專利名稱：重力對(duì)潤(rùn)濕性及液/固界面影響的測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微重力研究領(lǐng)域，特別提供了一種重力對(duì)潤(rùn)濕性及液/固界面影響的測(cè)量方法。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，空間科學(xué)已經(jīng)逐漸成為新興的學(xué)科領(lǐng)域?？臻g微重力環(huán)境作為一種實(shí)驗(yàn)條件，為科學(xué)研究提供了新的途徑。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，微重力科學(xué)和應(yīng)用已成為高科技發(fā)展中的一個(gè)嶄新領(lǐng)域，倍受工業(yè)化國家的重視?？萍既藛T在人類的歷史上首次擺脫地球重力場(chǎng)環(huán)境的影響，在空間微重力的環(huán)境下開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，探索一些新的規(guī)律，闡明地面實(shí)驗(yàn)中因?yàn)槭苤亓Φ挠绊懚y以弄清楚的一些問題和現(xiàn)象，推進(jìn)科學(xué)事業(yè)的發(fā)展(H.Ahlborn,S.Diefenbach,H.Neumann,et al.,Mater. Sci.Eng.,1993,A173,133)。
潤(rùn)濕就是液體在固體表面上的鋪展。將液體置于固體表面上，其平衡形狀取決于固體表面能、液體表面能以及固一液界面能之間的平衡關(guān)系，達(dá)到平衡時(shí)總界面能最小，此時(shí)液相表面與固相表面的接觸界面處，形成相對(duì)的面間角，稱之為接觸角。接觸角定義為在固、液、氣三相交界處，氣液相界面與固液相界面之間的夾角(朱履冰，表面與界面物理，天津大學(xué)出版社，1992,P140)。潤(rùn)濕性通常是用接觸角來描述。
空間熔體潤(rùn)濕性等參數(shù)與空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)密切相關(guān)，從某種意義上講，潤(rùn)濕性是影響空間材料制備能否成功的關(guān)鍵問題之一?？臻g熔體與固態(tài)界面潤(rùn)濕性的研究工作，不僅是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容，而且將為空間材料實(shí)驗(yàn)提供有價(jià)值的物理參數(shù)。而潤(rùn)濕性又與液/固界面交互作用有關(guān)，液態(tài)金屬在固態(tài)金屬上的鋪展受液/固界面上固溶體的形成、金屬間化合物的生成等的影響(Bailey,G.L.J.and Watkins,H.C.,J.Inst.Met.,1951-1952,80,57)。
由于在空間微重力環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)十分難得，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的難度也相當(dāng)大，且耗資甚巨，因此，為有效利用空間微重力環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，必須在地面先期做大量的模擬實(shí)驗(yàn)。
本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種實(shí)驗(yàn)方法，能夠在地面重力場(chǎng)環(huán)境中探討重力因素對(duì)潤(rùn)濕性及液/固相之間性質(zhì)的影響，也能與微重力環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
本發(fā)明提供了一種重力對(duì)潤(rùn)濕性及液/固界面影響的測(cè)量方法，其特征在于把合金放在上、下兩個(gè)相同或不同的固態(tài)基片之間，加熱使合金熔化，而基片不熔化，此時(shí)合金熔滴與兩個(gè)固態(tài)基片之間會(huì)形成液橋，通過對(duì)不同空間方位液橋與基片之間接觸角及液/固界面的觀察，來定性地研究重力對(duì)潤(rùn)濕性及液/固界面的影響。
一般地說，當(dāng)合金在上、下兩個(gè)相同基片間熔化時(shí)，若合金與基片潤(rùn)濕，則隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，液態(tài)合金將在上、下兩個(gè)固態(tài)基片上鋪展，并在它們之間形成液橋(示意圖見

圖1)，此時(shí)上基片受到合金熔滴向下的拉應(yīng)力的作用，而下基片受到合金熔滴的壓應(yīng)力的作用，可以研究液態(tài)合金與基片不同空間方位、基片不同受力狀態(tài)，也就是重力因素對(duì)液態(tài)合金與固態(tài)基片間的接觸角及液/固界面反應(yīng)等的影響，并且可以和微重力環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究重力對(duì)接觸角及液/固界面反應(yīng)等的影響。
當(dāng)合金在兩個(gè)不同固態(tài)基片之間熔化時(shí)，在微重力環(huán)境中可以比較液態(tài)合金與這兩個(gè)固態(tài)基片之間不同的潤(rùn)濕性能、不同的液/固界面反應(yīng)等性質(zhì)；在重力場(chǎng)環(huán)境中，可以研究?jī)蓚€(gè)固態(tài)基片分別在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力作用下，液態(tài)合金與固態(tài)基片之間的接觸角及液/固界面反應(yīng)等性質(zhì)。當(dāng)液態(tài)合金與兩個(gè)固態(tài)基片都潤(rùn)濕時(shí)，液態(tài)合金也會(huì)在兩個(gè)固態(tài)基片之間形成液橋(見示意圖1)。而對(duì)于一種特殊情況，即當(dāng)液態(tài)合金與其中一個(gè)固態(tài)基片不潤(rùn)濕時(shí)，就會(huì)只在下面基片上鋪展(不潤(rùn)濕的基片在上方，見示意圖2)，或脫離下面基片，而只在上面基片上鋪展(不潤(rùn)濕的基片在下方，見示意圖3)，可以研究此時(shí)合金熔滴與不同空間方位的固態(tài)基片之間的接觸角及液/固界面的交互作用等性質(zhì)。
另外，還可以把固態(tài)基片垂直放置，液態(tài)合金在垂直放置的固態(tài)基片上熔化、鋪展，從而研究重力因素對(duì)潤(rùn)濕性及液/固界面反應(yīng)的影響。以下通過實(shí)施例詳述本發(fā)明。
附圖1為液態(tài)合金在上下兩個(gè)固態(tài)基片之間形成液橋示意圖；附圖2為液態(tài)合金與上基片不潤(rùn)濕、與下基片潤(rùn)濕的潤(rùn)濕形貌示意圖；附圖3為液態(tài)合金與上基片潤(rùn)濕、與下基片不潤(rùn)濕的潤(rùn)濕形貌示意圖；附圖4為液態(tài)Ag-Cu-Sn在上下兩個(gè)Fe基片之間形成液橋形貌；附圖5為液態(tài)Ag-Cu-Sn在上下兩個(gè)Fe基片間的界面形貌(800℃，保溫30分鐘)；附圖6為液態(tài)Ag-Cu-Sn在固態(tài)Fe基片和Ni3Ale基片之間形成液橋時(shí)的固/液界面形貌(Fe基片在上、Ni3Ale基片在下)；附圖7為液態(tài)Ag-Cu-Sn在固態(tài)Fe基片和Ni3Ale基片之間形成液橋時(shí)的固/液界面形貌(Fe基片在下、Ni3Ale基片在上)；附圖8為液態(tài)Ag-Cu-Sn在固態(tài)Fe基片和BN基片之間形成液橋潤(rùn)濕形貌(Fe基片在下方)；附圖9為液態(tài)Ag-Cu-Sn在固態(tài)Fe基片和BN基片之間形成液橋潤(rùn)濕形貌(Fe基片在上方、BN基片在下方)；
附圖10為液態(tài)Ag-Cu-Sn在單個(gè)Fe基片間的界面及表面組織形貌(Fe基片在下方)；附圖11為液態(tài)Ag-Cu-Sn在單個(gè)Fe基片間的界面組織形貌(Fe基片在上方)；附圖12為液態(tài)Ag-Cu-Sn在垂直放置的固態(tài)Fe基片上潤(rùn)濕的界面及表面組織形貌；附圖13為Ag-Cu-Sn在上下兩個(gè)Fe基片之間形成液橋時(shí)的接觸角(微重力環(huán)境中)；附圖14為Ag-Cu-Sn在上下兩個(gè)Fe基片之間形成液橋時(shí)的接觸角(重力環(huán)境中)；附圖15為Ag-Cu-Sn在上下兩個(gè)Fe基片之間形成液橋時(shí)的固/液界面形貌(微重力環(huán)境中)；附圖16為Ag-Cu-Sn在上下兩個(gè)Fe基片之間形成液橋時(shí)的固/液界面形貌(重力環(huán)境中)；附圖17為Ag-Cu-Sn在單個(gè)Fe基片之間的接觸角(微重力環(huán)境中)；附圖18為Ag-Cu-Sn在單個(gè)Fe基片之間的接觸角(重力環(huán)境中)；附圖19為微重力環(huán)境中Ag-Cu-Sn在單個(gè)Fe基片間的界面及表面組織形貌；附圖19為重力環(huán)境中Ag-Cu-Sn在單個(gè)Fe基片間的界面及表面組織形貌。
實(shí)施例1重力場(chǎng)環(huán)境中，把Ag-Cu-Sn合金放在上、下兩個(gè)固態(tài)Fe基片之間加熱熔化，則隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，液態(tài)Ag-Cu-Sn合金在兩個(gè)固態(tài)Fe基片間形成液橋(見圖4)，由于重力的作用，其與上、下兩個(gè)Fe基片間的接觸角不同，并且液/固界面形貌也明顯不同(見圖5)?？梢钥闯錾?、下兩個(gè)基片不同受力狀態(tài)對(duì)接觸角及液/固界面交互作用的影響。
實(shí)施例2重力場(chǎng)環(huán)境中，把Ag-Cu-Sn合金放在一個(gè)固態(tài)Fe基片和一個(gè)固態(tài)Ni3Al基片之間加熱熔化，則液態(tài)Ag-Cu-Sn合金在兩個(gè)固態(tài)基片間形成液橋，當(dāng)Fe基片在下、Ni3Al基片在上和Ni3Al基片在下、Fe基片在上時(shí)，液/固界面明顯不同(見圖6、7)。由此可以看出液態(tài)Ag-Cu-Sn合金與Fe和Ni3Al這兩個(gè)固態(tài)基片之間不同的潤(rùn)濕性能，不同的液/固界面反應(yīng)等性質(zhì)，也可以看出液態(tài)Ag-Cu-Sn合金與固態(tài)基片不同空間方位，既基片不同受力狀態(tài)對(duì)潤(rùn)濕性及液/固界面的影響。
實(shí)施例3重力場(chǎng)環(huán)境中，把Ag-Cu-Sn合金小球放在Fe基片上加熱熔化，隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，熔滴逐漸在Fe基片上鋪展(即一般的座滴法實(shí)驗(yàn))，如圖8所示，此時(shí)樣品的重量作用在基片上；把Ag-Cu-Sn合金小球放在與其潤(rùn)濕性差的BN基片上面，在樣品上方再放一片與其潤(rùn)濕性好的Fe基片，待樣品熔化后，由于熔體與基片間的潤(rùn)濕作用，使熔滴逐漸脫離下面的BN基片而在上面的Fe基片上鋪展開來，如圖9所示，此時(shí)熔滴附著在Fe基片上，基片受到熔滴向下的拉力作用?？梢?，兩種受力狀態(tài)下，液態(tài)Ag-Cu-Sn合金與固態(tài)Fe基片之間的接觸角不同。并且，兩種條件下，其液/固界面及表面形貌也明顯不同，如圖10、11所示。
實(shí)施例4重力場(chǎng)環(huán)境中，把固態(tài)Fe基片垂直，液態(tài)Ag-Cu-Sn合金在垂直放置的固態(tài)Fe基片上鋪展，則在不同位置，Ag-Cu-Sn/Fe界面形貌不同，液態(tài)Ag-Cu-Sn合金熔滴的表面形貌也不同(見圖12)，說明重力對(duì)液/固界面及液態(tài)合金表面有很大影響。
實(shí)施例5在微重力環(huán)境中，把Ag-Cu-Sn合金放在兩個(gè)固態(tài)Fe基片之間加熱熔化，則液態(tài)Ag-Cu-Sn合金在兩個(gè)固態(tài)Fe基片之間形成液橋，其與兩個(gè)基片間的接觸角相同(見圖13)，液/固界面形貌也相同(見圖15)。而在重力場(chǎng)環(huán)境中，由于重力的作用，液態(tài)Ag-Cu-Sn合金與上、下兩個(gè)固態(tài)Fe基片間的接觸角不同(見圖14)，并且液/固界面形貌也明顯不同(見圖16)。由此可以看出重力對(duì)接觸角及液/固界面交互作用的影響。
實(shí)施例6在重力和微重力環(huán)境中把Ag-Cu-Sn合金放在一個(gè)固態(tài)Fe基片上加熱熔化，則液態(tài)Ag-Cu-Sn合金在固態(tài)Fe基片上鋪展。由于重力的作用，在兩種環(huán)境中，液態(tài)Ag-Cu-Sn合金與固態(tài)Fe基片間的接觸角明顯不同(見圖17、18)，并且液/固界面形貌也明顯不同(見圖19、20)。由此可以看出重力對(duì)接觸角及液/固界面交互作用的影響。
權(quán)利要求
1.一種重力對(duì)潤(rùn)濕性及液/固界面影響的測(cè)量方法，其特征在于把合金放在上、下兩個(gè)相同或不同的固態(tài)基片之間，加熱使合金熔化，而基片不熔化，此時(shí)合金熔滴與兩個(gè)固態(tài)基片之間會(huì)形成液橋，通過對(duì)不同空間方位液橋與基片之間接觸角及液/固界面的觀察，來定性地研究重力對(duì)潤(rùn)濕性及液/固界面的影響。
全文摘要
一種重力對(duì)潤(rùn)濕性及液/固界面影響的測(cè)量方法,其特征在于:把合金放在上、下兩個(gè)相同或不同的固態(tài)基片之間,加熱使合金熔化,而基片不熔化,此時(shí)合金熔滴與兩個(gè)固態(tài)基片之間會(huì)形成液橋,通過對(duì)不同空間方位液橋與基片之間接觸角及液/固界面的觀察,來定性地研究重力對(duì)潤(rùn)濕性及液/固界面的影響。本發(fā)明實(shí)驗(yàn)方法,能夠在地面重力場(chǎng)環(huán)境中探討重力因素對(duì)潤(rùn)濕性及液/固相之間性質(zhì)的影響,也能與微重力環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。
文檔編號(hào)G01N13/00GK1304034SQ9912258
公開日2001年7月18日 申請(qǐng)日期1999年12月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月1日
發(fā)明者李宏, 張海峰, 王愛民, 徐前崗, 丁炳哲, 胡壯麒 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所