» » Поверхностная энергия жидких металлов
22.04.2015

Как известно, на поверхности раздела конденсированных фаз имеется избыточная энергия, возникающая из-за того, что по одну сторону поверхности раздела часть связей атомов оказывается свободной. Эта избыточная энергия называется поверхностной энергией. Она характеризуется работой, необходимой для образования единицы поверхности. Наряду с поверхностной энергией используется также характеристика, называемая поверхностным натяжением. Оно равно силе, действующей на единицу длины поверхности, и может быть изображено в виде вектора, направленного по касательной к любой точке свободной поверхности жидкости. Численные значения поверхностной энергии и поверхностного натяжения, если они выражены в одной системе единиц, совпадают между собой.
Ниже приведены значения поверхностной энергии металлов на границе с собственным паром при температуре вблизи точки кристаллизации. Для сравнения дана также поверхностная энергия воды:
Поверхностная энергия жидких металлов

Из этих данных видно, что жидкие металлы имеют большие значения поверхностной энергии, составляющие сотни и тысячи мДж/м2. Можно видеть также, что чем более тугоплавок металл, тем больше у него поверхностная энергия. Эта закономерность не является строгой. Например, поверхностная энергия жидкого магния меньше, чем более легкоплавкого цинка, а поверхностная энергия легкоплавкого галлия больше, чем олова, цинка и магния. Однако общая направленность в возрастании поверхностной энергии жидких металлов с ростом температуры плавления выражена четко.
Повышение температуры жидкого металла, или иначе перегрев металла, всегда вызывает понижение поверхностной энергии. Это понижение сравнительно невелико и составляет 3—5 % от исходного значения при перегреве на 100 °С.
Изменение поверхностной энергии металла от введения в него добавок других металлов, т. е. при образовании сплавов, может проявляться различным образом. Некоторые добавки могут вызвать резкое снижение поверхностной энергии. Например, при введении в ртуть 0,1 % калия поверхностная энергия расплава снижается в 2 раза. Подобным же образом действуют добавки серы и кислорода на поверхностную энергию железа, добавки лития и свинца на поверхностную энергию алюминия и меди соответственно. Такие добавки называют поверхностно-активными. Они при малых содержаниях не распределены равномерно по всему объему расплава, а сосредоточены в поверхностном слое. Поверхностно-активными добавками по отношению к данному металлу обычно являются такие металлы или вообще элементы, которые резко отличаются от него по своим свойствам. На диаграммах состояния это различие выражается либо в существовании тугоплавких промежуточных фаз, либо в разрыве растворимости в жидкой фазе, либо в существовании простой очень легкоплавкой эвтектики между основным металлом и добавкой. Во всех случаях отмечается ничтожная растворимость добавки в твердом металле-основе.
Более часто наблюдаются случаи, когда вводимые в металл добавки вызывают постепенное изменение поверхностной энергии металла-основы, примерно пропорциональное ее содержанию в образующемся сплаве. Может отмечаться как возрастание поверхностной энергии, например при введении никеля в медь, так и ее снижение, например при введении цинка в алюминий, олова в медь, углерода и кремния в железо. Имеются случаи, когда легирование чистого металла практически не сказывается на поверхностной энергии.
Кроме поверхностной энергии, определяемой на границе раздела расплав — газ, различают еще межфазную энергию на границе двух жидкостей (жидкий металл жидкий шлак, жидкий металл — жидкий флюс), на границе жидкость твердое тело (жидкий металл — огнеупорный окисел, жидкий металл — растущий кристалл). Величина межфазной энергии на подобных поверхностях раздела зависит от природы соприкасающихся фаз. Межфазная энергия на границе раздела двух твердых, двух жидких или жидкой и твердой фаз всегда существенно меньше поверхностной энергии любой из этих фаз на границе с газовой фазой. Это объясняется тем, что на границе с газовой фазой в поверхностном слое жидкости или твердого тела оказываются свободными значительно больше Связей, чем на границе с конденсированной фазой.
Как известно, поверхностные силы определяют явление смачивания. Условия смачивания зависят от соотношения поверхностных или, в общем случае, межфазных энергий на трех поверхностях раздела фаз σ12, σ23, σ13, определяемого косинусом краевого угла смачивания cos θ=(σ13—σ12)/σ23 (рис. 1). Если θ>90°, фаза 2 плохо смачивает фазу 1. Если θ<90°, фаза 2 хорошо смачивает фазу 1. При оценке условий смачивания всегда необходимо указывать среду, о которой идет речь, т. е. называть фазу 3, по сравнению с которой отмечается лучшее или худшее смачивание фазой 2 фазы 1.
Поверхностная энергия жидких металлов