五表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

1、5表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)5.1固體的表面固體的表面5.2固體的表面結(jié)構(gòu)固體的表面結(jié)構(gòu)5.3固體的界面及其結(jié)構(gòu)固體的界面及其結(jié)構(gòu)5.4潤濕與粘附潤濕與粘附材料均具有表面，材料的制備及使用過程材料均具有表面，材料的制備及使用過程發(fā)生的各種物理化學(xué)變化，都是從材料的表面發(fā)生的各種物理化學(xué)變化，都是從材料的表面向材料內(nèi)部逐漸進(jìn)行的，這些過程的進(jìn)行都依向材料內(nèi)部逐漸進(jìn)行的，這些過程的進(jìn)行都依賴于材料的表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。賴于材料的表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。固體的非流動性使固體表面比液體表面復(fù)固體的非流動性使固體表面比液體表面復(fù)雜得多。除少數(shù)理想狀況外，雜得多。除少數(shù)理想狀況外，固體表面常常處固體表面常常處于熱力

2、學(xué)非平衡態(tài)于熱力學(xué)非平衡態(tài)，通常情況下，它趨向于熱，通常情況下，它趨向于熱力學(xué)平衡態(tài)的速度是極其緩慢的。力學(xué)平衡態(tài)的速度是極其緩慢的。固體表面相固體表面相與其體相內(nèi)部的組成和結(jié)構(gòu)有所不同，同時還與其體相內(nèi)部的組成和結(jié)構(gòu)有所不同，同時還存在各種類型的缺陷以及彈性形變等存在各種類型的缺陷以及彈性形變等，這些都，這些都將對固體表面的性質(zhì)產(chǎn)生很大影響將對固體表面的性質(zhì)產(chǎn)生很大影響 。概述概述（1）表面）表面：固體與真空（或自身的蒸汽）的界：固體與真空（或自身的蒸汽）的界面。面。（2）界面）界面：相鄰兩個結(jié)晶空間：相鄰兩個結(jié)晶空間(結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)不同)的交界的交界面。通常，在界面上有第二晶相析出。界面上的

3、任面。通常，在界面上有第二晶相析出。界面上的任一點(diǎn)都表示某一溫度下液相與第二晶相平衡共存。一點(diǎn)都表示某一溫度下液相與第二晶相平衡共存。界面有共熔性和反應(yīng)性兩種。界面有共熔性和反應(yīng)性兩種。（3）相界面）相界面：相鄰相之間的交界面稱相界面。：相鄰相之間的交界面稱相界面。有三類：固有三類：固-固、固固、固-液、固液、固-氣。氣。 常見的界面有：常見的界面有：1.氣-液界面2.氣-固界面常見的界面有：常見的界面有：3.液-液界面常見的界面有：常見的界面有：4.固-固界面常見的界面有：常見的界面有：5.1固體的表面固體的表面5.1.1理想表面理想表面理想表面是指忽略晶體內(nèi)部周期性勢場在晶體理想表面是指忽

4、略晶體內(nèi)部周期性勢場在晶體表面中斷、表面原子的熱運(yùn)動、熱擴(kuò)散、熱缺陷及表面中斷、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。其外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。周期性與理想晶體完全一樣。d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 5.1.2清潔表面清潔表面清潔表面是指不存在任何吸附、催化反清潔表面是指不存在任何吸附、催化反應(yīng)、雜質(zhì)擴(kuò)散等物理應(yīng)、雜質(zhì)擴(kuò)散等物理-化學(xué)效應(yīng)的表面。這種化學(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)可以不同于體內(nèi)。不同于體內(nèi)。清潔表面清潔表面臺

5、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。（1）臺階表面）臺階表面臺階表面不是一個平面，它是由有規(guī)則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。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 Pt（557）有序原子臺階表面示意圖）有序原子臺階表面示意圖（2）弛豫表面）弛豫表面 弛豫是指表面層之間以及表面和體內(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。 d0d圖圖5.3 弛豫表面示意圖弛豫表面示意圖 0.1A0.35A圖圖

6、5.4 LiF(001)弛豫表面示意圖弛豫表面示意圖 Li F （3）重構(gòu)表面）重構(gòu)表面重構(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)表面示意圖 d0d0asa5.1.3吸附表面吸附表面吸附表面有時也稱界面。它是指在清潔表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)和來自表面周面上有來自體內(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)所構(gòu)成的表面。圍空間吸附在表面上的質(zhì)點(diǎn)所構(gòu)成的表面。5.1.4 固體的表面自由能和表面

7、張力固體的表面自由能和表面張力固體的表面自由能是描述和決定固體表面性質(zhì)固體的表面自由能是描述和決定固體表面性質(zhì)的一個重要物理量（目前，還沒有一種能直接測量固的一個重要物理量（目前，還沒有一種能直接測量固體表面自由能或表面張力的可靠的實(shí)驗(yàn)方法）。體表面自由能或表面張力的可靠的實(shí)驗(yàn)方法）。固體表面能和表面張力的定義與液體的相類似。固體表面能和表面張力的定義與液體的相類似。由于固體形成表面時與液體形成表面時，其中原子移由于固體形成表面時與液體形成表面時，其中原子移動的難易程度不同，因而，固體表面往往處于一種非動的難易程度不同，因而，固體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)。平衡態(tài)

8、，而液體則很快達(dá)到動態(tài)的平衡狀態(tài)。固體表面具有以下特點(diǎn)：固體表面具有以下特點(diǎn)：（1）一般情況下，固體的表面張力與固體的表面）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的表面能包含自由能在數(shù)值不相等。（因?yàn)楣腆w的表面能包含了彈性能）；了彈性能）；（2）固體的表面張力是各向異性的。（由于結(jié)構(gòu)）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）；的各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）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；固體表面時的條件和它所經(jīng)歷的歷史；（4）固體的表面自由能和表面張力的

9、測定困難。）固體的表面自由能和表面張力的測定困難。在研究固體表面時，對于與機(jī)械性質(zhì)有關(guān)的場合，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)用表現(xiàn)張力的概念，對于與熱力學(xué)平衡性質(zhì)有應(yīng)用表現(xiàn)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。關(guān)的場合應(yīng)用表面自由能。5.1.5表面偏析表面偏析一些雜質(zhì)會由體內(nèi)偏析到表面來，從一些雜質(zhì)會由體內(nèi)偏析到表面來，從而使固體表面組成與體內(nèi)不同（這是由于而使固體表面組成與體內(nèi)不同（這是由于表面偏析有利于降低表面能）。表面偏析有利于降低表面能）。對理想溶液而言，表面張力較小的組對理想溶液而言，表面張力較小的組分將在表面上偏析分將在表面上偏析(富集富集)。5

10、.1.6表面力場表面力場表面力場的形成：表面斷鍵表現(xiàn)出剩余鍵力稱表面力場的形成：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、液體分子或固為表面力。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)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)的力場相互作用產(chǎn)生的。這種相互作用力稱為固體的力場相互作用產(chǎn)生的。這種相互作用力稱為固體表面力。表面力。（1）化學(xué)力）化學(xué)力是指固體表面的不飽和價鍵與被吸附物之間作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。物。（2）分子引力）分子

11、引力（表面物理吸附和氣體凝聚的主要原（表面物理吸附和氣體凝聚的主要原因）因）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、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、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。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

12、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。所謂表面結(jié)構(gòu)就是成是一特殊的相，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排列方式。表面結(jié)構(gòu)與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：表面弛豫；表面重構(gòu)；表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)（1）晶體）晶體

13、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，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)。圖圖5.6 離子晶體表面的電子

14、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 表面離子受表面離子受內(nèi)部離子作用電內(nèi)部離子作用電子云變形，子云變形，離子離子重排重排圖圖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（2）粉體）粉體隨著粒子的細(xì)微化，比表面積越來越大，結(jié)隨著粒子的細(xì)微化，比表面積越來越大，結(jié)構(gòu)的有序程度越來越擾亂，使粉體表面無定形構(gòu)的有序程度越來越擾亂，使粉體表面無定形化?；７垠w表面結(jié)構(gòu)模型：一是無定形結(jié)構(gòu)；二是粉體表面結(jié)構(gòu)模型：一是無定形結(jié)構(gòu)

15、；二是粒度極小的微晶結(jié)構(gòu)。粒度極小的微晶結(jié)構(gòu)。（3）玻璃）玻璃組成與內(nèi)部不同，因?yàn)椴ＡЦ鞒煞謱Ρ砻娼M成與內(nèi)部不同，因?yàn)椴ＡЦ鞒煞謱Ρ砻孀杂赡艿呢暙I(xiàn)不同。首先，為使表面能能最小自由能的貢獻(xiàn)不同。首先，為使表面能能最小化，各成分將按其對表面能的貢獻(xiàn)能力自發(fā)地化，各成分將按其對表面能的貢獻(xiàn)能力自發(fā)地轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散。其次，玻璃成型、退火過程，會轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散。其次，玻璃成型、退火過程，會使一部分易揮發(fā)的組分損失掉。因此，表面折使一部分易揮發(fā)的組分損失掉。因此，表面折射率、化學(xué)穩(wěn)定性、結(jié)晶傾向以及強(qiáng)度等性質(zhì)射率、化學(xué)穩(wěn)定性、結(jié)晶傾向以及強(qiáng)度等性質(zhì)會與體內(nèi)不同。會與體內(nèi)不同。(4)固體表面的幾何結(jié)構(gòu)固體表面的幾何

16、結(jié)構(gòu)粗糙：它將引起表面力場不均。表面粗糙粗糙：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、兩種材料間的封度關(guān)系到比表面積、潤濕性、兩種材料間的封接等。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：斷裂強(qiáng)度；：斷裂強(qiáng)度；C：微裂紋長度；：微裂紋長度；E：彈性模量；：彈性模量；:表面自由能。表面自由能。5.3固體的界面及其結(jié)構(gòu)（自學(xué)，一些公固體的界面及其結(jié)構(gòu)（自學(xué)，一些公式不要求）式不要求）5.4.1 潤濕的

17、類型潤濕的類型 潤濕是一種潤濕是一種流體從固體表面置換另一流體從固體表面置換另一種流體的過程。種流體的過程。最常見的潤濕現(xiàn)象是一種液最常見的潤濕現(xiàn)象是一種液體從固體表面置換空氣，如水在玻璃表面置體從固體表面置換空氣，如水在玻璃表面置換空氣而展開。換空氣而展開。 1930年年Osterhof和和Bartell把潤濕把潤濕現(xiàn)象分成沾濕、浸濕和鋪展三種類型?，F(xiàn)象分成沾濕、浸濕和鋪展三種類型。 1、沾濕、沾濕（圖（圖4.2.1）沾濕引起體系自由能的變化為：沾濕引起體系自由能的變化為： (4.2.1)式中，式中，LV，SV和和SL分別為單位面積固一液、固一分別為單位面積固一液、固一氣和液一氣的界面自由能

18、。氣和液一氣的界面自由能。 潤濕的先決條件：潤濕的先決條件：svsL 或者或者sL 很小。很小。SLv圖圖4.2.1沾濕過程沾濕過程 沾濕的實(shí)質(zhì)沾濕的實(shí)質(zhì)是液體在固體表面上的粘附，沾是液體在固體表面上的粘附，沾濕的粘附功濕的粘附功Wa為為 (4.2.2) 從式（從式（4.4.2）知）知SL越小越小，則，則Wa越大，液體越大，液體越易越易沾濕固體沾濕固體。若。若Wa0， 則（則（G）TP0，沾濕過，沾濕過程可自發(fā)進(jìn)行。固一液界面張力總是小于它們各程可自發(fā)進(jìn)行。固一液界面張力總是小于它們各自的表面張力之和，這說明固一液接觸時，其粘自的表面張力之和，這說明固一液接觸時，其粘附功總是大于零。因此，不管

19、對什么液體和固體附功總是大于零。因此，不管對什么液體和固體沾濕過程總是可自發(fā)進(jìn)行的。沾濕過程總是可自發(fā)進(jìn)行的。 2、浸濕、浸濕（圖（圖4.2.2） 浸濕過程引起的體系自由能的變化為浸濕過程引起的體系自由能的變化為 (4.2.3) 如果用浸潤功如果用浸潤功Wi來表示，則是來表示，則是 (4.2.4) 是浸潤功，若是浸潤功，若Wi0，則，則G0，過程可自發(fā)進(jìn)，過程可自發(fā)進(jìn)行。浸濕過程與粘濕過程不同，不是所有液體和行。浸濕過程與粘濕過程不同，不是所有液體和固體均可自發(fā)發(fā)生浸濕，而固體均可自發(fā)發(fā)生浸濕，而只有固體的表面自由只有固體的表面自由能比固一液的界面自由能大時能比固一液的界面自由能大時浸濕過程才

20、能自發(fā)浸濕過程才能自發(fā)進(jìn)行。進(jìn)行。 SVSLGSLSViGW潤濕的先決條件：潤濕的先決條件：svsL 或者或者sL 很小。很小。SVL圖圖4.2.2浸濕過程浸濕過程3、鋪展、鋪展（圖（圖4.2.3） 置一液滴于一固體表面。恒溫恒壓下，若此置一液滴于一固體表面。恒溫恒壓下，若此液滴在固體表面上自動展開形成液膜，則稱此液滴在固體表面上自動展開形成液膜，則稱此過程為鋪展?jié)櫇?。體系自由能的變化為過程為鋪展?jié)櫇?。體系自由能的變化為 (4.2.5) SVLVSLG潤濕的先決條件：潤濕的先決條件：svsL 或者或者sL 很小。很小。 對于鋪展?jié)櫇?，常用鋪展系?shù)對于鋪展?jié)櫇?，常用鋪展系?shù)SL/S來表示體系自由

21、能的變化，來表示體系自由能的變化，如如 (4.2.6) 若若S0，則，則G0，液體可在固體表面自動展開。，液體可在固體表面自動展開。 鋪展系數(shù)也可用下式表示鋪展系數(shù)也可用下式表示 (4.2.7) Wc是液體的內(nèi)聚功。從上式可以看出，只要液體對固體的粘是液體的內(nèi)聚功。從上式可以看出，只要液體對固體的粘附功大于液體的內(nèi)聚功，液體即可在固體表面自發(fā)展開。附功大于液體的內(nèi)聚功，液體即可在固體表面自發(fā)展開。LVSLSVSLGS/caLVSLLVSVWWS2SVL圖圖4.2.3液體在固體表面的鋪展液體在固體表面的鋪展注意注意:上述條件均是指在無外力作用下液體自動潤濕上述條件均是指在無外力作用下液體自動潤濕

22、固體表面的條件。有了這些熱力學(xué)條件，即可從理論固體表面的條件。有了這些熱力學(xué)條件，即可從理論上判斷一個潤濕過程是否能夠自發(fā)進(jìn)行。但實(shí)際上卻上判斷一個潤濕過程是否能夠自發(fā)進(jìn)行。但實(shí)際上卻遠(yuǎn)非那么容易，上面所討論的判斷條件，均需固體的遠(yuǎn)非那么容易，上面所討論的判斷條件，均需固體的表面自由能和固一液界面自由能，而這些參數(shù)目前尚表面自由能和固一液界面自由能，而這些參數(shù)目前尚無合適的測定方法，因而定量地運(yùn)用上面的判斷條件無合適的測定方法，因而定量地運(yùn)用上面的判斷條件是有困難的。盡管如此，這些判斷條件仍為我們解決是有困難的。盡管如此，這些判斷條件仍為我們解決潤濕問題提供了正確的思路。潤濕問題提供了正確的思

23、路。彎曲表面下的附加壓力彎曲表面下的附加壓力1.在平面上剖面圖剖面圖液面正面圖液面正面圖 研究以研究以AB為直徑的一個環(huán)為直徑的一個環(huán)作為邊界，由于環(huán)上每點(diǎn)的兩作為邊界，由于環(huán)上每點(diǎn)的兩邊都存在表面張力，大小相等，邊都存在表面張力，大小相等，方向相反，所以沒有附加壓力。方向相反，所以沒有附加壓力。 設(shè)向下的大氣壓力為設(shè)向下的大氣壓力為Po，向上的反作用力也為向上的反作用力也為Po ，附加，附加壓力壓力Ps等于零。等于零。Ps = Po - Po =0彎曲表面下的附加壓力彎曲表面下的附加壓力（2）在凸面上：）在凸面上：剖剖面面圖圖附加壓力示意圖附加壓力示意圖 研究以研究以AB為弦長的一個球面上的

24、為弦長的一個球面上的環(huán)作為邊界。由于環(huán)上每點(diǎn)兩邊的表環(huán)作為邊界。由于環(huán)上每點(diǎn)兩邊的表面張力都與液面相切，大小相等，但面張力都與液面相切，大小相等，但不在同一平面上不在同一平面上，所以會產(chǎn)生一個，所以會產(chǎn)生一個向向下的合力下的合力。 所有的點(diǎn)產(chǎn)生的總壓力為所有的點(diǎn)產(chǎn)生的總壓力為Ps ，稱，稱為為附加壓力附加壓力。凸面上受的總壓力為：。凸面上受的總壓力為： Po+ PsPo為大氣壓力，為大氣壓力， Ps為附加壓力。為附加壓力。 彎曲表面下的附加壓力彎曲表面下的附加壓力（3）在凹面上：）在凹面上：剖面圖附加壓力示意圖 研究以研究以AB為弦長的一個球形凹面為弦長的一個球形凹面上的環(huán)作為邊界。由于環(huán)上每

25、點(diǎn)兩邊上的環(huán)作為邊界。由于環(huán)上每點(diǎn)兩邊的表面張力都與凹形的液面相切，大的表面張力都與凹形的液面相切，大小相等，但不在同一平面上，所以會小相等，但不在同一平面上，所以會產(chǎn)生一個向上的合力。產(chǎn)生一個向上的合力。 所有的點(diǎn)產(chǎn)生的總壓力為所有的點(diǎn)產(chǎn)生的總壓力為Ps ，稱為，稱為附加壓力。附加壓力。凹面上向下的總壓力為：凹面上向下的總壓力為：Po-Ps ，所以凹面上所受的壓力比平面，所以凹面上所受的壓力比平面上小。上小。楊楊- -拉普拉斯公式拉普拉斯公式 1805年年Young-Laplace導(dǎo)出了附加壓力與曲率導(dǎo)出了附加壓力與曲率半徑之間的關(guān)系式：半徑之間的關(guān)系式：特殊式（對球面）：特殊式（對球面）：

26、s2RP 根據(jù)數(shù)學(xué)上規(guī)定根據(jù)數(shù)學(xué)上規(guī)定，凸面的曲率半徑取正值凸面的曲率半徑取正值，凹凹面的曲率半徑取負(fù)值。面的曲率半徑取負(fù)值。所以，凸面的附加壓力指向所以，凸面的附加壓力指向液體，凹面的附加壓力指向氣體，液體，凹面的附加壓力指向氣體，即附加壓力總是即附加壓力總是指向球面的球心。指向球面的球心。一般式：一般式：)11(21sRRP彎曲表面上的蒸汽壓彎曲表面上的蒸汽壓開爾文公式開爾文公式 KelvinKelvin公式也可以表示為兩種不同曲率半徑公式也可以表示為兩種不同曲率半徑的液滴或蒸汽泡的蒸汽壓之比，或兩種不同大小的液滴或蒸汽泡的蒸汽壓之比，或兩種不同大小顆粒的飽和溶液濃度之比。顆粒的飽和溶液濃

27、度之比。1212112lnRRMppRT12s12112lnRRMccRTl對凸面對凸面，R取取正值正值，R越小，液滴的蒸汽壓越高，越小，液滴的蒸汽壓越高，或小顆粒的溶解度越大?；蛐☆w粒的溶解度越大。對凹面對凹面，R取取負(fù)值負(fù)值，R越小，小蒸汽泡中的蒸汽越小，小蒸汽泡中的蒸汽 壓越低。壓越低。將將Kelvin Equation改變形式：改變形式： rRTMPP12ln0rRTMPPP12)1ln(00泰勒展開為泰勒展開為：rRTMPPPPP121)1ln(000021MPPRTr即： 5.4.2 接觸角和接觸角和 Young方程方程 將液滴（將液滴（L）放在一理想平面（）放在一理想平面（S）上

28、（如圖）上（如圖4.2.4），如果有），如果有一相是氣體，則接觸角是氣一液界面通過液體而與固一液界面所交的一相是氣體，則接觸角是氣一液界面通過液體而與固一液界面所交的角。角。1805年，年，Young指出，接觸角的問題可當(dāng)作平面固體上液滴指出，接觸角的問題可當(dāng)作平面固體上液滴受三個界面張力的作用來處理。當(dāng)三個作用力達(dá)到平衡時，應(yīng)有下面受三個界面張力的作用來處理。當(dāng)三個作用力達(dá)到平衡時，應(yīng)有下面關(guān)系關(guān)系 或或 (4.2.8)這就是著名的這就是著名的Young方程方程。式中。式中SV和和LV是與液體的飽和蒸氣成平是與液體的飽和蒸氣成平衡時的固體和液體的表面張力（或表面自衡時的固體和液體的表面張力（

29、或表面自由能）。由能）。 cosLVSLSVLVSLSVcosSVLSVLVSL 接觸角是實(shí)驗(yàn)上可測定的一個量。有了接觸角的數(shù)值，代入接觸角是實(shí)驗(yàn)上可測定的一個量。有了接觸角的數(shù)值，代入潤濕過程的判斷條件式，即可得：潤濕過程的判斷條件式，即可得： 粘濕：粘濕： （4.2.10） 浸濕：浸濕： （4.2.11） 0)cos1 (LVaGW01800Wa0cosLViGW0900Wi 鋪展：鋪展： (4.2.12) 其中，其中，=0或不存在，或不存在，S0 。 根據(jù)上面三式，通過液體在固體表面上的接觸角根據(jù)上面三式，通過液體在固體表面上的接觸角即可判斷一種液體對一種固體的潤濕性能。即可判斷一種液體

30、對一種固體的潤濕性能。) 1(cosLVGS 從上面的討論可以看出，對同一對液體和固體，在從上面的討論可以看出，對同一對液體和固體，在不同的潤濕過程中，其潤濕條件是不同的。對于浸濕過不同的潤濕過程中，其潤濕條件是不同的。對于浸濕過程，程，=90完全可作為潤濕和不潤濕的界限；完全可作為潤濕和不潤濕的界限；90，則不潤濕。但對于鋪展，則不潤濕。但對于鋪展，則這個界限不適用。則這個界限不適用。 在解決實(shí)際的潤濕問題時，應(yīng)首先分清它是哪一類在解決實(shí)際的潤濕問題時，應(yīng)首先分清它是哪一類型，然后才可對其進(jìn)行正確的判斷。如圖型，然后才可對其進(jìn)行正確的判斷。如圖4.2.5所示的所示的潤濕過程，從整個過程看，它

31、是一浸濕過程。但實(shí)際上潤濕過程，從整個過程看，它是一浸濕過程。但實(shí)際上它卻經(jīng)歷了三個過程：（它卻經(jīng)歷了三個過程：（a）到（）到（b）為沾濕，（）為沾濕，（b）到）到（c）為浸濕，（）為浸濕，（c）到（）到（d）為鋪展。）為鋪展。 SVLS沾濕沾濕浸濕浸濕鋪展鋪展圖圖4.2.5固體進(jìn)入液體過程固體進(jìn)入液體過程5.4.3表面粗糙度對潤濕性能的影響表面粗糙度對潤濕性能的影響實(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）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；能表面），固體表面在化學(xué)組成上往往是不均一的；（

32、2）因原子或離子排列的緊密程度不同，不同）因原子或離子排列的緊密程度不同，不同晶面具有不同的表面自由能，即使同一晶面，因表面晶面具有不同的表面自由能，即使同一晶面，因表面的缺陷濃度不同，其表面能亦可能不同；的缺陷濃度不同，其表面能亦可能不同；（3）表面粗糙不平等原因，使接觸角的測定帶）表面粗糙不平等原因，使接觸角的測定帶來困難。來困難。 nnsscosBAscosBAs假設(shè)界面在固體表面上從上圖中的假設(shè)界面在固體表面上從上圖中的A點(diǎn)推進(jìn)到點(diǎn)推進(jìn)到B點(diǎn)，點(diǎn)，這時，固液界面積擴(kuò)大這時，固液界面積擴(kuò)大s，而固體表面減小了，而固體表面減小了s，液，液氣界面積則增加了氣界面積則增加了scos。 cos0

33、SLLVSVsssg gd dg gd dq qg gd d +-=cosSVSLLVg gg gq qg g-=A、對光滑表面、對光滑表面粗糙表面真正表面積較表粗糙表面真正表面積較表觀面積為大（設(shè)大觀面積為大（設(shè)大n倍）。界倍）。界面位置同樣由面位置同樣由A點(diǎn)移至點(diǎn)移至B，真，真實(shí)固液界面積增大了實(shí)固液界面積增大了ns，固，固氣界面實(shí)際上也減小了氣界面實(shí)際上也減小了ns，而液氣界面積則凈增大了而液氣界面積則凈增大了scos，于是有：，于是有： cos0SLLVSVn ssnn sg gd dg gd dq qg gd d+-=()coscosSVSLLVnnng gg gq qq qg g-

34、=coscosnnq qq q=B、對粗糙表面、對粗糙表面nnsscosBAn是表面粗糙度系數(shù)（粗糙是表面粗糙度系數(shù)（粗糙因子）。由于因子）。由于n值總是大于值總是大于1的，的，故故和和n的相對關(guān)系將上圖變化，的相對關(guān)系將上圖變化，即當(dāng)即當(dāng)90時，時，n；當(dāng)當(dāng)90時，兩者相等；時，兩者相等；當(dāng)當(dāng)90時，時，n。cos 與與n的關(guān)系的關(guān)系nn 因此，當(dāng)真實(shí)接觸角小于因此，當(dāng)真實(shí)接觸角小于90時，粗糙度愈時，粗糙度愈大，表面接觸角越小，越易潤濕；大于大，表面接觸角越小，越易潤濕；大于90時，時，粗糙度越大，越不易潤濕。粗糙度越大，越不易潤濕?？偨Y(jié)：總結(jié)： 1、三種潤濕的共同點(diǎn)是液體將氣體從固體表面

35、排擠開，、三種潤濕的共同點(diǎn)是液體將氣體從固體表面排擠開，使原有的固氣或使原有的固氣或 液氣界面消失，而代之以固液界面。液氣界面消失，而代之以固液界面。 2、改善潤濕的方法：由、改善潤濕的方法：由cos（SV SL )/ LV 可知可知 (1) 降低降低SL (2)去除固體表面吸附膜，提高去除固體表面吸附膜，提高SV (3)改變粗造度。改變粗造度。 當(dāng)真實(shí)接觸角當(dāng)真實(shí)接觸角90o ,粗造度愈大愈不利潤濕。粗造度愈大愈不利潤濕。課堂總結(jié)課堂總結(jié) 1、表面力的存在及對晶體結(jié)構(gòu)的影響、表面力的存在及對晶體結(jié)構(gòu)的影響(表面雙電層表面雙電層) 2、界面行為、界面行為 彎曲表面效應(yīng)彎曲表面效應(yīng) (1/r1+

36、1/r2)G1 SL (LV SV ) W LV SV SL附著潤濕附著潤濕鋪展?jié)櫇皲佌節(jié)櫇窠n潤濕浸漬潤濕 潤濕與粘附潤濕與粘附 潤濕張力：潤濕張力：F LV cos SV SL G LV cos SV SL5.4.4 多晶體的組織晶界構(gòu)形與界面張力的關(guān)系多晶體的組織晶界構(gòu)形與界面張力的關(guān)系 在硅酸鹽材料在硅酸鹽材料中，多晶體的組織中，多晶體的組織變化發(fā)生在晶粒接變化發(fā)生在晶粒接觸處即晶界上，觸處即晶界上，晶晶界形狀是由表面張界形狀是由表面張力的相互關(guān)系決定力的相互關(guān)系決定的，晶界在多晶體的，晶界在多晶體中的中的形狀、構(gòu)造和形狀、構(gòu)造和分布分布稱為稱為晶界構(gòu)形。晶界構(gòu)形。 如果兩個顆粒間的界面在高溫下，經(jīng)過充分如果兩個顆粒間的界面在高溫下，經(jīng)過充分的時間使原子遷移或氣相傳質(zhì)而達(dá)到平衡，形成的時間使原子遷移或氣相傳質(zhì)而達(dá)到平衡，形成了固了固-固固-氣界面。則界面張力平衡關(guān)系有：氣界面。則界面張力平衡關(guān)系有： 2cos2SSSVg gg gY Y=例：經(jīng)過拋光的陶瓷表面在高溫下進(jìn)行熱例：經(jīng)過拋光的陶瓷表面在高溫下進(jìn)行熱處理，在界面能的作用下，就符合上式的處理，在界面能的作用下，就符合上式的平衡關(guān)系。式中平衡關(guān)系。式中角稱為槽