廈門大學(xué)材料表工程第二章

1、 第二章第二章 表面工程技術(shù)的物理化學(xué)基礎(chǔ)表面工程技術(shù)的物理化學(xué)基礎(chǔ) 2.1 固體的表面與界面基礎(chǔ)固體的表面與界面基礎(chǔ)2-1-1 表界面的基本概念表界面的基本概念u 材料的腐蝕、老化、硬化、破壞、印刷、涂膜、粘結(jié)、復(fù)合等等，材料的腐蝕、老化、硬化、破壞、印刷、涂膜、粘結(jié)、復(fù)合等等， 無不與材料的表界面密切有關(guān)。無不與材料的表界面密切有關(guān)。表界面的定義表界面的定義：表界面是由：表界面是由個(gè)相過渡到另一相的過渡區(qū)域。個(gè)相過渡到另一相的過渡區(qū)域。 根據(jù)物質(zhì)的聚集態(tài)，表界面通?？梢苑譃橐韵挛孱悾焊鶕?jù)物質(zhì)的聚集態(tài)，表界面通?？梢苑譃橐韵挛孱悾?固固氣；液氣；液氣；固氣；固液；液液；液液；液；固固固固把固

2、把固氣、液氣、液氣的過渡區(qū)域稱為氣的過渡區(qū)域稱為表面表面，把固把固液、液液、液液、固液、固固的過渡區(qū)域稱為固的過渡區(qū)域稱為界面界面。 由于研究角度和研究目的不同，表界面可作如下區(qū)分由于研究角度和研究目的不同，表界面可作如下區(qū)分： 1、物理表面、物理表面 在物理學(xué)中，一般將表面定義為三維的規(guī)整點(diǎn)陣到體外空間之間的過在物理學(xué)中，一般將表面定義為三維的規(guī)整點(diǎn)陣到體外空間之間的過渡區(qū)域，這個(gè)過渡區(qū)的厚度隨材料的種類不同而異，可以是一個(gè)原子層或渡區(qū)域，這個(gè)過渡區(qū)的厚度隨材料的種類不同而異，可以是一個(gè)原子層或多個(gè)原子層。多個(gè)原子層。 在過渡區(qū)內(nèi)，周期點(diǎn)陣遭到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，甚至完全變異。表面下數(shù)十在過渡區(qū)內(nèi)，周

3、期點(diǎn)陣遭到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，甚至完全變異。表面下數(shù)十個(gè)原子層深稱為個(gè)原子層深稱為“次表面次表面”，次表面以下才是被稱之為，次表面以下才是被稱之為“體相體相”的正常本的正常本體。體。 （1） 理想表面理想表面 理想表面是指除了假設(shè)確定的一套邊界條件外，系統(tǒng)不理想表面是指除了假設(shè)確定的一套邊界條件外，系統(tǒng)不發(fā)生任何變化的表面。發(fā)生任何變化的表面。 以固體為例，理想表面就是指表面的原子位置和電子密以固體為例，理想表面就是指表面的原子位置和電子密度都和體內(nèi)一樣。這種理想表面實(shí)際上是不存在的。度都和體內(nèi)一樣。這種理想表面實(shí)際上是不存在的。 （2 2）清潔表面）清潔表面 清潔表面指不存在任何污染的化學(xué)純表面，即不

4、存在吸清潔表面指不存在任何污染的化學(xué)純表面，即不存在吸 附、催化反應(yīng)或雜質(zhì)擴(kuò)散等物理、化學(xué)效應(yīng)的表面。附、催化反應(yīng)或雜質(zhì)擴(kuò)散等物理、化學(xué)效應(yīng)的表面。 清潔表面是相對(duì)于受環(huán)境污染的表面而言的。只有用特殊清潔表面是相對(duì)于受環(huán)境污染的表面而言的。只有用特殊 的方法，如高溫?zé)崽幚怼㈦x子轟擊加退火、真空解理、真的方法，如高溫?zé)崽幚?、離子轟擊加退火、真空解理、真 空沉積、場(chǎng)致蒸發(fā)等才能得到清潔表面，同時(shí)還必須保持空沉積、場(chǎng)致蒸發(fā)等才能得到清潔表面，同時(shí)還必須保持 在在1.331.33 1010 10 10 papa的超高真空中。的超高真空中。 （3） 吸附表面吸附表面 吸附有外來原子的表面稱為吸附表面。吸

5、附原子可以形吸附有外來原子的表面稱為吸附表面。吸附原子可以形成無序的或有序的覆蓋層。覆蓋層可以具有和基體相同成無序的或有序的覆蓋層。覆蓋層可以具有和基體相同的結(jié)構(gòu)，也可以形成重構(gòu)表層。的結(jié)構(gòu)，也可以形成重構(gòu)表層。 當(dāng)吸附原子和基體原子之間的相互作用很強(qiáng)時(shí)則能形成當(dāng)吸附原子和基體原子之間的相互作用很強(qiáng)時(shí)則能形成表面合金或表面化合物。覆蓋層結(jié)構(gòu)中也可存在缺陷，表面合金或表面化合物。覆蓋層結(jié)構(gòu)中也可存在缺陷，且隨溫度發(fā)生變化。且隨溫度發(fā)生變化。 2、 材料表面材料表面材料科學(xué)研究的表面包括各種表面作用和過程所涉及的區(qū)域，其空間材料科學(xué)研究的表面包括各種表面作用和過程所涉及的區(qū)域，其空間尺度和狀態(tài)決定

6、于作用影響范圍的大小和材料與環(huán)境條件的特性。尺度和狀態(tài)決定于作用影響范圍的大小和材料與環(huán)境條件的特性。 (1)(1)機(jī)械作用界面機(jī)械作用界面 受機(jī)械作用而形成的界面稱為機(jī)械作用界面。受機(jī)械作用而形成的界面稱為機(jī)械作用界面。常見的機(jī)械作用包括切削、研磨、拋光、噴沙、變形、磨損等。常見的機(jī)械作用包括切削、研磨、拋光、噴沙、變形、磨損等。 (2)(2)化學(xué)作用界面化學(xué)作用界面 由于表面反應(yīng)、粘結(jié)、氧化、腐蝕等化學(xué)作用而形成的界面稱為化學(xué)由于表面反應(yīng)、粘結(jié)、氧化、腐蝕等化學(xué)作用而形成的界面稱為化學(xué)作用界面。作用界面。 (3)(3)固體結(jié)合界面固體結(jié)合界面由兩個(gè)固體相直接接觸，通過真空、加熱、加壓、界面

7、擴(kuò)散和反應(yīng)等途徑由兩個(gè)固體相直接接觸，通過真空、加熱、加壓、界面擴(kuò)散和反應(yīng)等途徑所形成的界面稱為固態(tài)結(jié)合界面。所形成的界面稱為固態(tài)結(jié)合界面。(4) 液相或氣相沉積界面液相或氣相沉積界面物質(zhì)以原子尺寸形態(tài)從液相或氣相析出而在固態(tài)表面形成的膜層或塊體稱物質(zhì)以原子尺寸形態(tài)從液相或氣相析出而在固態(tài)表面形成的膜層或塊體稱為液相或氣相沉積界面。為液相或氣相沉積界面。 (5)(5)凝固共生界面凝固共生界面 兩個(gè)固相同時(shí)從液相中凝固析出，并且共同生長所形成的界面稱為凝固共兩個(gè)固相同時(shí)從液相中凝固析出，并且共同生長所形成的界面稱為凝固共生界面。生界面。 (6)(6)粉末冶金界面粉末冶金界面 通過熱壓、熱鍛、熱等

8、靜壓、燒結(jié)、熱噴涂等粉末工藝，將粉末材料轉(zhuǎn)變通過熱壓、熱鍛、熱等靜壓、燒結(jié)、熱噴涂等粉末工藝，將粉末材料轉(zhuǎn)變?yōu)閴K體所形成的界面稱為粉末冶金界面。為塊體所形成的界面稱為粉末冶金界面。 (7)(7)粘結(jié)界面粘結(jié)界面 由無機(jī)或有機(jī)粘結(jié)劑使兩個(gè)固體相結(jié)合而形成的界面稱為粘結(jié)界面。由無機(jī)或有機(jī)粘結(jié)劑使兩個(gè)固體相結(jié)合而形成的界面稱為粘結(jié)界面。 (8) 熔焊界面熔焊界面 在固體表面造成熔體相，然后兩者在凝固過程中形成冶金結(jié)合的界面稱為在固體表面造成熔體相，然后兩者在凝固過程中形成冶金結(jié)合的界面稱為熔焊界面。熔焊界面。 此外，材料的界面還可以根據(jù)材料的類型進(jìn)行劃分，例如，金屬此外，材料的界面還可以根據(jù)材料的類

9、型進(jìn)行劃分，例如，金屬-金屬界面、金屬界面、金屬金屬-陶瓷界面、樹脂陶瓷界面、樹脂-陶瓷界面等。陶瓷界面等。 2-1-2 固體的固體的表面能概念表面能概念 表面能是指表面所具有的內(nèi)能。實(shí)際表面的內(nèi)能的絕對(duì)值是無法測(cè)量的，可表面能是指表面所具有的內(nèi)能。實(shí)際表面的內(nèi)能的絕對(duì)值是無法測(cè)量的，可以測(cè)量到的僅是當(dāng)物質(zhì)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，其內(nèi)能的改變量以測(cè)量到的僅是當(dāng)物質(zhì)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，其內(nèi)能的改變量 u u u = q + w q為體系自環(huán)境吸收的熱量；為體系自環(huán)境吸收的熱量；w為環(huán)境對(duì)體系做的功為環(huán)境對(duì)體系做的功 表面是體相沿某個(gè)方向劈開造成的，表面的形成使體相狀態(tài)發(fā)生了改變，表面是體相沿某個(gè)方向劈開造成

10、的，表面的形成使體相狀態(tài)發(fā)生了改變，因此內(nèi)能必有因此內(nèi)能必有 u的改變。的改變。不論是液體還是固體，從無表面到生成一個(gè)表面，必須依靠環(huán)境對(duì)其做功，不論是液體還是固體，從無表面到生成一個(gè)表面，必須依靠環(huán)境對(duì)其做功，該功即轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻婺芑虮砻孀杂赡?。該功即轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻婺芑虮砻孀杂赡堋?面心立方晶格金屬的表面形成面心立方晶格金屬的表面形成 ：在晶體內(nèi)部原子的配位數(shù)是在晶體內(nèi)部原子的配位數(shù)是12。如果形成表面的原子面是。如果形成表面的原子面是(100)時(shí)時(shí), ,由由于外層原子不存在了，因此配位數(shù)變?yōu)橛谕鈱釉硬淮嬖诹?，因此配位?shù)變?yōu)?。即其余四個(gè)原子的鍵被斷。即其余四個(gè)原子的鍵被斷掉。掉。 設(shè)兩個(gè)原子間的

11、鍵能為設(shè)兩個(gè)原子間的鍵能為ua，則制造表面時(shí)每斷一根鍵，該原子的能量將，則制造表面時(shí)每斷一根鍵，該原子的能量將增加增加ua/2，切斷，切斷4根鍵增加能量根鍵增加能量2ua。這種能量的增加稱為斷鍵功。這種能量的增加稱為斷鍵功。 斷鍵功不僅與原子的內(nèi)聚功有關(guān)，也與表面上的原子取向有關(guān)。斷鍵功不僅與原子的內(nèi)聚功有關(guān)，也與表面上的原子取向有關(guān)。 當(dāng)表面為當(dāng)表面為(111)面時(shí)，斷鍵功是面時(shí)，斷鍵功是3ua/2，當(dāng)表面當(dāng)表面(110)面時(shí)為面時(shí)為5ua/2。單種原子組成的某物質(zhì)，表面的形成過程可按如下兩步進(jìn)行：?jiǎn)畏N原子組成的某物質(zhì)，表面的形成過程可按如下兩步進(jìn)行：第一步，將固體切開，分割面垂直于固體表面

12、，于是新表面暴露出來，第一步，將固體切開，分割面垂直于固體表面，于是新表面暴露出來，但是新表面上的原子仍留在原來晶體結(jié)點(diǎn)的位置上。當(dāng)原子處于本但是新表面上的原子仍留在原來晶體結(jié)點(diǎn)的位置上。當(dāng)原子處于本體相時(shí)，其與周圍原子間的作用力是平衡的；當(dāng)它變?yōu)樾卤砻嫔系捏w相時(shí)，其與周圍原子間的作用力是平衡的；當(dāng)它變?yōu)樾卤砻嫔系囊粋€(gè)原子時(shí)，則處于受力的不平衡狀態(tài)。一個(gè)原子時(shí)，則處于受力的不平衡狀態(tài)。第二步，新表面上的原子將排列到各自的受力平衡位置上去。對(duì)于液體，第二步，新表面上的原子將排列到各自的受力平衡位置上去。對(duì)于液體，第二步是很快的，實(shí)際上這兩步并作一步進(jìn)行。對(duì)于固體則不然，第二步是很快的，實(shí)際上這兩

13、步并作一步進(jìn)行。對(duì)于固體則不然，由于原子難于移動(dòng)，第二步要慢慢進(jìn)行。由于原子難于移動(dòng)，第二步要慢慢進(jìn)行。 在原子尚未排列到新的平衡位置上之前，新產(chǎn)生表面上的原子受到在原子尚未排列到新的平衡位置上之前，新產(chǎn)生表面上的原子受到一個(gè)應(yīng)力的作用，在這個(gè)應(yīng)力作用下，經(jīng)過較長時(shí)間，原子達(dá)一個(gè)應(yīng)力的作用，在這個(gè)應(yīng)力作用下，經(jīng)過較長時(shí)間，原子達(dá)到新的平衡位置后，應(yīng)力消除，平面的原子間距將會(huì)發(fā)生一定到新的平衡位置后，應(yīng)力消除，平面的原子間距將會(huì)發(fā)生一定程度的改變，而且這種改變?cè)诟鱾€(gè)方向上未必相同。程度的改變，而且這種改變?cè)诟鱾€(gè)方向上未必相同。 為使新表面上的原子停留在原來體相的平衡位置上，必須對(duì)該原子為使新表面

14、上的原子停留在原來體相的平衡位置上，必須對(duì)該原子施加一外力，每單位長度上應(yīng)施加的這種外力定義為表面應(yīng)力施加一外力，每單位長度上應(yīng)施加的這種外力定義為表面應(yīng)力 。沿著相互垂直的兩個(gè)方向上的兩個(gè)表面應(yīng)力之和的一半等于表面張沿著相互垂直的兩個(gè)方向上的兩個(gè)表面應(yīng)力之和的一半等于表面張力，即力，即 = ( 1+ 2)/2 液體或各向同性固體的兩個(gè)表面應(yīng)力相等，液體或各向同性固體的兩個(gè)表面應(yīng)力相等， 1= 2= ；各向異性固體的兩個(gè)表面應(yīng)力不等。各向異性固體的兩個(gè)表面應(yīng)力不等。2-2 固體表面的潤濕固體表面的潤濕2-2-1 2-2-1 潤濕現(xiàn)象及潤濕角潤濕現(xiàn)象及潤濕角 液體在固體表面上鋪展的現(xiàn)象，稱為潤濕

15、。液體在固體表面上鋪展的現(xiàn)象，稱為潤濕。 能被水潤濕的物質(zhì)叫親水物質(zhì)，像玻璃、石英、方解石、長石等。能被水潤濕的物質(zhì)叫親水物質(zhì)，像玻璃、石英、方解石、長石等。 不能被水潤濕的物質(zhì)叫疏水物質(zhì)，像石蠟、石墨、硫黃等。不能被水潤濕的物質(zhì)叫疏水物質(zhì)，像石蠟、石墨、硫黃等。 潤濕和不潤濕通常采用潤濕角進(jìn)行定量描述。潤濕和不潤濕通常采用潤濕角進(jìn)行定量描述。潤濕角潤濕角 是指固、液、氣三相接觸達(dá)到平衡時(shí)，從三相接觸的公共點(diǎn)是指固、液、氣三相接觸達(dá)到平衡時(shí)，從三相接觸的公共點(diǎn)沿液沿液氣界面作切線，此切線與固氣界面作切線，此切線與固液界面的夾角液界面的夾角當(dāng)當(dāng) 909090 時(shí)稱為不潤濕，時(shí)稱為不潤濕， 角越大

16、，潤濕性越不角越大，潤濕性越不好，液體越不容易在固體表面上鋪展開，而好，液體越不容易在固體表面上鋪展開，而是越容易收縮至接近呈圓球狀。是越容易收縮至接近呈圓球狀。 當(dāng)當(dāng) =0=0 或或180180 時(shí)，則分別稱為完全潤濕和完時(shí)，則分別稱為完全潤濕和完全不潤濕。全不潤濕。 角的大小與界面張力有關(guān)。在液角的大小與界面張力有關(guān)。在液固兩相的接觸端點(diǎn)固兩相的接觸端點(diǎn)o處受到三個(gè)力的處受到三個(gè)力的作用：作用： s-g， s-l和和 l-g ，這三個(gè)力互相平衡，合力為零。，這三個(gè)力互相平衡，合力為零。 s-gs-g = = s-ls-l + + l-gl-g cos cos youngyoung方程式：方

17、程式： coscos = ( = ( s-gs-g s-ls-l ) / ) / l-gl-g 表明了潤濕角的大小與三相界面張力之間的定量關(guān)系。表明了潤濕角的大小與三相界面張力之間的定量關(guān)系。凡是能引起任一界面張力變化的因素都能影響固體表面的潤濕性。凡是能引起任一界面張力變化的因素都能影響固體表面的潤濕性。 當(dāng)當(dāng) s-gs-g s-l s-l 時(shí)，則時(shí)，則coscos 00，為正值，為正值， 9090 ，此時(shí)為潤濕；而且，此時(shí)為潤濕；而且 s-gs-g和和 s-ls-l相差相差越大，越大， 角越小，潤濕性越好。角越小，潤濕性越好。 當(dāng)當(dāng) s-gs-g s-ls-l時(shí)，則時(shí)，則coscos 09

18、090 ，此時(shí)不潤濕；當(dāng)，此時(shí)不潤濕；當(dāng) s-ls-l越大和越大和 s-gs-g越小越小時(shí)，時(shí)， 角越大，不潤濕程度也越嚴(yán)重。角越大，不潤濕程度也越嚴(yán)重。 把把0.1 n.m0.1 n.m-1 -1 以下的物質(zhì)作為低能表面，如固體有機(jī)物及高聚物以下的物質(zhì)作為低能表面，如固體有機(jī)物及高聚物的表面；的表面； 把把1 110 n.m10 n.m-1-1以上的物質(zhì)作為高能表面，如金屬及其氧化物、以上的物質(zhì)作為高能表面，如金屬及其氧化物、硫化物、無機(jī)鹽等的表面。硫化物、無機(jī)鹽等的表面。由由young方程可以看出，表面能高的固體比表面能低的固體更方程可以看出，表面能高的固體比表面能低的固體更易被液體所潤濕

19、。易被液體所潤濕。在生產(chǎn)上可以通過改變?nèi)齻€(gè)相界面上的在生產(chǎn)上可以通過改變?nèi)齻€(gè)相界面上的 值來調(diào)整潤濕角。值來調(diào)整潤濕角。若加入一種使若加入一種使 l-g和和 s-l減小的所謂表面活性物質(zhì)，可使減小的所謂表面活性物質(zhì)，可使 減小，潤濕程度減小，潤濕程度增大；增大；反之，若加入某種使反之，若加入某種使 增大的表面惰性物質(zhì)，可使增大的表面惰性物質(zhì)，可使 增大，潤濕程度降低。增大，潤濕程度降低。例如在澆鑄工藝中，熔融金屬和模子間的潤濕程度直接關(guān)系著澆鑄質(zhì)量。例如在澆鑄工藝中，熔融金屬和模子間的潤濕程度直接關(guān)系著澆鑄質(zhì)量。若潤濕性不好，鐵水不能與模型吻合，則所得的鑄件在尖角處呈圓形，若潤濕性不好，鐵水不

20、能與模型吻合，則所得的鑄件在尖角處呈圓形，反之，若潤濕性太強(qiáng)反之，若潤濕性太強(qiáng)( (即即 角很小角很小) )，則金屬較容易滲入模型縫隙而形成，則金屬較容易滲入模型縫隙而形成不光滑的表面。不光滑的表面。為了調(diào)節(jié)潤濕程度，可在鋼液中加入適量的硅，以改變界面張力，得到合為了調(diào)節(jié)潤濕程度，可在鋼液中加入適量的硅，以改變界面張力，得到合適的適的 角。角。 潤濕作用可以從分子間的作用力來分析潤濕作用可以從分子間的作用力來分析潤濕與否取決于液體分子間相互吸引力潤濕與否取決于液體分子間相互吸引力(內(nèi)聚力內(nèi)聚力)和液固分子間吸引力和液固分子間吸引力(粘粘附力附力)的相對(duì)大小。若后者較大，則液體在固體表面鋪展，呈

21、潤濕；若前的相對(duì)大小。若后者較大，則液體在固體表面鋪展，呈潤濕；若前者占優(yōu)勢(shì)則不鋪展，呈不潤濕。者占優(yōu)勢(shì)則不鋪展，呈不潤濕。例如，水能潤濕玻璃、石英等是因?yàn)椴ＡШ褪⑹怯蓸O性鍵或離子鍵構(gòu)例如，水能潤濕玻璃、石英等是因?yàn)椴ＡШ褪⑹怯蓸O性鍵或離子鍵構(gòu)成的物質(zhì)。它們和極性水分子的吸引大于水分子間的吸引力，因而滴在成的物質(zhì)。它們和極性水分子的吸引大于水分子間的吸引力，因而滴在玻璃、石英表面上的水滴，可以排擠它們表面上的空氣而向外鋪展。玻璃、石英表面上的水滴，可以排擠它們表面上的空氣而向外鋪展。水不能潤濕石蠟、石墨等是因?yàn)槭⑹炇侨鯓O性鍵構(gòu)成或非極性鍵水不能潤濕石蠟、石墨等是因?yàn)槭⑹炇侨鯓O性

22、鍵構(gòu)成或非極性鍵構(gòu)成的物質(zhì)。它們和極性水分子間的吸引力小于水分子間的吸引力，因構(gòu)成的物質(zhì)。它們和極性水分子間的吸引力小于水分子間的吸引力，因而滴在石蠟上的水滴不能排開它們表面層上的空氣，水滴因此緊縮成一而滴在石蠟上的水滴不能排開它們表面層上的空氣，水滴因此緊縮成一團(tuán)而不能向外鋪展。團(tuán)而不能向外鋪展。 2-2-2 內(nèi)聚功內(nèi)聚功(wc)和粘附功和粘附功(wo)設(shè)有一橫截面積為設(shè)有一橫截面積為1cm2的液柱，若不改變截面積的液柱，若不改變截面積而將其沿中部拉斷，這時(shí)所消耗的功叫做該液體而將其沿中部拉斷，這時(shí)所消耗的功叫做該液體的內(nèi)聚功。的內(nèi)聚功。 因未將液體拉開時(shí)，在虛線處無表面，拉開后因未將液體拉

23、開時(shí)，在虛線處無表面，拉開后出現(xiàn)了兩個(gè)表面，每個(gè)表面皆為出現(xiàn)了兩個(gè)表面，每個(gè)表面皆為1cm2。產(chǎn)生。產(chǎn)生1cm2新表面所需的功為新表面所需的功為 ，產(chǎn)生，產(chǎn)生2cm2所需的功所需的功為為2 。所以內(nèi)聚功為：。所以內(nèi)聚功為： wc = 2 如果液柱的上端為液體如果液柱的上端為液體b，下端為不相溶的液體，下端為不相溶的液體a(或固體或固體)，則拉開后原來的界面，則拉開后原來的界面ab不再存在，而不再存在，而出現(xiàn)了兩個(gè)新的表面出現(xiàn)了兩個(gè)新的表面a和和b。這時(shí)所消耗的功叫粘。這時(shí)所消耗的功叫粘附功。其表達(dá)式為：附功。其表達(dá)式為： wawa = = a a + + b b abab 內(nèi)聚功表征了相同液體

24、表面間的吸引強(qiáng)度，內(nèi)聚功表征了相同液體表面間的吸引強(qiáng)度，粘附功表征不同液體或液體與固體間的吸引強(qiáng)度。粘附功表征不同液體或液體與固體間的吸引強(qiáng)度。 2-2-3 鋪展系數(shù)鋪展系數(shù) 若把不溶于水的液體若把不溶于水的液體(b)滴在水滴在水(a)面上，可能發(fā)生兩種情況。面上，可能發(fā)生兩種情況。一種情況為液滴本身的內(nèi)聚功大于該液體對(duì)水的粘附功一種情況為液滴本身的內(nèi)聚功大于該液體對(duì)水的粘附功, ,液體在水面上不鋪液體在水面上不鋪展開而形成一凸鏡式液滴。展開而形成一凸鏡式液滴。另一種情況是液體本身的內(nèi)聚功小于液體對(duì)水的粘附功，滴在水面上的液另一種情況是液體本身的內(nèi)聚功小于液體對(duì)水的粘附功，滴在水面上的液體展開

25、形成一層薄膜。體展開形成一層薄膜。 一種不溶于水的液體能否在水面上展開可用粘附功和內(nèi)聚功之差，即一種不溶于水的液體能否在水面上展開可用粘附功和內(nèi)聚功之差，即鋪展系數(shù)鋪展系數(shù)sl/l來表示：來表示： sl/l = wawc = a + b ab 2 b = a b ab 當(dāng)當(dāng)sl/l 0時(shí)，液體時(shí)，液體b在在a的表面上會(huì)自動(dòng)展開，并且的表面上會(huì)自動(dòng)展開，并且sl/l值越大，則液體值越大，則液體b在水面在水面a上越易展開；上越易展開；若若sl/l為負(fù)值，則表示液體為負(fù)值，則表示液體b在水面在水面a上不鋪展，負(fù)值越大表示越難鋪展。上不鋪展，負(fù)值越大表示越難鋪展。 具有具有 oh， cooh等極性基的

26、有機(jī)物，與水分子吸引較強(qiáng)，它們與水等極性基的有機(jī)物，與水分子吸引較強(qiáng)，它們與水接觸后，在水面上能自動(dòng)鋪展，有較大的鋪展系數(shù)。接觸后，在水面上能自動(dòng)鋪展，有較大的鋪展系數(shù)。碳?xì)浠衔锛捌浔畸u素取代后的衍生物，因分子的極性減弱，因而鋪展碳?xì)浠衔锛捌浔畸u素取代后的衍生物，因分子的極性減弱，因而鋪展系數(shù)也較小。系數(shù)也較小。對(duì)于石蠟、溴仿這些極弱的極性鍵和非極性鍵物質(zhì)，與水吸引力很小，對(duì)于石蠟、溴仿這些極弱的極性鍵和非極性鍵物質(zhì)，與水吸引力很小，不能在水面上鋪展，所以鋪展系數(shù)為負(fù)值。不能在水面上鋪展，所以鋪展系數(shù)為負(fù)值。 若把水若把水(a)換成固體，鋪展的原理與上相同，即當(dāng)液體與固體的粘附功換成固體，

27、鋪展的原理與上相同，即當(dāng)液體與固體的粘附功wa大于液體內(nèi)聚功大于液體內(nèi)聚功wc時(shí)，液體可自行鋪展于固體表面。時(shí)，液體可自行鋪展于固體表面。sl/s稱為液體在固體上的鋪展系數(shù)。稱為液體在固體上的鋪展系數(shù)。 sl/s = s-g s-l l-g = l-g (cos 1)s sl/sl/s00是液體在固體表面上自動(dòng)鋪展的基本條件，這意味著，是液體在固體表面上自動(dòng)鋪展的基本條件，這意味著，( ( s-gs-g s-ls-l) ) l-gl-g，這時(shí)，這時(shí)youngyoung方程已不適用，或者說潤濕角方程已不適用，或者說潤濕角已不存在。已不存在。鋪展是潤濕的最高標(biāo)準(zhǔn)，極限的情況下，可得到一個(gè)分子層厚的

28、鋪展是潤濕的最高標(biāo)準(zhǔn)，極限的情況下，可得到一個(gè)分子層厚的鋪展膜層。鋪展膜層。 2-2-4 潤濕理論的應(yīng)用潤濕理論的應(yīng)用潤濕現(xiàn)象在某些工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的地位。如在冶金結(jié)晶過程中，熔潤濕現(xiàn)象在某些工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的地位。如在冶金結(jié)晶過程中，熔體中的雜質(zhì)體中的雜質(zhì)( (如氧化物、氮化物等如氧化物、氮化物等) )若與晶粒之間界面張力小，則接觸角若與晶粒之間界面張力小，則接觸角小，潤濕性就好，晶核質(zhì)點(diǎn)便會(huì)在雜質(zhì)上鋪展，以雜質(zhì)為中心促進(jìn)結(jié)晶小，潤濕性就好，晶核質(zhì)點(diǎn)便會(huì)在雜質(zhì)上鋪展，以雜質(zhì)為中心促進(jìn)結(jié)晶過程的進(jìn)行。此原理在細(xì)化晶粒，改善和提高金屬的機(jī)械性能方面非常過程的進(jìn)行。此原理在細(xì)化晶粒，改善和提高

29、金屬的機(jī)械性能方面非常重要。重要。在表面重溶、表面合金化、表面覆層及表面涂裝等表面改質(zhì)中，都希望在表面重溶、表面合金化、表面覆層及表面涂裝等表面改質(zhì)中，都希望得到大的鋪展系數(shù)得到大的鋪展系數(shù)s sl/sl/s，為此不僅要對(duì)表面預(yù)處理，還要對(duì)表面成分進(jìn)行，為此不僅要對(duì)表面預(yù)處理，還要對(duì)表面成分進(jìn)行選擇，如果選擇，如果s sl/sl/s過小，就難以得到均勻、平滑的表面。過小，就難以得到均勻、平滑的表面。 由于液體對(duì)固體的接觸角與氣體對(duì)固體的接觸角互為補(bǔ)角，即二者之和由于液體對(duì)固體的接觸角與氣體對(duì)固體的接觸角互為補(bǔ)角，即二者之和為為180180 ，所以液體對(duì)固體不潤濕時(shí)，氣體對(duì)固體就潤濕。，所以液體

30、對(duì)固體不潤濕時(shí)，氣體對(duì)固體就潤濕。反之，液體對(duì)固體潤濕時(shí)，氣體對(duì)固體不潤濕。反之，液體對(duì)固體潤濕時(shí)，氣體對(duì)固體不潤濕。 2-3 固體對(duì)液體的吸附固體對(duì)液體的吸附固體表面對(duì)液體分子的吸附包括對(duì)電解質(zhì)的吸附和非電解質(zhì)的吸附。固體表面對(duì)液體分子的吸附包括對(duì)電解質(zhì)的吸附和非電解質(zhì)的吸附。對(duì)電解質(zhì)的吸附將使固體表面帶電或者雙電層中的組分發(fā)生變化，也對(duì)電解質(zhì)的吸附將使固體表面帶電或者雙電層中的組分發(fā)生變化，也可能是溶液中的某些離子被吸附到固體表面，而固體表面的離子則進(jìn)可能是溶液中的某些離子被吸附到固體表面，而固體表面的離子則進(jìn)入溶液之中，產(chǎn)生離子交換作用。入溶液之中，產(chǎn)生離子交換作用。對(duì)非電解質(zhì)溶液的吸附

31、，一般表現(xiàn)為單分子層吸附，吸附層以外就是對(duì)非電解質(zhì)溶液的吸附，一般表現(xiàn)為單分子層吸附，吸附層以外就是本體相溶液。本體相溶液。若吸附層內(nèi)溶質(zhì)的濃度比本體相大，稱為正吸附；反之則稱為負(fù)吸附。若吸附層內(nèi)溶質(zhì)的濃度比本體相大，稱為正吸附；反之則稱為負(fù)吸附。 固體表面的粗糙度、污染程度及液體表面張力對(duì)吸附有很大影響。固體表面的粗糙度、污染程度及液體表面張力對(duì)吸附有很大影響。液體和固體之間的吸附粘結(jié)力液體和固體之間的吸附粘結(jié)力i12可用下式表示：可用下式表示： i i1212 = = s-gs-g + + l-gl-g s-ls-l 式中：式中： s-gs-g是固體和氣體界面張力；是固體和氣體界面張力；

32、l-gl-g是液體和氣體界面張力；是液體和氣體界面張力； s-ls-l是是固體和液體界面張力。固體和液體界面張力。 由平衡條件知由平衡條件知 s-gs-g = = s-ls-l + + l-gl-g cos cos 得得 i i1212 = = l-gl-g (1 + cos (1 + cos ) ) 可見，粘結(jié)力的大小與液體表面張力及接觸角有關(guān)。可見，粘結(jié)力的大小與液體表面張力及接觸角有關(guān)。例如，金屬和塑料的粘接，熔融狀態(tài)塑料的接觸角例如，金屬和塑料的粘接，熔融狀態(tài)塑料的接觸角 愈小，則愈小，則i12愈大。愈大。 表表2-11給出了幾種表面清凈處理情況下鋼和環(huán)氧樹脂的接觸角與相給出了幾種表面清凈處理情況下鋼和環(huán)氧樹脂的接觸角與相對(duì)粘接強(qiáng)度。對(duì)粘接強(qiáng)度。 影響固影響固-液吸附的因素很多。通常極性物質(zhì)傾向于吸附極性物質(zhì)，非液吸附的因素很多。通常極性物質(zhì)傾向于吸附極性物質(zhì)，非極性物質(zhì)傾向于吸附非極性物質(zhì)。極性物質(zhì)傾向于吸附非極性物質(zhì)。例如活性炭吸附非電解質(zhì)的能力比吸附電解質(zhì)的能力大，而一般的例如活性炭吸附非電解質(zhì)的能力比吸附電解質(zhì)的能力大，而一般的無機(jī)固體類吸附劑吸附電解質(zhì)離子比