第一章+材料表界面基础2.ppt

* b、β值难于准确测定，有人定义另一与液滴形状有关的校正因子H，即: 1.19 H又由形状因子S决定 式中de为悬滴的最大直径(赤道直径)；ds为离顶点距离等于de处悬滴截面的直径(见图中所示)。将1.19，1.20式代入： 1.20 1.21 * 当处于静态和界面平衡条件下， de或1/H不变，即认为达到平衡。形状轮廓服从Bashforth和Adams方程，其界面(或表面)张力则可根据式(1.21)计算。 ? -l/H关系已有人精确地由Bashforth和Adams方程数值解得，并编制成表格。 知道密度，即可算出界面(或表面)张力。 1.21 * 2. 毛细管法 当液体完全浸润毛细管壁时 * 1 扩散规律和机理 ?扩散是材料中存在有浓度梯度时产生的原子定向运动。 (1) 扩散定律 ?费克第一定律是联系扩散流(通量)和浓度梯度dC/dx间关系 1.1.4 表面扩散和界面扩散 D为扩散系数 D0称为与温度无关的频率因子, E、Q称激活能。 ?费克第一定律是稳定态情况，即在扩散过程中各处的浓度梯度下随时间而不变。 * ?实际上随着扩散过程的进行，各点浓度会随时间而变。根据扩测定质浓度变化，可得Fick第二定律： * (2)扩散机理 ?在固体中原子扩散, 主要通过原子利用缺陷位置进行运动。如填隙原子、空位和原子团互换位置。 金属氧化物生成的扩散模型 * 表面扩散分类 (a)由于原子浓度梯度引起的表面扩散 (b)由毛细管作用力引起的表面扩散 ?毛细管作用(也就是表面自由能最小化)可以作为表面扩散的一种驱动力。粉体烧结、粒子聚结、晶界沟漕等都是由于毛细管作用所引起。 ?刚开始时, 两晶粒表面为平面，晶界面也是平面, 与表面垂直。晶界界面张力为?s, 它的作用是使晶界尽量缩小。平衡时, * 界面扩散 * 1.2 固体表面与界面热力学 表面张力（surface tension)和表面能 (surface energy) 液体表面张力；固体表面张力 液体表面能；固体表面能 固体界面张力；固体界面能 热力学角度; 材料的表面和界面的工程技术问题提供理论依据. * 1.2.1表面张力和表面自由能 气液表面的分子净受到指向液体内部的力； 从液体内部将分子移到表面要克服分子间引力而做功，使系统自由焓增加； 液体表面具有自动收缩，使系统能量降低的倾向。 式中L为液膜边缘长度，因为液膜有两个故取系数2。 表面张力是单位长度上的作用力，单位是N/m。 1.1 * 对于由两本体相?和?所形成的界面相C，其厚度为t 1) 物质的组分和能量可以通过它们的交界面(C相)，从一个相连续地变化到另一个相，使它们原有的表面积产生一定变化。 2）在本体相内，压力是均匀且各向同性的，在本体相内可逆地输送组分无需消耗能量，相反，把物质从本体相传送到界面上则需提供一份能量而做功dw； ?为表 (界)面张力 1.2 * 表面张力也可以理解为系统增加单位面积时所需做的可逆功，单位为J/m2，是功的单位或能的单位。所以?也可以理解为表面自由能，简称表面能。 * 1. 表面张力的热力学定义 热力学第一定律告诉我们可逆条件下生成单位表面时内能的变化: 系统功包括膨胀功和表面功: ? * 由热力学第二定律，dQ=TdS，得： dU = TdS –PdV +?dA 根据焓：H=U+pV,自由能：F=U-TS自由焓：G≡H-TS微分得： dH=dU+PdV+VdP dF=dU-TdS-SdT dG＝dH-TdS-SdT * 导出表界面张力的热力学方程： (1.3) * 对于两种组分1和2组成体系。当体系达到热力学平衡时，各组分在所有的相中的化学势μ相等： （1.27） 在各相区的Gibbs自由能变化为 在相界面： 以上各式中，G为Gibbs自由能；S为熵；V为体积；n为物质的摩尔数；A为面积。 * 在等温等压条件下，对以上三式积分得 (1.4) (1.5) 由式(1-5)揭示的意义: 1)表面张力?不等于比表面自由能，而是大于比表面自由能， 2) 表面张力为表面过剩自由能，为增大表面积所需要的功 * 1.2.2 粘附功和内聚功 把两本体相?和?的界面，从其平衡位置可逆地分离到无限远时则需做一份外功，称之为粘附功(亦称Dupre功)。 粘附功模型 在等温、等压、等容条件下，粘附功Wa为： Wa = ga+ gb - gab (1.6) 式中ga、 gb 、 gab分别为a、 b相的表面张力及它的界面张力 * 将1.6式改写： 界面相互作用力愈大，则界面张力?αβ值就愈小，反之亦然。