Interaction between solidification front and alien phase particles

Studies were carried out on two composites, i.e. succinonitrile - polystyrene using polystyrene particles of the radii R: 3, 6, 10, 15, 50, 100 and 200 µm (KI) and succinonitrile - glass with glass particles of the radii R: 5.4, 12.0, 24.0, 38.9, 41.0 and 49.0 µm (K2). The directional solidification of the examined composite was carried out on a device for visualisation of the solidification proeess. The device is operating in a horizontal arrangement and uses a gradient temperaturę field in the space between the thermal elements. The device ensures stepless control of the sample movement velocity in a rangę from 0.01 to 100 µm/s. From the studies carried out it follows that there is a critical velocity ucr of the solidification front movement below which the particles are engulfed, and above which they are pushed. In other words, at the critical velocity there is a change of the active solidification front into a neutral one. The critical velocity was determined for all radii R of the particles of the examined composite. It has been proved experimentally that the relationship between the particie radius and the critical front movement velocity is of a parabolic character ucr = A/R where: A is complex composite materiał constant. From the regression analysis it follows that its value is A = 7.06 µm2/s for KI composite and A = 3.55 µm2/s for K2 composite. To develop theoretical backgrounds for the phenomenon of the particle/solidification front interaction, the forces acting on a particie have been examined, i.e. the force of hydrostatic lift F, the drag force F caused by the viscosity of the liąuid flowing around the particie, and a force caused by the surface tension Fa. It has been proved that, using a balance of forces acting in the examined system, one can derive an eąuation for the critical front movement velocity Ucr, in the form of Uc- = aoΔδ/(3 R αη)

---

Badaniami objęto dwa kompozyty, to jest nitryl kwasu bursztynowego - polistyren (K1) z wykorzystaniem cząstek polistyrenu o promieniach: 3, 6, 10, 15, 50, 100 i 200 µm oraz nitryl kwasu bursztynowego - szkło z cząstkami szkła (K2): 5.4, 12.0, 24.0, 38.9, 41.0 i 49.0 µm. Krystalizację kierunkową badanego kompozytu prowadzono w urządzeniu do wizualizacji procesów krystalizacji, działającym w układzie poziomym z gradientowym polem temperatury w przestrzeni pomiędzy elementami termicznymi. Urządzenie zapewnia płynną regulację prędkości przemieszczania próbki w zakresie od 0,01 do 100 µm/s. Z przeprowadzonych badań wynika, że istnieje krytyczna prędkość ucr przemieszczania frontu krystalizacji, poniżej której cząstki są wchłaniane a powyżej - odpychane przez front krystalizacji. Prędkość krytyczną wyznaczono dla wszystkich promieni R cząstek badanego kompozytu. Wykazano doświadczalnie, że zależność między promieniem cząstki a krytyczną prędkością przemieszczania frontu ma charakter hiperboliczny Ucr = A/R gdzie: A - kompleksowa stała materiałowa kompozytu. Analiza regresyjna wykazała, że jej wartość wynosi A = 7,06 µm2/s dla kompozytu K1 oraz A = 3,55 µm2/s dla kompozytu K2.