第5章-表面结构与性质5章-表面结构与性质.pptVIP

用下式表示： （粘湿过程总是可自发进行） 浸湿：固体表面气体均为液体所置换。 浸湿结果：体系消失了固-气界面，产生了固-液界面。 若固体的总面积为单位面积，则在恒温恒压下，此过程所引起的体系自由能的变化为： （2）浸湿 相应的浸润功为： 浸润功大于0，此过程自发进行。 若铺展系数S≥0，则液体可在固体表面自动展开。 （3）铺展 铺展润湿：置液滴于固体表面，在恒温恒压下，若此液滴在固体表面上自动展开形成液膜。 铺展润湿结果：失去固-气界面，形成液-气和固-液界面。 对于铺展润湿，常用铺展系数来表示，即： 体系自由能的变化为： 图5.21　流体在固体表面上的铺展　 S V L S 沾湿 浸湿 铺展 固体进入液体过程 V 图5.22　液滴在固体表面上的接触角 5.3.2　Young　Formula与接触角 1805年，Young提出，接触角可用固体上液滴受三个界面张力的作用，当三力达到平衡时，有如下关系： 是与液体的饱和蒸汽成平衡时的固体和液体的表面张力。 如何使用接触角来判断润湿情况？ 沾湿 浸湿 铺展 γLV(1+cosθ)≥0 θ≤180° γLVcosθ≥0 θ≤90° γLV(cosθ-1)≥0 θ=0° θ=90°作为润湿 与不润湿的界线。 影响润湿性能的因素？ 真空中不容易改变； 清洁表面，去除吸附膜 采用化学性质相近的两相系统。 如玻璃相中加入B2O3和PbO 改善润湿性能 降低γLV 降低γSL 增大γSV 很多工业技术中要求改善固-液界面的润湿性，但也有很多场合适得其反，要求不润湿。如：防水材料等。 改善润湿性能主要取决于三表面能的相对大小，一般改变γSV是不可能的，只能从改变其它两者考虑。 如：陶瓷生产中常采用使固液两相组成尽量接近来降低γSL和通过在玻璃相中加入B2O3和PbO来降低γLV。在金属陶瓷中，纯铜与碳化锆（ZrC）之间接触角为135°（1100℃），而在铜中加入少量镍（0.25%），接触角降为54°，降低了γSL，使铜-碳化锆结合性能得到改善。 注：污染表面的表面张力较其在真空中的表面张力小得多，使接触角增大。 实际表面与理想表面不同之处： （1）固体表面本身或由于表面污染（特别是高能表面），固体表面在化学组成上往往是不均一的； （2）因原子或离子排列的紧密程度不同，不同晶面具有不同的表面自由能，即使同一晶面，因表面的缺陷浓度不同，其表面能亦可能不同； （3）表面粗糙不平等原因，使接触角的测定带来困难。 5.4.3　表面粗糙度对润湿性能的影响 随着润湿的进行，液体在固体表面逐渐铺展开。假设界面在固体表面上从上图中的A点推进到B点，这时，固液界面扩大δs，而固气界面减小δs，液气界面则增加δs·cosθ。 当系统处于平衡时，界面位置的少许移动所产生的界面能的净变化量为0. A、对光滑表面 A B 当θ＜90°时，θ＞θn；(即在润湿的前提下，表面粗糙化后接触角变小，更易润湿。) 当θ＝90°时，两者相等； 当θ＞90°时，θ＜θn。（即在不润湿的前提下，表面粗糙化后接触角变大，更不易润湿。） cos θ θ θ θ与θn的关系 θn θn π/2 复 习 提 纲: 1、基本概念：表面、晶界、相界、弛豫表面、重构表面、粘附、润湿、吸附、接触角 2、固体是如何降低系统的表面能的，为什么相同组成的固体的表面能总是高于液体的表面能； 3、固体的表面力场的分类和本质，晶体的表面结构特点，表面粗糙度、表面微裂纹对表面力场的影响； 4、固体的界面行为对固体表面结构和性质的影响； 5、粗糙表面的润湿行为。 * 材料均具有表面，材料的制备及使用过程发生的各种物理化学变化，都是从材料的表面向材料内部逐渐进行的，这些过程的进行都依赖于材料的表面结构与性质。 固体的非流动性使固体表面比液体表面复杂得多。除少数理想状况外，固体表面常常处于热力学非平衡态，通常情况下，它趋向于热力学平衡态的速度是极其缓慢的。固体表面相与其体相内部的组成和结构有所不同，同时还存在各种类型的缺陷以及弹性形变等，这些都将对固体表面的性质产生很大影响 。 表面改性技术、薄膜技术、涂层技术 * 材料均具有表面，材料的制备及使用过程发生的各种物理化学变化，都是从材料的表面向材料内部逐渐进行的，这些过程的进行都依赖于材料的表面结构与性质。 固体的非流动性使固体表面比液体表面复杂得多。除少数理想状况外，固体表面常常处于热力学非平衡态，通常情况下，它趋向于热力学平衡态的速度是极其缓慢的。固体表面相与其体相内部的组成和结构有所不同，同时还存在各种类型的缺陷以及弹性形变等，这些都将对固体表面的性质产生很大影响 。 表面改性技术、薄膜技术、涂层技术 * 三种作用力均与分子间的7次方成反比，说明分子间引力的作用范围极小