В результате адгезионного взаимодействия происходит явление - смачивание

Адгезионное и когезионное взаимодействия при пайке. Характеристика процесса смачивания

Создание паяного соединения происходит в результате действия и развития ряда процессов: теплового влияния пайки на паяемый материал, физико-химического взаимодействия паяемого металла с припоем и с вспомогательными материалами, термического и химического взаимодействия паяемого металла, припоя и вспомогательных материалов с окружающей газовой средой и материалом оснастки и других физико – химических процессов. На интенсивность процессов физико-химического взаимодействия на границе контакта фаз при пайке влияют конструкция изделия и паяных соединений, габариты и масса изделия, способ нагрева, режим и термический цикл пайки, то есть особенности технологического процесса пайки.

После расплавления припоя и достижения атомами металла требуемого уровня активации начинается взаимодействие, в процессе которого происходит смачивание поверхности основного металла расплавом припоя.

При этом две свободные поверхности заменяются одной границей фаз с более низкой свободной поверхностной энергией системы. На этой стадии образования спая основную роль играют квантовые процессы между частицами атомных размеров.

В ходе взаимодействия атомов паяемого металла и расплавленного припоя возможна коллективизация электронов и образование металлической связи. Химическая связь образуется между атомами, обладающими дополнительной энергией, равной или большей энергии активации. Прочная связь между ними возникает при условии, если они находятся на расстояниях, при которых возможно перекрытие их волновых функций.

Адгезия ‑ поверхностное явление, которое приводит к снижению поверхностной энергии тела. Адгезия ‑ сцепление, притяжение, прилипание ‑ это связь между атомами, молекулами, ионами разнородных конденсированных тел при их молекулярном контакте. При адгезии сохраняется граница раздела фаз, которая образуется между двумя твердыми телами или твердым телом и жидкостью.

Когезия определяет связь между молекулами (атомами, ионами) внутри тела в пределах одной фазы и характеризует прочность конденсированных тел и их способность противодействовать внешней нагрузке. Когезия определяет свойства взаимодействующих материалов, аадгезия характеризует поверхностные явления, которые возникают на границе раздела фаз.

Смачивание – процесс самопроизвольного образования межатомных связей при снижении межфазной поверхностной энергии; смачивание характеризуется поверхностными свойствами фаз, которые взаимодействуют при пайке – поверхностным натяжением и свободной поверхностной энергией.

Процесс смачивания термодинамически выгоден, так как приводит к уменьшению поверхностной энергии системы (поверхностного натяжения).

Поверхностное натяжение – сила, которая действует по касательной к поверхности жидкости или твердого тела и стремится сократить свободную поверхность жидкости до минимальных размеров, поэтому капля жидкости имеет форму, приближенную к сферической. Величина силы поверхностного натяжения – мера неравновесности системы, причем не только в системе газ ‑ жидкость, но и в системе жидкость – жидкость. Чем меньше поверхностное натяжение, тем более существенным для системы является взаимодействие молекул, которые находятся на границе раздела фаз.

Рассмотрим равновесие капли жидкости на твердой поверхности (рис.11).

жг

жт

q жидк.

газ

	тг
		Твердое тело

Рис.11. Схема равновесия капли жидкости на поверхности твердого тела.

Нескомпенсированность молекулярного взаимодействия, стремление молекул поверхностного слоя втягиваться внутрь жидкости и вызванное этим поверхностное натяжение жидкости на границе с другой жидкостью или газом (_гг и _жг) стремятся сократить поверхность жидкости до минимальных размеров. Условие равновесия капли жидкости на твердой поверхности записывается уравнением Юнга:

жг cos q = тг ‑ жт
тг =жт + жг cos
cos q =	тг ‑ жт
жг

где q ‑ краевой угол смачивания.

Силы поверхностного натяжения, а именно: , γ _тж,s _жг ‑ действуют по периметру контакта капли с твердым телом: поверхностное натяжение_жг ‑ стремится уменьшить поверхность капли; поверхностное натяжение γ _тр ‑ стремится уменьшить площадь контакта жидкости и воспрепятствовать растеканию капли.

В этом уравнении обозначения γ _тр показывает, что это поверхностное натяжение на границе раздела разнородных конденсированных фаз. Для поверхностного натяжения и можно определить только средние значения, так как поверхность твердого тела энергетически неоднородна, а молекулы твердых тел не имеют такой подвижности, которая существует в жидкости. С ростом площади контакта увеличивается смачивание жидкостью твердого тела.

Таким образом, адгезия и смачивание ‑ две стороны одного и того же явления, которое возникает при взаимодействии жидкости с твердым телом. Адгезия обусловливает связь между твердым телом и контактирующей с ним жидкостью. Смачивание ‑ результат этой связи.

Существуют два типа поверхностей по способности смачиваться ‑ гидрофильные поверхности и гидрофобные поверхности. Гидрофильность или гидрофобность поверхностей может быть охарактеризована величиной краевого угла смачивания. Гидрофильность означает родственность, которая заключается в интенсивном взаимодействии между собою молекул жидкости и твердого тела. На гидрофильных поверхностях жидкость под действием поверхностного натяжения твердого тела _тг превращается в пленку. Краевой угол смачивания на гидрофильных поверхностях равняется нулю.

Чем меньше значение _жг, тем больше растекание капли по твердой поверхности. Для гидрофильных поверхностей, используя уравнение Юнга, можно записать, что только при высоком значении cos q проходит растекания капли, то есть при . Для гидрофобных поверхностей наоборот, .

Уравнение Юнга является фундаментальным уравнением, которое связывает важные термодинамические величины ‑ поверхностное натяжение фаз, которые контактируют, и краевой угол смачивания. Краевой угол смачивания q есть мера смачивания, он определяется величиной угла между поверхностью твердого тела и касательной в точке контакта с жидкостью и определяется всегда в сторону жидкой фазы.

Твердое тело можно считать полностью смоченным, если угол контакта равняется нулю, и совсем не смоченным, если q равняется 180^о. Между величинами краевого угла от 0 до 180 имеет место градация смачивания.

Значение краевого угла зависит от свойств контактирующих фаз, эти свойства могут изменяться в зависимости от условий взаимодействия фаз. Поэтому значение краевого угла смачивания q является необходимым, но не достаточным показателем адгезии жидкости и смачивания, и для характеристики адгезионного взаимодействия используют произведение _жг на cos q, которые называют энергией смачивания:

Адгезию или когезию можно оценить с помощью работы, необходимой для разъединения контактирующих между собою разнородных (W_а) и однородных (W_к) тел. Работа адгезии жидкости на границе с твердой фазой - это разница между (_жг + _тг) и γ _жТ:

Это уравнение можно объяснить так: работа адгезии определяется той работой, которую необходимо затратить для отрыва жидкости от твердой поверхности. При контакте жидкости с твердой поверхностью удельная свободная поверхностная энергия (поверхностное натяжение) равняется γ_жт, а после разъединения становится (_жг + _тг). Различие между этими величинами есть работа адгезии (рис.12).

Рис.12. К определению работы адгезии и когезии.