Метод підняття припою в капілярному зазорі між двома пластинами

Лабораторна робота № 4

ДОСЛІДЖЕННЯ ПОВЕРХНЕВОГО НАТЯГУ РІДИН ТА РОЗПЛАВІВ

Мета роботи: вивчити методику визначення поверхневого натягу розплавлених припоїв. Експериментальним шляхом визначити поверхневий натяг запропонованих розплавів (металів або сплавів) при різних температурах.

Короткі теоретичні відомості

Відомо багато методів визначення поверхневого натягу, які поділяються на статичні і динамічні [7]. Більш поширені статичні методи, оскільки вони дають вищу точність.

До статичних методів визначення поверхневого натягу відносяться:

· підняття рідини в капілярній трубці або між двома пластинками – метод капілярного підняття;

· зважування краплі, яка падає з циліндричної трубки;

· метод висячої краплі;

· визначення максимального тиску бульбашки газу в рідині;

· відрив кільця (пластинки) від поверхні рідини;

· метод краплі, що перебуває в стані спокою.

· До динамічних відносяться методи:

· капілярних хвиль;

· рідини, що коливається;

· визначення швидкості витікання рідини через капілярні трубки.

Методи визначення поверхневого натягу рідини класифікуються також з точки зору можливості незалежного визначення поверхневого натягу і крайового кута змочування. До методів, які дозволяють визначити поверхневий натяг рідини Р,Г σ незалежно від крайового кута змочування відносяться, методи висячої краплі, зважування крапель, максимального тиску в газовій бульбашці, а також всі перераховані вище динамічні методи. До цієї ж групи з деякими припущеннями можна віднести метод відриву кільця (пластини). До методів, за допомогою яких визначається адгезійний натяг рідини, тобто добуток Р,Г σ ·cos θ, відносяться методи капілярного підняття рідини і зважування пластини, частково зануреної в рідину. Для того щоб знайти величину Р,Г σ, необхідно за допомогою іншого методу виміряти крайовий кут змочування.

Метод краплі, що лежить на поверхні пластини у стані спокою, дозволяє проводити одночасне і незалежне визначення поверхневого натягу і крайового кута змочування. Найбільш часто для вимірювання крайових кутів змочування металами і сплавами (припоями) твердих тіл тавизначення поверхневого натягу розплавлених металів використовуються методи лежачої краплі і відриву кільця (пластини).

Метод лежачої краплі

Метод краплі, що знаходиться в стані рівноваги на поверхні твердого не змочуваного тіла, полягає у вивченні геометрії такої краплі (рис. 4.1). Поверхневий натяг рідини методом спокійної краплі визначають за формулою

де d – максимальний (екваторіальний) діаметр краплі; 1/ H – деяка функція відношення d /2 h; h – відстань від екваторіального діаметра до вершини краплі; ρ – густина рідкої фази; g – прискорення сили тяжіння. Величини d і h визначаються шляхом їх вимірювання на зображенні конура спокійної краплі, яке отримують при фотографуванні.

Слід відзначити, що визначення поверхневого натягу методом спокійної краплі має певні труднощі, особливо якщо невідома густина рідкої фази при даній температурі. Крім того, точність обчислень вимагає високої якості зображення краплі і ретельного визначення деяких її параметрів.

Рис. 4.1. Крапля рідини (1), що знаходиться у стані спокою на незмочуваній поверхні твердого тіла (2) та графічний метод визначення положення екваторіальної площини краплі

При виконанні даної лабораторної роботи густину сплаву ρ будемо вважати величиною постійною у всьому інтервалі температур. Значення густини ρ деяких металів при температурі плавлення наведено в додатку.

Положення екваторіальної площини краплі визначають по її зображенню, як показано на рис. 4.1. Через середини ліній, перпендикулярних до поверхні твердого тіла, проводять штрихові лінії 3 до перетину їх з контуром краплі. Через ці точки перетину 4 проводиться екваторіальна лінія діаметром d.

Після вимірювання h і d визначають відношення 2 h / d. Подальші розрахунки проводять з використанням таблиці А.Ю. Кожевника та інших [5]. Ця таблиця дозволяє проводити розрахунки як для "великих",так і "маленьких" крапель (d /2 h змінюється від 1,14 до 2,0). Таблицю для визначення функції 1/ H наведено в додатку. Похибка в розрахунках за цим методом не перевищує 0,25 %.

Метод відриву кільця

Максимальне зусилля при відриві кільця із дроту від рідини, тобто маса піднятої з кільцем рідини, залежить від поверхневого натягу і густини рідини, відношення куба середнього радіуса кільця R к до об’єму піднятої рідини V р, а також від відношення радіуса кільця R к до радіуса дроту кільця r д. Зусилля P відриву кільця може бути визначене за формулою:

де f – поправка, що враховує форму і співвідношення радіусів кільця та дроту R к/ r д.

Значення поправки f наведено в додатку. Оскільки f = ψ(R к/ r n), то для підвищення точності визначення поверхневого натягу необхідно дуже точно виміряти радіуси кільця і дроту. Зусилля P вимірюють і поверхневий натяг рідини розраховують за формулою

Метод підняття припою в капілярному зазорі між двома пластинами

Цей метод ґрунтується на рівнянні (3.3), з якого визначається поверхневий натяг рідини:

при визначених крайовому куті та висоті підняття припою в зазорі. Для цього можна використати результати лабораторних робіт № 2 та 3.