Растекание жидкой фазы по слою волокон в условиях сварки КМ можно уподобить растеканию жидкости по шероховатой поверхности, которое достаточно хорошо изучено 1281]. Характеристикой микрорельефа в данном случае служит коэффициент шероховатости К, определяемый как отношение фактической площади поверхности (с учетом площади впадин и выступов) к площади проекции реальной поверхности на горизонтальную плоскость, т. е. К = F*l F0. Для слоя волокон диаметром dB (рис. 76, б)

F*=±-naB; F0=dB,(4.15)

тогда коэффициент шероховатости К = л/2 = 1,571.

Если поперечные размеры волокон значительно меньше капиллярной постоянной ак, то при слабом влиянии поля сил тяжести вместо уравнения Юнга [280, 281] имеет место уравнение Венце-ля —ДерягинасоБ 8™= /Ccos8K, где 8К, 8¡f — углы смачивания соответственно гладкой и шероховатой поверхности. Из этого уравнения следует, что при плохом смачивании (8К 90°) увеличение шероховатости поверхности приводит к увеличению мак-рокраевого угла. Если жидкость смачивает материал (0 6К 90°), то увеличение шероховатости уменьшает краевой угол.

Если К 1/cos 6К, то выполняется условие полного смачивания (при 6К 90°). Отсюда следует, что полное смачивание слоя волокон (поперек их направления) наблюдается в том случае, если равновесный краевой угол 6,( меньше

значения О* = arceos ( —j = arceos — = 50,5°.

Таким образом, возможны случаи, когда на гладкой поверхности имеет место ограниченное растекание, а на шероховатой (при этих же материалах) — полное смачивание. Это доказано экспериментально: ртуть на гладкой поверхности поликристаллического цинка (10-й класс шероховатости) образует острый краевой угол 10°, тогда как на шероховатой поверхности (6—7-й класс) происходит полное смачивание [280].

Существуют принципиальные отличия в смачивании шероховатых твердых поверхностей по сравнению с гладкими. Наличие шероховатостей приводит к появлению метастабильных состояний равновесия системы жидкость —газ — твердое тело. В результате статические краевые углы могут существенно отличаться от равновесного краевого угла 6К (риг. 77, а) Переход периметра смачивания из одного

Рис. 76. Схема формирования шва яри наложении плакирующего слоя на сваренные между собой волокна (а) и схема определения коэффициента шероховатости слоя волокон (б):

У — волокно; 2 — матрица; 3 — электрод; 4 — шов.

состояния метастабильного равновесия капли в другое может произойти лишь при преодолении некоторого энергетического барьера, пропорционально высоте неровностей. Переход линии (периметра) смачивания через барьер совершается в результате естественных колебаний жидкости. Такие колебания искусственно могут быть созданы различными устройствами, наиболее перспективно применение ультразвуковых колебаний, вызывающих ультразвуковой капиллярный эффект [241, 288].

Установлено [288], что под действием ультразвуковых колебаний жидкость в капиллярах может подниматься на большую высоту, чем просто под действием капиллярного давления. Дополнительный подъем Ah уровня жидкости пропорционален силе звука, диаметру капилляра и температуре жидкое- т ти. При диаметре каналов менее 2 мм отчетливо проявляется при- — сутствие дополнительного звукока-пиллярного давления.

Несмотря на то что природа звукокапиллярного эффекта окончательно не выяснена, его успешно применяют в технике, например при интенсификации процессов пропитки пористых тел (частота 23,5 кГц) и интенсивности 3,5 • 10—* Вт/м2 скорость пропитки пористых тел возрастает в несколько раз [288]. Рис. 77. Капля жидкой фазы на ше-Установлено, что ультразвуковой Р°х°ватой поверхности (а) и расчетная , . J г Jсхема пропитки волокон при дуговой

капиллярный эффект проявляется сварке композиционного материала (б), в различных жидких средах: растворах, расплавах металлов и т. д. [241]. Под действием ультразвука при наличии областей кавитации жидкость поднимается как в смачиваемых, так и в несмачиваемых капиллярах.

Применение ультразвука в технологии пайки, лужения и металлизации позволяет наносить металлические покрытия на трудно-металлизируемые материалы, такие, как стекло, керамику, полимеры, сплавы алюминия, вольфрама, ниобия и др.,и соединять их [241]. Колебания при пайке и металлизации возбуждаются в расплавленном металле, контактирующем с металлизируемой подложкой. Под действием кавитации разрушается пленка оксидов и загрязнений на подложке, под действием ультразвука активизируются диффузионные взаимодействия на границе раздела фаз.

При растекании жидкой фазы поперек неровностей (волокон) жидкость не проникает до их дна при выпол ении условия 6К 180—2а (см. рис. 77, б). Для слоя волокон без промежутков между ними а » 90°, следовательно, до стыка между волокон жидкость не спустится. Поэтому ее уровень окажется ближе к вершине волокна, в результате чего снизится энергетический барьер, разделяющий два соседних положения метастабильного равновесия жидкой фазы на