滲透檢測(cè) 課件 第2章 滲透檢測(cè)的物理化學(xué)基礎(chǔ)

滲透檢測(cè)第二章滲透檢測(cè)的物理化學(xué)基礎(chǔ)自然界中的物質(zhì)具有三種狀態(tài)，分為固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。“相”是指體系中物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)完全均勻的部分。凝聚相與氣相間的邊界區(qū)域成為表面（surface).在相界面上的物質(zhì)因?yàn)榫哂信c體相不同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，從而產(chǎn)生的物理現(xiàn)象和化學(xué)現(xiàn)象稱為界面現(xiàn)象。氣-液和氣-固界面上發(fā)生的界面現(xiàn)象也稱為表面現(xiàn)象，如毛細(xì)現(xiàn)象、潤(rùn)濕現(xiàn)象和吸附現(xiàn)象。2.1分子間作用力與能量最低原理2.1.1.分子間作用力分子間作用力又被稱為范德華力，按其實(shí)質(zhì)來(lái)說(shuō)是一種電性的吸引力，因此考察分子間作用力的起源就得研究物質(zhì)分子的電性及分子結(jié)構(gòu)。2.1.2.能量最低原理自然界中各個(gè)物體都有使其趨于向能量降低的方向變化，因?yàn)槟芰枯^低的狀態(tài)比較穩(wěn)定，此所謂能量最低原理。能量最低原理的普遍意義就是：在任何保守力作用的物體中，物體在無(wú)其他外力作用時(shí)，總是向勢(shì)能減少的方向變化——即總是自發(fā)的、必然的趨于穩(wěn)定。2.1.3.液體表面層的分子間作用力分子在一定距離內(nèi)有相互作用，氣相分子的密度顯著小于液相密度。在液體中，相鄰分子間的距離減少時(shí)，分子間的作用力就劇烈增大。大多數(shù)液體的低壓縮性表面，當(dāng)試圖使分子壓縮到小于正常極限體積時(shí)，分子間卻變成相互排斥力。分子間距離減小使這種短程排斥力變大，分子本身在大于正常間距是會(huì)使其吸引力減少，而前者的變化遠(yuǎn)比后者敏感。然而，分子內(nèi)原子之間的吸引力更強(qiáng)，更集中。絕對(duì)零度時(shí)，原子分子熱運(yùn)動(dòng)停止，液體分子穩(wěn)定，排斥力和吸引力完全抵消。溫度高于絕對(duì)零度低分子間的振動(dòng)復(fù)蘇隨熱的程度增大而增大；若液體和氣體的溫度充分高，氣體的平均動(dòng)能增大，則形成氣相。從分子間力與距離關(guān)系來(lái)看，距離大于平衡值是分子間引力將大于斥力，因而液體表面分子間表現(xiàn)為相互吸引力。2.2表面張力和表面自由能表面張力現(xiàn)象為什么水面上的小昆蟲能在水面上行走，而不會(huì)沉入水中？牛奶滴落在盤中的瞬間飛濺情形，呈現(xiàn)球狀，在盤上方的牛奶呈現(xiàn)近乎完美的球形？表面張力的演示實(shí)驗(yàn)（1）圓形金屬框上沾有肥皂泡沫，若將膜面上的棉線圈內(nèi)部的膜戳破，那么棉線圈將被液體的表面張力拉成圓形；表面張力的演示實(shí)驗(yàn)（2）橄欖油滴浮在同密度的水和酒精的混合液體中，由于表面張力的作用，油滴形成完美的球形。2.2.1.表面張力和表面張力系數(shù)表面張力的定義：

在液體表面存在一種力，它作用于液體表面使液體表面收縮，并趨于使表面積達(dá)到最小，我們把這種存在于液體表面，使液體表面收縮的力稱為液體的表面張力

表面張力，是液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力。表面張力(surfacetension)是物質(zhì)的特性，其大小與溫度和界面兩相物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。通常，由于環(huán)境不同，處于界面的分子與處于相本體內(nèi)的分子所受力是不同的。在水內(nèi)部的一個(gè)水分子受到周圍水分子的作用力的合力為0，但在表面的一個(gè)水分子卻不如此。因上層空間氣相分子對(duì)它的吸引力小于內(nèi)部液相分子對(duì)它的吸引力，所以該分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液體內(nèi)部，結(jié)果導(dǎo)致液體表面具有自動(dòng)縮小的趨勢(shì)，這種收縮力稱為表面張力。表面張力系數(shù)設(shè)想在液面上畫一條直線段，線段兩側(cè)液面均有收縮的趨勢(shì)，即有表面張力作用，該力與液面相切,與線段垂直，指向各自的一方,分別用F和F′表示，這恰為一對(duì)作用力與反作用力，F(xiàn)=-F′。。α為表面張力系數(shù)，表示液體表面單位長(zhǎng)度直線段上的表面張力，單位：N/m。由于線段上各點(diǎn)均有表面張力作用,線段越長(zhǎng),則合力越大。設(shè)線段長(zhǎng)為

l,則：

F=α

l

表面過(guò)剩自由能是單位面積表面分子的自由能與單位面積內(nèi)部分子的自由能的差值。表面張力系數(shù)是單位液體方面的過(guò)剩自由能，常稱為表面過(guò)剩自由能，它是將液體表面擴(kuò)大（縮小）單位面積，表面張力所做的功。2.2.2.表面過(guò)剩自由能如圖所示，鐵絲框上掛有液膜，表面張力系數(shù)為

，將AB邊無(wú)摩擦、勻速、等溫地右移△x，在AB邊上加的力為：F=2

l

，則在這個(gè)過(guò)程中外力F所做的功為:其中△S=2l△x,是AB向右移動(dòng)過(guò)程中液面面積的增量。外力克服分子間引力做功，液體表面能增加，若用△E表示表面能增量，則：表面張力系數(shù)在數(shù)值上等于增加單位液體表面積時(shí)，外力所需做的功，或增加單位液體表面積時(shí)，所增加的表面能——比表面能；液體表面張力和表面自由能是分別采用力學(xué)和熱力學(xué)方法研究液體表面性質(zhì)時(shí)所用的物理量。表面張力：表層分子間實(shí)際存在的表面收縮力表面自由能：形成一個(gè)單位的新的表面時(shí)體系自由能的增加。2.2.3影響液體表面張力的主要因素a.物質(zhì)的本性：與物質(zhì)的本性有關(guān)（表１-１）b.相界面的性質(zhì)：（表１-２）c.溫度的影響：溫度升高，表面張力下降d.壓力的影響：壓力增加，表面張力減?、俜肿恿τ^點(diǎn)：表面張力是由于液體表面層內(nèi)分子間相互作用與液體內(nèi)部分子間相互作用不同。2.2.4表面張力的產(chǎn)生機(jī)理分子力：在液體內(nèi)部的分子之間，彼此互相吸引力，忽略了斥力；分子作用球(約10-8m)

：在液體內(nèi)部P點(diǎn)任取一分子A,以A為球心，以分子有效作用距離為半徑作一球，稱為分子作用球。球外分子對(duì)A無(wú)作用力，球內(nèi)分子對(duì)A的作用力對(duì)稱分布，合力為零。

從表面層中Q、R、S點(diǎn)任取一分子，其分子作用球一部分在液體外，空氣密度比水小，破壞了表面層的分子受力的球?qū)ΨQ性；其受合力與液面垂直，指向液體內(nèi)部，這使得表面層內(nèi)的分子與液體內(nèi)部的分子不同,都受一個(gè)指向液體內(nèi)部的合力f

越靠近表面，受到的f

越大；在f

作用下，液體表面的分子有被拉進(jìn)液體內(nèi)部的趨勢(shì)。在宏觀上就表現(xiàn)為液體表面有收縮的趨勢(shì)。f

f

f

②從能量觀點(diǎn)來(lái)分析把分子從液體內(nèi)部移到表面層，需克服f⊥

作功;外力作功,分子勢(shì)能增加,即表面層內(nèi)分子的勢(shì)能比液體內(nèi)部分子的勢(shì)能大，表面層為高勢(shì)能區(qū);表面層內(nèi),各個(gè)分子勢(shì)能增量的總和稱為液體的表面能，用E

表示。任何系統(tǒng)的勢(shì)能越小越穩(wěn)定，所以表面層內(nèi)的分子有盡量擠入液體內(nèi)部的趨勢(shì)，即液面有收縮的趨勢(shì)，使液面呈緊張狀態(tài)，宏觀上就表現(xiàn)為液體的表面張力。體積一定,球體的表面積最小;2.3潤(rùn)濕現(xiàn)象潤(rùn)濕現(xiàn)象是指液體能接觸并附著在固體表面的現(xiàn)象潤(rùn)濕是指液體保持與固體表面接觸的能力。是因液體與固體接觸時(shí)二者的分子間作用力（即黏附力）引起的。潤(rùn)濕可分為沾濕、浸濕和鋪展三種類型。定義潤(rùn)濕:液體沿固體表面延展的現(xiàn)象，稱液體潤(rùn)濕固體。(水—玻璃)不潤(rùn)濕：液體在固體表面上收縮的現(xiàn)象，稱液體不潤(rùn)濕固體。(水—石蠟)潤(rùn)濕、不潤(rùn)濕與相互接觸的液體、固體的性質(zhì)有關(guān)。2.3.2接觸角與潤(rùn)濕方程在液體與固體接觸面的邊界處，作液體表面及固體表面的切線，這兩切線通過(guò)液體內(nèi)部的夾角稱接觸角

，用θ表示。當(dāng)液體與固體接觸時(shí)，嚴(yán)格地說(shuō)，是用體系表面能降低的多少來(lái)衡量液體對(duì)固體潤(rùn)濕程度的，降低得越多，潤(rùn)濕程度越高。

⊿G=---

當(dāng)體系自由能降低時(shí)，它向外做的功為：

Wa=+

-⊿G﹤0或Wa﹥0是液體潤(rùn)濕固體的條件

圖表示界面均為一個(gè)單位面積，固-液接觸時(shí)體系表面自由能⊿G的變化。2.3.2潤(rùn)濕方程接觸角是三個(gè)張力共同作用達(dá)平衡的結(jié)果

(1)物質(zhì)的本性

對(duì)同種固體而言，不同的液體與其接觸時(shí)，接觸角θ不同，如水能潤(rùn)濕玻璃，但水銀與玻璃卻產(chǎn)生不潤(rùn)濕現(xiàn)象。同一液體，對(duì)不同的固體而言，它的接觸角θ也不同，它可能是潤(rùn)濕的，也可能是不潤(rùn)濕的。例如水能潤(rùn)濕干凈的玻璃，卻不能潤(rùn)濕石蠟。2.影響接觸角的因素

(2)接觸角的滯后現(xiàn)象

當(dāng)固液界面擴(kuò)展時(shí)形成的接觸角稱為前進(jìn)角(advancingangle)，常以θa表示;固液界面回縮時(shí)的接觸角稱為后退角(recedingangle)，常以θr表示。前進(jìn)角與后退角常不相等的現(xiàn)象稱為接觸角滯后(contactanglehysteresis)，通常總是前進(jìn)角大于后退角.

(3)吸附及其他因素的影響

固體表面，特別是高能固體表面能自發(fā)地從周圍環(huán)境中(氣或液體)吸附某些組分而降低表面能，同時(shí)也改變了表面性質(zhì)，從而影響θ大小。其他如溫度、液滴形成時(shí)間等都可能對(duì)接觸角產(chǎn)生影響。2.3.3微觀解釋潤(rùn)濕、不潤(rùn)濕是由于分子力不對(duì)稱而引起。附著層：在固體與液體接觸處，厚度等于液體或固體分子有效作用半徑

（以大者為準(zhǔn)）的一層液體。內(nèi)聚力：附著層內(nèi)分子所受液體分子引力之和。附著力：附著層內(nèi)分子所受固體分子引力之和。(1)當(dāng)

f附>f內(nèi),A分子所受合力f垂直于附著層指向固體，液體內(nèi)部分子勢(shì)能大于附著層中分子勢(shì)能，液體內(nèi)的分子盡量擠進(jìn)附著層，使附著層擴(kuò)展，宏觀上表現(xiàn)為液體潤(rùn)濕固體。(2)當(dāng)

f附<f內(nèi),A分子所受合力f垂直于附著層指向液體內(nèi)部，液體內(nèi)部分子勢(shì)能小于附著層中分子勢(shì)能，附著層中分子盡量擠進(jìn)液體內(nèi)部，使附著層收縮，宏觀上表現(xiàn)為液體不潤(rùn)濕固體。2.3.4沾濕、浸濕和鋪展?jié)櫇耦愋团袛?)沾濕（adhesionalwetting）也稱粘附潤(rùn)濕，沾濕過(guò)程是液體與固體從不接觸到接觸，使部分液-氣界面和固-氣界面轉(zhuǎn)變成新的固-液界面的過(guò)程。

2).浸濕(immersion)是在恒溫恒壓可逆情況下，將具有單位表面積的固體浸入液體中，氣－固界面轉(zhuǎn)變?yōu)橐海探缑娴倪^(guò)程稱為浸濕過(guò)程。

3)鋪展等溫、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，這種過(guò)程稱為鋪展過(guò)程。

接觸角與潤(rùn)濕類型因此，在以接觸角表示潤(rùn)濕性時(shí)，習(xí)慣上就規(guī)定θ=90°為潤(rùn)濕與否的標(biāo)準(zhǔn)，即θ>90°為不潤(rùn)濕，θ<90°為潤(rùn)濕。使用接觸角θ可以判定潤(rùn)濕以何種方式進(jìn)行。當(dāng)θ≤180°時(shí)，可發(fā)生沾濕潤(rùn)濕現(xiàn)象；當(dāng)θ≤90°時(shí)，可發(fā)生浸濕潤(rùn)濕現(xiàn)象；當(dāng)θ≤0°時(shí)（或不存在），發(fā)生鋪展?jié)櫇瘳F(xiàn)象。2.4彎曲液面下的附加壓力1.在平面上對(duì)一小面積AB，沿AB的四周每點(diǎn)的兩邊都存在表面張力，大小相等，方向相反，所以沒(méi)有附加壓力

設(shè)向下的大氣壓力為po，向上的反作用力也為po

，附加壓力ps等于零。2.在凸面上由于液面是彎曲的，則沿AB的周界上的表面張力不是水平的，作用于邊界的力將有一指向液體內(nèi)部的合力

所有的點(diǎn)產(chǎn)生的合力為

ps

，稱為附加壓力凸面上受的總壓力為：3.在凹面上

由于液面是凹面，沿AB的周界上的表面張力不能抵消，作用于邊界的力有一指向凹面中心的合力

所有的點(diǎn)產(chǎn)生的合力為

ps

，稱為附加壓力凹面上受的總壓力為：彎曲表面上的附加壓力由于表面張力的作用，在彎曲表面下的液體與平面不同，它受到一種附加的壓力，附加壓力的方向都指向曲面的圓心(曲率半徑的方向)。凸面上受的總壓力大于平面上的壓力凹面上受的總壓力小于平面上的壓力附加壓力的大小與曲率半徑有關(guān)例如，在毛細(xì)管內(nèi)充滿液體，管端有半徑為R’

的球狀液滴與之平衡。外壓為

p0

，附加壓力為

ps，液滴所受總壓為：曲率半徑越小，附加壓力越大凸面上因外壓與附加壓力的方向一致，液體所受的總壓等于外壓和附加壓力之和，總壓比平面上大。相當(dāng)于曲率半徑取了正值。凹面上因外壓與附加壓力的方向相反，液體所受的總壓等于外壓和附加壓力之差，總壓比平面上小。相當(dāng)于曲率半徑取了負(fù)值。2.4.2附加壓強(qiáng)與曲率半徑的關(guān)系（1）平面：R1=R2=∞.則=0，即平面液面上不存在壓力差。（2）球面：R1=R2=R,則?P=

對(duì)凸液面，如液滴和玻璃管中的凸液面，可視為球面，凸液面下的壓強(qiáng)

這時(shí)凸形液面下的壓強(qiáng)大于平面液面。對(duì)凹液面，如液體中的氣泡、玻璃管中的凹液面，也可視為球面，凹液面下的壓強(qiáng)

這時(shí)凹形液面下的壓強(qiáng)小于平面液面。對(duì)肥皂泡，由于有內(nèi)外兩個(gè)液氣界面，則?P=

（3）圓柱面，因:R1=R,R2→∞,故:

?P=

其中R是柱面的圓形底面的半徑2.4.2附加壓強(qiáng)與曲率半徑的關(guān)系2.4.3液體的毛細(xì)現(xiàn)象當(dāng)把極細(xì)的玻璃管插入水中，管內(nèi)的水柱表面會(huì)呈凹形曲面，致使水柱上升到一定高度，當(dāng)插入汞中時(shí)，管內(nèi)汞面下降。這種現(xiàn)象稱為毛細(xì)現(xiàn)象。毛細(xì)現(xiàn)象是由于彎曲液面附加壓力而引起的液面與管外液面有高度差的現(xiàn)象。2.4.3毛細(xì)現(xiàn)象潤(rùn)濕管壁的液體在細(xì)管里升高，不潤(rùn)濕管壁的液體在細(xì)管里下降的現(xiàn)象。細(xì)管稱毛細(xì)管。原因：表面張力及潤(rùn)濕、不潤(rùn)濕。毛細(xì)管：紙張、燈芯、紗布中的纖維、土壤、植物的根莖等水在細(xì)玻璃管中水面上升；水銀在玻璃管中液面下降；1.液體潤(rùn)濕管壁

毛細(xì)管剛插入水中時(shí)，管內(nèi)液面為凹液面，PC=P0,PB<P0,B、C

為等高點(diǎn)，但PB<PC

，所以液體不能靜止，管內(nèi)液面將上升，直至PB=PC為止，此時(shí)：2.4.4毛細(xì)管內(nèi)液面的高度

2.液體不潤(rùn)濕管壁

毛細(xì)管剛插入水銀中時(shí)，管內(nèi)液面為凸液面，PC=P0,PB＞

P0,B、C

為等高點(diǎn)，但PB

＞

PC

，所以液體不能靜止，管內(nèi)液面將下降，直至找到等壓點(diǎn)為止，此時(shí)：3.平行板間潤(rùn)濕液面高度潤(rùn)濕液體在間距很小的兩平行板間也有毛細(xì)現(xiàn)象。該潤(rùn)濕液體的液面為園柱形的凹形彎月面.柱形液面對(duì)內(nèi)部液體產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)△P=α/R(R為園柱形的半徑)因此，在間距為d的平板間，潤(rùn)濕液體上升的高度恰為直徑d的管內(nèi)同樣液體上升高度的二分之一4）缺陷內(nèi)液面高度缺陷內(nèi)液面高度

以長(zhǎng)a，寬C，深b的狹長(zhǎng)細(xì)槽作零件上的裂紋模型來(lái)分析討論滲透探傷時(shí)滲透液滲入裂紋的毛細(xì)現(xiàn)象。裂紋模型如下圖，為開口于零件表面的裂紋，但不穿透。

當(dāng)滲透液施加于有表面開口裂紋的零件表面時(shí)，具有足夠潤(rùn)濕性能的滲透液將潤(rùn)濕裂紋內(nèi)表面，裂紋內(nèi)將形成向液體內(nèi)凹陷的（裂紋）的附加壓強(qiáng)P。裂紋寬度越小，附加壓強(qiáng)越大。這個(gè)附加壓強(qiáng)迫使?jié)B透液向裂紋內(nèi)滲透的同時(shí)，就壓縮裂紋內(nèi)已被滲透液封閉的氣體。

隨著滲透液的不斷滲透，裂紋內(nèi)氣體體積將越來(lái)越小，而氣體的反壓強(qiáng)P氣將越來(lái)越大，直到氣體的反壓強(qiáng)與液面上的附加壓強(qiáng)完全平衡為止。如果考慮零件外部大氣壓強(qiáng)P0，平衡時(shí)有：

P＋P0＝P氣要使?jié)B透液完全占有裂紋空間，就必須將裂紋內(nèi)氣體完全排除。（采取一定的措施）缺陷內(nèi)液面高度的計(jì)算

非穿透性缺陷（開口向上）設(shè)液體開始滲入凹槽時(shí)，槽內(nèi)氣體壓強(qiáng)為PO、體積為VO，液體滲入槽內(nèi)并處于平衡狀態(tài)時(shí)，槽內(nèi)氣體壓強(qiáng)為PK、體積為V，則由玻意耳-馬略特定律可得。由于凹槽深度方向上諸斷面面積是相同的，因此：把ΔP、PK

代入到上述平衡式中，得即有

式中是滲透劑的密度，整理后得下端封閉液面高度

圖中所示的非穿透性缺陷（開口向下），缺陷內(nèi)將形成一個(gè)向液體內(nèi)凹的彎月面，并且在彎月面上產(chǎn)生附加壓強(qiáng)，方向是指向封閉缺陷內(nèi)，如果考慮試件外大氣壓強(qiáng)PO的話，則平衡時(shí)就有：附加壓強(qiáng)ΔP+大氣壓強(qiáng)PO=缺陷內(nèi)受壓氣體產(chǎn)生的反壓強(qiáng)PK+液柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)，即有整理后得液面高度

橫向缺陷內(nèi)液面高度對(duì)于穿透性的缺陷，缺陷內(nèi)的空氣是很容易排出的，滲透劑向缺陷內(nèi)滲透就比較容易。如圖中橫向穿透性的缺陷，滲透過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力是由彎月面而產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)ΔP。式中，d為缺陷寬度；θ為接觸角。當(dāng)0°≤θ＜90°時(shí)，ΔP向著氣體一方，滲透過(guò)程可以自發(fā)進(jìn)行。小結(jié)分析：1.三種不同類型的缺陷：穿透性缺陷：液體潤(rùn)濕管壁、液體不潤(rùn)濕管壁及平行板間潤(rùn)濕液面高度非穿透性缺陷：下端封閉、上端封閉橫向缺陷2.滲透液表面張力系數(shù)的選?。簼M足：不能太小：影響滲透深度及易揮發(fā)滲透探傷中的毛細(xì)現(xiàn)象（1）滲透與毛細(xì)作用

滲透過(guò)程中，滲透液對(duì)受檢表面開口缺陷的滲透作用；實(shí)質(zhì)上是液體的毛細(xì)作用。例如，滲透液對(duì)表面點(diǎn)狀缺陷（如氣孔、砂眼等）的滲透，就類似于滲透液在毛細(xì)管內(nèi)的毛細(xì)作用；滲透液對(duì)表面條狀缺陷（如裂紋、夾渣和分層等）的滲透，就類似于滲透液在間距很小的兩平行板間的毛細(xì)作用。（2）顯像與毛細(xì)作用顯象過(guò)程中，滲透液從缺陷中回滲到顯象劑中形成缺陷顯示痕跡，也是由于毛細(xì)作用。顯像劑通常有兩個(gè)基本功能：吸附足量的從缺陷中回滲到工件表面的滲透劑通過(guò)毛細(xì)作用將滲透劑在工件表面橫向擴(kuò)展，放大缺陷顯示。

提供一個(gè)可觀察的背景2.5吸附現(xiàn)象所謂吸附就是在不相溶的兩項(xiàng)接觸時(shí)兩相中的某種或某幾種組分的濃度與它們?cè)诮缑嫦嘀袧舛炔煌默F(xiàn)象稱為吸附現(xiàn)象（adsorption).若界面上的濃度高于體相中的稱為正吸附；反之為負(fù)吸附。能吸附它物的物質(zhì)稱為吸附劑；被吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)。吸附量：對(duì)指定的吸附劑、吸附質(zhì)在一定的溫度和氣體壓力下，當(dāng)吸附達(dá)平衡時(shí)單位質(zhì)量的吸附劑吸附吸附質(zhì)的mol數(shù)，或kg數(shù)或標(biāo)態(tài)體積V，以Γ表示。常用吸附劑：活性炭、活性炭纖維、活性氧化鋁、硅膠和分子篩。2.5.2固體表面的吸附（固－液界面和固－氣界面）

吸附：物質(zhì)自一相內(nèi)部富集于界面的現(xiàn)象即為吸附現(xiàn)象。吸附現(xiàn)象在各種界面上都可發(fā)生。當(dāng)固體和液體或氣體接觸時(shí)，凡能把液體或氣體中的某些成分聚集到固體表面上來(lái)的現(xiàn)象，就是固體的吸附現(xiàn)象。能起吸附作用的固體稱為吸附劑，例如顯象劑粉末、活性碳、硅膠、分子篩等；被吸附在固體表面上的液體或氣體稱為吸附質(zhì)。例如顯象過(guò)程中，顯象劑粉末吸附缺陷中回滲的滲透液，顯象劑粉末是吸附劑，滲透液是吸附質(zhì)。用吸附量衡量吸附劑的吸附能力，是指單位質(zhì)量的吸附劑所吸附的吸附質(zhì)質(zhì)量，有時(shí)也指吸附劑單位表面積上所吸附質(zhì)量。吸附量數(shù)值越大，吸附劑吸附能力越強(qiáng)。固體被用作吸附劑，是因?yàn)楣腆w吸附劑有很大的表面積和很大的比表面。2.5.1液體表面的吸附現(xiàn)象吸附現(xiàn)象不僅發(fā)生在固體表面，還可發(fā)生在液體表面（液－液界面和液－氣界面）。在溶液吸附中（溶液是吸附劑），作為吸附質(zhì)使用最廣的是能降低表面張力和界面張力的表面活性劑。表面活性劑吸附在水表面上（液－氣界面）上，能降低水表面的表面張力；表面活性劑吸附在油－水界面上，能降低油－水界面的界面張力。

1).實(shí)驗(yàn)事實(shí)：

溶液濃度對(duì)表面張力的影響①②③以水溶液為例，純水在T一定時(shí)，有一定的表面張力為σo，加入溶質(zhì)形成溶液后，溶液的表面張力為σ，向水中加入的溶質(zhì)不同，溶液的σ不同：①溶質(zhì)為無(wú)機(jī)鹽類。CaCl2

、NaCl、H2SO4

、KOH、多羥基有機(jī)物（甘油、蔗糖等）σ＞σo

，C表＜C本。②溶質(zhì)為醇、醛、酸、酯σ＜σo

，C表＞C本。③溶質(zhì)為硬脂酸鈉，長(zhǎng)碳?xì)滏溣袡C(jī)酸鹽、烷基磺酸鹽，加入少量使σ迅速下降，達(dá)一定濃度后不變,C表＞C本。

2).定義：我們把溶質(zhì)在溶液表面層濃度和溶液內(nèi)部濃度不同的現(xiàn)象，稱為溶液的表面吸附現(xiàn)象。界面上的濃度高于體相中的濃度稱為正吸附：C表＞C本

界面上的濃度低于體相中的濃度稱為負(fù)吸附：C表＜C本

非表面活性物質(zhì)：加入溶劑中，使溶液表面張力上升，產(chǎn)生負(fù)吸附的物質(zhì)。

表面活性物質(zhì)：加入溶劑中，使溶液表面張力下降，產(chǎn)生正吸附的物質(zhì)。實(shí)際上，表面活性物質(zhì)是指加入少量可使溶液表面張力迅速下降的物質(zhì)。

3).解釋：等溫、等壓、組成不變時(shí)，dG=σdA，

純?nèi)軇?/p>

T一定，σ一定，只能靠減小表面積以達(dá)到減小G的目的。

對(duì)溶液來(lái)說(shuō)：當(dāng)溶質(zhì)加入后使σ＞σo

時(shí)，力圖使C表＜C本以達(dá)減小G的目的。當(dāng)溶質(zhì)加入后使σ＜σo

時(shí)，力圖使C表＞C本以達(dá)減小G的目的。

4).吸附等溫式

吉布斯于1878年用熱力學(xué)的方法導(dǎo)出了：

……吉布斯吸附等溫式

式中

Γ：表面吸附量。單位面積表面層所含溶質(zhì)的量比同

量溶劑在本體溶液中所含溶質(zhì)的量的超出值。

C：溶液的本體濃度

R：通用氣體常數(shù)

：一定溫度下，溶液的表面張力隨濃度的變化率。從公式可看出：加入溶質(zhì)使溶液σ降低，

＜0，則Γ＞0，正吸附。

加入溶質(zhì)使溶液σ升高，

＞0，則Γ＜0，負(fù)吸附。2.5.3物理吸附和化學(xué)吸附按照吸附現(xiàn)象的本質(zhì)：分為物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附化學(xué)吸附吸附力范德華力化學(xué)鍵力吸附分子層單分子層或多分子層單分子層吸附選擇性無(wú)選擇性有選擇性吸附穩(wěn)定性不穩(wěn)定、易解吸較穩(wěn)定、不易解吸吸附熱較小，近液化熱較大，近于化學(xué)反應(yīng)熱吸附率較快，速率少受溫度影響較慢，升溫速率加快2.5.4滲透檢測(cè)中的吸附現(xiàn)象顯像過(guò)程中，顯像劑粉末吸附從缺陷中回滲的滲透劑，從而形成缺陷顯示。（固-液界面）顯像劑粉末越細(xì)，比表面越大，吸附量越多，缺陷顯示越清晰。自乳化滲透法或后乳化滲透法，表面活性劑吸附在滲透劑-水界面，降低了界面張力，使工件表面多余的滲透劑得以順利清洗（液-液表面）提高缺陷表面對(duì)滲透劑的吸附可提高檢測(cè)靈敏度。滲透檢測(cè)全過(guò)程發(fā)生的主要為物理吸附2.6溶劑的溶解作用溶解是指一種或一種以上的物質(zhì)（固體，液體或氣體)以分子或離子狀態(tài)分散在液體分散媒的過(guò)程。其中，被分散的物質(zhì)稱為溶質(zhì)，分散媒稱為溶劑。溶解度是指在一定的溫度下，一定數(shù)量溶劑中溶質(zhì)溶解達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)已溶解了溶質(zhì)數(shù)量。1）溶解現(xiàn)象及溶解度研制滲透劑配方時(shí)，選擇理想的著色（熒光）染料及溶解該染料的理想溶劑，使其染料在溶劑中溶解度較高，對(duì)提高滲透檢測(cè)靈敏度有重要意義。2）滲透劑的濃度指一定量的滲透劑中所含著色（熒光）染料的量。3）相似相溶經(jīng)驗(yàn)法則化學(xué)結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)，彼此容易相互溶解；極性相似的物質(zhì)彼此容易相互溶解。溶解的一般規(guī)律：相似者相溶，指溶質(zhì)與溶劑極性程度相似的可以相溶。舉例介電常數(shù)原理極性溶劑水，甘油比較大水合作用非極性溶劑氯仿，苯，液狀石蠟，植物油，乙醚很低范德華力半極性溶劑乙醇，丙酮4）滲透檢測(cè)與溶解度、濃度

顯象劑中的白色粉末構(gòu)成毛細(xì)管，產(chǎn)生毛細(xì)作用，吸附滲透液。但是，吸附上來(lái)同樣數(shù)量的滲透液，有的看得見(jiàn)，有的看不見(jiàn)，這是由于滲透液的著色強(qiáng)度或熒光強(qiáng)度不同所致。所謂著色強(qiáng)度或熒光強(qiáng)度，實(shí)際上是缺陷內(nèi)被吸附出來(lái)的一定數(shù)量的滲透液在顯象后顯示色澤的能力。它與滲透液中著色染料或熒光染料的種類有關(guān)，與染料在滲透液中溶解度有關(guān)。

著色（熒光）強(qiáng)度用兩種方法來(lái)度量，一種是用滲透液的消光值K來(lái)度量（著色），另一種是用滲透液的臨界厚度來(lái)度量。滲透液的消光值越大，著色強(qiáng)度就越大，缺陷顯示就越清晰。提高滲透液的濃度，就可增大消光值K。（對(duì)著色液而言）滲透液的臨界厚度，是指被顯象劑吸附上來(lái)的滲透液，厚度到達(dá)某一值時(shí)，在增加其厚度，該滲透液的著色（熒光）強(qiáng)度不再增加，此時(shí)的液層厚度叫做滲透液的臨界厚度?？梢?jiàn)，臨界厚度越小，著色（熒光）強(qiáng)度就越大，越有利于缺陷的顯示。2.7表面活性劑與表面活性2.7.1表面活性和表面活性劑的定義表面活性是指甲物質(zhì)的加入能降低乙液體的表面張力，則稱甲對(duì)乙有表面活性。即：能使溶劑表面張力降低的性質(zhì)稱為表面活性。具有表面活性的物質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)。當(dāng)在溶劑中加入少量的表面活性物質(zhì)時(shí)，能明顯的降低溶劑的表面張力，改變?nèi)軇┑谋砻鏍顟B(tài)，產(chǎn)生潤(rùn)濕、乳化、起泡及增溶等一系列作用，這種表面活性物質(zhì)稱為表面活性劑。由于水是最常用的溶劑，故通常稱有表面活性均是指對(duì)水而言的。具有表面活性的物質(zhì)稱為表面活性物質(zhì)，表面活性劑都是表面活性物質(zhì)。表面活性劑：指能使目標(biāo)溶液表面張力顯著下降的物質(zhì)，以及降低兩種液體之間表面張力的物質(zhì)。表面活性劑一般為具有親水與疏水基團(tuán)的有機(jī)兩性分子，可溶于有機(jī)溶液和水溶液。有特殊吸附性能。了解：表面活性物質(zhì)為什么能使水的表面張力降低？表面活性劑是兩親分子,親水基是極性基團(tuán),親油基就是碳?xì)滏?表面活性劑溶于水后,由于親油部分希望脫離水,故在表面富集（稱為表面吸附）,親水基插在水中,親油基豎在水面.等于將水的表面變成了親油基緊密排列的表面,這種表面相當(dāng)于烷烴的表面,表面張力降低.溶劑表面張力與濃度的關(guān)系第1類（曲線A）：溶液表面張力隨濃度增加而緩慢升高，大致呈直線關(guān)系，如：無(wú)機(jī)酸、堿、鹽等第2類（曲線B）：溶液表面張力隨濃度增加而逐漸降低，如：有機(jī)酸、醇、醛等第3類（曲線C）：溶液表面張力濃度很低時(shí)急劇下降，很快達(dá)到最低點(diǎn)，此后溶液表面張力隨濃度變化很小，例如肥皂、長(zhǎng)鏈烷基苯磺酸鈉等(表面活性劑）2.7.2表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)表面活性劑分子在結(jié)構(gòu)上是不對(duì)稱的，均有疏水基團(tuán)與親水基團(tuán)組成。疏水基團(tuán)具有親油性，親水基團(tuán)具有親水性。從分子結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)看，表面活性劑的分子中都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即含有親水的極性基團(tuán)和憎水的非極性基團(tuán)。如：兩親分子（硬脂酸）2.7.3表面活性物質(zhì)的分類2.7.3表面活性劑分類

表面活性劑通常也按親水基團(tuán)的化學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)分類，親水基團(tuán)是離子結(jié)構(gòu)的稱為離子型，親水基團(tuán)是共價(jià)結(jié)構(gòu)的稱為非離子型。

離子型表面活性劑又可分為陽(yáng)離子型(親水基團(tuán)是陽(yáng)離子)、陰離子型(親水基團(tuán)是陰離子)和兩性型(親水基團(tuán)既有陽(yáng)離子又有陰離子)表面活性劑。

顯然陽(yáng)離子型和陰離子型的表面活性劑不能混用，否則可能會(huì)發(fā)生沉淀而失去活性作用。1.離子型的表面活性劑

溶入水后離解為大小不同，電荷相反的兩種離子，其中帶C-H鏈的大離子具表面活性。按其具有活性作用的是陰離子還是陽(yáng)離子，離子型的表面活性劑又分為陰離子型和陽(yáng)離子型。

①陰離子型的表面活性劑：羧酸鹽、硫酸酯鹽、磺酸鹽、磷酸酯鹽等。例如肥皂：RCOO﹣+Na+

RCOONa

②陽(yáng)離子型表面活性劑：胺鹽。例如C18H37NH3Cl

C18H37NH3++Cl–

2.非離子型表面活性劑

溶入水后不能離解為離子。酯類、酰胺類、聚氧乙烯醚類。例如：(1)聚乙二醇型HOCH2（CH2OCH2）nCH2OH(2)多元醇型多元醇型非離子表面活性劑主要有甘油的脂肪酸酯、季戊四醇的脂肪酸酯，山梨醇及失水山梨醇的脂肪酸酯。按親水基的種類分類羧酸鹽型表面活性劑磺酸鹽型表面活性劑硫酸酯鹽型表面活性劑磷酸酯鹽型表面活性劑胺鹽型表面活性劑季銨鹽型表面活性劑鎓鹽型表面活性劑多羥基型表面活性劑聚氧乙烯型表面活性劑陰離子型表面活性劑陽(yáng)離子型表面活性劑非離子型表面活性劑按表面活性劑的溶解性分類水溶性表面活性劑油溶性表面活性劑

按表面活性劑的應(yīng)用分類乳化劑、洗滌劑、潤(rùn)濕劑、發(fā)泡劑、消泡劑、分散劑、絮凝劑、滲透劑、增溶劑…非離子型表面活性劑：水溶液中不電離，穩(wěn)定性高，具有較好的溶解性能，在一般固體表面上也不發(fā)生強(qiáng)烈吸附。滲透檢測(cè)中常用的是非離子型表面活性劑。當(dāng)與水混合時(shí)，其粘度隨含水量而變化，在某一含水量范圍內(nèi)粘度有極大值，此范圍稱為非離子型乳化劑的凝膠區(qū)（見(jiàn)圖）在滲透檢測(cè)中的作用：清洗時(shí)：零件表面的大量水使乳化含水量越過(guò)凝膠區(qū)，使零件表面的滲透劑易于洗掉；而缺陷內(nèi)的水量在凝膠區(qū)，使乳化劑形成凝膠，提高了滲透檢測(cè)的靈敏度。2.7.4表面活性的基本性質(zhì)由于表面活物質(zhì)在結(jié)構(gòu)上極性不對(duì)稱。所以溶于水后親水基與水的親和力大于憎水基與水的排斥力。在水中表面活性分子通過(guò)二種方式達(dá)到穩(wěn)定：一種方式是把親水基留在水中，把憎水基伸向空氣并形成單分子膜；另一種方式是水中的表面活性劑分子以憎水基團(tuán)互相并攏在一起，形成各種形式的膠束。

界面吸附及定向排列當(dāng)溶液濃度較稀，吸附量不大時(shí)，表面活性劑分子在表面層有較大的活動(dòng)范圍，它們的排列不那么整齊，但其憎水基團(tuán)仍然傾向于逸出水面。

當(dāng)達(dá)到飽和吸附時(shí)，表面活性劑分子在水溶液緊密而有規(guī)則地定向排列著，水的表面就像覆蓋一層薄的表面膜，稱之為單分子膜（monomolecularfilm）。

界面吸附及定向排列膠束(micelle)的形成表面活性劑是兩親分子。溶解在水中達(dá)一定濃度時(shí)，其非極性部分會(huì)自相結(jié)合，形成聚集體，使憎水基向里、親水基向外，這種多分子聚集體稱為膠束。隨著親水基不同和濃度不同，形成的膠束可呈現(xiàn)棒狀、層狀或球狀等多種形狀。臨界膠束濃度(criticalmicelleconcentration)臨界膠束濃度簡(jiǎn)稱CMC

表面活性劑在水中隨著濃度增大，表面上聚集的活性劑分子形成定向排列的緊密單分子層，多余的分子在體相內(nèi)部也三三兩兩的以憎水基互相靠攏，聚集在一起形成膠束，這開始形成膠束的最低濃度稱為臨界膠束濃度。

這時(shí)溶液性質(zhì)與理想性質(zhì)發(fā)生偏離，在表面張力對(duì)濃度繪制的曲線上會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。繼續(xù)增加活性劑濃度，表面張力不再降低，而體相中的膠束不斷增多、增大。臨界膠束濃度(criticalmicelleconcentration)界面張力表面張力臨界膠束濃度去污作用密度改變電導(dǎo)率摩爾電導(dǎo)率滲透壓濃度表面活性劑溶液的性質(zhì)臨界膠束濃度時(shí)各種性質(zhì)的突變2.7.5表面活性劑的親憎平衡值(HLB值)HLB值是一個(gè)相對(duì)值，規(guī)定親油性強(qiáng)的石蠟（完全無(wú)親水性）的HLB值為0.；親水性強(qiáng)的聚乙二醇（完全是親水基）的HLB值為20，以此標(biāo)準(zhǔn)制定出其他表面活性劑的HLB值。HLB值越小，親油性越強(qiáng)；反之，親水性越強(qiáng)。表面活性劑的HLB值表面活性劑都是兩親分子，由于親水和親油基團(tuán)的不同，很難用相同的單位來(lái)衡量親水基團(tuán)的親水性和親油基團(tuán)的親油性可以有兩種類型的簡(jiǎn)單的比較方法1.表面活性劑的親水性＝親水基的親水性－憎水基的憎水性表面活性劑的HLB值HLB值=親水基質(zhì)量親水基質(zhì)量+憎水基質(zhì)量×100/5例如：石蠟無(wú)親水基，所以HLB=0

Griffin（格里芬）提出了用HLB(hydrophile-lipophilebalance，親水親油平衡)值來(lái)表示表面活性劑的親水性 聚乙二醇，全部是親水基，HLB=20。其余非離子型表面活性劑的HLB值介于0～20之間。HLB值的實(shí)際含義

HLB值代表親水基和親油基的平衡值，用來(lái)衡量親水與親油能力的強(qiáng)弱，實(shí)際上主要表征了表面活性劑的親水性；HLB值越高，親水性越強(qiáng)；HLB值越低，親水性越弱。根據(jù)需要，可根據(jù)HLB值選擇合適的表面活性劑HLB值02468101214161820

||———||——||——||——||

石蠟W/O乳化劑潤(rùn)濕劑洗滌劑增溶劑| |————|聚乙二醇

O/W乳化劑例如：HLB值在2～6之間，作油包水型的乳化劑8～10之間作潤(rùn)濕劑；12～18之間作為水包油型乳化劑。非離子型表面活性劑的H.L.B值=(親水基的摩爾部分/表面活性劑的摩爾部分)*(100/5)實(shí)例

1mol月桂醇與10mol環(huán)氧乙烷（EO）通過(guò)加成反應(yīng)可以制得非離子表面活性劑月桂醇聚氧乙烯醚HLB=（44×10）/（186+44×10）（100/5）=14.1具有乳化、去污和滲透等作用

2.7.6表面活性物質(zhì)的作用（1）潤(rùn)濕作用（2）乳化作用（3）增溶作用應(yīng)用洗衣粉洗手液清洗劑2.8滲透檢測(cè)的光學(xué)基礎(chǔ)原子和分子的結(jié)構(gòu)原子由原子核和核外電子組成。原子核位于原子中心，電子在原子核外做繞核運(yùn)動(dòng)。分子則比原子復(fù)雜，原子核在中間，但外層電子有兩種形式，一是組成電子對(duì)，二是組成離子鍵。光和分子的相互作用光具有波粒二象性光是一種電磁波激發(fā)一個(gè)電子所需要的最低的能量為ΔE=E2-E1=hv=hc/λ滲透檢測(cè)用光著色探傷時(shí)，觀察時(shí)使用白光其波長(zhǎng)范圍為400-760nm,可由白熾燈、日光燈或日光等得到熒光探傷時(shí)，使用紫外線，它是一種比可見(jiàn)光波長(zhǎng)更短的不可見(jiàn)光，也稱黑光。其波長(zhǎng)范圍為330-390nm，中心波長(zhǎng)365nm，一般用黑光燈得到。紫外線能使熒光液產(chǎn)生熒光，熒光探傷就是利用熒光液受紫外線照射而激發(fā)產(chǎn)生熒光這一現(xiàn)象為基礎(chǔ)的。其熒光波長(zhǎng)約為510-550nm，其中心波長(zhǎng)為550nm，呈黃綠色。2.8.2發(fā)光原理

在正常狀態(tài)下，原子將處于最小能級(jí)的穩(wěn)定狀態(tài)中，如果在外界能量作用下，如光的照射，電子轟擊等，電子將吸收能量從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，這種狀態(tài)原子，稱為受激原子。當(dāng)原子從受激態(tài)回到正常態(tài)時(shí)，即電子從高能級(jí)回到低能級(jí)時(shí)，受激電子以光的形式放出它受激時(shí)所吸收的能量。處于基態(tài)的分子吸收能量(電、熱、化學(xué)和光能等)被激發(fā)至激發(fā)態(tài)，然后從不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)返回至基態(tài)并發(fā)射出光子，此種現(xiàn)象稱為發(fā)光。2.8.3光的吸收和光致發(fā)光光在介質(zhì)中傳播是部分能量被介質(zhì)吸收的現(xiàn)象。光的吸收遵守：

典型的吸收線幾個(gè)概念基態(tài)：原子處于最小能量的穩(wěn)定狀態(tài)熒光：某些物質(zhì)在收到一定波長(zhǎng)的激勵(lì)后，在極短的時(shí)間里會(huì)發(fā)射出波長(zhǎng)大于激發(fā)波長(zhǎng)的光，稱為熒光。磷光物質(zhì)：外界光源停止照射后仍能發(fā)光的物質(zhì)。自致發(fā)光：被紫外線激發(fā)而發(fā)光的現(xiàn)象。光致發(fā)光（熒光、磷光）

原來(lái)在白光下不發(fā)光的物質(zhì)，在紫外線等外輻射源的作用下，能夠發(fā)光，這種現(xiàn)象稱為光致發(fā)光。當(dāng)外輻射源停止后，發(fā)光立即停止的稱為熒光，否則稱為磷光。2.8.5熒光和磷光的產(chǎn)生激發(fā)過(guò)程能級(jí)的躍遷電子的自旋狀態(tài)改變，或具有順磁性或具有抗磁性。發(fā)射過(guò)程

處于激發(fā)態(tài)的分子不穩(wěn)定，以輻射躍遷或無(wú)輻射躍遷的方式回到基態(tài)。輻射越前的去活方式是發(fā)生光子反射，產(chǎn)生熒光和磷光。無(wú)輻射越前的去活方式以熱的形式失去多余能量。包括振動(dòng)弛豫，內(nèi)轉(zhuǎn)換，熒光發(fā)射，系間跨越及外轉(zhuǎn)換，磷光發(fā)射等過(guò)程。分子產(chǎn)生熒光必須具有的兩個(gè)條件：1、必須具有與所照射的輻射頻率相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)，才能吸收激發(fā)光。2、必須具有一定的熒光量子產(chǎn)率。

熒光量子產(chǎn)率=發(fā)熒光的分子數(shù)/激發(fā)態(tài)的分子數(shù)影響熒光強(qiáng)度的因素1.溶劑濃度2.溫度3.溶液PH值4.熒光的熄滅導(dǎo)致熒光猝滅的原因：碰撞，靜態(tài)，轉(zhuǎn)入三重態(tài)，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，熒光物質(zhì)的自猝滅。熒光強(qiáng)度If正比于吸收的光量Ia與熒光量子產(chǎn)率

。熒光滲透劑的熒光發(fā)光效率指熒光染料吸收紫外線轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)熒光的效率，直接影響熒光強(qiáng)度的大小。熒光滲透劑發(fā)光時(shí)各變量的關(guān)系可表達(dá)為

If=

I0(1-e-KCX)

2.8.6發(fā)光強(qiáng)度，亮度，光通量和照度

發(fā)光強(qiáng)度是指光源向某方向單位立體角發(fā)