专利名称：重力对润湿性及液/固界面影响的测量方法
技术领域：
本发明涉及微重力研究领域，特别提供了一种重力对润湿性及液/固界面影响的测量方法。
随着现代科学技术的发展，空间科学已经逐渐成为新兴的学科领域。空间微重力环境作为一种实验条件，为科学研究提供了新的途径。随着航天技术的发展，微重力科学和应用已成为高科技发展中的一个崭新领域，倍受工业化国家的重视。科技人员在人类的历史上首次摆脱地球重力场环境的影响，在空间微重力的环境下开展科学实验活动，探索一些新的规律，阐明地面实验中因为受重力的影响而难以弄清楚的一些问题和现象，推进科学事业的发展(H.Ahlborn,S.Diefenbach,H.Neumann,et al.,Mater. Sci.Eng.,1993,A173,133)。
润湿就是液体在固体表面上的铺展。将液体置于固体表面上，其平衡形状取决于固体表面能、液体表面能以及固一液界面能之间的平衡关系，达到平衡时总界面能最小，此时液相表面与固相表面的接触界面处，形成相对的面间角，称之为接触角。接触角定义为在固、液、气三相交界处，气液相界面与固液相界面之间的夹角(朱履冰，表面与界面物理，天津大学出版社，1992,P140)。润湿性通常是用接触角来描述。
空间熔体润湿性等参数与空间材料科学实验密切相关，从某种意义上讲，润湿性是影响空间材料制备能否成功的关键问题之一。空间熔体与固态界面润湿性的研究工作，不仅是实验物理学的重要研究内容，而且将为空间材料实验提供有价值的物理参数。而润湿性又与液/固界面交互作用有关，液态金属在固态金属上的铺展受液/固界面上固溶体的形成、金属间化合物的生成等的影响(Bailey,G.L.J.and Watkins,H.C.,J.Inst.Met.,1951-1952,80,57)。
由于在空间微重力环境下进行实验的机会十分难得，实验技术的难度也相当大，且耗资甚巨，因此，为有效利用空间微重力环境进行实验，必须在地面先期做大量的模拟实验。
本发明的目的在于设计一种实验方法，能够在地面重力场环境中探讨重力因素对润湿性及液/固相之间性质的影响，也能与微重力环境中的实验结果进行对比。
本发明提供了一种重力对润湿性及液/固界面影响的测量方法，其特征在于把合金放在上、下两个相同或不同的固态基片之间，加热使合金熔化，而基片不熔化，此时合金熔滴与两个固态基片之间会形成液桥，通过对不同空间方位液桥与基片之间接触角及液/固界面的观察，来定性地研究重力对润湿性及液/固界面的影响。
一般地说，当合金在上、下两个相同基片间熔化时，若合金与基片润湿，则随着温度的升高和时间的延长，液态合金将在上、下两个固态基片上铺展，并在它们之间形成液桥(示意图见
图1)，此时上基片受到合金熔滴向下的拉应力的作用，而下基片受到合金熔滴的压应力的作用，可以研究液态合金与基片不同空间方位、基片不同受力状态，也就是重力因素对液态合金与固态基片间的接触角及液/固界面反应等的影响，并且可以和微重力环境中的实验结果进行对比，研究重力对接触角及液/固界面反应等的影响。
当合金在两个不同固态基片之间熔化时，在微重力环境中可以比较液态合金与这两个固态基片之间不同的润湿性能、不同的液/固界面反应等性质；在重力场环境中，可以研究两个固态基片分别在拉应力和压应力作用下，液态合金与固态基片之间的接触角及液/固界面反应等性质。当液态合金与两个固态基片都润湿时，液态合金也会在两个固态基片之间形成液桥(见示意图1)。而对于一种特殊情况，即当液态合金与其中一个固态基片不润湿时，就会只在下面基片上铺展(不润湿的基片在上方，见示意图2)，或脱离下面基片，而只在上面基片上铺展(不润湿的基片在下方，见示意图3)，可以研究此时合金熔滴与不同空间方位的固态基片之间的接触角及液/固界面的交互作用等性质。
另外，还可以把固态基片垂直放置，液态合金在垂直放置的固态基片上熔化、铺展，从而研究重力因素对润湿性及液/固界面反应的影响。以下通过实施例详述本发明。
附图1为液态合金在上下两个固态基片之间形成液桥示意图；附图2为液态合金与上基片不润湿、与下基片润湿的润湿形貌示意图；附图3为液态合金与上基片润湿、与下基片不润湿的润湿形貌示意图；附图4为液态Ag-Cu-Sn在上下两个Fe基片之间形成液桥形貌；附图5为液态Ag-Cu-Sn在上下两个Fe基片间的界面形貌(800℃，保温30分钟)；附图6为液态Ag-Cu-Sn在固态Fe基片和Ni3Ale基片之间形成液桥时的固/液界面形貌(Fe基片在上、Ni3Ale基片在下)；附图7为液态Ag-Cu-Sn在固态Fe基片和Ni3Ale基片之间形成液桥时的固/液界面形貌(Fe基片在下、Ni3Ale基片在上)；附图8为液态Ag-Cu-Sn在固态Fe基片和BN基片之间形成液桥润湿形貌(Fe基片在下方)；附图9为液态Ag-Cu-Sn在固态Fe基片和BN基片之间形成液桥润湿形貌(Fe基片在上方、BN基片在下方)；
附图10为液态Ag-Cu-Sn在单个Fe基片间的界面及表面组织形貌(Fe基片在下方)；附图11为液态Ag-Cu-Sn在单个Fe基片间的界面组织形貌(Fe基片在上方)；附图12为液态Ag-Cu-Sn在垂直放置的固态Fe基片上润湿的界面及表面组织形貌；附图13为Ag-Cu-Sn在上下两个Fe基片之间形成液桥时的接触角(微重力环境中)；附图14为Ag-Cu-Sn在上下两个Fe基片之间形成液桥时的接触角(重力环境中)；附图15为Ag-Cu-Sn在上下两个Fe基片之间形成液桥时的固/液界面形貌(微重力环境中)；附图16为Ag-Cu-Sn在上下两个Fe基片之间形成液桥时的固/液界面形貌(重力环境中)；附图17为Ag-Cu-Sn在单个Fe基片之间的接触角(微重力环境中)；附图18为Ag-Cu-Sn在单个Fe基片之间的接触角(重力环境中)；附图19为微重力环境中Ag-Cu-Sn在单个Fe基片间的界面及表面组织形貌；附图19为重力环境中Ag-Cu-Sn在单个Fe基片间的界面及表面组织形貌。
实施例1重力场环境中，把Ag-Cu-Sn合金放在上、下两个固态Fe基片之间加热熔化，则随着温度的升高和时间的延长，液态Ag-Cu-Sn合金在两个固态Fe基片间形成液桥(见图4)，由于重力的作用，其与上、下两个Fe基片间的接触角不同，并且液/固界面形貌也明显不同(见图5)。可以看出上、下两个基片不同受力状态对接触角及液/固界面交互作用的影响。
实施例2重力场环境中，把Ag-Cu-Sn合金放在一个固态Fe基片和一个固态Ni3Al基片之间加热熔化，则液态Ag-Cu-Sn合金在两个固态基片间形成液桥，当Fe基片在下、Ni3Al基片在上和Ni3Al基片在下、Fe基片在上时，液/固界面明显不同(见图6、7)。由此可以看出液态Ag-Cu-Sn合金与Fe和Ni3Al这两个固态基片之间不同的润湿性能，不同的液/固界面反应等性质，也可以看出液态Ag-Cu-Sn合金与固态基片不同空间方位，既基片不同受力状态对润湿性及液/固界面的影响。
实施例3重力场环境中，把Ag-Cu-Sn合金小球放在Fe基片上加热熔化，随着温度的升高和时间的延长，熔滴逐渐在Fe基片上铺展(即一般的座滴法实验)，如图8所示，此时样品的重量作用在基片上；把Ag-Cu-Sn合金小球放在与其润湿性差的BN基片上面，在样品上方再放一片与其润湿性好的Fe基片，待样品熔化后，由于熔体与基片间的润湿作用，使熔滴逐渐脱离下面的BN基片而在上面的Fe基片上铺展开来，如图9所示，此时熔滴附着在Fe基片上，基片受到熔滴向下的拉力作用。可见，两种受力状态下，液态Ag-Cu-Sn合金与固态Fe基片之间的接触角不同。并且，两种条件下，其液/固界面及表面形貌也明显不同，如图10、11所示。
实施例4重力场环境中，把固态Fe基片垂直，液态Ag-Cu-Sn合金在垂直放置的固态Fe基片上铺展，则在不同位置，Ag-Cu-Sn/Fe界面形貌不同，液态Ag-Cu-Sn合金熔滴的表面形貌也不同(见图12)，说明重力对液/固界面及液态合金表面有很大影响。
实施例5在微重力环境中，把Ag-Cu-Sn合金放在两个固态Fe基片之间加热熔化，则液态Ag-Cu-Sn合金在两个固态Fe基片之间形成液桥，其与两个基片间的接触角相同(见图13)，液/固界面形貌也相同(见图15)。而在重力场环境中，由于重力的作用，液态Ag-Cu-Sn合金与上、下两个固态Fe基片间的接触角不同(见图14)，并且液/固界面形貌也明显不同(见图16)。由此可以看出重力对接触角及液/固界面交互作用的影响。
实施例6在重力和微重力环境中把Ag-Cu-Sn合金放在一个固态Fe基片上加热熔化，则液态Ag-Cu-Sn合金在固态Fe基片上铺展。由于重力的作用，在两种环境中，液态Ag-Cu-Sn合金与固态Fe基片间的接触角明显不同(见图17、18)，并且液/固界面形貌也明显不同(见图19、20)。由此可以看出重力对接触角及液/固界面交互作用的影响。
权利要求
1.一种重力对润湿性及液/固界面影响的测量方法，其特征在于把合金放在上、下两个相同或不同的固态基片之间，加热使合金熔化，而基片不熔化，此时合金熔滴与两个固态基片之间会形成液桥，通过对不同空间方位液桥与基片之间接触角及液/固界面的观察，来定性地研究重力对润湿性及液/固界面的影响。
全文摘要
一种重力对润湿性及液/固界面影响的测量方法,其特征在于:把合金放在上、下两个相同或不同的固态基片之间,加热使合金熔化,而基片不熔化,此时合金熔滴与两个固态基片之间会形成液桥,通过对不同空间方位液桥与基片之间接触角及液/固界面的观察,来定性地研究重力对润湿性及液/固界面的影响。本发明实验方法,能够在地面重力场环境中探讨重力因素对润湿性及液/固相之间性质的影响,也能与微重力环境中的实验结果进行对比。
文档编号G01N13/00GK1304034SQ9912258
公开日2001年7月18日 申请日期1999年12月1日 优先权日1999年12月1日
发明者李宏, 张海峰, 王爱民, 徐前岗, 丁炳哲, 胡壮麒 申请人:中国科学院金属研究所