CC BY
101
О СВЯЗИ КОНЦЕНТРАЦИИ РТУТИ С УГЛОМ СМАЧИВАНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВИДА КОНСТРУКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
®2010 Шапиев С.Т., Успажиев Р.Т.
Комплексный НИИ РАН, г. Грозный
В статье рассматривается вопрос о смачиваемости (адгезии) ртути по отношению к различным конструкционным материалам. Выведена новая формула, указывающая на связь (корреляцию) концентрации ртути (СНд) с углом смачивания (Э) в зависимости от вида КМ. Результаты данной работы могут иметь справочный характер.
The authors of the article considered the problem of the mercury wettability (adhesion) in relation to the various constructional materials. They introduced the new formula specifying the communication (correlation) of the mercury concentration (CHg) with the angle of wetting (Э) depending on the CM type. The results of the given article can have a referential character.
Ключевые слова: смачивание, конструкционные материалы, формула, концентрация.
Keywords: wetting, mercury, constructional materials, formula, and concentration.
Взаимодействие и контакт жидких металлов с твердыми веществами в первую очередь происходит на
поверхности фаз и в пределах границы их раздела. Поэтому на одно из первых мест при таком контакте выходят межфазные процессы, характеризуемые поверхностным натяжением (о), смачиванием (8) и адгезией (\Л/а). Кроме того, определение и интерпретация этих параметров, особенно для случая, когда одним из объектов
исследования является ртуть,
представляют и самостоятельный научно-практический интерес.
Прикладной аспект данного вопроса, а именно - взаимосвязь ртути, конструкционных материалов и
демеркуризирующих составов, возник уже при разработке и исследовании свойств демеркуризаторов. Как оказалось, степень демеркуризации коррелирует с видом конструкционных материалов, состоянием их
поверхности, а также степенью их смачивания ртутью:
СНд ~ к соэ8.
Последнее нами обнаружено впервые, хотя, с теоретической точки зрения, это очевидно. В плане
поставленной задачи одним из главных параметров, которые подлежат измерению и исследованию, является, очевидно, поверхностное натяжение ртути, хотя ее величина определялась многими
исследователями [2 4, 5]. Более того, рядом авторов высказывалось
мнение, что большой разброс результатов измерения
поверхностного натяжения ртути (402-515 эрг/см2) может быть связан со степенью чистоты исследуемой ртути [4]. Поскольку такая зависимость от чистоты может влиять и на другие параметры ртути, то для дальнейшей работы нами применялась
сверхчистая ртуть марки «Р-10-б», а в качестве наиболее достоверной величины (о) в данных экспериментах использовалось значение, измеренное нами и равное 473 дин/см.
Анализ литературных источников указывает на особенности изучения смачивания и адгезии в системах «жидкий металл - твердое тело» [2, 3,
5]. Так, адгезионное взаимодействие жидких металлов с твердой поверхностью определяется не только молекулярными силами, но и физикохимическими процессами, которые
происходят на границе раздела фаз. Ими могут быть: коррозия, растворение материала подложек в жидком металле по границам зерен, физическое взаимодействие контактирующих пар, адсорбция и др. В зависимости от природы контактирующих тел проявляется либо один из этих физикохимических процессов, либо их сочетание [3,6].
Физико-химическое взаимодействие, как известно, в принципе отличается от
адгезионного. Адгезия за счет молекулярного взаимодействия является равновесной и обратимой. В результате же физико-химического взаимодействия имеет место неравновесная адгезия, т.е. <тжг и сгжт после нарушения адгезии не равны тем значениям, которые имели место до возникновения этого взаимодействия. Таким образом, при смачивании жидкими металлами твердых тел может возникнуть
неравновесная система. А поскольку физико-химическое взаимодействие контактирующих тел определяется их химическими связями, то выделить типы химических связей не всегда представляется возможным. Поэтому следует рассматривать адгезию и смачивание реальных систем применительно к тем процессам, которые осуществляются на практике [1]. В нашем случае молекулярные и физико-химические процессы на границах контакта
«ртуть - конструкционные
материалы» еще сложнее, ибо в роли твердой фазы выступают не просто металлы, а их сплавы, состоящие из целого ряда ингредиентов, каждый из которых и их соединения имеют свои свойства. Естественно, сложнее морфология поверхности сплавов. К тому же компоненты сплавов в определенной степени растворяются в ртути или растворяют ее в себе.
Видимо, в этих условиях едва ли можно рассчитывать на строгую равновесность контактирующих
систем и можно проследить лишь тенденцию изменения того или иного процесса и его параметров, что иногда достаточно, если это касается технологической задачи.
Из этого мы и исходили, когда выбирали специфику и уровень
рассмотрения межфазных явлений: для решения нашей задачи на данном этапе достаточно устойчивой тенденции изменения одного из
поверхностных параметров.
Материал и методика
Проводилось несколько серий экспериментов, в том числе:
1. Измерение межфазного
натяжения ртути и угла смачивания ртутью конструкционных материалов (без оксидной пленки, в вакууме) в зависимости от времени контакта.
2. Измерение межфазного
натяжения ртути и угла смачивания ртутью конструкционных материалов (с оксидной пленкой, на воздухе) в зависимости от времени контакта.
Экспериментальная установка обеспечивала выполнение следующих операций:
а) откачку рабочей камеры до 5x10"6 мм рт. ст.,
б) термостатирование рабочей камеры,
в) ионную бомбардировку для очистки подложки,
г) образование в вакууме, на подложке, капли ртути,
д) юстировку подложки и фотосъемку профиля капли.
Вакуумная камера была снабжена системой манипуляторов,
обеспечивающих выполнение
указанных операций. Температура в данной серии экспериментов составляла 20±0,50°С.
Особое внимание было уделено изготовлению и очистке
поверхностей подложек исследуемых конструкционных материалов:
алюминиевых сплавов Д-16 и В-95, стали 30 ХГСА, титанового сплава ОТФО. Режим ионной бомбардировки для очистки поверхностей подложек подбирался в зависимости от вида сплава. После очистки поверхности подложки на ней формировалась капля ртути, профиль которой
систематически фотографировался. В дальнейшем по силуэту капли измерялись контактные углы,
геометрические размеры капель и,
по известной методике,
рассчитывалось поверхностное натяжение. Выявленная корреляция между контактным углом ртути (по
отношению к определенному виду конструкционного материала) и степенью демеркуризации отражена в таблице.
Таблица Корреляция угла смачивания ртути со степенью демеркуризации различных конструкционных материалов
Вид материала е, град. \Л/а Степень демеркуризации, %
Д-16 136,5 129,8 90
В-95 129 175,3 76
ЗОХГСА 128 181,7 72
014-0 137 127 89
Результаты и обсуждение
Обнаружено, что поверхностное натяжение и контактный угол
изменяются во времени, что подтверждает неравновесный
характер изучаемых систем. Наличие явного физико-химического процесса подтверждается и кинетикой (о) и (е) для различных сплавов. Так, контакт ртути со сплавом В-95, содержащим до 7% цинка, характеризуется кинетическими кривыми, явно
отличающимися от кинетических
кривых для других конструкционных материалов. Это, по всей видимости, связано с растворением в ртути цинка, являющимся инактивной добавкой по отношению к ртути.
Другая пара кинетических зависимостей, относящихся к стали 30 ХГСА, носит более равномерный, умеренный характер. Это, вероятно, связано с тем, что среди ингредиентов, входящих в состав данной стали, нет химических элементов, имеющих большое сходство с ртутью; тем более, что основу стали составляет железо, достаточно инертное по отношению к ртути даже в условиях повышенной температуры [1].
Аналогичен в той или иной степени характер и ход кривых и для других исследованных сплавов. Таким образом, можно полагать, что основной вклад в физико-химические процессы, происходящие в зоне контакта «ртуть -конструкционные материалы», вносит химический состав конструкционного материала, а основной вклад в адгезию
\Л/а - сам физико-химический процесс, т.е. в формуле:
\Л/а =\Л/Р+\Л/Н, где \Л/Р - работа адгезии равновесного процесса, У\Г - работа адгезии неравновесного процесса, при продолжающемся физико-химическом процессе \Л/Н>\Л/Р
Когда же физико-химический процесс начинает затухать в связи с окончанием химических реакций растворения ингредиентов сплавов в ртути и т.д., система приближается к равновесию. Над физико-химическим фактором, сначала сравнявшись с ним, начинает доминировать фактор молекулярных сил, т.е. \Л/Р>\Л/Н.
В наших экспериментах это начинало происходить практически для всех изучаемых конструкционных материалов по истечении 2-3-х суток контакта и уже можно было говорить о контактном угле как об угле смачивания, т.е. как о параметре системы, где основные физико-химические процессы в зоне контакта завершились. Что касается корреляции СНд ~ к соэ8, то, разумеется, речь здесь идет уже не о контактных углах, имеющих место для неравновесной системы, когда на границе начались и идут физикохимические процессы (как известно, контактный угол вообще не может быть параметром состояния). Речь идет уже об углах смачивания после завершения физико-химических и других неравновесных процессов в зоне контакта: тогда вполне оправданно предположение о возникновении устойчивых связей между различными параметрами самой системы или их связи с параметрами внешних систем.
В нашем случае последнее реализуется в корреляции СНд ~ к соэ8, что подтверждается экспериментально в лабораторных условиях и в практике демеркуризации реальных объектов, пораженных ртутью, состоящих из различных видов конструкционных материалов (табл.).
Эта корреляция может быть следствием вклада в систему сил в зоне контакта достаточно мощного молекулярного фактора после завершения физико-химических процессов между ртутью и конструкционным материалом,
проявляющего себя даже во время
последующего взаимодеиствия между ртутью и демеркуризатором.
Более полное объяснение корреляции возможно лишь при детальном изучении соотношения между адгезией УМ3 и когезией \Л/К (У^ЛЛГ - как известно, относительная
работа адгезии) с учетом особенностей физико-химических процессов, имеющих место в зоне контакта, с момента соприкосновения ртути с конструкционным материалом и до окончания демеркуризации.
Примечания
1. Гавзе М. Н. Взаимодействие ртути с металлами и сплавами. М. : Наука, 1966. 159 с. 2. Ибрагимов X. И., Азиев С. Л., Пугачевич П. Л. Определение поверхностного натяжения ртути с заземлением // Сб. трудов Северо-Осетинского университета «К изучению поверхностных явлений в металлических расплавах». Владикавказ : Северо-Осетинекий университет, 1974. С. 14-18. 3. Никитин В. И. Физикохимические явления при воздействии жидких металлов на твердые. М. : Атомиздат, 1967. 422 с. 4. Пугачевич П. Л. Работа с ртутью в лабораторных и производственных условиях. М. : Химия, 1972. 320 с. 5. Шапиев С. Т., Ибрагимов X. И., Успажиев Р. Т. // Вестник КБГУ. Физика. 1999. № 3. С. 24-30. 6. Яковлева Л. А., Карманова Л. С., Шапиев С. Т. Опыт демеркуризации на различных предприятиях СССР // Матер. Всесоюзного семинара. Одесса, 1980.
Статья поступила в редакцию 11.09.2010 г.
