книги из ГПНТБ / Лашко, Н. Ф. Вопросы теории и технологии пайки

80

верхностный слой конечной толщины был однородным. При не­ прерывном изменении свойств в поверхностном конечном слое может быть принципиально устранен скачок свойств при не­ прерывном переходе между контактирующими веществами.

Детальная структура, состав и толщина поверхностных слоев веществ, как правило, в настоящее время неизвестны, и о его свойствах узнают по результатам взаимодействия меж­ ду различными контактирующими веществами.

Во многих случаях при относительно малой величине по­ верхностного слоя .и относительно слабом влиянии его на изме­ нение состояния термодинамической системы наличие этого слоя не учитывается и пренебрегаетея вкладом, вносимым им в изменение общей энергии системы.

Но во многих физических и химических процессах дисперс­ ных систем влияние поверхностных слоев соизмеримо с вли­ янием внутренних слоев вещества, их роль и влияние может быть даже превалирующим, например, в коллоидных ве­

ществах.

Роль поверхностных слоев материалов при пайке имеет су­ щественное, а при капиллярной пайке — и решающее зна­ чение.

Для ряда случаев пайки в первом приближении можно пренебречь изменениями АZv, AZ;J. и AZ Е, если изменения энергии поверхностных явлений весьма существенны и прева­ лируют над изменениями энергии других видов. Тогда процес­ сы .происходят преимущественно спонтанно и стимулируются термодинамическим условием

AZw< 0

В связи с тем, что основные понятия о поверхностных явле­ ниях обозначают разными терминами (знаками), условимся удельную интенсивную величину о, сопряженную с изменени­ ем площади dW, учитывающих изменение поверхностной энер­ гии (o-dW) называть поверхностным натяжением.

Свободная поверхностная энергия F (характеристическая изотермическая функция) равна о-со. Тогда полная поверх­ ностная энергия согласно уравнению Гельмгольца-Гиббса

Поверхностное натяжение сг может быть представлено в дин/см, т. е. в виде поверхностной силы, отнесенной к одному сантиметру периметра граничной поверхности или в эрг/смг з

виде работы образования единицы поверхности, в результатеперехода атомов из объема на поверхность.

Особые свойства поверхностного слоя на жидкости возни­ кают вследствие его анизотропности (закон Паскаля о равно­ мерном распределении давлений в этом слое не удовлетворя­ ется) .

Особое свойство поверхностного слоя жидкости толщиной т, пользуясь математическим аппаратом гидродинамики, пред­ ставляют в виде

натяжением,-хотя она выражает работу создания поверхност­ ного слоя, который .можно считать особой фазой. Так как тол­ щина этого слоя мала и неизвестна, то обычно поверхностную фазу представляют в виде двухмерной фазы.

Условия равновесия термодинамической системы с участи­ ем поверхностной фазы, при прохождений через поверхност­ ность свойства которой изменяются скачком, отличаются от условий равновесия полностью однородных фаз.

Изменение изохорного потенциала при наличии поверх­ ностной фазы представляется в виде

dF = —pl'dvl—pz-dv2-\-odW,

где и* и V2—объемы двух фаз при условии o4 -o2= o = const.

При равновесии dF=ü и Pi = PtJr°~^r-

Выражение д^ есть кривизна поверхности раздела фаз. Кривизна поверхности равна

где Гу и г2— главные радиусьгкривизны .поверхности. Для. сфе­ рической поверхности

І82

а разность давлений в двух фазах по обе стороны поверхности'

Давления в двух фазах, разделенных плоскостью, равны

Рі = р2.

Во многих работах предполагается, что поверхностное на­ тяжение ськг не зависит от кривизны поверхности; на самом де­ ле между а и г существует какая-то сложная зависимость- (пока высказаны различные и .даже противоречивые сужде­ ния [1], [2]) , установление которой дело будущего. ;,

Напишем компактно выражения для изменения изобарно­ го изотермического потенциала системы без учета и с учетом поверхностной анергии.

для двухфазной системы с искривленной поверхностью раздела dZ = — S - d 7 - j - u i - dPi-\-V2• dPz — W.• da-\-

,-f- • dr-\-Z [iidtrii.

К основным спонтанным процессам пайки, связанным с по­ верхностными явлениями при взаимодействии между твердой и

ное затекание без участия поля напряжений; >5) разные виды контактного плавления; 6) хрупкое разрушение паяемых ма­ териалов при смачивании твердых тел жидкими при наличии поля напряжений и другие.

Приведем основные данные об интервале возможных из­ менений различного вида поверхностных натяжений и зави­ симостей между ними. ............... .

В настоящее время нет физической теории поверхностного' натяжения металлов, позволяющей определять и пользовать­ ся полученными с ее помощью'величинами.

В распоряжении исследователей поверхностных явлении есть наиболее достоверные данные оЖв* элементов, получен­ ные непосредственно экспериментально при температурах

Стжи — поверхностное натяжеңие на границе жидкость— вакуум.

плавления [3], [4], [5]. ожв(ожг) слабо изменяется с повыше­ нием температуры, значения сгжг элементов изменяются в ин­ тервале 100—2500 эрг/см2.

Поверхностное натяжение оЖг после затвердевания метал­ ла шли сплава оТг увеличивается

Отг7>0Жг>

так как разница связи поверхностных и внутренних атомов, при контакте твердое тело — газ больше, чем для связи жид­ кое тело — газ. На основании некоторых опытных данных Тей­ лор [6] оценил зависимость оТг и ожг в виде

Весьма приближенно зависимость между оТт и оТг оцени­ вается [6] в виде

а=0,33Отг*

Межзеренное натяжение, при предположении о дислока­ ционном строении границ зерен металлов зависит от угла 'разориентировки ■б в виде

о-=ео-б(Л—Іпб1), где

во и б — константы [9].

Поверхностное натяжение между твердым телом и газом должно быть большим, чем между твердым телом и смачи­ вающим его любым жидким:

Отг Отж-

Это вытекает хотя бы из условия равновесия жидкой кап­ ли, смачивающей твердое тело.

Отг—Отж“|-’:0яіг ' OOS б.

Так как краевой угол смачивания б^ЭО0, а отг— положи­ тельная величина,то

Отг Отж-

Исходя из теоретических соображений и данных о переох­ лаждении металлов, подсчитано, что межфазное поверхностное

84

натяжение металла в контакте твердого тела с собственным

.расплавом при температуре плавления равно сттж~0,1 -сгТПѵ т. е. может быть значительно меньшим, чем в контакте твер­

Остальные межфазные поверхностные натяжения непосредст­ венно экспериментально не определяются. Межфазные поверх­ ностные натяжения элементов между жидкостями и газом до­ вольно слабо уменьшаются при повышении температуры. Аб­ солютная величина ажг увеличивается с повышением темпера­ туры плавления элементов.

Установлено закономерное изменение стжг в зависимости от положения элементов в периодической системе (рис. 13). Наибольшие поверхностные натяжения ажг отвечают .переход­ ным металлам 6—8-й трупп.

Относительно точные данные по поверхностным натяжени­ ям Пжп-злементов в вакууме при температуре плавления при­ ведены в [3], [4], [5]. 'Вследствие сильного влияния малых примесей на поверхностные явления, значения поверхностных натяжений, полученные разными исследователями, не совпа­ дают.

Приведем недавно опубликованные самостоятельные дан­ ные о величинах поверхностных натяжений сгтг, Отж и стжг для:

8 5

Рис . 13. Цоверхностное натяжение жидких элементов в завнси- фіостн от положения их в периодической системе.

Р и с (14. Условия равновесия:

а — жидкой капли на поверхности твердого, тела; о по границе жидкой и твердой фаз в поликристалличе-

ском металле.

8 6

элементов (табл. 5, рис. 14) и для некоторых пар металлов

і(табл. б).

Таблица 5

Поверхностные и межфазные натяжения некоторых металлов (эрг/см*) -и рассчитанное значение cos ѵ (по формуле

§ 2. Смачивание, растекание

и затекание в капиллярный зазор

В определение пайки как процесса создания неразъемных соединений входят три общенаучных термина и связанных с ними три понятия о разных взаимодействиях жидкой фазы с твердой — смачиваемость, растекание и затекание в зазор.

Под смачиванием в физическом смысле будем понимать

87

состояние контактного взаимодействия жидкого вещества с твердым, при котором прочность связи их частиц больше, чем между элементарными частицами в жидкости.

Обычно смачиваемость как специфическое взаимодействие между жидким и твердым телами оценивают по величине кон­ тактного ('неравновесного) или краевого (равновесного) уг­ ла ft. Часто формально контактное взаимодействие жидкого вещества с твердым, в результате которого ft^90°, называют смачиванием, а при ft>90°, но ^ 1 8 0 ° — несмачиваннем [14]. Адам [15], считая, что в процессе взаимодействия жидкость — твердое вещество при переходе краевого утла через 90° не про­ исходит качественных изменений, отказался от пользования этим термином.

Следует различать смачивание при растекании жидкой фа­ зы на твердой и при затекании жидкой фазы в капиллярный зазор. Растекание в результате смачивания происходит при контактном угле, меньшем 180°, а затекание в капиллярный зазор—при контактном угле смачивания, меньшем 90°.

Предельный краевой угол ft= 0, отвечающий согласно не­ которым определениям полному смачиванию, фактически от­ вечает неравновесному явлению образования «ореола», свя­ занного с поверхностной диффузией.

В соответствии с ранее введенными понятиями об адгези­ онной (адсорбционной и хемооорбцнонной) и когезионной свя­ зи будем различать адгезионную (адсорбционную и хемосорбционную) и когезионную смачиваемость в зависимости от ти­ па действующей связи. Адсорбционная смачиваемость зависит только от свободных межфазных п межзеренных энергий ад­ сорбционного типа.

Адгезия — связь между жидким веществом и твердым — определяется в виде разности поверхностных натяжений твер­ дой л жпдкіой фаз в контакте с газом (сттг и 0 „!г) до контакта между твердой и жидкой фазами .и после их контакта (соотно­ шение Дюпре, 1869 г.):

W,A==’0')Kr-]-^Tr—СТц;г-

Естественно принять в качестве величины адгезионной связи работу адгезии, равной нзохорной изотермической удельной функции состояния F = W A. С учетом условия рав­ новесия жидкой фазы на поверхности твердой (рис. 14) рабо­ та адгезии будет равна

№а=ІСГжг(1 +cos9).

88