности элемента;
Р2 — давление с выпуклой стороны поверхности элемента.
Кроме сил молекулярного взаимодействия, никакие другие силы в увеличении поверхности элемента жидкости не участвуют, поэтому оба выражения работы преодоления сил поверхностного натяжения можно приравнять:
{Р\ — p2)ab-bc ¦Ъп = <з12-аЬ-Ьс-Ъп ,
\ Ri R2 1
откуда
¦ (IV.8)
Данное уравнение является первым законом теории капиллярности (формула Лапласа). Из него следует, что поверхностный слой жидкости, имеющий кривизну, оказывает добавочное давление по сравнению с тем, которое он испытывает при наличии плоской поверхности. Этим добавочным давлением обусловлены, главным образом, все капиллярные явления.
При растекании капли жидкости по плоской поверхности твердого тела, как уже отмечалось, условия ее равновесия выражаются в виде равновесия векторов сил поверхностного натяжения в точке на границе трех фаз.
144
Этой границей является периметр смачивания (см. рис. 12):
°i,3=02,3 + ai.2cos6’ (IV .9)
где ai,2 — коэффициент поверхностного натяжения жидкости на границе с газовой средой, н/м (дин/см); аг,з— коэффициент поверхностного натяжения жидкости на границе с твердым телом; 01,3 — коэффициент поверхностного натяжения между твердым телом и газовой средой, действующего на каплю по периметру ее основания.
Это уравнение является вторым законом теории капиллярности (равенство Юнга), из которого следует, что
cos6 = -gl-3~g2-3 . (IV. 10)
СТ1.2
Косинус угла 0, характеризующий смачивающую способность жидкости, называется коэффициентом смачивания. В том случае, если cos Q>0 или 0<9О°, жидкость смачивает поверхность твердого тела. Когда же cos0<O или 0>9О°, жидкость практически не смачивает поверхность твердого тела. Полное смачивание поверхности твердого тела происходит при cos 0 = 1 или при 0 = 0.
Как первое, так и второе уравнение капиллярности получены, исходя из предпосылки, что равновесие материального объекта рассматривается как равновесие всех приложенных к нему сил.
Поскольку в процессе пайки флюсы и припои находятся в жидком состоянии, то на них можно распространить первый и второй законы капиллярности. Однако при этом необходимо иметь в виду, что эти законы выведены для жидкостей, не взаимодействующих с твердым телом. В процессе же пайки происходят активные взаимодействия, поэтому капиллярные явления, протекающие при этом, более сложны и лишь приближенно описываются выведенными уравнениями.
Поверхностное натяжение жидкостей. Коэффициент поверхностного натяжения расплавов металлов и солей при высоких температурах определяют различными мето-
145
дами *, наибольшее распространение из которых получили: метод максимального давления при образовании пузырька, метод отрыва кольца и метод неподвижной капли. Более надежным, а также удобным для расплавов является метод максимального давления пузырька (метод П. А. Ребиндера).
Схема установки для измерения коэффициента поверхностного натяжения расплавленных припоев этим
Рис. 41. Схемы установок для измерения коэффициента поверхностного натяжения припоев по методу П. А. Ребиндера (а) и путем отрыва образца от зеркала расплавленного припоя (б)
методом показана на рис. 41, а [1]. Через расплавленный припой, находящийся в тигле 7, помещенном в электропечь 6, при помощи капиллярной фарфоровой трубки 5, укрепленной на штативе 4 и опущенной в припой на глубину 3 мм, пропускают аргон из баллона 1 через осушитель 2 и емкость 8. Избыточное давление (разность между максимальным и минимальным давлением газа в пузырьке, образующемся на конце капилляра) замеряют
* При определении коэффициента поверхностного натяжения следует иметь в виду, что с термодинамической точки зрения величиной, имеющей строго определенное значение, является лишь та, которая получена при условии, когда жидкость находится в равновесии с собственным насыщенным паром.
146
водяным манометром 3. Коэффициент поверхностного натяжения припоя в эрг/см2 определяют по формуле:
где р — избыточное давление, см вод. ст.\ Ъ — постоянная для данной капиллярной трубки.
Величину b подсчитывают по формуле
где оо — коэффициент поверхностного натяжения воды при 10° С, равный 0,074 н/м (74,0 эрг/см2)-, ро — давление, определяемое опытным путем при пропускании газа через воду.
Для измерения межфазного натяжения в контакте основной металл — расплавленный припой методом отрыва кольца может быть применена установка, изображенная на рис. 41, б. Образец 3 основного металла подвешивают к коромыслу весов 1 на тонкой нихромовой нити 2. Торец образца приводят в соприкосновение с зеркалом расплавленного припоя 4, находящегося в тигле, который помещен в электропечь 5, установленную на подъемном механизме 6. За величину межфазного натяжения принимается отношение величины груза (на чашке весов), необходимого для отрыва образца от зеркала расплава, к периметру торца образца.
