材料表界面第四章

材料表界面第四章第一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日第二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日一、Young方程和接觸角四、黏附功和內聚能五、Young-Dupre公式二、接觸角的測定方法第四章液-固界面三、接觸角的滯后現(xiàn)象六、潤濕過程的三種類型第三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.1Young方程和接觸角在氣、液、固三相交界點，自固-液界面經(jīng)過液體內部到氣-液界面的夾角稱為接觸角，通常用q表示。θ第四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日θ4.1Young方程和接觸角（1）θ=0，完全潤濕，液體在固體表面鋪展。（2）0<θ<90°，液體可潤濕固體，且θ越小，潤濕越好。（3）90°<θ<180°液體不潤濕固體。（4）θ=180°，完全不潤濕，液體在固體表面凝成小球。第五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.1Young方程和接觸角θ從力學觀點推導Young方程第六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.1Young方程和接觸角從能量觀點推導Young方程系統(tǒng)自由焓的變化當液體滑動時，應有：代入得：平衡時，dG=0,故假定液滴足夠小，重力影響可以忽略?，F(xiàn)液體發(fā)生一個小的位移，使各相界面的面積變化分別為：dA液氣，dA固氣，dA固液第七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日第八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日第九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日第十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日停滴法吊片法電子天平法4.2接觸角的測定方法第十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.2接觸角的測定方法1.停留法θ2rh在光滑、均勻、水平的固體表面上放一小液滴，因液滴很小，重力作用可忽略。將液滴視作球形的一部分，測出液滴高度h與底寬2r。由簡單的幾何分析可求出。第十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日1.停留法4.2接觸角的測定方法儀器結構主要由光源、工作臺、底座、放大鏡、滴液器等部分組成。第十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.2接觸角的測定方法2.吊片法將表面光滑、均勻的固體薄片垂直插入液體中，如果液體能夠潤濕此固體，則將沿薄片平面上升。升高值h與接觸角之間的關系為：

sin=1(gh2／2LG)在已知LG的條件下，不難由上式求出。第十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日若液面上升高度為h，由laplace方程由于：所以：且：有：附：吊片法推導公式第十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日令：則定積分：得：或：第十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.2接觸角的測定方法3.電子天平法

設一根纖維浸在某液體中，纖維的另一端掛在電子天平的測量臂上。用升降裝置使液面逐漸下降。纖維經(jīng)(b)狀態(tài)脫離液面，在纖維脫離液面的瞬間，電子天平測出該變化過程中力的變化P，由記錄儀記下如右圖的曲線。第十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日如果液體完全潤濕纖維，則P=2rL式中r為纖維半徑。若選用半徑已知金屬纖維，使液體能夠完全潤濕纖維，則測出P，即可求出液體的表面張力L。如果液體與纖維之間的接觸角為，則有P=2rLcos

若纖維的半徑r和液體表面張力L已知，則用電子天平法測出P后，即可求出接觸角。4.2接觸角的測定方法3.電子天平法第十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.2接觸角的測定方法3.電子天平法應用電子天平方法還可測定兩種互不相溶液體之間的界面張力和界面接觸角。如圖所示，L1和L2為互不相溶兩種液體。纖維S插入通過L1，L2的界面，當升降裝置下降，在纖維離開L1／L2界面的瞬間，電子天平測出該過程的力變并記錄下來。在測試中若纖維用鉑金絲，以保證被液體完全潤濕，則：P=2rL1/L2

測定P可求出兩種互不相溶液體的界面張力L1/L2。若界面張力L1/L2已知，液體與纖維之間存在接觸角L1/L2，則：P=2rL1/L2cosL1/L2

因此，測定P可求出纖維在L1／L2界面的接觸角L1/L2。

第十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.2接觸角的測定方法3.電子天平法另一種電子天平法使用一束纖維，而不是一根纖維，如左圖所示。在塑料管中充填一束纖維，充填率=0.470.53。使纖維束與液面接觸，因毛細現(xiàn)象，液體沿著纖維間空隙上升，用電子天平測出增重量m隨浸潤時間變化，可得如下曲線。第二十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日

通過流體力學分析，可推導得出如下公式：

m2=(W121cos／H2WfAP1)t

式中：m為在潤濕時刻t時的增重量，由實驗記錄；W1為平衡時的總增重量，由實驗測定；H為纖維的充填高度，可量?。粸榻櫼赫扯?，可查取；Wf為纖維的充填質量，可稱?。籄P為纖維的比表面積，可查取或測定；1為液體的密度，可查取或測定；1為液體的表面張力，可測定或查取。4.2接觸角的測定方法3.電子天平法按上式，以m2-t作圖，可得直線。該直線的斜率即為式中t的系數(shù)。由斜率即可求出接觸角。第二十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日停滴法吊片法電子天平法4.2接觸角的測定方法第二十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日決定和影響接觸角大小的因素物質的本性(1)液體與固體表面性質差別越大接觸角越大。(2)在同一固體上液體的表面張力越大，接觸角越大。2.

接觸角的滯后現(xiàn)象（1）表面粗糙性（2）表面不均勻性（3）表面污染第二十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.3接觸角的滯后現(xiàn)象4.3.1

前進角和后退角前進角θa最大前進角θa,max后退角θr最小后退角θr,min在理想光滑、組成均勻的表面上的平衡接觸角就是Young氏角。許多實際表面都是粗糙的或是不均勻的，液滴可以處在穩(wěn)定平衡態(tài)（即最低能量態(tài)），也可處于亞穩(wěn)平衡態(tài)，即出現(xiàn)接觸角的滯后現(xiàn)象。接觸角滯后的原因是由于液滴的前沿存在著能壘。第二十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.3接觸角的滯后現(xiàn)象引起接觸角滯后的原因：固體表面的粗糙度固體表面的不均勻性和多相性固體表面的污染第二十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.3.2由于表面粗糙引起的滯后A：真正表面積；A’：表觀表面積當液滴向前推進時，固液界面的真正面積增加rdS，固氣界面的真正面積相應減少rdS，液氣界面的真正面積增加dScosθw。式中θy為Young接觸角，上式叫做Wentzel方程。它表明粗糙表面的cosθw的絕對值總比平滑表面的cosθy大。如圖所示，在平衡狀態(tài)下有：4.3接觸角的滯后現(xiàn)象第二十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日（1）當θy<90°時，表面粗糙化將使接觸角更小。潤濕性更好。（2）當θy>90°時，表面粗糙化將使接觸角變大。潤濕性更差。（3）可見，接觸角越小，表面粗糙度的影響越大，要得到準確的接觸角，特別注意表面要光滑。第二十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.3.3由于表面不均勻性和多相性引起的滯后4.3接觸角的滯后現(xiàn)象

在相的交界處存在著能壘，液體的前沿往往停留在相的交界處。前進角往往反映表面能較低的區(qū)域，或反映與液體親和力弱的那部分固體表面的性質，而后退角往往反映表面能較高的區(qū)域，或反映與液體親和力強的那部分固體表面的性質。第二十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日

無論是液體或是固體的表面，在污染后都會引起滯后現(xiàn)象。表面污染往往來自液體和固體表面的吸附作用，從而使接觸角發(fā)生顯著變化。影響接觸角的因素十分復雜，所以在測定時，要盡可能控制測定環(huán)境的溫度、濕度、液體的蒸氣壓、固體表面的清潔度和粗糙度等因素。4.3.4表面污染4.3接觸角的滯后現(xiàn)象第二十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日決定和影響接觸角大小的因素

接觸角的滯后現(xiàn)象（1）表面粗糙性（2）表面不均勻性（3）表面污染第三十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日一、Young方程和接觸角四、黏附功和內聚能五、Young-Dupre公式二、接觸角的測定方法三、接觸角的滯后現(xiàn)象六、潤濕過程的三種類型第三十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日你有試過晾曬自己的心情么？

這么好的陽光，這么好的天氣，如果有很多不開心的事情，讓陽光曬涼一下你的心情經(jīng)常都在說：生活也許不能每天都陽光燦爛，但是我們可以每天給生活一個微笑，給自己一縷陽光，試試看，這樣你的心情會好的。

第三十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.4黏附功和內聚能液固拉開黏附在等溫等壓條件下，單位面積的液面與固體表面粘附時對外所作的最大功稱為粘附功，它是液體能否潤濕固體的一種量度。粘附功越大，液體越能潤濕固體，液-固結合得越牢。

在粘附過程中，消失了單位液體表面和固體表面，產(chǎn)生了單位液-固界面。粘附功就等于這個過程表面吉布斯自由能變化值的負值。第三十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日液拉開結合4.4黏附功和內聚能等溫、等壓條件下，兩個單位液面可逆聚合為液柱所作的最大功稱為內聚能，是液體本身結合牢固程度的一種量度。

內聚時兩個單位液面消失，所以，內聚功在數(shù)值上等于該變化過程表面自由能變化值的負值。第三十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日對固液界面，粘附功：

考慮到與氣相平衡

Young方程：W固液=σ液氣(1+cosθ)4.5Young-Dupre公式第三十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.5Young-Dupre公式W固液=σ液氣(1+cosθ)(1)上式如果θ=0°，則:

也即粘附功等于液體的內聚功，固-液分子間的吸引力等于液體分子與液體分子的吸引力，因此固體被液體完全潤濕。(2)如果θ=180°，則：液-固分子之間沒有吸引力，分開固-液界面不需做功。此時固體完全不為液體潤濕。(3)當0<θ<180°時，固-液分子間有一定作用力，θ越小，越大，濕潤性能越好。第三十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日浸濕過程鋪展浸濕過程黏附潤濕過程4.6潤濕過程的三種類型第三十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.6.1粘附潤濕過程液體直接接觸固體，變液-氣表面和固-氣表面為液-固界面的過程。4.6潤濕過程的三種類型θ固液第三十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.6.1粘附潤濕過程液體直接接觸固體，變氣-液表面和氣-固表面為液-固界面的過程。4.6潤濕過程的三種類型固-氣＋液-氣固-液θ液第三十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.6.1粘附潤濕過程4.6潤濕過程的三種類型ΔGa≤0，粘附浸潤才能發(fā)生。Wa≥0，粘附浸潤才能進行。固-氣＋液-氣固-液θ黏附功a第四十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.6.2浸濕過程4.6潤濕過程的三種類型浸濕過程是原來的氣-固表面為液-固界面所代替。固-氣固-液液氣固液氣固固第四十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.6.2浸濕過程4.6潤濕過程的三種類型ΔGi＜0即A＞0，浸濕過程才能進行。固-氣固-液Wi：浸濕功令A=-Wi，A為黏附張力黏附張力第四十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日液

氣固4.6.3鋪展?jié)櫇襁^程4.6潤濕過程的三種類型液

鋪展浸潤是液體與固體表面接觸后，在固體表面上排除空氣而自行鋪展的過程。第四十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日固-氣固-液＋液-氣液

氣固4.6.3鋪展?jié)櫇襁^程4.6潤濕過程的三種類型液

鋪展浸潤是液體與固體表面接觸后，在固體表面上排除空氣而自行鋪展的過程。氣第四十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日ΔGs≤0即SL/S≥0，鋪展過程才能進行。液

氣固4.6.3鋪展?jié)櫇襁^程4.6潤濕過程的三種類型SL/S：鋪展系數(shù)固-氣固-液＋液-氣鋪展系數(shù)第四十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日

等溫、等壓條件下，單位面積的液固界面取代了單位面積的氣固界面并產(chǎn)生了單位面積的氣液界面，這過程表面自由能變化值的負值稱為鋪展系數(shù)，用SL/S表示。若SL/S≥0，說明液體可以在固體表面自動鋪展。4.6.3鋪展?jié)櫇襁^程4.6潤濕過程的三種類型鋪展系數(shù)(spreadingcoefficient)

Sl/s=σ固氣-σ固液-σ液氣第四十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.6.4濕潤過程的比較4.6潤濕過程的三種類型

黏附潤濕：Wa=σ固氣-σ固液+σ液氣浸濕：

A=σ固氣-σ固液鋪展?jié)櫇瘢篠l/s=σ固氣-σ固液-σ液氣Wa＞A

＞Sl/s換言之若SL/S≥0，必有Wa>A>0，即凡能鋪展的必定能粘附潤濕與浸濕，鋪展?jié)駶櫴浅潭茸罡叩囊环N潤濕。第四十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.6.4濕潤過程的比較4.6潤濕過程的三種類型上式中都涉及粘附張力A=σSG-σSL.。顯然，σSG越大，σSL越小，（σSG-σSL）差值就越大，越有利于潤濕。對粘附潤濕，增大σLG有利，對于浸濕，σLG的大小不起作用。對鋪展?jié)櫇駚碚f，減少σLG是有利的。

黏附潤濕：Wa=σ固氣-σ固液+σ液氣浸濕：

A=σ固氣-σ固液鋪展?jié)櫇瘢篠l/s=σ固氣-σ固液-σ液氣第四十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日借助Young方程，將σSG=σSL+σLGcosθ,代入可得：

黏附潤濕：Wa=σ固氣-σ固液+σ液氣浸濕：

A=σ固氣-σ固液鋪展?jié)櫇瘢篠l/s=σ固氣-σ固液-σ液氣4.6.4濕潤過程的比較4.6潤濕過程的三種類型第四十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日4.6.4濕潤過程的比較類型能量判據(jù)式接觸角判據(jù)

粘附潤濕Wa=σLG（cosθ+1）≥0θ≤180°浸濕A=σLGcosθ≥0θ≤90°

鋪展?jié)櫇馭L/S=σLG（cosθ-1）≥0θ=0°或不存在

4.6潤濕過程的三種類型第五十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日習慣上規(guī)定θ=90°為潤濕與否的標準，即θ>90°為不潤濕，θ<90°為潤濕，θ越小潤濕越好。當平衡接觸角θ=0°或不存在時為鋪展。4.6.4濕潤過程的比較4.6潤濕過程的三種類型第五十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日

黏附潤濕：Wa=σ固氣-σ固液+σ液氣浸濕：

A=σ固氣-σ固液鋪展?jié)櫇瘢篠l/s=σ固氣-σ固液-σ液氣第五十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日第五十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日例：氧化鋁瓷件上需要凃銀，當加熱到1273K時，試用計算接觸角的方法判斷液態(tài)銀能否潤濕氧化鋁瓷件的表面？已知該溫度下固體氧化鋁的表面張力σs-g=1.0N/m，液態(tài)銀表面張力σl-g=0.88N/m，液體銀與固體氧化鋁的界面張力σs-l=1.77N/m。第五十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日習慣上規(guī)定θ=90°為潤濕與否的標準，即θ>90°為不潤濕，θ<90°為潤濕，θ越小潤濕越好。當平衡接觸角θ=0°或不存在時為鋪展。解：不能潤濕第五十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期日例：一滴油酸在20oC