Пропитка пористых углеродных материалов жидкими металлами

Растекание жидких металлов по поверхности пористых углеродных материалов сопровождается пропиткой пористых основ расплавами в условиях смачивания поверхности твердых тел.

Процессы самопроизвольной пропитки пористых углеродных материалов жидкими металлами предполагают прежде всего хорошую смачиваемость расплавами поверхности углеродных материалов, а также наличие открытой пористости в пропитываемых материалах. Рассматривая строение поверхности пористого тела, можно утверждать, что его поверхность неоднородна. Некоторая часть поверхности wт приходится на твердую фазу, другая же часть wп — на поры. Пропитка углеродных материалов, имеющих открытую пористость, предполагает заполнение пор металлическими расплавами.

Практика показывает, что при пропитке пористых каркасов целесообразно учитывать величину поверхностного натяжения различных участков пористого тела. Однако средний диаметр пор в углеродных материалах достаточно мал, и для этого случая допустимо представление об усредненных (эффективных) значениях поверхностного натяжения твердого тела (от-г). С учетом сделанных допущений могут быть рассмотрены условия смачивания поверхностей, состоящих из плоских участков и пор. Поверхностное натяжение таких участков соответственно может быть обозначено как от-г, от-ж и о'т-г, о'т-ж. Площадь, занимаемую участками плоской поверхности и порами, обозначим как w и w' (в долях единицы). Очевидно, что w + w' = 1. С учетом изложенного могут быть найдены эффективные значения поверхностного натяжения на границах раздела твердое тело — жидкость от-ж и твердое тело — газ от-г:

Используя значения от-г и от-ж для оценки смачивания расплавами твердых пористых поверхностей, получим:

Условия смачивания в исследуемых системах могут быть рассчитаны по уравнению (9.81).

В представленном уравнении (9.81)

0 — равновесные значения угла смачивания поверхности со.

Ранее отмечалось, что на кинетику процесса пропитки пористых тел расплавами в условиях самопроизвольной пропитки существенное влияние оказывает смачивание, поскольку возможность проникновения жидкой фазы в капилляры малых размеров осуществляется под действием капиллярного давления. Однако наличие пор на поверхности твердого тела может оказывать влияние на определение величины угла смачивания и в этой связи величины капиллярного давления, которая рассчитывается с учетом значений 0. В процессе растекания жидкого металла по поверхности твердого тела часть жидкой фазы проникает в поры, в результате чего объем жидкой фазы, находящейся на поверхности, уменьшается. Последнее является одной из причин физико-химического гистерезиса смачивания. При пропитке пористых каркасов, капилляры которых имеют различную форму и диаметр, условия проникновения жидкой фазы в поры будут зависеть от таких факторов, как изменение диаметра по длине капилляра, глубина капилляра, форма поверхности капилляра и др. Характер движения жидкости в капилляре также зависит от капиллярного давления Pк и радиуса капилляра r (рис. 9.4). Величина капиллярного давления определяется равенством

С учетом схемы пропитки и формы капилляров эта величина Pк будет равна (см. рис. 9.4): формы а и в

поскольку для формы а r = Rcos(0 + а) и для б r = Rcos(0-а).

Существующие теории пропитки твердых тел расплавами рассмотрены в предположении, что материал пористого тела не растворяется в расплаве и, следовательно, не оказывает влияния на изменение физико-химических свойств расплава. В реальных условиях пропитки пористых углеродных материалов расплавами, содержащими добавки металлов IVA группы Периодической системы элементов, наряду с проникновением расплава в поры твердого тела в области фазовой границы раздела возможно протекание процессов типа химическою растворения или реакционной диффузии. В результате такого взаимодействия физико-химические свойства расплавов могут изменяться, что, в свою очередь, будет влиять на условия пропитки пористого тела жидким металлом.

При насыщении углеродом расплавов переходных металлов вязкость таких расплавов повышается; используя зависимость, характеризующую изменение радиуса r растекания жидкого металла по плоской поверхности твердого тела,

можно сделать вывод о том, что с повышением вязкости расплавов радиус растекающейся капли жидкого металла с учетом текущих значений m будет уменьшаться. Глубина проникновения l расплава в капилляр за время т, описываемая равенством

также будет уменьшаться.

Аналогично рассмотренным зависимостям (9.85) и (9.86) в общем можно показать влияние вязкости на скорость растекания жидкой фазы по поверхности твердого тела:

где n, А, В — константы системы; v — скорость течения жидкости.

При рассмотрении зависимостей Acos0/lgv = (соs0 — cos0д)/lgv в работе было найдено, что

где h — толщина пленки жидкой фазы, опережающей фронт растекающейся капли.

Зависимость изменения радиуса растекающейся в вязком режиме капли жидкого металла от величины вязкости жидкой фазы описывается уравнением

где m — масса капли жидкого металла, г; р" — плотность жидкого металла, г/см3; n — вязкость жидкого металла, м2/с; g — ускорение силы тяжести, м/с2; т — время, с.

Отмечая определенную зависимость между радиусом растекшейся капли r и текущими значениями динамического угла смачивания 0д при и известных значениях параметров, входящих в уравнение (9.89), можно высказать предположение о том, что изменение вязкости жидкого металла будет оказывать влияние на характер и кинетику движения жидкой фазы в капиллярах. Такой характер движения жидкой фазы с учетом отмеченных факторов связывают не только с изменением вязкости, но и с пересыщением жидкой фазы веществом твердого тела, растворяющегося в расплаве. В результате пересыщения из расплава могут выделяться кристаллы соединений, присутствие которых в расплаве сопровождается возрастанием вязкого сопротивления движению жидкости. В таком случае движение жидкой фазы прекращается. Так как возможно растворение углерода в расплавах, особенно при пропитке графитов расплавами металлов IVA группы, необходимо учитывать изменение кинетической вязкости v расплавов, находящихся в контакте с графитом, например с помощью уравнения

где v0 — вязкость жидкого металла до момента контакта с углеродным материалом; N — коэффициент скорости науглероживания жидкого металла.

В условиях науглероживания жидкого металла в процессе его контакта с углеродным материалом кинетика процесса заполнения металлом единичного капилляра с учетом условий (9.86) и равенства n = p''v0 будет описываться уравнением

где rэф — эффективный радиус капилляра (пор); n — безразмерный коэффициент, зависящий от радиуса капилляра; р" — плотность жидкого металла.

Если же пропитка пористого углеродного материала осуществляется нанесением жидкой фазы на поверхность углеродного материала с последующим ее проникновением в поры, то вследствие гидростатического давлении процесс заполнения расплавом единичного капилляра радиусом rэф будет описываться равенством

где m — масса металла, заполняющего один капилляр.

Иногда целесообразно определить массу металла mпр, необходимую для пропитки пористого тела поверхностью w' со стороны пропитки. Число капилляров (пор) на такой поверхности будет [w'П/(пrэф2')], где П — пористость в долях единицы. Если принять, что масса жидкого металла, заполняющего один капилляр, равна пrэф2lp'', то масса жидкого металла, которая необходима для пропитки пористого тела поверхностью w', равна

Приведенные уравнения описывают процесс пропитки пористых каркасов методом погружения (при иммерсионном смачивании) их в расплав. Если же пористые углеродные тела пропитывают наливанием жидких металлов на поверхность пористого тела, то уравнение, с помощью которого может быть проведена оценка массы металла, необходимая для пропитки пористого тела, будет аналогично формуле (9.94), за исключением знака в скобках, учитывающего условия перемещения жидкого металла в капиллярах:

Приведенные уравнения позволяют провести оценку кинетики процессов пропитки углеродных пористых тел жидкими металлами с достаточно хорошим приближением.

Следует заметить, что при пропитке пористых углеродных материалов расплавами карбидообразующих металлов возможно науглероживание таких расплавов, которое сопровождается изменением их физико-химических характеристик. Следовательно, процессы науглероживания расплавов карбидообразующих металлов необходимо контролировать, поскольку изменение физико-химических свойств расплавов будет влиять на параметры жидкофазных технологий получения СВТКМ.