材料表界面-第四章教程文件.ppt

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1、第四章液-固界面4.1Young方程和接触角在气、液、固三相交界点，自固-液界面经过液体内部到气-液界面的夹角称为接触角，通常用q表示。θθ4.1Young方程和接触角（1）θ=0，完全润湿，液体在固体表面铺展。（2）0<θ<90°，液体可润湿固体，且θ越小，润湿越好。（3）90°<θ<180°液体不润湿固体。（4）θ=180°，完全不润湿，液体在固体表面凝成小球。4.1Young方程和接触角θ从力学观点推导Young方程4.1Young方程和接触角从能量观点推导Young方程系统自由焓的变化当液体滑动

2、时，应有：代入得：平衡时，dG=0,故假定液滴足够小，重力影响可以忽略。现液体发生一个小的位移，使各相界面的面积变化分别为：dA液气，dA固气，dA固液停滴法吊片法电子天平法4.2接触角的测定方法4.2接触角的测定方法1.停留法θ2rh在光滑、均匀、水平的固体表面上放一小液滴，因液滴很小，重力作用可忽略。将液滴视作球形的一部分，测出液滴高度h与底宽2r。由简单的几何分析可求出。1.停留法4.2接触角的测定方法仪器结构主要由光源、工作台、底座、放大镜、滴液器等部分组成。4.2接触角的测定方法2.吊片法将表

3、面光滑、均匀的固体薄片垂直插入液体中，如果液体能够润湿此固体，则将沿薄片平面上升。升高值h与接触角之间的关系为：sin=1(gh2／2LG)在已知LG的条件下，不难由上式求出。若液面上升高度为h，由laplace方程由于：所以：且：有：附：吊片法推导公式令：则定积分：得：或：4.2接触角的测定方法3.电子天平法设一根纤维浸在某液体中，纤维的另一端挂在电子天平的测量臂上。用升降装置使液面逐渐下降。纤维经(b)状态脱离液面，在纤维脱离液面的瞬间，电子天平测出该变化过程中力的变化P，由记录仪记

4、下如右图的曲线。如果液体完全润湿纤维，则P=2rL式中r为纤维半径。若选用半径已知金属纤维，使液体能够完全润湿纤维，则测出P，即可求出液体的表面张力L。如果液体与纤维之间的接触角为，则有P=2rLcos若纤维的半径r和液体表面张力L已知，则用电子天平法测出P后，即可求出接触角。4.2接触角的测定方法3.电子天平法4.2接触角的测定方法3.电子天平法应用电子天平方法还可测定两种互不相溶液体之间的界面张力和界面接触角。如图所示，L1和L2为互不相溶两种液体。纤维S插入通过L1，L2

5、的界面，当升降装置下降，在纤维离开L1／L2界面的瞬间，电子天平测出该过程的力变并记录下来。在测试中若纤维用铂金丝，以保证被液体完全润湿，则：P=2rL1/L2测定P可求出两种互不相溶液体的界面张力L1/L2。若界面张力L1/L2已知，液体与纤维之间存在接触角L1/L2，则：P=2rL1/L2cosL1/L2因此，测定P可求出纤维在L1／L2界面的接触角L1/L2。4.2接触角的测定方法3.电子天平法另一种电子天平法使用一束纤维，而不是一根纤维，如左图所示。在塑料管中充填一束纤

6、维，充填率=0.470.53。使纤维束与液面接触，因毛细现象，液体沿着纤维间空隙上升，用电子天平测出增重量m随浸润时间变化，可得如下曲线。通过流体力学分析，可推导得出如下公式：m2=(W121cos／H2WfAP1)t式中：m为在润湿时刻t时的增重量，由实验记录；W1为平衡时的总增重量，由实验测定；H为纤维的充填高度，可量取；为浸润液粘度，可查取；Wf为纤维的充填质量，可称取；AP为纤维的比表面积，可查取或测定；1为液体的密度，可查取或测定；1为液体的表面张力，可测定或查取。4.2接

7、触角的测定方法3.电子天平法按上式，以m2-t作图，可得直线。该直线的斜率即为式中t的系数。由斜率即可求出接触角。停滴法吊片法电子天平法4.2接触角的测定方法决定和影响接触角大小的因素物质的本性(1)液体与固体表面性质差别越大接触角越大。(2)在同一固体上液体的表面张力越大，接触角越大。2.接触角的滞后现象（1）表面粗糙性（2）表面不均匀性（3）表面污染4.3接触角的滞后现象4.3.1前进角和后退角前进角θa最大前进角θa,max后退角θr最小后退角θr,min在理想光滑、组成均匀的表面上的平衡接触角

8、就是Young氏角。许多实际表面都是粗糙的或是不均匀的，液滴可以处在稳定平衡态（即最低能量态），也可处于亚稳平衡态，即出现接触角的滞后现象。接触角滞后的原因是由于液滴的前沿存在着能垒。4.3接触角的滞后现象引起接触角滞后的原因：固体表面的粗糙度固体表面的不均匀性和多相性固体表面的污染4.3.2由于表面粗糙引起的滞后A：真正表面积；A’：表观表面积当液滴向前推进时，固液界面的真正面积增加rdS，固气界面的真正面积相应减少rdS，液气界面的真正