材料表界面第四章

材料表界面第四章第1页，课件共58页，创作于2023年2月第2页，课件共58页，创作于2023年2月一、Young方程和接触角四、黏附功和内聚能五、Young-Dupre公式二、接触角的测定方法第四章液-固界面三、接触角的滞后现象六、润湿过程的三种类型第3页，课件共58页，创作于2023年2月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。θ第4页，课件共58页，创作于2023年2月θ4.1Young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。第5页，课件共58页，创作于2023年2月4.1Young方程和接触角θ从力学观点推导Young方程第6页，课件共58页，创作于2023年2月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固液第7页，课件共58页，创作于2023年2月第8页，课件共58页，创作于2023年2月第9页，课件共58页，创作于2023年2月第10页，课件共58页，创作于2023年2月停滴法吊片法电子天平法4.2接触角的测定方法第11页，课件共58页，创作于2023年2月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。第12页，课件共58页，创作于2023年2月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。第13页，课件共58页，创作于2023年2月4.2接触角的测定方法2.吊片法将表面光滑、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

。第14页，课件共58页，创作于2023年2月若液面上升高度为h，由laplace方程由于：所以：且：有：附：吊片法推导公式第15页，课件共58页，创作于2023年2月令：则定积分：得：或：第16页，课件共58页，创作于2023年2月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，由记录仪记下如右图的曲线。第17页，课件共58页，创作于2023年2月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.电子天平法第18页，课件共58页，创作于2023年2月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。

第19页，课件共58页，创作于2023年2月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。第20页，课件共58页，创作于2023年2月

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

。第21页，课件共58页，创作于2023年2月停滴法吊片法电子天平法4.2接触角的测定方法第22页，课件共58页，创作于2023年2月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）表面污染第23页，课件共58页，创作于2023年2月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。第24页，课件共58页，创作于2023年2月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第25页，课件共58页，创作于2023年2月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，液气界面的真正面积增加dScosθw。式中θy为Young接触角，上式叫做Wentzel方程。它表明粗糙表面的cosθw的绝对值总比平滑表面的cosθy大。如图所示，在平衡状态下有：4.3接触角的滞后现象第26页，课件共58页，创作于2023年2月（1）当θy<90°时，表面粗糙化将使接触角更小。润湿性更好。（2）当θy>90°时，表面粗糙化将使接触角变大。润湿性更差。（3）可见，接触角越小，表面粗糙度的影响越大，要得到准确的接触角，特别注意表面要光滑。第27页，课件共58页，创作于2023年2月4.3.3由于表面不均匀性和多相性引起的滞后4.3接触角的滞后现象

在相的交界处存在着能垒，液体的前沿往往停留在相的交界处。前进角往往反映表面能较低的区域，或反映与液体亲和力弱的那部分固体表面的性质，而后退角往往反映表面能较高的区域，或反映与液体亲和力强的那部分固体表面的性质。第28页，课件共58页，创作于2023年2月

无论是液体或是固体的表面，在污染后都会引起滞后现象。表面污染往往来自液体和固体表面的吸附作用，从而使接触角发生显著变化。影响接触角的因素十分复杂，所以在测定时，要尽可能控制测定环境的温度、湿度、液体的蒸气压、固体表面的清洁度和粗糙度等因素。4.3.4表面污染4.3接触角的滞后现象第29页，课件共58页，创作于2023年2月决定和影响接触角大小的因素

接触角的滞后现象（1）表面粗糙性（2）表面不均匀性（3）表面污染第30页，课件共58页，创作于2023年2月一、Young方程和接触角四、黏附功和内聚能五、Young-Dupre公式二、接触角的测定方法三、接触角的滞后现象六、润湿过程的三种类型第31页，课件共58页，创作于2023年2月你有试过晾晒自己的心情么？

这么好的阳光，这么好的天气，如果有很多不开心的事情，让阳光晒凉一下你的心情经常都在说：生活也许不能每天都阳光灿烂，但是我们可以每天给生活一个微笑，给自己一缕阳光，试试看，这样你的心情会好的。

第32页，课件共58页，创作于2023年2月4.4黏附功和内聚能液固拉开黏附在等温等压条件下，单位面积的液面与固体表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功，它是液体能否润湿固体的一种量度。粘附功越大，液体越能润湿固体，液-固结合得越牢。

在粘附过程中，消失了单位液体表面和固体表面，产生了单位液-固界面。粘附功就等于这个过程表面吉布斯自由能变化值的负值。第33页，课件共58页，创作于2023年2月液拉开结合4.4黏附功和内聚能等温、等压条件下，两个单位液面可逆聚合为液柱所作的最大功称为内聚能，是液体本身结合牢固程度的一种量度。

内聚时两个单位液面消失，所以，内聚功在数值上等于该变化过程表面自由能变化值的负值。第34页，课件共58页，创作于2023年2月对固液界面，粘附功：

考虑到与气相平衡

Young方程：W固液=σ液气(1+cosθ)4.5Young-Dupre公式第35页，课件共58页，创作于2023年2月4.5Young-Dupre公式W固液=σ液气(1+cosθ)(1)上式如果θ=0°，则:

也即粘附功等于液体的内聚功，固-液分子间的吸引力等于液体分子与液体分子的吸引力，因此固体被液体完全润湿。(2)如果θ=180°，则：液-固分子之间没有吸引力，分开固-液界面不需做功。此时固体完全不为液体润湿。(3)当0<θ<180°时，固-液分子间有一定作用力，θ越小，越大，湿润性能越好。第36页，课件共58页，创作于2023年2月浸湿过程铺展浸湿过程黏附润湿过程4.6润湿过程的三种类型第37页，课件共58页，创作于2023年2月4.6.1粘附润湿过程液体直接接触固体，变液-气表面和固-气表面为液-固界面的过程。4.6润湿过程的三种类型θ固液第38页，课件共58页，创作于2023年2月4.6.1粘附润湿过程液体直接接触固体，变气-液表面和气-固表面为液-固界面的过程。4.6润湿过程的三种类型固-气＋液-气固-液θ液第39页，课件共58页，创作于2023年2月4.6.1粘附润湿过程4.6润湿过程的三种类型ΔGa≤0，粘附浸润才能发生。Wa≥0，粘附浸润才能进行。固-气＋液-气固-液θ黏附功a第40页，课件共58页，创作于2023年2月4.6.2浸湿过程4.6润湿过程的三种类型浸湿过程是原来的气-固表面为液-固界面所代替。固-气固-液液气固液气固固第41页，课件共58页，创作于2023年2月4.6.2浸湿过程4.6润湿过程的三种类型ΔGi＜0即A＞0，浸湿过程才能进行。固-气固-液Wi：浸湿功令A=-Wi，A为黏附张力黏附张力第42页，课件共58页，创作于2023年2月液

气固4.6.3铺展润湿过程4.6润湿过程的三种类型液

铺展浸润是液体与固体表面接触后，在固体表面上排除空气而自行铺展的过程。第43页，课件共58页，创作于2023年2月固-气固-液＋液-气液

气固4.6.3铺展润湿过程4.6润湿过程的三种类型液

铺展浸润是液体与固体表面接触后，在固体表面上排除空气而自行铺展的过程。气第44页，课件共58页，创作于2023年2月ΔGs≤0即SL/S≥0，铺展过程才能进行。液

气固4.6.3铺展润湿过程4.6润湿过程的三种类型SL/S：铺展系数固-气固-液＋液-气铺展系数第45页，课件共58页，创作于2023年2月

等温、等压条件下，单位面积的液固界面取代了单位面积的气固界面并产生了单位面积的气液界面，这过程表面自由能变化值的负值称为铺展系数，用SL/S表示。若SL/S≥0，说明液体可以在固体表面自动铺展。4.6.3铺展润湿过程4.6润湿过程的三种类型铺展系数(spreadingcoefficient)

Sl/s=σ固气-σ固液-σ液气第46页，课件共58页，创作于2023年2月4.6.4湿润过程的比较4.6润湿过程的三种类型

黏附润湿：Wa=σ固气-σ固液+σ液气浸湿：

A=σ固气-σ固液铺展润湿：Sl/s=σ固气-σ固液-σ液气Wa＞A

＞Sl/s换言之若SL/S≥0，必有Wa>A>0，即凡能铺展的必定能粘附润湿与浸湿，铺展湿润是程度最高的一种润湿。第47页，课件共58页，创作于2023年2月4.6.4湿润过程的比较4.6润湿过程的三种类型上式中都涉及粘附张力A=σSG-σSL.。显然，σSG越大，σSL越小，（σSG-σSL）差值就越大，越有利于润湿。对粘附润湿，增大σLG有利，对于浸湿，σLG的大小不起作用。对铺展润湿来说，减少σLG是有利的。

黏附润湿：Wa=σ固气-σ固液+σ液气浸湿：

A=σ固气-σ固液铺展润湿：Sl/s=σ固气-σ固液-σ液气第48页，课件共58页，创作于2023年2月借助Young方程，将σSG=σSL+σLGcosθ,代入可得：

黏附润湿：Wa=σ固气-σ固液+σ液气浸湿：

A=σ固气-σ固液铺展润湿：Sl/s=σ固气-σ固液-σ液气4.6.4湿润过程的比较4.6润湿过程的三种类型第49页，课件共58页，创作于2023年2月4.6.4湿润过程的比较类型能量判据式接触角判据

粘附润湿Wa=σLG（cosθ+1）≥0θ≤180°浸湿A=σLGcosθ≥0θ≤90°

铺展润湿SL/S=σLG（cosθ-1）≥0θ=0°或不存在

4.6润湿过程的三种类型第50页，课件共58页，创作于2023年2月习惯上规定θ=90°为润湿与否的标准，即θ>90°为不润湿，θ<90°为润湿，θ越小润湿越好。当平衡接触角θ=0°或不存在时为铺展。4.6.4湿润过程的比较4.6润湿过程的三种类型第51页，课件共58页，创作于2023年2月

黏附润湿：Wa=σ固气-σ固液+σ液气浸湿：

A=σ固气-σ固液铺展润湿：Sl/s=σ固气-σ固液-σ液气第52页，课件共58页，创作于2023年2月第53页，课件共58页，创作于2023年2月例：氧化铝瓷件上需要凃银，当加热到1273K时，试用计算接触角的方法判断液态银能否润湿氧化铝瓷件的表面？已知该温度下固体氧化铝的表面张力σs-g=1.0N/m，液态银表面张力σl-g=0.88N/m，液体银与固体氧化铝的界面张力σs-l=1.77N/m。第54页，课件共58页，创作于2023年2月习惯上规定θ=90°为润湿与否的标准，即θ>90°为不润湿，θ<90°为润湿，θ越小润湿越好。当平衡接触角θ=0°或不存在时为铺展。解：不能润湿第55页，课件共58页，创作于2023年2月例：一滴油酸在20oC时，落在洁净水面