Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ СМАЧИВАНИЯ И РАСТЕКАНИЯ В СИСТЕМЕ ТВЕРДОЕ ТЕЛО - МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ РАСПЛАВ 9
1.1. Влияние различных факторов на смачивание жидкостью твердых поверхностей 9
1.1.1. Размерный эффект краевого угла смачивания 11
1.1.2. Зависимость краевого угла от степени шероховатости 13
1.1.3. Зависимость угла смачивания от анизотропии поверхности 18
1.1.4 Смачивания химически неоднородной поверхности 20
1.1.5. Компьютерное моделирование растекания малых капель по микрогетерогенной подложке 21
1.1.6 Смачивание упругодеформируемых тел 24
1.1.7 Прекусионная пленка 25
1,1.8. Учет перекрестных эффектов при смачивании 27
1.2, Растекание жидкости по поверхности твердого тела 31
1.2.1. Кинетика растекания по плоской поверхности 31
1.2.2. Кинетика расплющивания капель 32
1.2.3. Кинетика растекания в тонкопленочных системах 38
1.3 Кинетика капиллярного впитывания 39
1.4. Фрактальная размерность поверхности пористого тела и проблемы смачивания 44
1.5. Влияние электрического и магнитного полей на смачиваемость и растекание электропроводящей жидкости 45
Выводы к главе 1 54
ГЛАВА II. РАСТЕКАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ ПО ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ 55
2.1 Модель двумерного растекания металлической капли по поверхности твердого тела в магнитном поле 55
2.2 Решение уравнения растекания малой капли по поверхности твердого тела 59
2.3 Анализ полученных результатов 65
Выводы к главе ЇІ 67
ГЛАВА III. КАПИЛЛЯРНОЕ ВПИТЫВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ В МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ 68
3.1 Определение начальной скорости и продолжительности движения жидкости в капиллярах 68
3.2 Уравнение движения жидкости в капилляре в магнитном поле с учетом релаксации краевого угла смачивания 74
3.3 Определение начальной скорости и продолжительности движения жидкости в капиллярах в магнитном поле 76
3.4 Влияние размеров капилляров на межфазную энергию на границе металлическая нить диэлектрическая среда 86
Выводы к главе III. 93
ГЛАВА IV. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ФОРМУ КАПИЛЛЯРНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ МАЛОУГЛОВОМ РАСТЕКАНИИ ПРОВОДЯЩЕЙ КАПЛИ НА ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ 94
4.1. Оценка влияния электромагнитного поля на капиллярную постоянную и равновесный краевой угол смачивания 94
4.2. Определение профиля капиллярной поверхности проводящей капли в электромагнитном поле при малоугловом смачивании. 98
4.3. Определение линейных размеров проводящей капли в электромагнитном поле 101
4.4. Вычислительный эксперимент и анализ результатов 103
Выводы к главе IV 106
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 107
ЛИТЕРАТУРА 109
- Влияние различных факторов на смачивание жидкостью твердых поверхностей
- Модель двумерного растекания металлической капли по поверхности твердого тела в магнитном поле
- Определение начальной скорости и продолжительности движения жидкости в капиллярах
- Оценка влияния электромагнитного поля на капиллярную постоянную и равновесный краевой угол смачивания
Введение к работе
Актуальность темы. Несмотря на значительные успехи, достигнутые в области исследования смачиваемости и адгезионного взаимодействия в системах твердое тело-жидкость, эти процессы до сих пор недостаточно хорошо изучены, а некоторые фундаментальные проблемы капиллярности лишь теперь начинают решаться.
Процессы смачивания и растекания жидких проводящих фаз по поверхности твердого тела являются начальными и важнейшими стадиями многих физико-химических явлений, сопутствующих современным нано-технологиям. Задача управления этими процессами является чрезвычайно актуальной и требует комплексного теоретико-экспериментального исследования сложных физико-химических явлений и'разработки новых способов силового воздействия на них через внешние поля (температурные, электрические, магнитные и др.) Следует отметить, что даже при отсутствии указанных внешних полей, гидродинамические условия течения жидкости по поверхности твердого тела при смачивании очень сложны к определяются как свойствами жидкости, так и свойствами твердого тела, а также его геометрией и степенью шероховатости поверхности. В настоящее время даже для систем, в которых жидкость (жидкий металл или расплав) не взаимодействует химически с твердым телом, отсутствует решение уравнений Навье-Стокса, которое в достаточной мере адекватно описывает все стадии процесса растекания жидкости по поверхности твердого тела.
При исследовании течения проводящей жидкости в электрическом и магнитном полях, объединение электромагнитных и поверхностных явлений с динамикой жидкости порождает новые трудности. Однако новые физические явления, возникающие при этом, дают и новые возможности для эффективного управления процессами смачивания к растекания.
Изложенное свидетельствует об актуальности теоретических исследований процессов смачивания и растекания жидких фаз по поверхности твердых тел в электромагнитных полях.
Цель работы. Изучить влияние электромагнитного поля на процессы растекания и смачивания проводящими жидкими фазами поверхности твердого тела.
В рамках поставленной цели решались следующие задачи:
-
Оценить влияние внешнего магнитного поля на скорость растекания проводящей капли по поверхности твердого тела.
-
Определить кинетику, начальную скорость и продолжительность движения жидкости в капиллярах.
-
Определить профиль капиллярной поверхности при малоугловом смачивании жидкостью поверхности твердого тела.
-
Оценить влияние электромагнитного поля на капиллярную постоянную и равновесный краевой угол смачивания
-
Определить профиль капиллярной поверхности проводящей капли, частично смачивающей твердую поверхность в электромагнитном поле.
-
Оценіггь степень влияния электромагнитного поля на линейные размеры проводящей капли.
-
Определить кинетику капиллярного впитывания проводящей жидкости в магнитном поле.
Научная новизна.
-
Построена математическая модель процесса растекания проводящей жидкости по поверхности твердого тела, учитывающая впервые одновременное влияние вязкой, магнитной, гравитационной и поверхностных сил.
-
Получены соотношения для расчета времени растекания проводящей капли в магнитном поле с учетом конфигурации профиля растекающейся капли по поверхности твердого тела.
-
Построена математическая модель процесса капиллярного впитывания проводящей жидкости в магнитном поле.
-
Разработан метод исследования кинетики капиллярного, впитывания, определения начальной скорости и продолжительности движения жидкости в капиллярах в отсутствии и при наличии внешнего магнитного поля.
-
Уточнена размерная зависимость межфазной энергии на границе тонкая металлическая нять-диэлектрическая среда.
-
В процессах капиллярной пропитки расплавами пористых тел в магнитных полях учтены размерные эффекты поверхностных свойств металлических систем.
-
Определен профиль капиллярной поверхности проводящей капли в электромагнитном поле.
-
Проведена оценка степени влияния электромагнитного поля на линейные размеры проводящей капли и равновесный краевой угол смачивания.
-
Разработаны компьютерные программы для исследования на ПЭВМ процессов растекания и капиллярного впитывания жидкими расплавами пористых тел в электромагнитных полях.
Практическая ценность результатов.
Полученные соотношения и установленные закономерности позволяют целенаправленно управлять процессами смачивания и растекания, капиллярного впитывания жидкими расплавами пористых тел в электромагнитных полях и на их основе оптимизировать многие технологические процессы по защите окружающей среды и поверхности тел, лужения и пайки, металлизации керамнк, полупроводников, создания новых композиционных материалов методами пропитки и т.д.
Основные положения выносимые на зашиту.
-
Математическая модель процесса растекания проводящей капли по поверхности твердого тела, учитывающая одновременное влияние вязкой, магнитной, гравитационной и поверхностных сил.
-
Соотношения для расчета времени растекания проводящей капли в магнитном поле с учетом конфигурации профиля растекающейся капли по поверхности твердого тела.
-
Метод исследования кинетики капиллярного впитывания с одновременным нахождением начальной скорости и продолжительности движения жидкости в капиллярах, основанный на редукции исследуемой нелинейной граничной задачи к задачам Ко щи для систем обыкновенных дифференциальных уравнений.
. 4. Размерная зависимость межфазной энергии на границе тонкая металлическая нить-диэлектрическая среда. :
-
Теоретическая модель, позволяющая рассчитать профиль капиллярной поверхности проводящих капель в электромагнитных полях.
-
Результаты оценок степени влияния электромагнитного поля на линейные размеры проводящей капли.
Степень обоснованности научных положений, выводов, сформулированных в диссертации подтверждается согласованностью полученных результатов и следствии из них с известными литературными теоретическими и экспериментальными данными. '
Личный вклад автора. Диссертация представляет собой в основном итог самостоятельной работы автора. Задачи по исследованию влияния электромагнитного поля на процессы растекания и смачивания жидкими расплавами поверхности твердого тела были поставлены научным руководителем, профессором Созаевым В.А. Теоретические, выкладки, анализ полученных соотношений проведены совместно с Канчукоевым В.З., разработка компьютерных программ, вычисления выполнены лично автором.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международной конференции "High temperature capillarity НТС-2000. (Japan 2000)", региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Северного Кавказа "Кавкаа-2000", 10-ой международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития вакуумной техники" (Казань, 2001), XI межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 2001), X —Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Казань, 2002), на научных семинарах кафедры физики ианосистем и региональном семинаре по физике межфазных явлений в КБГУ
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 12 работах, из них четыре опубликованы в центральных журналах. Список работ приводится в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложения. Она изложена на 124 страницах, имеет 27 рисунков и 5 таблиц.
Влияние различных факторов на смачивание жидкостью твердых поверхностей
Уравнение Юнга (1.1) относится к случаям смачивания жидкостью гладких, однородных и не деформированных поверхностей твердого тела. Поверхности реальных твердых тел имеют разнообразные дефекты (вакансии, ступени, микрошероховатости, структурную и химическую неоднородности, выход дислокаций, адсорбционные слои и т.д), которые влияют на величину краевого угла. Поэтому жидкость может образовывать различные краевые утлы на поверхности твердого тела в зависимости от состояния поверхности и условий формирования капли. Возможность существования нескольких устойчивых краевых углов, отличных от равновесного значения 60, для данной системы твердое тело—жидкость называется гистерезисом смачивания. Учет гистерезиса смачивания необходим для правильной интерпретации и использования экспериментальных данных 9.
В реальных условиях при растекании жидкости по поверхности твердого тела линия трехфазного контакта, цепляясь за дефект поверхности, остается неподвижной, хотя не достигнуто значение равновесного краевого угла. При этом говорят о краевом угле натекания вт. Наглядно краевые углы натекания вт и оттекания (90Т можно продемонстрировать при сползании капли по поверхности наклонной плоскости. Легко заметить, что выполняются неравенства внт в ват. Различаются три типа гистерезиса смачивания [2, 5]:
а) статический гистерезис смачивания, обусловленный различием краевых углов в зависимости от способа контактирования твердого тела сдругими фазами (жидкостью и газом, двумя жидкостями);
б) кинетический гистерезис, который обусловлен наличием на поверхности различных дефектов, препятствующих перемещению линии смачивания, при этом гистерезисе краевые углы зависят от времени контакта фаз;
в) физико-химический гистерезис, обусловленный тем, что смачивание сопровождается одновременно физико-химическими процессами адсорбции, растворением, химическими реакциями и т.д.
Модель двумерного растекания металлической капли по поверхности твердого тела в магнитном поле
Следует отметить, что гидродинамические условия течения жидкости по поверхности твердого тела при смачивании очень сложны и определяются как свойствами жидкости, так и свойствами твердого тела, а также его геометрией и степенью шероховатости поверхности. В настоящее время даже для систем, в которых жидкость не взаимодействует химически с твердым телом, отсутствует приближенное решение уравнений Навье-Стокса, которое удовлетворительно описывает все стадии процесса растекания жидкости по поверхности твердого тела.
В том случае, когда растекающаяся жидкость растворяет твердое тело подложки или происходит перенос отдельных компонентов через межфазную границу, процесс растекания значительно усложняется.
Среди работ, посвященных исследуемой теме, следует отметить работу [96], где было дано первое количественное описание кинетики квазистационарного растекания капли ньютоновской жидкости по горизонтальной твердой поверхности, основанное на сопоставлении свободной поверхностной энергии и работы, требуемой для преодоления вязкого трения. Исходя из упрощенного представления о растекании фазового слоя жидкости по поверхности твердого тела, в [96] рассматриваются три стадии растекания: 1) кратковременная (доли секунды), когда, капля превращается в плоский фазовый слой; 2) основная стадия, в процессе которой жидкость распространяется по поверхности твердого тела; 3) заключительная стадия, когда процесс растекания резко замедляется и, наконец, полностью прекращается.
Проблема растекания капли ньютоновской жидкости в случае очень хорошего смачивания была оригинально решена при использовании ряда допущений к уравнениям Навье-Стокса и непрерывности в [97]. Как отмечают исследователи, полученная в [97] зависимость от времени радиуса круга смоченной каплей ньютоноскои жидкости твердой поверхности хорошо согласуется с экспериментальными данными для ряда жидкостей.
Результаты многих теоретических и экспериментальных работ показывают [135], что движение металлических жидкостей при температурах, значительно превышающих температуру начала кристаллизации, по существу не отличается от движения обычных ньютоновских жидкостей.
Задача растекания жидкого металла в цилиндрической системе координат, когда для расплава справедливо реологическое уравнение Ньютона где rzl. - касательное напряжение сдвига, действующее по направлению радиуса растекания на плоскость, нормаль которой совпадает с направлением оси z, vr-компонента скорости вдоль радиального направления, ц- динамическая молекулярная вязкость, —-- градиент скорости по высоте слоя жидкости, была рассмотрена в [136]. При этом упрощенная математическая модель растекания в [136] дала результаты, аналогичные результатам исследования математической модели в [97], основанной на уравнениях Навье-Стокса и непрерывности.
Определение начальной скорости и продолжительности движения жидкости в капиллярах
Когда два первых члена уравнения (3.1), учитывающие силу инерции, по порядку величины намного меньше остальных и ими можно пренебречь, решение "укороченного" уравнения движения жидкости в капилляре приведено в [142].
Для горизонтального капилляра ((р=0) и невесомости (g=0) достаточно простое аналитическое решение уравнения (3.1) дано в [ 116].
Решение общего нелинейного уравнения (3.1) находится лишь приближенными аналитическими или численными методами. Для вертикального капилляра ( /9=90п) методом возмущений по малому параметру в первом приближении решение уравнения (3.1) дано в [143]. Заметим, что практическое использование результатов [143] создает большие неудобства из-за представления решения в неявном виде. В работе [144] модифицированным методом Фурье дано простое приближенное решение уравнения (3.1), позволяющее точнее описывать процесс капиллярного впитывания жидкости на начальной стадии ее подъема, когда инерционные силы оказывают существенное влияние.
Авторы указанных выше работ занимались исследованием кинетики капиллярного впитывания, основываясь, как правило, на решении задачи Коши для уравнения (3.1). При таком традиционном подходе недостающее значение начальной скорости капиллярного впитывания определялось теоретически, исходя из гипотезы о наименьшей возможной особенности уравнения (3.1), на являлась конечной величиной [143, пример, чтобы вторая производная.
Сформулируем ниже для уравнения (3.1) не традиционную задачу, которая позволит не только исследовать кинетику капиллярного впитывания, но и определять некоторые важные параметры моделируемого процесса.
Оценка влияния электромагнитного поля на капиллярную постоянную и равновесный краевой угол смачивания
Результаты теоретического и практического исследования в различных полях (гравитационном, электрическом, магнитном, электромагнитном и др.) статики и динамики поверхности капли малого объема на поверхности твердого тела, особенно зоны трехфазного контакта, представляют ценную информацию для решения многих научных и технологических проблем [2,3,5 127, 129, 160-164]. Перспективные методы, основанные на анализе оцифрованного изображения [165, 166], стали интенсивно применяться в последние годы для практического изучения капиллярных поверхностей и особенностей зоны трехфазного контакта.
Успехи математической теории минимальных поверхностей, с одной стороны, и практические запросы технологии космической эры и медицины с другой, как отмечает Р. Финн [167], вызвали новую волну активности исследования сразу по нескольким направлениям теории капиллярности. Из принципа существования взаимно-однозначного соответствия между лежащими каплями и капиллярными поверхностями вытекает, что множество всех симметричных лежащих капель может быть описано с помощью однопараметрического семейства кривых (параметром служит центральная высота капли), лежащая капля однозначно определяется значениями объема и контактного угла (полностью определяется термодинамическими характеристиками системы) и должно существовать соотношение, связывающее их с радиусом основания капли. 4.1. Оценка влияния электромагнитного поля на капиллярную постоянную и равновесный краевой угол смачивания
Рассмотрим лежащую вязкую каплю электропроводного жидкого металла (расплава) заданного объема V, расположенную на верхнем торце горизонтальной прямоугольной пластинки твердого тела в поле силы тяжести, направленном вдоль оси z вертикально вниз. Предположим, что данная капля с нулевой азимутальной кривизной находится во внешнем однородном и постоянном магнитном поле с вектором индукции В = (В, 0,0) и через нее протекает постоянный электрический ток с плотностью j = (0,7,0), а значение равновесного краевого угла смачивания в$Е) изменяется в пределах 0 в(3Е] ж/2 .
Будем полагать далее, что обозначениям хт и У ( или %{Е) ЯХ(Н)) СО" ответствуют значения физического (или геометрического) параметра % рассматриваемой системы в электромагнитном поле с векторами напряженностей электрического Ё и магнитного Н полей, а У0) (% или Хф)) значение этого же параметра в отсутствии электромагнитного поля.
Похожие диссертации на Растекание и смачивание проводящими жидкими фазами поверхности твердых тел в магнитных полях
