表面工程技术的物理化学基础教程.ppt

* * * * * * 固体对液体的化学吸附 化学吸附膜往往是先形成物理吸附膜，然后在界面发生化学反应转化成化学吸附，它比物理吸附的结合能高得多，并且不可逆。 适合于中等载荷与速度的润滑条件。 实际工况下，固体表面的粗糙度及污染程度对吸附有很大的影响，液体表面张力和润湿条件的影响也很重要。 固体表面的物理吸附 固体表面的化学吸附 固体表面之间的吸附 两个表面必须接近到表面力作用的范围内（即原子间距范围内）。如将两根新拉制的玻璃丝相互接触，它们就会相互粘附，粘附功表示了粘附程度的大小，定义为 式中，WAB为粘附功； γA、 γB分别代表A、B两种固体物质的表面张力； γAB为A、B两种固体物质形成新的界面时的界面张力。 若WAB=3×10-6J/cm2，取表面力的有效作用距离为1nm，则相当于粘结强度为30MPa。 固体表面之间的吸附 两个不同物质间的粘附功往往超过其中较弱物质的内聚力。 表面的污染会使粘附力大大减小，这种污染往往是非常迅速的。 例如铁若在水银中断裂，两个裂开面可以再粘合起来，而在普通空气中就不行。因为铁迅速与氧气反应，形成一个化学吸附层。 表面净化一般会提高粘结强度，固体的粘附作用只有当固体断面很小并且很清洁时才能表现出来。 吸附对材料力学性能的影响 在许多情况下，由于环境介质的作用，材料的强度、塑性、耐磨性等力学性能大大降低。 产生的原因分为两类： 不可逆物理过程与物理化学过程引起的效应，如各种形式的腐蚀等，它与化学、电化学过程及反应有关。通常，腐蚀并不改变材料的力学性能，而是逐渐均匀地减小受载件的尺寸，结果使危险截面上的应力增大，当超过允许值时便发生断裂； 可逆物理过程和可逆物理化学过程引起的效应，这些过程降低固体表面自由能，并不同程度地改变材料本身的力学性能。 莱宾杰尔效应 莱宾杰尔在1928年第一个发现并研究了这种因环境介质的影响及表面自由能减少导致固体强度、塑性降低的现象。 任何固体(晶体和非晶体、连续的和多孔的、金属和半导体、离子晶体和共价晶体、玻璃和聚合物)都有莱宾杰尔效应。 玻璃和石膏吸附水蒸气后，其强度明显下降；铜表面覆盖熔融薄膜后，会使其固有的高塑性丧失，这些都是莱宾杰尔效应的例子。 莱宾杰尔效应的显著特征之一 环境介质的影响有很明显的化学特征。 例如，只有对该金属为表面活性的液态金属才能改变某一固体金属的力学性能，降低它的强度和塑性。 如水银急剧降低锌的强度和塑性，但对镉的力学性能没有影响，虽然镉和锌在周期表中同属一族，且晶体点阵也相同(密排六方)。 莱宾杰尔效应的显著特征之二 只要很少量的表面活性物质就可以产生莱宾杰尔效应。 在固体金属(钢或锌)表面微米数量级的液体金属薄膜就可以导致脆性破坏，这和溶解或其它腐蚀形式不同。 在个别情况下，试样表面润湿几滴表面活性的熔融金属，就会引起低应力解理脆性断裂。 莱宾杰尔效应的显著特征之三 表面活性熔融物的作用十分迅速。 在大多数情况下，金属表面浸润一定的熔融金属，或其它表面活性物质后，其力学性能实际上很快就发生变化。 莱宾杰尔效应的显著特征之四 表面活性物质的影响是可逆的， 即从固体表面去除活性物质后，它的力学性能一般会完全恢复。 莱宾杰尔效应的显著特征之五 莱宾杰尔效应的产生需要拉应力和表面活性物质同时起作用。 在多数情况下，介质对无应力试样以及无应力试样随后受载时的作用并不显著改变力学性能，只有熔融物在无应力试样中沿晶界扩散的情况例外。 莱宾杰尔效应的本质及应用 金属表面对活性介质的吸附，使表面原子的不饱和键得到补偿，使表面能降低，改变了表面原子间的相互作用，使金属的表面强度降低。 在生产中，莱宾杰尔效应具有重要的实际意义。 可利用此效应提高金属加工(压力加工、切削、磨削、破碎等)效率，注意避免因此效应所造成的材料早期破坏。 固体表面的润湿 液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿。 在干净的玻璃上滴一滴水，水滴会很快沿着玻璃表面展开，成为凸镜的形状，如图a所示。 若将水滴在一块石蜡上，则水不能在石蜡上展开，只是由于重力的作用，而形成一扁球形，如图b所示。 固体表面的润湿 上述两种情况说明，水能润湿玻璃，但不能润湿石蜡。 能被水润湿的物质叫亲水物质，像玻璃、石英、方解石、长石等； 不能被水润湿的物质叫疏水物质，像石蜡、石墨、硫黄等。 固体表面的润湿 其实，润湿和不润湿不是截然分开的，通常可采用润湿角来描述润湿程度。 润湿角是指固、液、气三相接触达到平衡时，从三相接触的公共点沿液、气界面所引切线与固、液界面的夹角。 润湿程度的定义 当θ90?时称为润湿。θ角越小，润湿性越好，液体越容易在固体表面展开。 当θ90?时称为不润湿。θ角越大，润湿性越不好，液体越不容易在固体表面