《固体界面行为》ppt课件

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1、§1.4固体界面行为一、表面与界面的概念通常把不同形态或不同种类的两种物质之间的交界面叫做界面。三种基本形态的物体之间存在着以下几种界面组合：固—固、固—液、固—气液—液、液—气习惯上我们把固—气、液—气界面叫做固体或液体的表面。本体相：物体的内部表面相（界面相）：处于物体表面的部分，具有本体相所没有的表面能。处于材料表面层的分子状态与其内部相比有所差异，同时某种材料与其他物质之间的化学反应（例如氧化、腐蚀等）都是从表面开始进行的，所以研究材料的界面行为非常必要，为了研究方便，一般将物体分为本体相和表面相。比表面积：材料所具有的表面积与其质量之比（单位：m2/kg）。比表面积与构成

2、材料的微粒的大小和形状都有关系。增加材料的比表面积，实际上就增加了材料的表面相成分，同时也就增加了材料的总能量和反应活性。二、表面能与表面张力以水为例，处于本体相中的每个分子周围都存在着一个对称的力场，而处于表面相的分子则受到指向本体相的力的作用，即表面相的分子有回到本体相中去的趋势。水的本体相空气水的表面相由以上例子可以看出，如果将本体相的分子移到表面，增大体系的表面积，需要克服本体相的其他分子对该分子的吸引力，而对体系作功。而所作的功将转变为成为表面相的分子比本体相分子多余的自由能。即：处于表面相的分子具有比本体相的分子多余一定的能量。在恒温、恒压及组成不变的条件下，使体系增加

3、单位表面积时所作的功叫做表面能（或表面自由能），单位：J/m2(焦耳/米2)，或erg/cm2（尔格/厘米2）。表面能的概念让我们来考察液气界面，我们经常可以看到树叶、或油漆等物质的表面存在着的小水滴呈球形。这是由于沿着与液面相切的方向，存在着一种力图使水滴的表面积缩小的力，该力称为表面张力。单位：N/m(牛顿/米)，或dyn/cm（达因/厘米）。表面张力的概念在液体状态下，表面能与表面张力具有相同的量纲，且在数值上是相等的。下面通过一个液膜扩展试验来说明这个结论。BCALDFEFG液膜扩展实验在一边可动的框架上张上一肥皂液膜ABCD，如果不考虑重力的作用，在可移动的CD线上施加一

4、外力F，使CD移动到EG的位置，这时它们将达到一个新的平衡状态。x表面张力γ垂直地作用于CD，指向表面内部。而液膜有上下两个表面，所以将CD边移到EG位置所施加的外力为F=2γL，所以表面张力：同时外力所做的功为：式中，ΔA是液膜由CD移动到EG时，所增加的表面积由以上公式可得表面张力：根据定义，在温度、压力及组分不变的条件下，每增加一个单位面积的新表面时所需要做的功为表面能。所以上式中的γ的计算值也就是表面能。对于液体，因为液体不能承受剪应力，外力所做的功表现为表面积的扩展，表面能与表面张力在数值上是相同的。而对于固体，因为能承受剪切应力，外力的作用除了表现为表面积的增加外，有一

5、部分变成塑性变形。因此固体的表面能与表面张力其值是不等的。三、吸附、粘附与润湿吸附：处于固体或液体表面相的原子或离子，吸引相邻物体的原子、离子或分子的现象，叫做吸附。吸附现象使处于表面相的分子表面被相邻物体的粒子所覆盖，形成吸附膜，使体系的表面能下降，所以吸附是一个自发的过程。吸附膜对材料性能的影响1.降低固体的表面能，使之较难被润湿，从而改变了界面的化学特性；2.显著降低材料的机械强度；3.使粘附作用减弱，可调节固体间的摩擦和润滑作用。润湿：当液体与固体的表面相接触时，也能使固体的表面能降低，这种现象称为润湿。润湿的程度与液体与固体的表面张力有关，通常用接触角表示。将一种液体的

6、液滴，滴在固体的表面上，形成固－液－气系统。滴在不同的固体上，系统平衡时液滴可能出现三种不同的情况。θ(a)液体固体固体(b)蒸汽液体固体(c)液体蒸汽蒸汽液滴在平滑的固体表面上的接触角润湿角：指液体表面张力LV和固－液界面张力SL之间的夹角。固－气界面张力SV是力图把液体拉开，掩盖固体表面，使表面能得以降低；而液体的表面张力LV和固－液界面张力SL是力图使液体成为球形。当平衡时，在三个相的交点A处，作用力应达到平衡，即有下式：SV=SL+LVcos或者各界面张力与润湿角的关系（１）如果SV－SL<LV，则1>cos>0，<90，固体能被液体润湿，图

7、(a)；（２）如果SV－SL＝LV，则cos＝１，＝０，是完全润湿状态，液体在固体表面上自由铺展开来，图(b)；（３）当SV<SL时，则cos<0，>90，固体不被液体润湿，图(c)。自由铺展现象一旦发生，固体表面减小，液固界面增大，这时保持铺展继续进行的条件为：SV＞SL＋LV研究材料的润湿现象的意义（１）如果某种固体材料的润湿角<90，则固体能被液体润湿，称为亲水性材料。（２）如果材料的润湿角>90，则材料不能被液体润湿，称为憎水