第二章 无机材料科学基础实验(第二部分)

2.6 无机材料润湿实验2.6.1 实验目的与要求1. 了解液相润湿固相时润湿角与表面能的关系。

2. 了解润湿角的测定方法和仪器的使用方法。

2.6.2 实验原理润湿是固液界面上的重要行为。

润湿是近代很多工业技术的基础。

例如：陶瓷、搪瓷的坯釉结合、机械的润滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、陶瓷与金属的封接等工艺和理论都与润湿作用有密切关系。

润湿的热力学定义是：固体与液体接触后，体系（固体十液体）的自由焓降低时，称为润湿。

根据润湿程度不同可分为附着润湿、铺展润湿及浸渍润湿三种。

本实验主要是陶瓷坯釉的铺展润湿。

如图2-6-1所示。

从热力学观点看，液滴落在清洁平滑的固体表面上，当忽略液体的重力和粘度影响时，则液滴在固体表面上的铺展是由固-气（SV ）、固-液（SL ）和液-气（LV ）三个界面张力所决定的，其平衡关系如下确定。

γSV =γSL +γLV cosθF=γLV cosθ=γSV -γSL +γLV式中：θ是润湿角，F 是润湿张力。

显然，当θ＞90°则因润湿张力小而不润湿；θ＜90°则润湿；而θ=0°，润湿张力F 最大，可以完全润湿，即液体在固体表面上自由铺展。

从上面公式可以看出，润湿的先决条件是γSV ＞γSL ，或者γSL 十分微小。

当固、液两相的化学性能或化学结合方式很接近时，是可以满足这一要求的。

因此，硅酸盐熔体在氧化物固体上一般会形成小的润湿角，甚至完全将固体润湿。

而在金属熔体与氧化物之间，由于结构不同，界面能γSL 很大，γSV <γSL 按公式可以计算得θ＞90°。

从公式还可以看到γLV 的作用是多方面的，在润湿的系统中（γSV ＞γSL ），γSL 减小会使θ缩小，而在不润湿的系统中（γSV <γSL ）γLV 减小使θ增大。

本实验采用在陶瓷坯体（γSV ≈800mN/m)表面上，施以硅酸盐熔体的陶瓷釉（γSV ≈300mN/m)，在一定温度下测定θ角，计算润湿张力F 和界面能γSL 。

分析陶瓷坯釉结合性能。

图2-6-1 陶瓷坯釉的铺展润湿示意图2.6.3 实验仪器以及所用工具① 耐火度测定仪，见图2-6-2，（或光学接触角测量仪），用来测量接触角。

② 读数显微镜，量角器 ③ 釉成型膜具和压力机。

④ 陶瓷坯体制备的球磨机、注浆成型用石膏膜 ⑤ 修坯砂纸、锯条。

⑥ 原料：长石、石英、粘土、熔块釉粉、淘洗苏州土、糊精等。

2.6.4 实验方法1. 试样准备用1300℃烧成的普通陶瓷配方，经球磨、注浆成型、干燥、修坯成20×20×5mm 的薄片。

再经1300℃烧成为陶瓷片。

再将熔块釉粉成型为Φ5×5mm 的小圆柱。

2. 实验步骤将釉粉成型为Φ5×5mm 的小圆柱放在20×20×5mm 陶瓷片上，一起放入耐火度测定仪的管式电炉内，升温至800～1100℃，在观察窗内测定釉熔化后不同温度下形成的θ角，或者冷却后把试样拿出测量最高温度的θ角。

2.6.5 实验结果分析1. 不同温度下的θ角，计算润湿张力F 和界面能γSL 。

2. 分析实验误差对结果的影响。

3. 实验讨论以及本实验后的体会。

表2-6-1 常见物体的表面能材料 温度 (℃)表面能 (mN/m) 材料温度 (℃) 表面能 (mN/m) 水（液态） 25 72 硅酸钠(液态) 1000 250 铅（液态） 350 442 石英玻璃 300 铜（固态） 1080 1430 硅酸盐熔体300 B 2O 3(液态) 900 80 0.20Na 2O-0.80SiO 2（液态）1350 380 Al 2O 3（固） 1850 905 0.13Na 2O-0.13CaO —0.74SiO 2（液）1350 350图2-6-2 实验仪器装置示意图2.7 粘土—水系统的双电层实验2.7.1 实验目的观察并熟悉粘土胶粒的电泳现象，即用宏观电泳仪测定粘土胶体的电泳速度并计算其Zeta 电位；了解不同种类及数量的电解质对Zeta 电位的影响。

2.7.2 实验内容1. 原理电泳是胶体体系在直流电场的作用下胶体分散相在分散介质中作定向移动的电动现象。

按照Gouy-chapman 提出并由Stein 发展的扩散双电层模型，胶体分散相的电泳现象是由于胶粒与液相接触时。

在胶粒周围形成了连续扩散双电层，并在扩散双电层的滑动面上相互均匀液相介质具有一个电位即Zeta 电位(ζ-电位)。

根据静电学原理，ζ-电位的数值与电泳速度有下列关系：πη4ζDu =式中：u 为电泳速度，D 为分散介质的介电常数；η为分散介质的粘度。

因此，依据电泳速度的大小可以研究胶粒的电动电位和带电性质等情况。

必须明确，电动电位与热力学电位（ψ）不同，后者是指胶核与均匀液相间的电位差，即固—液间的电位差；而ζ-电位是胶粒表面吸附层界面到均匀液相的电位（图2-7-1）。

与此相应，胶粒移动是胶核核厚度为δ的带相反离子的吸附层共同移动。

因此，胶粒移动是胶体ζ-电位与外电场的作用结果。

由双电层模型推知，电介质对ζ-电位有明显影响，当电介质浓度增大时，扩散双电层受到压缩（见图中扩散层厚度d 被压缩d’，吸附层从δ变到δ'），于是ζ-电位也随之下降。

图2-7-1 扩散双电层与ζ-电位图2-7-2 U形管界面移动电泳仪装置图1.整流稳压输出端；2. 直流电压表；3. 铂电极；4. 电泳管；5. 辅助溶液（蒸馏水）；6. 泥浆；7. 活塞当扩散层的厚度逐渐压缩至吸附层厚度时，ζ-电位也就不存在了。

此外，电介质的离子电位和水化能力对ζ-电位也有影响。

对同一种粘土来说，当加入电解质浓度一定时，各种阳离子对ζ-电位的影响符合赫夫曼斯特次序，即电价愈低，水化离子半径越大的阳离子，愈能使扩散双电层加厚，ζ-电位增大。

测定胶体电泳速度的方法大致可分为两种，一为宏观的胶体界面移动法。

另一为微观的颗粒移动法。

相应地，电泳仪也分为两类：（1）宏观电泳仪——肉眼观察胶体界面的移动，以测定电泳速度。

可以U形管电泳仪为代表。

（2）微观电泳仪——在显微镜下观察胶粒的移动，以测定电泳速度。

此类电泳仪可分载波片式与毛细管两种。

测定方法应根据实际情况适当选用。

本实验采用U形管界面移动电泳仪。

2. 仪器及装置U形管界面电泳仪示于图7-2中。

3. 实验步骤(1) 称取一定量的粘土，研磨后配制成胶体溶液，使其浓度为0.2 wt%。

(2) 将配制好的胶体溶液加入U形管，使液面超出两活塞，关闭活塞，倾出活塞上部的胶体溶液，(3) 用蒸馏水洗净活塞上的管子。

(4) 在活塞以上的管子内注入辅助溶液至一定的高度，并使两端水平。

(5) 插入铂电极，并测出两铂电极之间的距离。

(6) 接好线路，确定正负极，将稳压器接上电源，一分钟后再逐步升高电压到120V~150V 之间。

(7) 打开活塞，并同时接下秒表，待泥浆液面上升到一定位置时，记录时间和相应的移动距离以及界面移动的方向（向正极移动或向负极移动）。

(8) 加入不同种类的电解质到胶体溶液中（U形管的两端各加1滴或2滴），经充分摇匀后，重复上述操作。

4. 实验结果与处理(1) 求电泳淌度：Ht S u ⋅=S —界面移动距离（cm ）T —与S 对应的移动时间（sec ）H —平均电位剃度，即单位长度内的电压， LVH = L —铂电极之间的距离(2) 求电动电位δζ⨯=Dπη4uu —以cm/s ，V/cm 计δ —以伏特（V ）表示（⨯3002） 3002 —绝对单位与伏特的换算系数D —液体的介电常数，水的介电常数为80η —液体的粘度，以泊表示，与测定时的温度有关。

2.7.3 思考题1. 根据实验结果，判断粘土胶粒带何种电荷？并从理论上加以说明。

2. 在胶体溶液中加入阳离子（或阴离子）时，ζ-电位如何变化？为什么？3. 分析你的实验结果中影响电泳速度、ζ-电位的因素有哪些？2.8 流变学实验2.8.1 实验目的与要求1. 了解固相之间的反应速度关系。

2. 了解仪器的原理及使用方法。

2.8.2 实验原理流变学是研究物体流动和变形的一门科学。

流体的粘度定义是：流体在剪切应力τ作用下流体产生剪切速率dv/dx ，并相互成正比，比例系数即为粘度η。

即：η=τ/D式中：剪切速率——D=dv/dx 剪切应力——τ凡符合这个规律的物质称为理想流体或牛顿型流体。

若用剪切应力τ与剪切速率D 作图，可以得到流变曲线如图2-8-1（A ）所示。

当在物体上加以剪切应力，则物体即开始流动，剪切速度与剪切应力成正比。

当应力消除后，变形不再复原。

属于这类流动的物质有水、甘油、低分子量化合物溶液。

在许多工业中应用的液体并不具有牛顿流体的行为，它们常常显示出比较复杂的流动性质。

亦即剪切应力对剪切速度作图为曲线，曲线可以凸向或凹向剪应力轴，在这些系统中剪切力与剪切速度不成正比。

为了与牛顿流动有所区别，常常称之为不正常流动或非牛顿流动。

这类流动可以有如图8-1（B ）所示的几种。

宾汉流动：这类流体流动特点是应力必须大于流动极限值f 后才开始流动，一旦流动后，又与牛顿型相同。

表现出流动曲线形式如图8-1（A ）。

这种流动可写成： F-f ＝ηdv/dxf 为屈服值，若 D=dv/dx ，上式写成 F/D ＝η+f/D ηa =η+f/D当D→∞，f/D→0，此时ηa =η，ηa 称为宾汉流动粘度。

通常又称为表现粘度，η为牛顿粘度。

新拌混凝土接近于宾汉流动，这类流动是塑性变形的简例。

塑性流动：这类流动的特点是施加的剪应力必须超过某一最低值——屈服值以后才开始流动，随剪切应力的增加，物料由紊流变为层流，直至剪应力达到一定值，物料也发生牛顿流动。

流动曲线如图8-1（B），属于这类流动的物体有：泥浆、油漆。

油墨，硅酸盐材料在高温烧结时，晶粒界面间的滑移也属于这类流动。

粘土泥浆的流动只有较小的屈服值，而可塑泥团屈服值较大，它是粘土坯体保持形状的重要因素。

假塑性流动：这一类型的流动曲线类似于塑性流动，但它没有屈服值。

也即曲线通过原点并凸向应力轴如图8-1（B）。

它的流动特点是表观粘度随切变速率增加而降低。

属于这一类流动的主要有高聚合物的溶液、乳浊液、淀粉、甲基纤维素等。

膨胀流动：这一类型的流动曲线是假塑性的相反过程。

流动曲线通过原点并凹向剪应力轴如图8-1（B）。

这些高浓度的细粒悬浮液在搅动时好象变得比较粘稠，而停止搅动后又恢复原来的流动状态，它的特点是粘度随切变速率增加而增加。

属于这一类流动的一般是非塑性原料如氧化铝、石英粉的浆料等。

本实验利用旋转粘度计测定流体的流变曲线。

测定理想流体或牛顿型流体，用水、甘油等低分子量化合物溶液。

测定塑性流动采用陶瓷泥浆。

测定假塑性流动采用高聚合物的溶液、乳浊液、淀粉、甲基纤维素等。