Физическая химия силикатов и других тугоплавких соединений - Горшков В.С.
ISBN 5-06-001389-8
Скачать (прямая ссылка):
В других областях технологии силикатов поверхностное натяжение проявляет себя в процессе высокотемпературного растворения и кристаллизации расплавов, о чем пойдет речь ниже.
Значение поверхностного натяжения на границе раздела фаз определяет такое важное свойство расплавов, как их смачивающую способность, проявляющуюся в частичном или полном растекании расплава по поверхности твердого тела. Способность к смачиванию характеризуют значением краевого угла смачивания или косинуса этого угла.
Если представить, что на поверхности твердого тела находится капля расплава, то в зависимости от природы расплава и твердого вещества можно зафиксировать два типичных состояния, которые иллюстрирует наглядно рис. 29. На границе раздела каждой из сосуществующих фаз возникает поверхностное натяжение о"тж, о"тг, ажг (твердая фаза — жидкость, твердая фаза — газ, жидкость —
1J7
газ). Силы Отж, Отг и ожг направлены тангенциально к каждой границе раздела фаз, которые сходятся в точке А. Краевым углом смачивания называется угол, образуемый касательной к поверхности жидкой капли, проведенной из точки соприкосновения трех фаз — жидкой, твердой и газообразной — и замеренный в жидкой фазе. Этот угол обозначают 0. Он служит мерой смачивающей способности расплава. При значениях 6<90°, т. е. при остром угле, расплав смачивает твердую поверхность. При совершенном смачивании капля полностью растекается на поверхности твердого тела.
При В>90°, т. е. при тупом угле, расплав не смачивает твердое тело. При полном несмачивании поверхности раздела расплав собирается в капли сферической формы и 8=180°. Исходя из условия равновесия на границе трех фаз, которое описывается уравнением
°тг = °тж + °жг COS в,
Рис. 29. Схема действия сил на границе раздела трех фаз —твердой (т), жидкой (ж) и газообразной (г):
а —расплав смачивает поверхность твердой фазы; о — расплав не смачивает поверхность твердой фазы
может быть определен косинус угла:
Анализ этого выражения показывает, что смачивание жидкостью поверхности твердого тела тем лучше (угол 6 меньше, a cos 6 больше), чем больше поверхностное натяжение на границе твердое тело— газ и меньше на границе твердое тело — жидкость и жидкость— газ. Если энергия поверхности раздела твердая фаза — жидкость велика, капля стремится принять форму шара, чтобы уменьшить поверхность соприкосновения этих фаз. Если же велика энергия поверхности раздела твердая фаза — газ, капля стремится растечься по возможно большей площади, чтобы устранить эту поверхность.
Для определения краевого угла смачивания используют несложную установку, принцип действия которой состоит в проектировании капли на экран и измерении угла на проекции капли.
Практическое значение явления смачивания определяется тем, что оно является первой стадией взаимодействия расплавов, как и прочих жидкостей, с поверхностью твердого тела. Смачивающая способность силикатных расплавов имеет решающее значение для процессов эмалирования и глазурования. Например, если по каким-то причинам (неудачный состав или неподходящая температура) расплав вместо равномерного покрытия будет формировать-
118
ся в капли, надлежащее качество выпускаемой продукции обеспечить не удается.
Смачивание имеет большое значение не только для получения различных покрытий, к числу которых относятся эмали и глазури, но и различных спаев. Дело в том, что смачивание в большой мере определяет адгезию расплавов по отношению к различным твердым телам. Количественная связь между ними выражается уравнением Дюпре — Юнга:
П7а = 1 + a cos 6 = а (1 + cos 6)
ИЛИ
WJa= 1 +cos8.
Из этого уравнения можно рассчитать работу адгезии Wa, если известны поверхностное натяжение расплава и краевой угол смачивания. Обе эти величины, как показано выше, сравнительно нетрудно определить экспериментально. Зная работу адгезии, можно успешно соединять с помощью расплава легкоплавких стекол разнородные материалы, в частности, осуществлять весьма широко используемую в электронной технике операцию спаивания металлов со стеклом и керамикой.
Смачивающая способность оказывает большое влияние на физико-химические процессы, происходящие при обжиге всех тех силикатных материалов, для которых свойственно формирование в процессе термообработки в силу эвтектических отношений как ме-тастабильных, так и стабильных расплавов. Чем больше поверхность контакта между жидкой и твердой фазами в термообрабаты-ваемом материале, тем легче и полнее завершаются химические и физико-химические процессы, обеспечивающие получение материала с нужными свойствами. Значение же этой поверхности контакта тем больше, чем лучше расплав смачивает твердую фазу.
При создании огнеупорных материалов для различных областей промышленности, например строительных материалов (получение стекла, керамики, цементов), черной и цветной металлургии, также необходимо учитывать явление смачивания. Причем приходится создавать для каждой технологии такие материалы, которые, находясь в контакте с металлом, клинкерной жидкостью или стекломассой, в наименьшей степени смачивались ими. Следует помнить, что от этого зависят не только срок службы огнеупоров, но и, например, как в стекловарении, качество синтезируемого материала.
