由于影响润湿的过程(如扩散、化学反应以及流动)具有多样性,并且可能会同时存在于一个系统中,因此描述这些过程的动力学的速度定律也不尽相同。这些速度定律与标准的流动控制的润湿模型不同。在化学和冶金反应中,当两个或更多的截然不同的过程同时起作用时,它们通常是以连续或平行的方式进行的。当涉及扩散、流动与反应的润湿过程被看作是连续过程时,这些过程中最慢的将成为控制因素。如果液体能够润湿裸露的基体,则润湿动力通常是由表面张力及黏度控制的。由流体流动控制条件下的金属液滴的润湿速率,比扩散与反应控制条件下的润湿速率要大得多。如果这三个过程同时存在于一个系统中,则流体流动可以忽略。在这种情况下,直至扩散物质与基体组元反应并生成产物时,液体才会润湿基体。液体从一种亚稳毛细状态向另一种亚稳毛细状态推进,并且在停止时仍可能处于亚稳的毛细状态。美国F.G.Yost提出反应润湿动力学模型建立在圆柱坐标系下,不考虑液滴的形状,并将扩散与反应的过程看成是一维的(沿径向)。初始条件(t=0)为扩散(或反应)物浓度C(r,0)=C0。边界浓度,当r=r(t)时为CA,这里r为半径,r(t)为润湿边界的位置。润湿速率为r(t)对时问的一阶导数。准平衡或缓慢流动的条件为:
式中D——液滴的扩散系数。
要使反应能够进行,润湿边界的浓度Ca必须比与基体达到化学平衡时的浓度Ce略大。扩散平衡方程的解满足如下条件:
式中r(t)λn定义Bessel函数J0的根。
润湿边界通量平衡服从下式:
式中jd(φ,r)——扩散通量,如图21-3所示。
μ——界面迁移系数,单位与速率单位相同;
θ——润湿角。
扩散通量可写成
φ介于0到与基体的润湿角之问。
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图21-3 扩散通量示意图
扩散通量为φ的函数,总通量为函数jd(φ,r)对φ从0到θ的积分。由式(21-8)和(21-9)得:
此处,
解方程(21-11)求得Ca,然后代入方程(21-10)得到润湿边界运动方程
润湿角θ(t)可由初始液滴的体积求得。
此时液体的体积保持不变,也就是说这里假设反应进行过程中消耗很少量的液体。从方程(21-12)可以看出,在反应控制条件下(即>>1),润湿速度为常数,且为
在扩散控制条件下(即<<1),润湿速度为
由式(21-14a)可以看出,反应控制是线性的,而在扩散控制条件下,其动力学方程由式(21-14b)给出。由于方程中含有F(t)和sinθ(t),故并非抛物线关系。
需要说明的是,反应润湿是一个复杂的过程,反应机制也是多方面的。例如,气氛也可能与基体反应,成为控制润湿动力学的一个方面。但是,将所有可能反应都包含在一个模型中是很困难的。
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