固体表面润湿性机理及模型

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1、李小兵等：固体表面润湿性机理及模型3919*固体表面润湿性机理及模型李小兵，刘莹（南昌大学机电工程学院，江西南昌330031）摘要：润湿性是固体表面的重要特征之一。人工控子密度远大于气相的分子引力，致使合力不再为零，而制和制备固体表面润湿性已成为研究的热点，而且逐渐是具有一定的量值且指向液相的内侧。由于这个拉力的被应用于国防、工农业生产和人们日常生活等不同领存在，使得液体表面的分子，相对于液体内部分子处于域。论述了固体表面润湿性的有关理论基础，包括表面较高能量态势，随时有向液体内部迁移的可能，处于一张力、表面自由

2、能、润湿过程及其条件。分析了固体表种不稳定的状态。液体表面分子受到的拉力形成了液体面接触角的Young模型、Wenzel模型和Cassie模型等几的表面张力，相对于液体内部所多余的能量，就是液体种理论模型，以及解释了接触角滞后现象。的表面过剩自由能。由于表面张力或表面过剩自由能的关键词：润湿性；表面张力与表面能；润湿过程；接存在，在没有外力作用时，液体都具有自动收缩成为球触角形的趋势，这是因为在体积一定的几何形体中球体的表中图分类号：TB34；TB383文献标识码：A面积最小。系统处于稳定平衡时，势能应为最小。因此

3、，文章编号：1001-9731(2007)增刊-3919-06一定质量的液体，其表面要尽可能收缩，使表面能成为最小。1引言润湿性是固体表面的重要特征之一，人工控制和制备固体表面润湿性以及自清洁表面在国防、工农业生产和人们日常生活中有着重要的应用前景，引起了人们的[1~4]普遍关注。随着对自然界中自清洁现象和润湿性可控表面的深入研究，制备无污染、自清洁表面的梦想成图1液体表面、内部分子的能量为现实。从而，深入地研究固体表面润湿性的理论基础Fig1Energyofliquidsurfaceandinteriormole

4、cules以及理论模型，有利于推动固体表面润湿性的发展和应设当表面扩展的微面积为dA时，表面张力所作的用，为控制和制备固体表面润湿性提供理论依据。元功为－δW，因为表面分子受到指向液相内侧的拉力，要扩展表面，液相内部的一部分分子就要向表面移动，2表面张力与表面自由能所以作负功。在表面扩展过程中，元功－δW与微面积增量dA成正比，令γ为比例系数，则有：固体表面润湿性由表面的化学组成和微观几何结构共同决定[5]。而表面张力、表面自由能是固体表面润－δW=γ·dA（1）又因为在怛温恒压条件下，在表面扩展的过程中，湿性研究

5、和应用的理论基础。体系对外界所做的功即为δW，而δW应等于在此过程表面张力、表面过剩自由能是描述物体表面状态的中体系自由能的减少（-dGT.P），故（1）式可写作：物理量。表面层里的液体分子都受到指向液体内部的引dGT.P=γ·dA力作用，因此，要把液体分子从内部移到表面层中，必亦即：须克服这种引力做功，所做的功变成分子势能。这样，γ＝(dG/dA)T.P（2）位于表面层内的液体分子，比起内部的液体分子，具有从（2）式中看出，γ的物理意义是：在恒温恒压条较大的势能。表面层中全部分子所具有的额外势能总件下，增加单位表

6、面积表面所引起的体系自由能的增和，称为表面能。表面能是内能的一种形式，液体的表量，也就是单位表面上的分子比相同数量的内部分子过面越大，具有较大势能的分子数越多，表面能就越大。剩的自由能，因此，叫比表面过剩自由能，常简称为“比液体表面或固体表面分子与其内部分子的受力情2表面能”，单位是J/m。因为1J＝1N·m，所以，一种物形是不同的，因而所具有的能量也是不同的。以液体为质的比表面能与表面张力数值上完全一样，量纲也一例，如图1所示，处在液相内部的分子，四周被同类分样，但物理意义有所不同，所用的单位也不同。子所包围，受

7、周围分子的引力是对称的，因而相互抵消，以上讨论有关液体表面张力的问题也可以推广到合力为零；处在液体表面的分子则不然，因为液相的分固体，固体表面的分子和液体表面的分子一样，比内部*收到稿件日期：2007-01-08通讯作者：刘莹作者简介：李小兵（1979－），男，讲师，博士生，从事表面工程与摩擦学研究。3920功能材料2007年增刊（38）卷分子具有过剩的自由能，固体的表面张力或比表面能一铺展是指液体在固体表面上扩展过程中，“液-固”般比液体大得多。固－液相接触或液-液相接触的比表界面取代“气-固”界面的同时，液体表

8、面也扩展的过面能γSL或γLL的物理意义是：单位面积相界面上两相物程，体系还增加了同样面积的“气-液”界面。所以在质的分子，各自比相同数量的本相内部分子过剩自由能恒温恒压下，单位铺展面积上体系自由能的变化为：的加和值。当γSL或γLL取N/m为单位时，通常称为界（表）ΔG＝γSL＋γLG－γSG面张力（γ）。体系对外所作的功W（也叫铺展系数S，S的大小常以γ