材料科学基础A第五章习题答案

第五章表面结构与性质习题

5.2 什么叫表面张力和表面能? 在固态下和液态下这两者有何差别?

解：表面张力：扩展物体单位长度的表面所需要的力，或将物体表面增大一个单位面积所需作的功。单位为N/m。

表面能：恒温、恒压、恒组成情况下，每增加单位表面积时，体系自由焓的增量，单位为J/m2。

在液态下，不能承受剪应力，外力所做的功表现为表面积的扩展，因为表面张力与表面能在数值上是一致的；

在固态下，能承受剪切应力，外力的作用表现为表面积的增加和部分的塑性形变，表面张力与表面能在数值上不相等。

5.5 MgO—Al2O3—SiO2系统的低共熔物，放在Si3N4陶瓷片上，在低共溶温度下，液相的表面张力为0.9J/m2，液体与固体的界面能为0.6J/m2，测得接触角为70.52°，求Si3N4的表面张力。

解：根据Young方程：平衡时，Si3N4固体的表面张力γSV=γSL+γLV cos70.52°，则γSV=0.6+0.9cos70.52 °=0.9J/m2

5.6 什么叫吸附、粘附? 当用焊锡来焊接铜丝时，用锉刀除去表面层，可使焊接更加牢固，请解释这种现象。

解：吸附是固体表面力场与被吸附分子发生的力场相互作用的结果，发生在固体表面上，发生在固体表面上，分为物理吸附和化学吸附；

粘附是指两个发生接触的表面之间的吸引，发生在固液界面上。

铜丝放在空气中，其表面层被吸附膜（氧化膜）所覆盖，焊锡焊接铜丝时，只是将吸附膜粘在一起，锡与吸附膜粘附的粘附功小，锉刀除去表面层露出真正铜丝表面（去掉氧化膜），增大了γSV，因此粘附很牢固。

5.16 已知在高温下Al 2O 3（S ）的表面张力为0.900N/m ，液态Fe （L ）的表面张力为1.720N/m ，而Al 2O 3（S ）与Fe （L ）的界面张力为2.300 N/m 。问接触角有多大？液态能否润湿氧化铝？ 解：0.900 2.300cos 0.8141.720

SV SL LV γγθγ--===- 则θ=144.56° 铺展系数LV S=(cos -1)=1.72[cos(144.56*)-1]=-3.12180π

γθ

因为90°<θ<180°，而S<0，则根据润湿过程的判断条件，可知液态Fe 不能润湿氧化铝。

5.18 氧化铝陶瓷件表面上涂银后，当烧至1000℃时，已知γ(Al 2O 3,固)＝1 J/m 2，γ(Ag,液)＝0.92J/m 2，γ(Ag,液/Al 2O 3,固)＝1.77J/m 2，试问液态银能否润湿氧化铝陶瓷件？如果不能润湿，可以采取什么措施使其能润湿？

解：γSV ＝1J/m 2，γLV ＝0.92J/m 2，γSL ＝1.77J/m 2

（1）1 1.77cos 0.8370.92

SV SL LV γγθγ--===- 则θ=146.9o 铺展系数LV S=(cos -1)=0.92[cos(146.9*)-1]=-1.69180π

γθ

因为90°<θ<180°，而S<0，所以Ag （液）对Al 2O 3（固）不润湿。

（2）措施：①除去Al 2O 3表面的吸附膜，使表面清洁，从而增大γSV ，减小θ。 ②改变Al 2O 3表面粗糙度，使粗糙度减小，减小θ。