無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)-第6講

1、無機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)主講人：李新祿 博士 重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院聯(lián)系電話：65127326E-mail:課堂問答課堂問答（1）金屬的冷加工或熱加工對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響效應(yīng)分別什么？（2）液體表面張力的特點(diǎn)是什么？（3）固體表面張力的特點(diǎn)是什么？（4）固體的表面狀態(tài)是什么？粗糙度影響到表面擴(kuò)散：粗糙度影響到表面擴(kuò)散：（1） 粗糙表面處的平均表面能比其臨近處高，具粗糙表面處的平均表面能比其臨近處高，具有較高的表面流動(dòng)性；有較高的表面流動(dòng)性；（2） 粗糙表面處顆粒之間的實(shí)際接觸面積比完全粗糙表面處顆粒之間的實(shí)際接觸面積比完全平整處小，因而在壓力下更容易屈服；平整處小，因而在壓力下更容易屈服；（

2、3） 在高溫下，粗糙表面處物質(zhì)更容易液化在高溫下，粗糙表面處物質(zhì)更容易液化。物質(zhì)燒結(jié)時(shí)要磨細(xì)至粉末，就是降低其燒結(jié)物質(zhì)燒結(jié)時(shí)要磨細(xì)至粉末，就是降低其燒結(jié)溫度，使之在低于熔點(diǎn)溫度下燒結(jié)。溫度，使之在低于熔點(diǎn)溫度下燒結(jié)。表面裂紋 表面裂紋由于晶體缺陷和外力引起；表面裂紋由于晶體缺陷和外力引起； 微裂紋同樣會(huì)影響表面性質(zhì)；微裂紋同樣會(huì)影響表面性質(zhì)； 表面裂紋使得固體材料的實(shí)際強(qiáng)度比理論強(qiáng)度小幾百表面裂紋使得固體材料的實(shí)際強(qiáng)度比理論強(qiáng)度小幾百幾千倍，這主要就是因?yàn)樵诹鸭y尖端處的應(yīng)力集中現(xiàn)象；幾千倍，這主要就是因?yàn)樵诹鸭y尖端處的應(yīng)力集中現(xiàn)象； 材料實(shí)際強(qiáng)度與裂紋長度的平方根成反比。材料實(shí)際強(qiáng)度與裂紋長度

3、的平方根成反比。 控制裂紋的大小、數(shù)量和擴(kuò)展，就可以充分利用材料的控制裂紋的大小、數(shù)量和擴(kuò)展，就可以充分利用材料的固有強(qiáng)度。固有強(qiáng)度。玻璃使之鋼化，混凝土施加玻璃使之鋼化，混凝土施加以預(yù)應(yīng)力，都可以使材料外以預(yù)應(yīng)力，都可以使材料外層處于壓應(yīng)力狀態(tài)，以使內(nèi)層處于壓應(yīng)力狀態(tài)，以使內(nèi)部裂縫愈合或出現(xiàn)裂縫的可部裂縫愈合或出現(xiàn)裂縫的可能性減小。能性減小。 界面行為界面行為“月暈而風(fēng)，礎(chǔ)潤而雨”“山云蒸，柱礎(chǔ)潤”淮南子淮南王劉安（公元前179前122）辨奸論蘇洵（10091066）一、毛細(xì)現(xiàn)象一、毛細(xì)現(xiàn)象 1. 彎曲液面的附加壓力彎曲液面的附加壓力A Bp0p0P0P0+PsA BPsP0P0-PsA B

4、PsPs=P2. 揚(yáng)拉普拉斯公式R1R2yxzx+dxy+dydzOO面積的改變量：ydxxdyxydyydxxA)(形成這些額外表面所需的功為：在表面兩邊將有壓力差P，它作用在xy面上并產(chǎn)生dz位移，相應(yīng)的功為：xydzPW)(ydxxdyAW整理后可得：根據(jù)相似三角形的比例可得：2111)(RRydxxdyxydzP111)()(RdzxdxRxdzRdxx222)()(RdzydyRydzRdyy楊拉普拉斯公式2111RRP R1=R2時(shí)，曲面為球面，此時(shí)時(shí)，曲面為球面，此時(shí) 對(duì)于水平液面，對(duì)于水平液面， R1=R2= 對(duì)于凸液面，對(duì)于凸液面， 對(duì)于凹液面，對(duì)于凹液面，RP20P0P0P

5、0R0R3. 毛細(xì)現(xiàn)象 ：表面張力；：表面張力；h：液柱高度；：液柱高度； ：潤濕角；：潤濕角；R：液面曲率半：液面曲率半徑，徑，r：毛細(xì)管半徑。：毛細(xì)管半徑。毛細(xì)現(xiàn)象grCOShRrghRP2cos2從而，若液體對(duì)毛細(xì)管不若液體對(duì)毛細(xì)管不潤濕，潤濕，90，管，管內(nèi)液呈凸形即附加內(nèi)液呈凸形即附加壓力為正，管內(nèi)液壓力為正，管內(nèi)液面將低于管外的液面將低于管外的液平面，液面下降的平面，液面下降的深度深度h可由下式計(jì)算：可由下式計(jì)算： hgrCOSh2蜀相祠堂何處尋，蜀相祠堂何處尋， 錦官城外柏森森。錦官城外柏森森。映階碧草自春色，映階碧草自春色， 隔葉黃鸝空好音。隔葉黃鸝空好音。三顧頻煩天下計(jì)，三顧

6、頻煩天下計(jì)， 兩朝開濟(jì)老臣心。兩朝開濟(jì)老臣心。出師未捷身先死，出師未捷身先死， 長使英雄淚滿襟。長使英雄淚滿襟。蜀相蜀相 杜甫（712770）海內(nèi)存知己，天涯若比鄰。海內(nèi)存知己，天涯若比鄰。無為在歧路，兒女共沾巾。無為在歧路，兒女共沾巾。送杜少府之任蜀川送杜少府之任蜀川王勃（約650676） 物理現(xiàn)象？物理現(xiàn)象？秋荷一滴露，秋荷一滴露，清夜墜玄天。清夜墜玄天。將來玉盤上，將來玉盤上，不定始知圓。不定始知圓。詠露珠詠露珠韋應(yīng)物（約735約792）一道殘陽鋪水中，一道殘陽鋪水中，半江瑟瑟半江紅。半江瑟瑟半江紅?？蓱z九月初三夜，可憐九月初三夜，露似真珠月似弓。露似真珠月似弓。暮江吟白居易（77284

7、6）物理現(xiàn)象？物理現(xiàn)象？潤濕u潤濕：固體表面上的氣體（或液體）被液潤濕：固體表面上的氣體（或液體）被液體（或另一種流體）取代的過程體（或另一種流體）取代的過程u分為三類情況分為三類情況（1）沾）沾附潤濕附潤濕;（2）浸漬潤）浸漬潤濕；（濕；（3）鋪展?jié)櫇瘢╀佌節(jié)櫇褚后w固體液體固體沾沾附潤濕附潤濕沾附潤濕 如果液相如果液相(L)和固相和固相(S)按圖按圖2.11所示的方式接合，則稱此過程所示的方式接合，則稱此過程為沾濕（也被稱為附著潤濕）。這一過程進(jìn)行后的結(jié)果是：為沾濕（也被稱為附著潤濕）。這一過程進(jìn)行后的結(jié)果是：消失一個(gè)固消失一個(gè)固-氣和一個(gè)液氣和一個(gè)液-氣界面，產(chǎn)生一個(gè)固氣界面，產(chǎn)生一個(gè)固-

8、液界面。液界面。沾濕的實(shí)質(zhì)是液體在固體表面上的粘附。固沾濕的實(shí)質(zhì)是液體在固體表面上的粘附。固-液界面張力總是液界面張力總是小于氣小于氣-液及固液及固-氣的表面張力之和，這說明固氣的表面張力之和，這說明固-液接觸時(shí)，不液接觸時(shí)，不管對(duì)什么液體和固體，沾濕過程總是可自發(fā)進(jìn)行的。管對(duì)什么液體和固體，沾濕過程總是可自發(fā)進(jìn)行的。 sggllsG液體固體液體固體浸漬潤濕浸漬潤濕浸濕 將固體小方塊(S)，按圖2.12所示方式浸入液體(L)中，如果固體表面氣體均被液體所置換，則稱此過程為浸濕。在浸濕過程中，體系中固-氣界面消失，產(chǎn)生了固-液界面。 浸濕過程與粘濕過程不同，不是所有的液體和固體均可自發(fā)發(fā)生浸濕，

9、而只有固體表面能比固-液界面自由能大時(shí)，浸濕才能自發(fā)進(jìn)行。圖2.12 浸濕過程sglsG固體液體固體鋪展?jié)櫇皲佌節(jié)櫇皲佌?將一液體滴于固體表面，在恒溫恒壓下，若此液滴在固體表面上自動(dòng)展開形成液膜，則此過程為鋪展?jié)櫇瘢▓D2.13）。在此過程中，失去了部分固-氣界面，形成了新的固-液界面和氣-液界面。 圖2.13 液體在固體表面的鋪展過程sglsGlg鋪展 若加入表面活性劑，可以使得三個(gè)表面張力失去平衡，若加入表面活性劑，可以使得三個(gè)表面張力失去平衡，楊氏方程不再適用，此時(shí)液體完全鋪展開來，也即：楊氏方程不再適用，此時(shí)液體完全鋪展開來，也即：F：鋪展系數(shù)鋪展系數(shù)0lgslsg0lgslsgF以以

10、=90 作為潤濕與否的分界線作為潤濕與否的分界線 90 不潤濕；不潤濕； 90 潤濕潤濕 越小，潤濕越好。越小，潤濕越好。楊氏方程楊氏方程潤濕液滴在固體表面上的接觸角lgcosslsg 一般將=0時(shí)叫完全潤濕， =180為完全不潤濕（此時(shí)可以沾濕），090稱為潤濕， 900，則，則PrP0，即凸液面上的飽，即凸液面上的飽和蒸氣壓，必然大于平液面上的飽和蒸氣壓；而液面為和蒸氣壓，必然大于平液面上的飽和蒸氣壓；而液面為凹時(shí)，凹時(shí)，r0，則，則Pr0, PrP0rMPPRTr2ln02. 過熱液體過熱液體凹液面使得氣泡的產(chǎn)生凹液面使得氣泡的產(chǎn)生非常困難。非常困難。r0,PrP0rMPPRTr2ln0

11、3. 過冷液體過冷液體 對(duì)于微小晶體來講，其飽和蒸氣壓恒大對(duì)于微小晶體來講，其飽和蒸氣壓恒大于普通晶體的飽和蒸氣壓。于普通晶體的飽和蒸氣壓。BDAOCt小t普液體冷卻時(shí)，液體冷卻時(shí)，粘度增加，有粘度增加，有使液體向固體使液體向固體轉(zhuǎn)化時(shí)傾向非轉(zhuǎn)化時(shí)傾向非晶態(tài)化。晶態(tài)化。4. 過飽和溶液過飽和溶液 （1）微小晶體的溶解度）微小晶體的溶解度 小晶粒的溶解小晶粒的溶解度大于大晶粒度大于大晶粒的溶解度。的溶解度。rMCCRTls2ln0（2）過飽和溶液：）過飽和溶液：在平衡條件下，在平衡條件下，應(yīng)當(dāng)有晶體析出應(yīng)當(dāng)有晶體析出而未析出的溶液。而未析出的溶液。AEDCB濃度C普C小C普普、C小小分別為普分別

12、為普通晶體和小晶體的通晶體和小晶體的析晶濃度。析晶濃度。（二）粘附 粘附的本質(zhì)是兩種相接觸的物質(zhì)之間表面力作用粘附的本質(zhì)是兩種相接觸的物質(zhì)之間表面力作用的結(jié)構(gòu)，表面力來自于固體表面剩余力場。的結(jié)構(gòu)，表面力來自于固體表面剩余力場。 由于表面力是近程作用力，粘附只發(fā)生在緊密接由于表面力是近程作用力，粘附只發(fā)生在緊密接觸的兩物質(zhì)之間。觸的兩物質(zhì)之間。 粘附作用可以通過兩固體的相對(duì)滑動(dòng)時(shí)的摩擦、粘附作用可以通過兩固體的相對(duì)滑動(dòng)時(shí)的摩擦、兩固體的壓緊和粉末的聚集以及燒結(jié)、液體膠結(jié)兩固體的壓緊和粉末的聚集以及燒結(jié)、液體膠結(jié)等表現(xiàn)出來。等表現(xiàn)出來。 1. 粘附功：把單位粘附界面拉開所需的功，粘附功：把單位粘

13、附界面拉開所需的功，它等于新形成表面的表面能它等于新形成表面的表面能 sg和和 lg以及消以及消失的固液面的界面能失的固液面的界面能 sl之差：之差：lgsgLS)cos1 (lglgslslsgslWW 2 lg是將單位截面的純液柱拉開所需要的功。是將單位截面的純液柱拉開所需要的功。 為使液體能鋪展于固體表面，液體對(duì)固體為使液體能鋪展于固體表面，液體對(duì)固體的粘附功至少等于液體本身的內(nèi)聚功。的粘附功至少等于液體本身的內(nèi)聚功。=0)cos1 (lgslWlg2slWllslWW 2. 粘附2.1 影響粘附的相關(guān)因素：影響粘附的相關(guān)因素： （1）物質(zhì)本性；）物質(zhì)本性； （2）物質(zhì)的表面性質(zhì)；）物質(zhì)的表面性質(zhì)； （3）固體的分散度；）固體的分散度； （4）粘附面積；）粘附面積； （5）溫度；）溫度； （6）對(duì)固液間的粘附