第5章-表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)ppt課件

1、School of materials Science and engineeringChapter 5表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)p 什么是表面、界面？什么是表面、界面？p 固體的表面與性質(zhì)有何關(guān)系？固體的表面與性質(zhì)有何關(guān)系？p 實(shí)際工程中有那些應(yīng)用？實(shí)際工程中有那些應(yīng)用？5.1固體的表面及其結(jié)構(gòu)固體的表面及其結(jié)構(gòu)5.2潤濕與粘附潤濕與粘附School of materials Science and engineering 表面質(zhì)點(diǎn)所處環(huán)境不同于內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)，存在懸鍵或表面質(zhì)點(diǎn)所處環(huán)境不同于內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)，存在懸鍵或受力不均而處于較高能態(tài)，呈現(xiàn)一系列特殊的性受力不均而處于較高能態(tài)，呈現(xiàn)一系列特殊的性

2、質(zhì)。質(zhì)。 有關(guān)強(qiáng)度、韌性、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、介電、傳感、有關(guān)強(qiáng)度、韌性、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、介電、傳感、腐蝕、氧化、催化、能量交換、摩擦磨損、光腐蝕、氧化、催化、能量交換、摩擦磨損、光的吸收與反射等都與表面與界面特性密切相關(guān)。的吸收與反射等都與表面與界面特性密切相關(guān)。 引起熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、蒸汽壓、溶解度、吸附、潤濕、引起熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、蒸汽壓、溶解度、吸附、潤濕、化學(xué)活性、化學(xué)反應(yīng)等方面的變化。化學(xué)活性、化學(xué)反應(yīng)等方面的變化。 表面與界面可近似看作是材料中的二維缺陷。表面與界面可近似看作是材料中的二維缺陷。 概述概述School of materials Science and engineering（1 1外表：

3、固體與真空或自身的蒸汽的面。外表：固體與真空或自身的蒸汽的面。幾個概念幾個概念（2 2相界：相鄰相之間的交界面稱相界面廣相界：相鄰相之間的交界面稱相界面廣義）。（固義）。（固- -固、固固、固- -液、固液、固- -氣）；氣）； 結(jié)構(gòu)不同的兩塊晶體或結(jié)構(gòu)相同而點(diǎn)結(jié)構(gòu)不同的兩塊晶體或結(jié)構(gòu)相同而點(diǎn)陣參數(shù)不同的兩塊晶體接合所形成的陣參數(shù)不同的兩塊晶體接合所形成的交界面狹義）交界面狹義）固固固固晶界晶界School of materials Science and engineeringd圖圖5.1 5.1 理想表面結(jié)構(gòu)示意圖理想表面結(jié)構(gòu)示意圖 指忽略晶體內(nèi)部周期性勢場在晶體表面中指忽略晶體內(nèi)部周期性

4、勢場在晶體表面中斷、表面原子的熱運(yùn)動、熱擴(kuò)散、熱缺陷及外斷、表面原子的熱運(yùn)動、熱擴(kuò)散、熱缺陷及外界對表面的物理化學(xué)作用等的影響的表面。界對表面的物理化學(xué)作用等的影響的表面。其周期性與理想晶體完全一樣。（實(shí)際上不存其周期性與理想晶體完全一樣。（實(shí)際上不存在）在） 5.1固體的表面固體的表面5.1.1理想表面理想表面School of materials Science and engineering清潔表面是指不存在任何吸附、催化反應(yīng)、清潔表面是指不存在任何吸附、催化反應(yīng)、雜質(zhì)擴(kuò)散等物理雜質(zhì)擴(kuò)散等物理-化學(xué)效應(yīng)的表面。這種表面的組化學(xué)效應(yīng)的表面。這種表面的組成與體內(nèi)相同，但周期性結(jié)構(gòu)可以不同于體

5、內(nèi)。成與體內(nèi)相同，但周期性結(jié)構(gòu)可以不同于體內(nèi)。清潔表面清潔表面臺階表面臺階表面弛豫表面弛豫表面重構(gòu)表面重構(gòu)表面（根據(jù)表面原（根據(jù)表面原子排列狀況）子排列狀況） 5.1.2清潔表面清潔表面School of materials Science and engineering臺階表面不是一個平面，它是由有臺階表面不是一個平面，它是由有規(guī)則的或不規(guī)則的臺階的表面所組成。規(guī)則的或不規(guī)則的臺階的表面所組成。112111110(001)周期周期圖圖4.1.2 Pt557有序原子臺階表面示意圖有序原子臺階表面示意圖（1臺階表面臺階表面兩個不同的晶面兩個不同的晶面School of materials Sci

6、ence and engineering面心立方晶體接近面心立方晶體接近(100)面的鄰位面的平臺臺階扭折模型圖面的鄰位面的平臺臺階扭折模型圖(a) (100)面平臺上的臺階；（面平臺上的臺階；（b臺階上的扭折臺階上的扭折School of materials Science and engineering原子力顯微鏡觀察石墨表面上外延生長的有機(jī)薄膜，層狀原子力顯微鏡觀察石墨表面上外延生長的有機(jī)薄膜，層狀成長明顯。清晰地觀察到約成長明顯。清晰地觀察到約0.3nm生長階梯。生長階梯。School of materials Science and engineering弛豫是指表面層之間以及表面和

7、體內(nèi)原子層弛豫是指表面層之間以及表面和體內(nèi)原子層之間的垂直間距和體內(nèi)原子層間距相比有所膨脹之間的垂直間距和體內(nèi)原子層間距相比有所膨脹和壓縮的現(xiàn)象。和壓縮的現(xiàn)象。 圖圖5.3 弛豫表面示意圖弛豫表面示意圖 0.1A0.35A圖圖5.4 LiF(001)弛豫表面示意圖弛豫表面示意圖Li F d0（2弛豫表面弛豫表面 School of materials Science and engineering重構(gòu)是指表面原子層在水平方向上的周期性重構(gòu)是指表面原子層在水平方向上的周期性不同于體內(nèi)，但垂直方向的層間距離與體內(nèi)相同。不同于體內(nèi)，但垂直方向的層間距離與體內(nèi)相同。圖圖5.5 重構(gòu)表面示意圖重構(gòu)表面示

8、意圖 d0d0asa（3重構(gòu)表面重構(gòu)表面School of materials Science and engineering吸附表面有時也稱界面。它是指在清吸附表面有時也稱界面。它是指在清潔表面上有來自體內(nèi)擴(kuò)散到表面的雜質(zhì)和潔表面上有來自體內(nèi)擴(kuò)散到表面的雜質(zhì)和來自表面周圍空間吸附在表面上的質(zhì)點(diǎn)所來自表面周圍空間吸附在表面上的質(zhì)點(diǎn)所構(gòu)成的表面。構(gòu)成的表面。吸附的方式：物理吸附、化學(xué)吸附吸附的方式：物理吸附、化學(xué)吸附 5.1.3吸附表面吸附表面School of materials Science and engineering固體表面自由能固體表面自由能:恒溫、恒壓條件下，增加一個恒溫、恒壓條

9、件下，增加一個單位表面積時所做的功單位表面積時所做的功J/m2）。（形成單位表面積）。（形成單位表面積時，體系時，體系Gibbs自由焓的增量）自由焓的增量）(與熱力學(xué)平衡性質(zhì)有與熱力學(xué)平衡性質(zhì)有關(guān)關(guān))表面張力：是擴(kuò)張表面單位長度所需要的力表面張力：是擴(kuò)張表面單位長度所需要的力(N/m)。(與機(jī)械性質(zhì)有關(guān)與機(jī)械性質(zhì)有關(guān))注：由于固體與液體形成表面時，其中原子移動的注：由于固體與液體形成表面時，其中原子移動的難易程度不同，前者難而后者易，因此，固體難易程度不同，前者難而后者易，因此，固體表面往往處于一種非平衡態(tài)，而液體則很快達(dá)表面往往處于一種非平衡態(tài)，而液體則很快達(dá)到動態(tài)的平衡狀態(tài)。到動態(tài)的平衡狀

10、態(tài)。 5.1.4 固體的表面自由能和表面張力固體的表面自由能和表面張力School of materials Science and engineeringu對沒有外力作用的表面系統(tǒng)，系統(tǒng)總表面能將自發(fā)對沒有外力作用的表面系統(tǒng)，系統(tǒng)總表面能將自發(fā)趨向于最低化。趨向于最低化。u 液體表面能液體表面能 傾向于形成球形表面，降低總表面能。傾向于形成球形表面，降低總表面能。 液體表面能和表面張力具有相同的數(shù)值。液體表面能和表面張力具有相同的數(shù)值。u 固體表面能固體表面能 u 一般不等于表面張力，其差值與過程的彈性應(yīng)變一般不等于表面張力，其差值與過程的彈性應(yīng)變有關(guān)。有關(guān)。 緣由：？緣由：？School

11、of materials Science and engineering 對于固體，引起表面變形過程比原子遷移率快的多，則對于固體，引起表面變形過程比原子遷移率快的多，則表面結(jié)構(gòu)受拉伸或壓縮而與正常結(jié)構(gòu)不同，因此，固體表面結(jié)構(gòu)受拉伸或壓縮而與正常結(jié)構(gòu)不同，因此，固體的表面能與表面張力在數(shù)值上不相等。的表面能與表面張力在數(shù)值上不相等。擴(kuò)張表面時要克服原有原子、分子或離子之間的相互作用，故表面張力與物質(zhì)原有的鍵合方式相關(guān) 作用力弱： 做功小 表面能低 作用力強(qiáng)： 做功大 表面能高p表面能與鍵性：表面能反映的是質(zhì)點(diǎn)間的引力作用，因此表面能與鍵性：表面能反映的是質(zhì)點(diǎn)間的引力作用，因此強(qiáng)鍵力的金屬和無機(jī)

12、材料表面能較高。強(qiáng)鍵力的金屬和無機(jī)材料表面能較高。p表面能與溫度：隨溫度升高表面能一般為減小。因?yàn)闊徇\(yùn)表面能與溫度：隨溫度升高表面能一般為減小。因?yàn)闊徇\(yùn)動削弱了質(zhì)點(diǎn)間的吸引力。動削弱了質(zhì)點(diǎn)間的吸引力。p表面能與雜質(zhì)：物質(zhì)中含有少量使表面能減小的組分，則表面能與雜質(zhì)：物質(zhì)中含有少量使表面能減小的組分，則會在表面上富集并顯著降低表面能；若含有少量表面能增加會在表面上富集并顯著降低表面能；若含有少量表面能增加的組分，則傾向在體內(nèi)富集并對表面能影響不大。的組分，則傾向在體內(nèi)富集并對表面能影響不大。School of materials Science and engineering（1一般情況下，固體

13、的表面張力與固體的表面自由一般情況下，固體的表面張力與固體的表面自由能在數(shù)值不相等。（因?yàn)楣腆w的表面能包含了彈能在數(shù)值不相等。（因?yàn)楣腆w的表面能包含了彈性能）；性能）；（2固體的表面張力是各向異性的。（由于結(jié)構(gòu)的各固體的表面張力是各向異性的。（由于結(jié)構(gòu)的各向異性及表面不均勻所致）；向異性及表面不均勻所致）；（3決定固體表面形態(tài)不是表面張力，而是形成固體決定固體表面形態(tài)不是表面張力，而是形成固體表面時的條件和它所經(jīng)歷的歷史；表面時的條件和它所經(jīng)歷的歷史；（4實(shí)際固體表面常被外來物污染而影響表面性質(zhì)。實(shí)際固體表面常被外來物污染而影響表面性質(zhì)。在原子尺度上，實(shí)際固體表面是凹凸不平的。在原子尺度上，實(shí)

14、際固體表面是凹凸不平的。（5固體的表面自由能和表面張力的測定困難。固體的表面自由能和表面張力的測定困難。固體表面特點(diǎn)：固體表面特點(diǎn)：注：在研究固體表面時，對于與機(jī)械性質(zhì)有關(guān)的場注：在研究固體表面時，對于與機(jī)械性質(zhì)有關(guān)的場合，應(yīng)用表面張力的概念，對于與熱力學(xué)平衡合，應(yīng)用表面張力的概念，對于與熱力學(xué)平衡性質(zhì)有關(guān)的場合應(yīng)用表面自由能。性質(zhì)有關(guān)的場合應(yīng)用表面自由能。School of materials Science and engineering問問 題題 ? ? 一般說來，同一種物質(zhì)，其固體的表面能要比液體的一般說來，同一種物質(zhì)，其固體的表面能要比液體的表面能大，試說明原因。表面能大，試說明原因

15、。 同一種物質(zhì)，其液體固體的表面結(jié)構(gòu)不同，液體同一種物質(zhì)，其液體固體的表面結(jié)構(gòu)不同，液體分子可自由移動，總是通過形成球形表面來降低分子可自由移動，總是通過形成球形表面來降低其表面能；其表面能； 固體則不能，固體質(zhì)點(diǎn)不能自由移動，只能通過固體則不能，固體質(zhì)點(diǎn)不能自由移動，只能通過表面質(zhì)點(diǎn)的極化、變形、重排來降低系統(tǒng)的表面表面質(zhì)點(diǎn)的極化、變形、重排來降低系統(tǒng)的表面能，固體表面處于高能量狀態(tài)由于表面力的存能，固體表面處于高能量狀態(tài)由于表面力的存在）。在）。 School of materials Science and engineering表面力場的形成：表面斷鍵表現(xiàn)出剩余鍵力稱為表面力場的形成：

16、表面斷鍵表現(xiàn)出剩余鍵力稱為表面力。它們導(dǎo)致吸引氣體分子、液體分子或固體質(zhì)表面力。它們導(dǎo)致吸引氣體分子、液體分子或固體質(zhì)點(diǎn)。這種吸引作用是固體表面力和被吸引質(zhì)點(diǎn)的力場點(diǎn)。這種吸引作用是固體表面力和被吸引質(zhì)點(diǎn)的力場相互作用產(chǎn)生的。這種相互作用力稱為固體表面力。相互作用產(chǎn)生的。這種相互作用力稱為固體表面力。是指固體表面的不飽和價鍵與被吸附物之間作用，是指固體表面的不飽和價鍵與被吸附物之間作用，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生化學(xué)力，即形成表面化合物。發(fā)生電子轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生化學(xué)力，即形成表面化合物。 5.1.5表面力場表面力場（2分子引力表面物理吸附和氣體凝聚的主要原因）分子引力表面物理吸附和氣體凝聚的主要原因）（1化

17、學(xué)力化學(xué)力School of materials Science and engineeringA A、定向作用力：其大小與分子的電偶極矩及分子間、定向作用力：其大小與分子的電偶極矩及分子間的距離有關(guān)。的距離有關(guān)。B B、誘導(dǎo)作用力：其大小與分子的電偶極矩及分子間、誘導(dǎo)作用力：其大小與分子的電偶極矩及分子間的距離以及非極性分子的極化率有關(guān)。的距離以及非極性分子的極化率有關(guān)。C C、色散力分散作用力）：其大小與非極性分子的、色散力分散作用力）：其大小與非極性分子的極化率及分子間的距離有關(guān)。極化率及分子間的距離有關(guān)。分子引力主要表現(xiàn)為引力。分子引力主要表現(xiàn)為引力。（2分子引力表面物理吸附和氣體凝聚

18、的主要原因）分子引力表面物理吸附和氣體凝聚的主要原因）4062E3r kT 262Eir 263EDhr E( )( )drf rdr= -注：三種作用力均與分子間距離注：三種作用力均與分子間距離的七次方成反比，可見分子間力的七次方成反比，可見分子間力作用范圍極小，一般約為作用范圍極小，一般約為35School of materials Science and engineering通常所說的固體表面是指整個大塊晶體的三通常所說的固體表面是指整個大塊晶體的三維周期性結(jié)構(gòu)與真空之間的過渡層，包括所有與維周期性結(jié)構(gòu)與真空之間的過渡層，包括所有與體相內(nèi)三維周期性結(jié)構(gòu)相偏離的表面原子層，一體相內(nèi)三維周

19、期性結(jié)構(gòu)相偏離的表面原子層，一般是一到幾個原子層，厚度為般是一到幾個原子層，厚度為0.5-2.0nm，把它看，把它看成是一特殊的相，即表面相。成是一特殊的相，即表面相。所謂表面結(jié)構(gòu)就是指表面相中的原子組成與所謂表面結(jié)構(gòu)就是指表面相中的原子組成與排列方式。表面結(jié)構(gòu)與體相的差別通常包括：表排列方式。表面結(jié)構(gòu)與體相的差別通常包括：表面弛豫；表面重構(gòu)；表面臺階結(jié)構(gòu)等。面弛豫；表面重構(gòu)；表面臺階結(jié)構(gòu)等。 5.2固體的表面結(jié)構(gòu)固體的表面結(jié)構(gòu)School of materials Science and engineering負(fù)離子電子云將被拉向內(nèi)側(cè)的正離子一方而負(fù)離子電子云將被拉向內(nèi)側(cè)的正離子一方而變形，

20、誘導(dǎo)成電偶極子，形成表面雙電層，固體變形，誘導(dǎo)成電偶極子，形成表面雙電層，固體表面好像被一層負(fù)離子所屏蔽，并導(dǎo)致表面層在表面好像被一層負(fù)離子所屏蔽，并導(dǎo)致表面層在組成上成為非化學(xué)計量的。鍵性由離子鍵過渡為組成上成為非化學(xué)計量的。鍵性由離子鍵過渡為共價鍵性。這種影響將延伸到晶體的內(nèi)部，并呈共價鍵性。這種影響將延伸到晶體的內(nèi)部，并呈遞減狀態(tài)。根據(jù)遞減狀態(tài)。根據(jù)Benson等人的計算，等人的計算，NaCl晶體晶體中的這種作用發(fā)生在約中的這種作用發(fā)生在約5個離子層的范圍內(nèi)。個離子層的范圍內(nèi)。（1晶體單晶）晶體單晶）School of materials Science and engineering圖

21、圖5.6 離子晶體表面的電子云變形和離子重排離子晶體表面的電子云變形和離子重排表面能減少表面能減少NaCl晶體晶體 表面離子受內(nèi)部表面離子受內(nèi)部離子作用電子云離子作用電子云變形，離子重排變形，離子重排School of materials Science and engineering圖圖5.7 NaCl表面層中表面層中Na+向里；向里； Cl-向外移動并形成雙電層向外移動并形成雙電層 晶體內(nèi)部晶體內(nèi)部晶體表面晶體表面0.281nm0.266nm0.020nm離子極化性離子極化性能愈大，雙能愈大，雙電層愈厚，電層愈厚，從而表面能從而表面能愈低。愈低。School of materials Sc

22、ience and engineering某些晶體的極化性能與表面能某些晶體的極化性能與表面能School of materials Science and engineering隨著粒子的細(xì)微化，比表面積越來越大，粉體表隨著粒子的細(xì)微化，比表面積越來越大，粉體表面層質(zhì)點(diǎn)除了極化變形和重排使表面晶格畸變外，因面層質(zhì)點(diǎn)除了極化變形和重排使表面晶格畸變外，因機(jī)械力作用而使表面層結(jié)構(gòu)發(fā)生更大破壞，結(jié)構(gòu)的有機(jī)械力作用而使表面層結(jié)構(gòu)發(fā)生更大破壞，結(jié)構(gòu)的有序程度降低，使粉體表面無定形化。序程度降低，使粉體表面無定形化。粉體表面結(jié)構(gòu)模型：一是無定形結(jié)構(gòu)；二是粒度粉體表面結(jié)構(gòu)模型：一是無定形結(jié)構(gòu)；二是粒度極小

23、的微晶結(jié)構(gòu)。極小的微晶結(jié)構(gòu)。（2粉體粉體粉體：粉體：10000.1m膠體：膠體：0.110-3mSchool of materials Science and engineeringp組成與內(nèi)部不同。由熔體轉(zhuǎn)變成玻璃體的過程，組成與內(nèi)部不同。由熔體轉(zhuǎn)變成玻璃體的過程，為保持最小表面能，表面活性大的離子自發(fā)聚集于為保持最小表面能，表面活性大的離子自發(fā)聚集于表面。其次，成型、退火過程某些物質(zhì)，如硼、堿、表面。其次，成型、退火過程某些物質(zhì)，如硼、堿、氟等易揮發(fā)成分自表面的揮發(fā)損失。氟等易揮發(fā)成分自表面的揮發(fā)損失。（3玻璃玻璃p表面力場和表面能高于晶體。表面力場和表面能高于晶體。p 高極化離子對表面結(jié)

24、構(gòu)性質(zhì)的影響。以高極化離子對表面結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響。以Pb2為例，降低表面能，具有正溫度系數(shù)。為例，降低表面能，具有正溫度系數(shù)。School of materials Science and engineering粗糙：它將引起表面力場不均。表面粗糙度關(guān)系到粗糙：它將引起表面力場不均。表面粗糙度關(guān)系到比表面積、潤濕性、兩種材料間的封接等。比表面積、潤濕性、兩種材料間的封接等。 表面微裂紋：對表面性質(zhì)影響較大，尤其是對脆性表面微裂紋：對表面性質(zhì)影響較大，尤其是對脆性材料。例如：對強(qiáng)度的影響，理論強(qiáng)度是實(shí)際材料。例如：對強(qiáng)度的影響，理論強(qiáng)度是實(shí)際強(qiáng)度的幾百倍。強(qiáng)度的幾百倍。2EaRCp p=R R：斷

25、裂強(qiáng)度；：斷裂強(qiáng)度；C C：微裂紋長度；：微裂紋長度；E E：彈性模量；：彈性模量；:表面自由能。表面自由能。(4)固體表面的幾何結(jié)構(gòu)固體表面的幾何結(jié)構(gòu)Griffith:玻玻璃斷裂理論璃斷裂理論School of materials Science and engineering5.3潤濕與粘附潤濕與粘附與潤濕有關(guān)的現(xiàn)象與潤濕有關(guān)的現(xiàn)象School of materials Science and engineering與粘附有關(guān)的現(xiàn)象與粘附有關(guān)的現(xiàn)象壁虎膠帶壁虎膠帶School of materials Science and engineering潤濕：一種流體從固體表面轉(zhuǎn)換另一種流體的過

26、程。潤濕：一種流體從固體表面轉(zhuǎn)換另一種流體的過程。5.3.1潤濕的類型潤濕的類型School of materials Science and engineeringSLSVLVGggggggD D=-消失一個固消失一個固-氣和一個液氣和一個液-氣界面，產(chǎn)生一個固氣界面，產(chǎn)生一個固-液液界面為沾濕。若沾濕面積為單位面積，此過程自界面為沾濕。若沾濕面積為單位面積，此過程自由能的變化是：由能的變化是：S-solid; L-liquid; V-vapour（1沾濕沾濕實(shí)質(zhì)是液體在固體表面上的粘附。實(shí)質(zhì)是液體在固體表面上的粘附。School of materials Science and engin

27、eering 用下式表示：用下式表示：（粘濕過程總是可自發(fā)進(jìn)行）（粘濕過程總是可自發(fā)進(jìn)行）aSVLVSLWGggggggD D=+-= -School of materials Science and engineeringSchool of materials Science and engineering浸濕：固體表面氣體均為液體所置換。浸濕：固體表面氣體均為液體所置換。浸濕結(jié)果：體系消失了固浸濕結(jié)果：體系消失了固-氣界面，產(chǎn)生了固氣界面，產(chǎn)生了固-液液界面。界面。若固體的總面積為單位面積，則在恒溫恒壓下，若固體的總面積為單位面積，則在恒溫恒壓下，此過程所引起的體系自由能的變化為：此過程所

28、引起的體系自由能的變化為： SLSVGg gg gD D=-iSVSLWGggggD D=-= -（2浸濕浸濕相應(yīng)的浸潤功為：相應(yīng)的浸潤功為：浸潤功大于浸潤功大于0，此過程自發(fā)進(jìn)行。，此過程自發(fā)進(jìn)行。School of materials Science and engineering若鋪展系數(shù)若鋪展系數(shù)S0，則液體可在固體表面自動展開。，則液體可在固體表面自動展開。SLLVSVGg gg gg gD D=+-/L SSGD D= -（3鋪展鋪展鋪展?jié)櫇瘢褐靡旱斡诠腆w鋪展?jié)櫇瘢褐靡旱斡诠腆w表面，在恒溫恒壓下，若表面，在恒溫恒壓下，若此液滴在固體表面上自動此液滴在固體表面上自動展開形成液膜。展開

29、形成液膜。鋪展?jié)櫇窠Y(jié)果：失去固鋪展?jié)櫇窠Y(jié)果：失去固-氣界面，形成液氣界面，形成液-氣和固氣和固-液界面。液界面。對于鋪展?jié)櫇?，常用鋪展系?shù)來表示，即：對于鋪展?jié)櫇?，常用鋪展系?shù)來表示，即：體系自由能的變化為：體系自由能的變化為：圖圖5.215.21流體在固體表面上的鋪展流體在固體表面上的鋪展School of materials Science and engineeringSVLS沾濕沾濕浸濕浸濕鋪展鋪展固體進(jìn)入液體過程固體進(jìn)入液體過程aSVLVSLWgggggg=+-iSVSLWgggg=-SVSLLVSg gg gg g=-School of materials Science and

30、engineeringV V圖圖5.22液滴在固體表面上的接觸角液滴在固體表面上的接觸角5.3.2YoungFormula與接觸角與接觸角18051805年，年，YoungYoung提出，接觸角可用固體上液滴提出，接觸角可用固體上液滴受三個界面張力的作用，當(dāng)三力達(dá)到平衡時，有如受三個界面張力的作用，當(dāng)三力達(dá)到平衡時，有如下關(guān)系：下關(guān)系： cosSVSLLVg gg gg gq q=+cosSVSLLVg gg gq qg g-=是與液體的飽和蒸汽成平是與液體的飽和蒸汽成平衡時的固體和液體的表面衡時的固體和液體的表面張力。張力。 ,SVLVggggSchool of materials Scie

31、nce and engineering如何使用接觸角來判斷潤濕情況？如何使用接觸角來判斷潤濕情況？cosSVSLLVg gg gq qg g-=沾濕沾濕浸濕浸濕鋪展鋪展aSVLVSLWg gg gg g=+-iSVSLWgggg=-SVSLLVSg gg gg g=-LV(1+cos)0180LVcos090LV(cos-1)0=0=90作為潤濕作為潤濕與不潤濕的界線。與不潤濕的界線。School of materials Science and engineering影響潤濕性能的因素？影響潤濕性能的因素？cosSVSLLVg gg gq qg g-=真空中不容易改變；真空中不容易改變；清潔

32、表面，去除吸附膜清潔表面，去除吸附膜采用化學(xué)性質(zhì)相近的采用化學(xué)性質(zhì)相近的兩相系統(tǒng)。兩相系統(tǒng)。如玻璃相中加入如玻璃相中加入B2O3B2O3和和PbOPbO 改善潤濕性能改善潤濕性能降低降低LVLV降低降低SLSL增大增大SVSVSchool of materials Science and engineering很多工業(yè)技術(shù)中要求改善固很多工業(yè)技術(shù)中要求改善固-液界面的潤濕性，液界面的潤濕性，但也有很多場合適得其反，要求不潤濕。如：防水但也有很多場合適得其反，要求不潤濕。如：防水材料等。材料等。改善潤濕性能主要取決于三表面能的相對大小，改善潤濕性能主要取決于三表面能的相對大小，一般改變一般改變S

33、V是不可能的，只能從改變其它兩者考是不可能的，只能從改變其它兩者考慮。慮。如：陶瓷生產(chǎn)中常采用使固液兩相組成盡量接如：陶瓷生產(chǎn)中常采用使固液兩相組成盡量接近來降低近來降低SL和通過在玻璃相中加入和通過在玻璃相中加入B2O3和和PbO來來降低降低LV。在金屬陶瓷中，純銅與碳化鋯。在金屬陶瓷中，純銅與碳化鋯ZrC之間接觸角為之間接觸角為135（1100），而在銅中加入少量），而在銅中加入少量鎳鎳0.25%），接觸角降為），接觸角降為54，降低了，降低了SL，使銅，使銅-碳化鋯結(jié)合性能得到改善。碳化鋯結(jié)合性能得到改善。注：污染表面的表面張力較其在真空中的表面張注：污染表面的表面張力較其在真空中的表面張力小得多，使接觸角增大。力小得多，使接觸角增大。School of materials Science and engineering實(shí)際表面與理想表面不同之處：實(shí)際表面與理想表面不同之處：（1固體表面本身或由于表面污染特別是高能固體表面本身或由于表面污染特別是高能表面），固體表面在化學(xué)組成上往往是不均一的；表面），固體表面在化學(xué)組成上往往是不均一的；（2因原子或離子排列的緊密程度不同，不同晶因原子或離子排列的緊密程度不同，不