Quantum-Mechanical Methodology for Determining the Temperature Dependence of Contact Angle in Melt–Solid Metal Systems

ENG: Aim. In order to determine the composite materials’ manufacturing process parameters, it is necessary to evaluate the stability of their structural components and determine the contact angle of wetting of the filler with the molten binder at the infiltration temperature. The development of a theoretical method for determining the dependence of the contact angle of wetting on temperature in melt – solid metal systems makes it possible to reduce the volume of experimental studies. Methods. The paper presents a quantum mechanical methodology for calculating the binding energy of interacting substances, as well as an experimental study of the dependence of the contact angle on temperature for tin – steel systems. The methodology is based on the calculation of the binding energy between atoms of interacting substances using density functional theory. Results. The calculations show an anomalous behavior of contact angle values for the tin–steel system with increasing temperatures. It means that, when the temperature increases, the values of the contact angle initially become lower, and later, in the temperature range of 450-510 °C, an increase in the contact angle is observed. The obtained theoretical and experimental data correlate well with each other. Conclusions. The appearance of extreme regions in the experimental and theoretical temperature dependences is associated with the thermal expansion of interatomic distances in the crystal lattice. The obtained theoretical and experimental data correlate well with each other and base on the thermal expansion of interatomic distances in the crystal lattice.

UKR: Ціль. Для визначення технологічних параметрів виготовлення композиційних матеріалів необхідно оцінити стабільність їх структурних компонентів та контактний кут змочування наповнювача розплавленою зв’язкою за температури просочення. Розробка теоретичного методу визначення залежності крайового кута змочування від температури в системах розплав – твердий метал може скоротити обсяг експериментальних досліджень. Методи. У роботі представлено квантово-механічну методологію розрахунку енергії зв’язку взаємодіючих речовин, а також експериментальне дослідження залежності контактного кута від температури для системи олово – сталь. Методологія заснована на розрахунку енергії зв'язку між атомами взаємодіючих речовин з використанням теорії функціонала густини. Результати. Розрахунки показують аномальну поведінку значень контактного кута для системи олово–сталь під час підвищення температури. Це означає, що за підвищення температури значення контактного кута спочатку зменшуються, а згодом, в інтервалі температур 450–510 °C, спостерігається збільшення контактного кута. Отримані теоретичні та експериментальні дані добре корелюють між собою. Висновки. Поява екстремальних ділянок на експериментальних і теоретичних температурних залежностях пов’язана з тепловим розширенням міжатомних відстаней у кристалічній ґратці.