АПРОБАЦИЯ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОФАЗНОЙ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ДИНАМИКИ ИЗМЕНЕНИЯ ДИАМЕТРА КАПЛИ В УСЛОВИЯХ СТАЦИОНАРНОЙ НАГРУЗКИ

АПРОБАЦИЯ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ЖИДКОФАЗНОЙ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ДИНАМИКИ ИЗМЕНЕНИЯ ДИАМЕТРА КАПЛИ В УСЛОВИЯХ СТАЦИОНАРНОЙ НАГРУЗКИ

Ермолаев Евгений Валерьевич

преподаватель, ФГБОУ ВО «Марийский государственный университет»,

РФ, г. Йошкар-Ола

Воронова Надежда Олеговна

магистрант, ФГБОУ ВО «Марийский государственный университет»,

РФ, г. Йошкар-Ола

Для апробации предложенного и подробно описанного способа в работах [1-3] было решено использовать высоковязкую металлизационную пасту основе вольфрамового порошка, применяемую в условиях массового производства металлокерамических плат и корпусов микросхем. Для постановки эксперимента использовали три металлизационные пасты, отличающиеся по своим реологическим свойствам. Паста №1 с исходной вязкостью являлась основой для получения Пасты №2 и Пасты №3. Пасту №2 получали путем разбавления пасты №1 поверхносто-активными веществами в количестве 10 мл. Пасту №3 получали путем разбавления пасты №2 поверхносто-активными веществами в количестве 10 мл. В итоге получаем, что у Пасты №1 была наибольшая вязкость, а у пасты №3 наименьшее значение вязкости.

Исследование динамики растекания капли исследуемых паст проводилось с использованием разработанного устройства, представленного в работах [4,5] и на Рис.1, микроскопа и видеокамеры, позволяющих зафиксировать значение диаметра капли исследуемой пасты в любой момент времени. Перед началом испытаний условно определили временной интервал t = 10 сек., через который получали четкий снимок диаметра капли под приложением стационарной нагрузки. Общее время эксперимента для каждой металлизационной пасты составило 5 минут, в течение которых были получены 30 точек. По данным точкам были построены экспериментальные кривые зависимости диаметра растекания капли от времени (Рис. 2).

Исходя из полученных зависимостей легко можно найти величину диаметра растекания капли используемых металлизационных паст в требуемый момент времени. Опираясь на результаты проведенной работы [3] и зная величину диаметра капли металлизационной пасты в конкретный момент времени, можем получить численное значение вязкости. Для расчета использовали величину диаметра (радиуса) растекания капли через 300 сек. Для простоты расчетов и минимизации ошибок, полученное нами математическое выражение зафиксировано в программе Microsoft Excel.

Рисунок 1. Рабочий прототип экспериментального устройства для определения вязкости на основе анализа динамики растекания капли исследуемой жидкости

Рисунок 2. Динамика затухания процесса растекания капли исследуемых металлизационных паст

Подставляя значения всех необходимых параметров в формулу [3]:

,

получаем численные значения вязкости металлизационных паст, представленные в таблице 1.

Таблица 1.

Численные показатели вязкости исследуемых металлизационных паст

Исходя из начальных условий и результатов, представленных в таблице 1, нетрудно видеть, что порядок уменьшения величины вязкости в соответствии с номером металлизационной пасты сохраняется. Далее проверим, насколько сильно изменяются показания вязкости в зависимости от выбора значения диаметра растекшейся капли в любой промежуток времени внутри исследуемого интервала. Таким образом, в таблице 2 представлены значения вязкости металлизационных паст, исходя из диаметра растекания капли спустя 120 секунд, а в таблице 3 значения вязкости металлизационных паст, исходя из диаметра растекания капли спустя 240 секунд.

Таблица 2.

Численные показатели вязкости исследуемых металлизационных паст (спустя 120 сек. с начала растекания)

Таблица 3.

Численные показатели вязкости исследуемых металлизационных паст (спустя 240 сек. с начала растекания)

Анализ численных данных, представленных в таблицах 1-3, однозначно дает понять, что существует некий временной предел для проведения измерений, поскольку с увеличением времени прирост диаметра растекания капли несколько снижается и имеет затухающий характер. Такое поведение вязкости систем наблюдается и на других сертифицированных и аттестованных вискозиметрах. Например, методика измерения вязкости на хорошо известном ротационном вискозиметре Брукфильда подразумевает измерение вязкости исследуемой среды в течение 60 секунд, после чего лаборант может записать численное значение вязкости, не смотря на то, что ее величина продолжает расти. При этом характер кривой измерения вязкости на временном интервале (Рис. 3) является идентичным графику, представленном на Рис.2.

Рисунок 3. Динамика затухания процесса растекания капли исследуемых металлизационных паст на вискозиметре Брукфильда

Единственное отличие заключается в том, что показатель вязкости выходит на прямой участок несколько быстрее при проведении измерений на вискозиметре Брукфильда, нежели при использовании предложенного прибора на Рис.1.

Экспериментальные исследования показали, что более быстрый выход на прямой участок не искажает численные показания вязкости, но ускоряет процесс его получения. Для этого необходимо использовать другую систему грузов, например, размещая их на поверхности стеклянной пластины. Также есть возможность модернизации устройства по части разработки верхней пластины большей толщины, для увеличения веса P. Но в данной работе мы воспользовались первым, наиболее простым вариантом. Согласно Рис.4 и таблице 4 представлены значения вязкости пасты при использовании различных систем грузов.

Таблица 4.

Численные показатели вязкости металлизационной пасты при использовании разных систем грузов

Рисунок 4. Измерение вязкости металлизационной пасты в зависимости от прилагаемой нагрузки

Анализ экспериментальных данных в таблице 4 показал, что при увеличении нагрузки одно и то же значение диаметра растекания капли набирается за меньший интервал времени (Рис.5), что вполне логично.

Рисунок 5. Зависимость радиуса растекания капли металлизационной пасты от времени в условиях изменяющейся нагрузки

Таким образом, увеличивая нагрузку P, мы можем выйти на прямой участок за меньший промежуток времени.

Дополнительными исследованиями установлено, что момент, с которого необходимо считывать численные показания вязкости, связан с нарушением геометрии окружности пятна растекающейся капли. На Рис.6 представлена нормальная и нарушенная геометрия пятна растекающейся капли исследуемой среды.

Рисунок 6. Геометрия пятна растекшейся капли металлизационной пасты: а) нормальная геометрия, б) нарушенная геометрия

Временные рамки проведения измерений обусловлены тем, что с течением времени процесс растекания капли исследуемой жидкой среды замедляется, как и изменение расстояния между стеклянными пластинами. График изменения диаметра капли под стационарной нагрузкой с течением времени представлен на Рис. 7.

Рисунок 7. Динамика растекания капли вольфрамовой металлизационной пасты под постоянным давлением

Как видно из графика, кривые для различных диапазонов вязкости имеют одинаковый затухающий характер. При этом очень важно отметить, что после 120 секунд диаметр растекания капли металлизационной пасты в течение следующих 60 секунд имеет крайне низкий прирост. Поэтому конкретно для этого случая, т.е. для паст с диапазоном вязкости от 15 000 Пуаз (1,5 кПа∙с) до 65 000 Пуаз (6,5 кПа∙с) и массой груза 303,5 грамма необходимо снимать показания диаметра растекания капли жидкой среды по истечении 120 секунд. При этом, как было сказано прежде, данный процесс можно ускорить, если увеличить нагрузку (давление) на пластину.

Численные значения вязкости пасты в данной работе были получены аналитически на основе выражения (1). Все работы были выполнены при поддержке гранта в рамках программы УМНИК-2020.

Список литературы:

1. Воронова Н.О. Разработка вискозиметра для измерения и исследования динамической вязкости в прикладных и фундаментальных исследованиях высоковязких жидкофазных систем. / Н.О. Воронова // Сборник трудов по материалам VII республиканской молодежной научно-практической конференции в рамках Всероссийского студенческого форума «Инженерные кадры – будущее инновационной экономики России». – Йошкар-Ола, 2019. – С. 38-42.
2. Воронова Н.О., Ермолаев Е.В. Разработка метода измерения вязкости жидкофазных высоковязких систем на основе косвенных показателей / Н.О. Воронова, Е.В. Ермолаев // Сборник трудов VI международной конференции: «Наука и современность: вызовы глобализации». – Киев, 2020. – С. 99–104.
3. Патент РФ №2020109808, 05.03.2020. Способ измерения вязкости высоковязких жидкофазных сред // Патент России №2738911. – 2020. Ермолаев Е.В., Воронова Н.О.
4. Ермолаев Е.В., Воронова Н.О. Метод определения численного значения динамической вязкости по диаметру растекания капли исследуемого вещества. / Е.В. Ермолаев, Н.О. Воронова // Рецензируемый научный журнал «Тенденции развития науки и образования». – Самара, 2020. –№63, ч.1. – С.75-80.
5. Ермолаев Е.В., Воронова Н.О. Исследование зависимости динамической вязкости вольфрам-молибденовых металлизационных паст от концентрации дисперсной фазы и вязкости дисперсной среды на основе косвенных показателей // Сборник статей XXXVIII Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные научные исследования: актуальные вопросы, достижения и инновации», г. Пенза, 2020 г., –204 с.