表面工程技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)(編輯修改稿)
2024-09-19 18:26 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 肥皂膜 增大 (液體 )表面積所需要的功 (能量 ) 就是 (液體 )表面自由能。 ?表面自由能： 若使上圖活動(dòng)邊 AB移動(dòng) dx的距離，根據(jù)表面自由能的定義，表面自由能與液膜面積的變化關(guān)系為： G=F?dx=2σL?dx 稱單位面積的表面自由能為 比表面自由能 (Fs)，即： Fs=G/S=2σL?dx/2L?dx = σ 由此可知，液體的比表面自由能 Fs與表面張力 σ在數(shù)值上是相等的，其單位為：J/m2 （實(shí)際上， 1J/ m2=1N?m/m2=1N/m，故二者是有聯(lián)系的。但一個(gè)是單位面積的能，而另一個(gè)則為單位長(zhǎng)度的力。 ） 液體表面自由能和表面張力在數(shù)學(xué)上是相等的，容易測(cè)定。 x L F A B σ σ σ 肥皂膜 1.（固體）表面（自由）能 ? 嚴(yán)格意義上的表面能是指材料表面的內(nèi)能，無(wú)法測(cè)量其絕對(duì)值。 ? 常用 表面自由能 來(lái)描述材料表面能量的變化，其物理意義是指產(chǎn)生 1cm2新表面需消耗的等溫可逆功。 ? 若不考慮重力，一定體積的液體平衡時(shí)總?cè)A球狀，因?yàn)檫@樣表面積最小，表面能最低。 ? 固體的外表面總是由若干種原子排列不同的晶面組成的，一定體積的固體必然要構(gòu)成總的表面自由能最低的形狀。（粉末團(tuán)聚） 2．（固體）表面張力 ? 表面張力是表面能的一種物理表現(xiàn)，是由于原子間的作用力以及 原子 在表面和內(nèi)部的排列狀態(tài)的差別而引起的。 ? 表面張力和表面自由能的關(guān)系密切。 ? 液體表面自由能和表面張力在數(shù)學(xué)上是相等的，容易測(cè)定。 ? 固體的表面張力很難準(zhǔn)確測(cè)定。 表面自由能和表面張力對(duì)其表面性能影響極大，應(yīng)充分重視。 六、固體表面的物理吸附和化學(xué)吸附 1． 吸附的基本特性 ? 吸附現(xiàn)象（吸咐作用）： 物體表面上的原子或分子力場(chǎng)不飽和，有吸引周圍其它物質(zhì) (主要是氣體、液體 )分子的能力。 ? 定義：當(dāng)氣體和液體與固體表面接觸時(shí)，在固體表面的氣體或液體增加或減少的現(xiàn)象稱為吸附現(xiàn)象 ? 吸附是固體表面最重要的性質(zhì)之一。 ? 固體表面的吸附可分為物理吸附和化學(xué)吸附兩類。（表 21） （自學(xué)部分） （ 重要 ） —— 萊賓杰爾效應(yīng) （ 重要 ） 七、固體表面的潤(rùn)濕 1. 潤(rùn)濕現(xiàn)象與機(jī)理 ? 定義： 液體在固體表面上鋪展的現(xiàn)象。 ? 親水物質(zhì)、疏水物質(zhì)： ? 潤(rùn)濕角： θ θ σL－ G ? 潤(rùn)濕程度的定義： 潤(rùn)濕和不潤(rùn)濕不是截然分開(kāi)的。 ? Young方程： ? Young方程反映了 潤(rùn)濕角的大小與三相界面張力之間的定量關(guān)系 ： ? 機(jī)理 ： 潤(rùn)濕與否取決于液體分子間相互吸引力 (內(nèi)聚力 )和液一固分子間吸引力 (粘附力 )的相對(duì)大小。若液一固粘附力較大，則液體在固體表面鋪展，呈潤(rùn)濕；若液體內(nèi)聚力占優(yōu)勢(shì)則不鋪展，呈不潤(rùn)濕。 當(dāng)液體（或固體）種類確定時(shí)，選擇合適極性的固體（或液體）將直接影響潤(rùn)濕程度。 ? 液體在固體表面（理想的平滑表面）的鋪展系數(shù)為： 當(dāng) SL/S=0時(shí)，鋪展（完全潤(rùn)濕） 當(dāng) SL/S＜ 0時(shí)，不鋪展（不完全潤(rùn)濕或完全不潤(rùn)濕） 當(dāng) SL/S ＞ 0時(shí)，自動(dòng)展開(kāi)， Young方程已不適用 ? 液體在粗糙的固體表面的鋪展系數(shù)為： ? 粗糙表面的鋪展系數(shù)遠(yuǎn)大于光滑表面的（ 當(dāng) cosθ＞ 0時(shí) ） 表面工程技術(shù)實(shí)施前，材料表面狀態(tài)（表面預(yù)處理工藝）對(duì)表面改性層質(zhì)量的影響至關(guān)重要。 ≤0 潤(rùn)濕理論在各種工程技術(shù)尤其是表面工程技術(shù)中應(yīng)用很廣泛。 ? 增強(qiáng)潤(rùn)濕程度： 表面活性物質(zhì)－減小潤(rùn)濕角 表面適度粗化－增大鋪展系數(shù) 中間層 成分優(yōu)化 …… ? 降低潤(rùn)濕程度： 表面惰性物質(zhì)－增大潤(rùn)濕角 表面平滑－減小鋪展系數(shù) 不粘涂層：炊具、潔具、防腐蝕等 成分優(yōu)化 …… 材料磨損原理及其耐磨性 ? 磨損是材料三大主要失效形式之一，它造成的經(jīng)濟(jì)損失和 社會(huì)影響 是十分巨大的。 ? 耐磨性是一個(gè)系統(tǒng)性質(zhì)（非 “ 固有特性 ” ），受到摩擦學(xué)系統(tǒng)中接觸條件、工況、環(huán)境、介質(zhì)等多方面因素的影響。 ? 材料的磨損始于表面， 表面性能是決定材料耐磨性的關(guān)鍵 。 ? 不同的磨損失效過(guò)程和方式，要求不同的材料表面性能。 一、固體材料的摩擦與磨損 “ 定律 ” ?摩擦的定義：相互接觸的物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生阻力，稱為摩擦。 ?摩擦存在于固體、氣體和液體之間。 ?磨損的定義：相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)摩擦過(guò)程中不斷產(chǎn)生損失或殘余變形的現(xiàn)象。 材料的摩擦與磨損是因果關(guān)系。 ? 摩擦學(xué)三 “ 定律： ①摩擦力與兩接觸體之間的表觀接觸面積無(wú)關(guān) (第一定律 )； ②摩擦力與兩接觸體之間的法向載荷成正比 (第二定律 )； ③兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)物體表面的界面滑動(dòng)摩擦阻力與滑動(dòng)速度無(wú)關(guān) (第三定律 )。 F為摩擦力 (切向力 )； N為法向力 (載荷 )； μ為摩擦系數(shù)。 ? 材料或體系的耐磨性高低一般用摩擦系數(shù)來(lái)表征。 ? 人們往往認(rèn)為“摩擦學(xué)中無(wú)定律”。 ? 摩擦分為四類： 干摩擦：無(wú)潤(rùn)滑摩擦，滑動(dòng)摩擦 邊界潤(rùn)滑摩
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