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界面科学与技术读书报告二 3液体表面及其性质 3.1液体性质 流体流动时，由于流体与固体表面的附着力和流体内部分了间的作用，将不 断产生剪切变形，而流体的粘滞性就是流体抵抗剪切变形的能力。 牛顿提出粘滞剪应力与剪切应变率成正比的假设，成为牛顿粘性定律，即 T =叶 式屮，T是剪应力，是剪应变率，M是流体的动力粘度。 在工程中，常常将流体的动力粘度和其密度的比值作为流体的粘度，即 v =- P 凡是服从牛顿粘性定律的流体统称为牛顿流体，其剪应力与剪应变率的关系 如图1中直线C。在通常条件下，大部分将润滑油可以视为牛顿流体。不服从牛 顿粘性定律的称为非牛顿流体，吋表现为塑性、伪塑性和膨胀性等形式。 润滑脂 。 剪应处率乂 图1 不同类型流体的广》曲线 A—塑性；B—伪塑性；（:一牛顿性； D —膨胀性 为丫改善使用性能，现代润滑汕通常含奋由多种高分子材料组成的添加剂以 及大量使用的合成润滑剂，它们都呈现出强烈的非牛顿性质，使得润滑剂的流变 行为成为润滑设计屮不可忽视的因素。 当温度升高时，流体分子运动的平均速度增大，而分子间的距离也增加，分 子的动量增加，分子间作用力减小。因此液体粘度随温度的升高而急剧下降，从 而严重影响它们的润滑作用。反之，气体的粘度则随温度的升高而略有增加。 当液体或气体所受压力增加时，分子之间的距离减小而分子间的引力增大， 因而粘度增加。通常，当矿物油所受压力超过0.2GPa时，粘度随压力的变化十 分显著。随着压力的増加，粘度的变化率也増加，当压力増加大几个GPa吋， 粘度升高几个量级。当压力更高吋，矿物汕丧失液体性质而变成蜡状固体。对于 重载荷流体动压润滑，特别是弹性流体动压润滑状态，粘压特性是非常重要的问 题 大多数液体在高剪切极变率时粘度将降低而呈现非牛顿特性。对于两相润滑 剂以及高粘性的油或含冇聚合物的油，则在较低的剪切应变率时就出现非牛顿特 性。 某些类型的润滑剂（如润滑脂，乳化液）的表观粘度（当时的剪切应力与当 时的剪应变率的比值）随着剪切持续时间的延长而降低，这种行为称为触变性。 3.2液体边界M性质 一般情况下，连续介质力学假设与固体接触的流体速度与固体表面的速度相 等，即无滑移边界条件。但如果流体的剪应力超过流体承受剪切的极限值，则流 体与固体界面问将岀现滑移，形成速度差，从而形成滑流区，如图3.2所示。滑 流区实际上是在边界附近存在的一个薄的边界流层。 液体边界 图3.2边界滑移示意图。 固体和液体接触时，固体表面普遍存在荷电现象，它导致了固/液截面的液 体一侧带相反电荷。M体表而在溶液屮荷电后，静电引力会吸引该溶液屮带相反 电荷的离子。它向固体表面靠拢而聚集在距离二相界曲一定距离的液体一侧界而 区内，以补偿其电荷平衡，于是构成了液体边界上的双电层。图3.3所示为典型 Stern双电层模型结构。 图3.3液体双电层Stern模型结构示意图 3.3液体表面性质 液体内部的分子所受的力是对称的，但是液体表面的分子所受的力与体内的 不同，由于没有外流体分子，表面分子的受力不再对称，如图3.4所示。因为受 体内分子吸引试阁将表现分子拉入本体内，从而使表而积尽量缩小。热力学的说 法是耍将这个体系的表面能降至最小，这个力称为表面张力，或单位面积上的G 由能。 图3.4表血分子和体分子受力 影响表面张力的因素有： 1分子间的作用力。分子间的作用力增大，表而张力就增大。金屈键〉离子 键〉极性键〉非极性键。 2温度。一般情况下温度升高，表面张力降低。临街温度吋，气、液相无区 别，界面消失，表面张力趋近于零。 3接触的另一和物质。 毛细效应是在一个细小的管子浸入液体时，液体上升或下降的一种现象。这 种狭窄的管子或流道称为毛细管。液体在毛细管中的G由曲面称为凹凸面。水在 玻璃表面的边缘处会稍微M上弯曲，但是水银会在边缘处hd下弯曲。毛细效应可 由接触角0来量化，定义为液体与固体表面接触点上沿液面的切线与固体表面的 夹角。当〃〉90°时，表面张力沿切线朝向固体表面作用，称此液体为可润湿表 而。当〃＜90°时，此液体无法润湿表面。 4、洞湿 图3.5湿润与不湿润 当溶剂加入溶质，溶液的表面张力会发生改变。通常把能显著降低液体表面 张力的物质称为该液体的表而活性剂。 表面活性剂分子都是±亲水性的极性基团（亲水基）和憎水性的非极性基团 （亲油基）两部分构成。 表面活性剂有广泛的应用，例如：1润湿作用，可用作润湿剂、渗透剂。2 乳化作用、分散作用、曾溶作用，可用作乳化剂，分散剂，增溶剂。3发泡作用、 消泡作用，可用作起泡剂、消泡剂。4洗涤作用，可用作洗涤剂。 -液界面 4.1固-液界面湿润性 液体的湿润性通常是指它在IAK本表而的铺展或聚集的能力。液体表而倾向于 收缩，这表现在当外力的影响很小时液滴趋于球形。一般认为，