固體表面與界面

關(guān)于固體表面與界面總述理想晶體和玻璃體/實(shí)際晶體和玻璃體理想晶體和玻璃體：任一個(gè)原子或離子都處在三維無(wú)限連續(xù)的空間中，周圍對(duì)它作用完全相同。實(shí)際晶體和玻璃體：有限處于物體表面的質(zhì)點(diǎn)，其境遇和內(nèi)部是不同的，表面的質(zhì)點(diǎn)受力不均衡而處于較高的能階。第2頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天第3頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天第4頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天

固體分散度的變化例如：石英的粉碎。1kg直徑為1cm米變成1nm米，表面積和表面能增加143倍。由于高分散系比低分散系能量高得多，必然使物系由于分散度的變化而使性質(zhì)方面有很大差別。第5頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天表面質(zhì)點(diǎn)不對(duì)稱結(jié)構(gòu)表面質(zhì)點(diǎn)不對(duì)稱受力能量升高物理性質(zhì)熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、蒸汽壓、溶解度、吸附、潤(rùn)濕和燒結(jié)等化學(xué)性質(zhì)化學(xué)活性、催化、固相反應(yīng)等第6頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天內(nèi)容提要

固體表面力場(chǎng)與表面能。離子晶體在表面力場(chǎng)作用下，離子的極化與重排過(guò)程。多相體系中的界面化學(xué)：如彎曲效應(yīng)、潤(rùn)濕與粘附，表面改性。多晶材料中的晶界分類，多晶體的組織，晶界應(yīng)力與電荷。第7頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天

第一節(jié)固體的表面

表面:一個(gè)相和它本身蒸汽或真空接觸的分界面界面:一相與另一相(結(jié)構(gòu)不同)接觸的分界面。第8頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、固體表面的特征二、晶體表面結(jié)構(gòu)三、固體的表面能第9頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天固體表面的不均勻性，表現(xiàn)在：(1)絕大多數(shù)晶體是各向異性，同一晶體有許多性能不同的表面。(2)同一種物質(zhì)制備和加工條件不同也會(huì)有不同的表面性質(zhì)。(3)晶格缺陷、空位或位錯(cuò)而造成表面不均勻。(4)在空氣中暴露，表面被外來(lái)物質(zhì)所污染，吸附外來(lái)原子可占據(jù)不同的表面位置，形成有序或無(wú)序排列，引起表面不均勻。(5)固體表面宏觀光滑，原子尺寸衡量，實(shí)際上也是凹凸不平的。

一、固體表面的特征第10頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天

固體表面力定義：晶體中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)周圍都存在著一個(gè)力場(chǎng)，在晶體內(nèi)部，質(zhì)點(diǎn)力場(chǎng)是對(duì)稱的。但在固體表面，質(zhì)點(diǎn)排列的周期重復(fù)性中斷，使處于表面邊界上的質(zhì)點(diǎn)力場(chǎng)對(duì)稱性破壞，表現(xiàn)出剩余的鍵力。2.固體表面力場(chǎng)第11頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天內(nèi)部原子對(duì)稱配位受力平衡表面原子不對(duì)稱配位受力不平衡第12頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天范得華力(分子引力)

長(zhǎng)程力表面力的分類第13頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天是固體表面產(chǎn)生物理吸附或氣體凝聚的原因。與液體內(nèi)壓、表面張力、蒸汽壓、蒸發(fā)熱等性質(zhì)有關(guān)。

定向作用力FK(靜電力)―發(fā)生于極性分子之間。

誘導(dǎo)作用力FD

―發(fā)生于極性與非極性分子之間。

分散作用力FL(色散力)―發(fā)生于非極性分子之間。

(1)范得華力(分子引力)

第14頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天TransientdipolesElectronstouringthroughorbitalspaceEvenlydistributedaboutnucleusOnoverageNodipoleAtanyinstantElectronsareunevenlydistributedDipoleTransient:aninstantlater,electronswillhavemovedDipolepointingindifferentdirection第15頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天InducedDipolesTheeffectofonedipoleonaneighboringatom:Electronsofatom2drawntowards+vesideofatom1“Induced”dipoleinatom2AlignedantiparallelAtleastatendency第16頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天TransientInducedDipolesAninstantlater…ElectronsmovedDipolealignedparallelUnfavorableLikechargesrepelOrpointingincompletelydifferentdirectionOnaverage,moretimealignedfavorablyNetattractiveforce第17頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天表達(dá)式：F范＝FK＋FD＋FL

1/r7

說(shuō)明：分子間引力的作用范圍極小，一般為3～5埃。

當(dāng)兩個(gè)分子過(guò)分靠近而引起電子層間斥力約等于B/r3,

故范得華力只表現(xiàn)出引力作用。第18頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天(2)長(zhǎng)程力：屬固體物質(zhì)之間相互作用力，本質(zhì)仍是范得華力。按作用原理可分為：A.依靠粒子間的電場(chǎng)傳播的，如色散力，可以加和B.一個(gè)分子到另一個(gè)分子逐個(gè)傳播而達(dá)到長(zhǎng)距離的。誘導(dǎo)作用力第19頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天表面力的作用：液體:總是力圖形成球形表面來(lái)降低系統(tǒng)的表面能。固體:使固體表面處于較高的能量狀態(tài)(因?yàn)楣腆w不能流動(dòng)),只能借助于離子極化、變形、重排并引起晶格畸變來(lái)降低表面能，其結(jié)果使固體表面層與內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異。二、晶體表面結(jié)構(gòu)1.離子晶體表面超細(xì)結(jié)構(gòu)(微觀質(zhì)點(diǎn)排列)顯微結(jié)構(gòu)(表面幾何狀態(tài))第20頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天說(shuō)明：

1.

離子晶體MX在表面力作用下，處于表面層的負(fù)離子X(jué)在外側(cè)不飽和，負(fù)離子極化率大，通過(guò)電子云拉向內(nèi)側(cè)正離子一方的極化變形來(lái)降低表面能。這一過(guò)程稱為松弛，它是瞬間完成的，接著發(fā)生離子重排。NaCl

晶體圖3－1離子晶體表面的電子云變形和離子重排第21頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天NaCl

晶體圖3－1離子晶體表面的電子云變形和離子重排2.從晶格點(diǎn)陣穩(wěn)定性考慮作用力較大，極化率小的正離子應(yīng)處于穩(wěn)定的晶格位置而易極化的負(fù)離子受誘導(dǎo)極化偶極子排斥而推向外側(cè)，從而形成表面雙電層。重排結(jié)果使晶體表面能量趨于穩(wěn)定。第22頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天第23頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天第24頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、NaCl形成雙電層厚度為0.02nm,在Al2O3、SiO2、ZrO2等表面上也會(huì)形成雙電層。

4、當(dāng)表面形成雙電層后，它將向內(nèi)層發(fā)生作用，并引起內(nèi)層離子的極化和重排，這種作用隨著向晶體的縱深推移而逐步衰減。表面效應(yīng)所能達(dá)到的深度，與陰、陽(yáng)離子的半徑差有關(guān)，差愈大深度愈深。

5、離子極化性能愈大，雙電層愈厚，從而表面能愈低。

應(yīng)用：硅酸鹽材料生產(chǎn)中，通常把原料破碎研磨成微細(xì)粒子(粉體)以便于成型和高溫?zé)Y(jié)。第25頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天第26頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天分析面心立方結(jié)構(gòu)(100)、(110)、(111)三個(gè)低指數(shù)面上原子的分布。(112.晶體表面的幾何結(jié)構(gòu)第27頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明：固體的實(shí)際表面是不規(guī)則和粗糙的，最重要的表現(xiàn)為表面粗糙度和微裂紋。

表面粗糙度：(1)使表面力場(chǎng)變得不均勻，其活性及其它表面性質(zhì)也發(fā)生變化。(2)直接影響固體表面積，內(nèi)、外表面積比值以及相關(guān)的屬性。(3)與兩種材料間的封接和結(jié)合界面間的嚙合和結(jié)合強(qiáng)度有關(guān)。第28頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天表面裂紋因晶體缺陷或外力而產(chǎn)生。表面裂紋在材料中起著應(yīng)力倍增器的作用，使位于裂紋尖端的實(shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)大于所施加的應(yīng)力。格里菲斯關(guān)于微裂紋的公式：表面裂紋-材料的強(qiáng)度第29頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天ub為破壞化學(xué)鍵所需能量us

為表面能

2.

離子晶體的表面能r0為0K時(shí)的表面能；LS為1m2表面上的原子數(shù)；nis、nib分別表示第i個(gè)原子在晶體表面和晶體體內(nèi)最鄰近的原子數(shù);Uo為晶格能；N為阿佛加德羅常數(shù)。三、固體的表面能

1.共價(jià)晶體表面能

第30頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天說(shuō)明：

實(shí)際表面能比理想表面能的值低，原因可能為：

(1)

可能是表面層的結(jié)構(gòu)與晶體內(nèi)部相比發(fā)生了改變，表面被可極化的氧離子所屏蔽，減少了表面上的原子數(shù)。

(2)

可能是自由表面是由許多原子尺度的階梯構(gòu)成，使真實(shí)面積比理論面積大。

總結(jié)

固體和液體的表面能與溫度、氣壓、第二相的性質(zhì)等條件有關(guān)。溫度上升，表面能下降。第31頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天第32頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、彎曲表面效應(yīng)彎曲表面:由于表面張力的存在而產(chǎn)生一個(gè)附加壓力ΔΡ。

對(duì)于球面：ΔΡ＝2γ/rγ:為表面張力；對(duì)于非球面：ΔΡ＝γ(1/r1+1/r2)r:主曲率半徑。

討論：(1)當(dāng)r1＝r2時(shí)，ΔΡ＝2γ/r；(2)當(dāng)為兩塊相互平行的平板間的液體液面上ΔΡ＝γ/r1(因?yàn)閞2＝∞)，當(dāng)r1

很小時(shí)，此時(shí)壓力稱為毛細(xì)管力。附加壓力ΔΡ總是指向曲面的曲率中心，當(dāng)曲面為凸面時(shí)為正值，凹面時(shí)為負(fù)值。與曲率半徑成反比，而與表面張力成正比。第二節(jié)界面行為第33頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天

潤(rùn)濕是固－液界面上的重要行為。

應(yīng)用：機(jī)械的潤(rùn)滑、金屬焊接、陶瓷和搪瓷的坯釉結(jié)合、陶瓷與金屬的封接等。

定義：固液接觸后，體系吉布斯自由焓降低時(shí)

就稱為潤(rùn)濕。分類：：二、潤(rùn)濕與粘附按潤(rùn)濕程度附著潤(rùn)濕鋪展?jié)櫇窠n潤(rùn)濕第34頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天

附著潤(rùn)濕的吉布斯自由焓變化為：

ΔG1＝γSL－(γLV＋γSV)

附著功：W＝γLV＋γSV－γSL

附著潤(rùn)濕液－氣界面(L-g)

固－氣界面(S-g)

固－液界面(S-L)固體液體W愈大表示固液界面結(jié)合愈牢，即附著潤(rùn)濕愈強(qiáng)。第35頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天潤(rùn)濕張力：F＝γLVcosθ

＝γSV－γSL由此可看出：在潤(rùn)濕系統(tǒng)中(γSV>γSL),γLV

減小會(huì)使θ縮小，而在不潤(rùn)濕系統(tǒng)中γLV

減小會(huì)使θ增大。

cosθ＝γSV－γSLγLVθ(A)(B)

(C)潤(rùn)濕與液滴的形狀(A)潤(rùn)濕，θ<90o(B)不潤(rùn)濕，θ>90o(C)完全潤(rùn)濕，θ＝0o

，液體鋪開(kāi)

鋪展?jié)櫇?90180θ第36頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天

浸漬潤(rùn)濕

浸漬潤(rùn)濕指固體浸入液體中的過(guò)程。例：生坯的浸釉。浸漬潤(rùn)濕自由能的變化：－ΔG＝γLVcosθ＝γSV－γSL

討論：若γSV>γSL,則θ<90o,浸漬潤(rùn)濕過(guò)程將自發(fā)進(jìn)行，此時(shí)ΔG<0若γSV<γSL,則θ>90o,要將固體浸入液體之中必須做功，此時(shí)ΔG>0固液體固第37頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天總結(jié)：三種潤(rùn)濕的共同點(diǎn)是液體將氣體從固體表面排擠開(kāi)，使原有的固－氣或液－氣界面消失，而代之以固－液界面。改善潤(rùn)濕的方法：

可知

(1)降低γSL(2)去除固體表面吸附膜，提高γSV(3)改變粗造度。當(dāng)真實(shí)接觸角θ<90o

，粗造度愈大表觀接觸角愈小，愈易潤(rùn)濕。當(dāng)θ>90o,粗造度愈大愈不利潤(rùn)濕。第38頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天課堂總結(jié)

1、表面力的存在及對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響(表面雙電層)

2、界面行為彎曲表面效應(yīng)

ΔΡ＝γ(1/r1+1/r2)ΔG1＝γSL－(γLV＋γSV)W＝γLV＋γSV－γSL附著潤(rùn)濕鋪展?jié)櫇窠n潤(rùn)濕

潤(rùn)濕與粘附

潤(rùn)濕張力：F＝γLVcosθ＝γSV－γSL

－ΔG＝γLVcosθ＝γSV－γSL第39頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天第三節(jié)晶界第40頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天第41頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天定義：特性：晶界結(jié)構(gòu)疏松，在多晶體中晶界是原子快速擴(kuò)散的通道，并容易引起雜質(zhì)原子偏聚。晶界上有許多空位、位錯(cuò)和鍵變形等缺陷使之處于應(yīng)力畸變狀態(tài)，故能階較高，使晶界成為固態(tài)相變時(shí)優(yōu)先成核區(qū)域。

晶界第42頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天3、晶界結(jié)構(gòu)的分類：兩個(gè)晶粒之間夾角

小角度晶界(約2o~3o)

大角度晶界第43頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天共格晶界:界面兩側(cè)的晶體具有非常相似的結(jié)構(gòu)和類似的取向，越過(guò)界面原子面是連續(xù)的

半共格晶界:晶面間距比較小的一個(gè)相發(fā)生應(yīng)變，在界面位錯(cuò)線附近發(fā)生局部晶格畸變。非共格晶界:界面兩側(cè)結(jié)構(gòu)相差很大且與相鄰晶體間有畸變的原子排列。(2).晶界兩邊原子排列的連貫性來(lái)分第44頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天第45頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天第46頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天Ni_YSZ(111)界面第47頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天

晶界形狀由表面張力的相互關(guān)系決定。晶界在多面體中的形狀、構(gòu)造和分布稱為晶界構(gòu)形。對(duì)于固－固－氣界面張力平衡關(guān)系：

對(duì)于固－固－液界面張力平衡關(guān)系：

(B)固固液平衡的二面角γSLγSSγSL固態(tài)晶粒

固態(tài)晶粒

γSVγSS(A)熱腐蝕角(槽角)ψγSV二、多晶體的組織第48頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天γSS/γSLcos（

／２）

潤(rùn)濕性相分布<1<1/2>1200

不孤立液滴

1～1/2~/2120~600

局部開(kāi)始滲透晶界

>><600

潤(rùn)濕在晶界滲開(kāi)

>2100

全潤(rùn)濕浸濕整個(gè)材料ABCDE(拋光斷面)不同熱處理時(shí)的第二相分布：二面角

與潤(rùn)濕關(guān)系：第49頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天熱處理時(shí)形成的多相材料舉例第50頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天

多晶材料中，如果有兩種不同熱膨脹系數(shù)的晶相組成，在加熱與冷卻過(guò)程中，由于兩相膨脹系數(shù)的差別，在晶界上會(huì)有應(yīng)力τ存在。最終會(huì)在晶界上出現(xiàn)裂紋，甚至使多晶體破裂。討論：(1)晶界應(yīng)力與熱膨脹系數(shù)差、溫度變化及復(fù)合層厚度成正比。

(2)若熱膨脹系數(shù)是各向同性，晶界應(yīng)力不會(huì)產(chǎn)生。

(3)若產(chǎn)生晶界應(yīng)力，則厚度愈厚，應(yīng)力愈大。結(jié)論：在多晶材料中，細(xì)而長(zhǎng)的針狀晶粒的強(qiáng)度與抗沖擊性能較好。三、晶界應(yīng)力第51頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天層狀復(fù)合體中晶界應(yīng)力第52頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天層狀復(fù)合體中晶界應(yīng)力τ:晶界應(yīng)力K:常數(shù)α:膨脹率T:溫度d:層厚L:層長(zhǎng)第53頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天晶界應(yīng)力抑制方法降低減小d增大L減小梯度功能材料薄板，細(xì)晶粒:納米晶材料材料熱導(dǎo)率相近第54頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天第四節(jié)粘土-水體系膠體化學(xué)

礦物粒度很細(xì)，表面積很大。粘土分散在水中形成溶膠／懸浮液／粗分散體系間特殊狀態(tài)。溶膠穩(wěn)定的特性---聚結(jié)不穩(wěn)定性(聚沉)與電解質(zhì)數(shù)量及種類、溫度、泥漿濃度等因素有關(guān)。粘土—水系統(tǒng)膠體化學(xué)性質(zhì)是天機(jī)材料制備工藝的理論基礎(chǔ)。第55頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、粘土的荷電性負(fù)電荷同晶置換腐殖質(zhì)電離低價(jià)取代高價(jià)分布在板面上羧酸根／酚羧根電離與pH值有關(guān)第56頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天兩性電荷：pH值凈電荷：負(fù)電荷大于正電荷一、粘土的荷電性第57頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、陽(yáng)離子交換容量（C·E·C)粘土顆粒由于破鍵、晶格內(nèi)類質(zhì)同晶取代和吸附在粘土表面腐殖質(zhì)離解等原因而帶負(fù)電，它吸附介質(zhì)中的陽(yáng)離子中和其所帶的負(fù)電荷，被吸附的陽(yáng)離子又能被溶液中濃度大價(jià)數(shù)高的陽(yáng)離子所交換的現(xiàn)象．粘土的陽(yáng)離子交換容量是指在pH等于7的條件下，粘土所能交換下來(lái)的陽(yáng)離子總量。其數(shù)值均以每100g粘土所交換下來(lái)的陽(yáng)離子的量表示。第58頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天陽(yáng)離子交換特點(diǎn)同號(hào)離子互相交換離子等當(dāng)量交換交換和吸附是可逆過(guò)程離子交換不影響粘土本身結(jié)構(gòu)第59頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天陽(yáng)離子交換容量影響因素礦物組成:蒙脫石結(jié)合量大于高嶺土粘土分散度陽(yáng)離子價(jià)態(tài)溶液pH值第60頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天鑒定粘土礦物組成制備單一離子粘土陽(yáng)離子交換容量應(yīng)用主要粘土礦物的陽(yáng)離子交換容量如下：蒙脫石80—150毫克當(dāng)量/100G干粘土伊利石10—40毫克當(dāng)量/100G干粘土高嶺石3—15毫克當(dāng)量/100G干粘土第61頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天

離子交換吸附的特點(diǎn)：

濃度相同價(jià)數(shù)越高，與粘土表面的吸力越強(qiáng)，交換到粘土表面上的能力越強(qiáng)；價(jià)數(shù)相同、濃度相近時(shí)，離子半徑越小，水化半徑越大，離子中心離粘土表面越遠(yuǎn)，吸附能力弱(K+與H+除外)；當(dāng)濃度很高時(shí)，低價(jià)離子同樣能交換高價(jià)離子。常見(jiàn)的陽(yáng)離子交換能力強(qiáng)弱順序是：

H+>Fe3+>Al3+>Ba2+>Ca2+>Mg2+>NH4+>K+>Na+>Li+

離子交換吸附的規(guī)律第62頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、粘土膠體的電動(dòng)性質(zhì)粘土與水的作用水吸附水?dāng)U散水自由水膠核粘土膠團(tuán)第63頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天

定義：粘土顆粒在水中表面帶負(fù)電荷，通過(guò)靜電作用可把交換性陽(yáng)離子(稱為反離子)吸引在它的周圍。這些反離子一方面受負(fù)電荷的吸引靠近粘土表面，另一方面由于反離子的熱運(yùn)動(dòng)及反離子之間的斥力，會(huì)脫離粘土顆粒向溶液中擴(kuò)散，其結(jié)果構(gòu)成了擴(kuò)散雙電層。粘土顆粒周圍的陽(yáng)離子只有一部分同粘土顆粒一起運(yùn)動(dòng)，這部分同粘土吸引得比較牢固的陽(yáng)離子層，稱為吸附層。另一部分陽(yáng)離子距離粘土顆粒稍遠(yuǎn)，不隨粘土一起運(yùn)動(dòng)，這一部分稱為擴(kuò)散層。吸附層和擴(kuò)散層的交界面稱為滑動(dòng)面。粘土膠體的電動(dòng)電位第64頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天粘土膠體的電動(dòng)電位電動(dòng)電位:帶相反電荷的吸附層與擴(kuò)散層相對(duì)移動(dòng)產(chǎn)生的電位差第65頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天吸附反離子濃度機(jī)質(zhì)含量陽(yáng)離子半徑／電價(jià)粘土表面電荷密度／雙電層厚度成正比有電動(dòng)電位的影響因素第66頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、流變性四、粘土水系統(tǒng)的膠體性質(zhì)靜切應(yīng)力

g

使靜止的塑性流體開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的最低切應(yīng)力，簡(jiǎn)稱切力，用

g表示。觸變性破壞單位面積上網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所需的力即為靜切應(yīng)力。規(guī)定靜置1min后測(cè)定的靜切力為初切力，靜止10min后測(cè)定的靜切力為終切力，并用二者的差值來(lái)表示鉆井液觸變性的強(qiáng)弱。表現(xiàn)粘度表現(xiàn)粘度是指某一剪切速率下剪切應(yīng)力與剪切速率的比值。

第67頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.鉆井液流變模式及流變參數(shù)冪律流體（膨脹型）切應(yīng)力流速梯度

s

0粘土水系統(tǒng)的膠體性質(zhì)流變性流動(dòng)和變形的特性稱為流變性第68頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天流變學(xué)模式及流變參數(shù)牛頓流體冪律流體卡森流體赫切爾—巴爾克萊流體賓漢流體第69頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天泥漿的流動(dòng)性和穩(wěn)定性減水劑對(duì)粘土流變性能的影響第70頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天泥漿的膠溶/絮凝膠溶絮凝第71頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天板面帶正電荷邊面帶負(fù)電荷第72頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天影響泥漿結(jié)構(gòu)的因素介質(zhì)呈堿性:邊板面均帶負(fù)電荷；增加表面負(fù)電荷一價(jià)陽(yáng)離子置換原來(lái)的吸附離子:凈電斥力／溶劑化膜陰離子的作用形成不溶物質(zhì)形成特殊配位第73頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天

分散系若能長(zhǎng)久保持其分散狀態(tài)，各微粒處于均勻懸浮狀態(tài)而不破壞，就稱為具有穩(wěn)定性。沉降穩(wěn)定性穩(wěn)定性聚結(jié)穩(wěn)定性分散體系的穩(wěn)定性第74頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天定義：重力作用下液中的固體顆粒是否容易下沉的性質(zhì)。影響因素：粘土顆粒的大小、與分散介質(zhì)的密度差分散介質(zhì)的粘度和液體中粘土顆粒的多少顆粒愈大、顆粒愈重、介質(zhì)粘度越小沉降穩(wěn)定性越差。沉降穩(wěn)定性第75頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天定義：液體中的固體顆粒是否易于自動(dòng)降低分散度而粘結(jié)變大的性質(zhì)。聚結(jié)的原因：粘土顆粒分散度高，比表面積大，因而具有較大的表面能。顆粒會(huì)自發(fā)地聚結(jié)變大，降低表面和分散度；顆粒之間存在排斥力和引力，顆粒在運(yùn)動(dòng)中相互接近或碰撞時(shí)引力大于排斥力時(shí)也會(huì)使顆粒聚結(jié)變大。聚結(jié)穩(wěn)定性第76頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天影響聚結(jié)穩(wěn)定性的主要因素顆粒間的排斥力顆粒間的引力雙電層斥力水化膜彈性阻力范德華力第77頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天泥漿的觸變性定義：粘土泥漿靜置以后逐漸的變稠凝固，但一經(jīng)攪拌就重新恢復(fù)流動(dòng)性，這樣可以重復(fù)無(wú)數(shù)次，這就叫粘土泥漿的觸變性結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)：粘土泥漿中粒子之間存在有各種力：靜電力和范氏力。在力的作用下粒子之間會(huì)形成一定的結(jié)構(gòu)。如果板面—邊面結(jié)合或邊面—邊面結(jié)合，形成卡片結(jié)構(gòu)，水封閉于結(jié)構(gòu)內(nèi)，泥漿就絮凝。這種絮凝靠的是物理力，一經(jīng)攪動(dòng)，卡片結(jié)構(gòu)被打散，原來(lái)被封閉的水又釋放出來(lái)，恢復(fù)流動(dòng)性?？梢越?jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的反復(fù)，這就是觸變機(jī)理。第78頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天溶液的pH值

pH<7，邊表面帶正電，邊面與板面有靜電引力，再加上邊面與邊面間的范氏引力的作用，易形成卡片結(jié)構(gòu)，觸變性好。pH值越小，邊面與板面有靜電引力越大，越容易形成卡片結(jié)構(gòu)，卡片結(jié)構(gòu)越牢固，觸變性越好。粘土泥漿的含水量含水量越多，粒子之間距離越遠(yuǎn)，越不易相互搭接，觸變性越小。粘土礦物的組成分散度好，粒子數(shù)多，粒子間越易搭接，觸變性越大。如：蒙脫石分散性好，最容易形成卡片狀結(jié)構(gòu)，觸變性好，而伊利石分散性差，觸變性也差。觸變性影響因素第79頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天粘土的可塑性可塑性定義：在超過(guò)一定大小的外力作用下開(kāi)始變形而不開(kāi)裂，外力撤除后保持變形后的形狀而不復(fù)原的能力。表征：泥料的屈服值和開(kāi)裂前達(dá)到的最大應(yīng)變量乘積的大小。第80頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天泥料可塑性產(chǎn)生的原因粘土顆粒之間吸引力始終大于排斥力泥料中吸引力的來(lái)源主要有：毛細(xì)管力：粘土顆粒周圍形成一層連續(xù)水膜，由于毛細(xì)管力作用，使顆粒緊緊連在一起，產(chǎn)生吸引力的主要來(lái)源。反離子為兩個(gè)膠核所共同吸引pH小于7時(shí)邊面帶正電板面帶負(fù)電，邊面-板面靜電引力。膠核之間存在著范氏引力。泥料中排斥力的來(lái)源：同號(hào)膠體粒子之間存在著靜電斥力。兩個(gè)膠粒中的反離子之間相互排斥。第81頁(yè),共93頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.泥料中的含水量當(dāng)加水量過(guò)少時(shí)，不能在粘土顆粒周圍形成連續(xù)水膜，則無(wú)可塑性。在粘土顆粒周圍