高表面能固体的润湿性实验及表面张力计算_罗晓斌

性实验时 , 高温状 态下 的氧 化 、吸 附 、界面 反应 等因 素使 实 验测定难度进一步增大 , 其次采用 Yo ung 方程 γsg =γsl +γlg co sθ进行测量计 算时 , 式 中固体表 面张力 γsg 和液固 界面 张 力 γsl 两个参量均属未知 , 使得方程无法求解 , 目前多采 用温 度外推法[ 1 , 2] 、溶解 热法[ 1, 2] 来计 算高 表面 能固 体的 表面 张 力 , 此外人们还利 用内 聚能 理 论和 断键 模型[ 3] 以及 分子 动 力学模拟等方法[4] 对表 面张 力进 行估 算 , 但由 于实 际表 面 状态的复杂性 , 不同研究者所 得到的 估算值 有很大 的差异 , 数值分散性较大 。 最 近朱 定一 等[ 5 , 6] 通过 建立 新的 润湿 性 表征体系 , 推出了固体 表面张 力 γsg 与接 触角 θ和液 体表 面 张力 γlg 之间的理论计算公 式 , 研 究了聚 四氟 乙烯等 低表 面
第DO2I 6:卷10.1 413第6/6j 期 .cnki .issn1673 -2812.20材08. 06料.01 6 科 学 与 工 程 学 报
Vo l.26 No.6
Jo urnal o f Mat erials Science & Engi neeri ng
文章编号 :1673-2812(2008)06-0932-05
表 1 金属样品的相关参数 Table 1 Relevant parameters of metal samples
M et al s
Pu rit y/ %
M elti ng poin t/ ℃
γlg/ (mJ · m -2) at 1100 ℃＊
第 26 卷第 6 期
罗晓斌 , 等 .高表面能固体的润湿性实验及表面张力 计算
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能固体在室温下的表面张力 , 发现计 算结果 一致性较 好 , 能 够准确地反映固体的表面润湿 性参数 。 本 文通过 高温润 湿 性实验 , 研究了 5 种金属在 4 种陶瓷表面的润湿性并 用新的 理论模型对固体材料的表面张力进行了计算 。
将式(4)求导 , 可以很容易得到 接触角在 120°附近存 在 一极值 , 表明在无限固相平面 系统中 , 在该 区域附 近固体 表 面张力的变化对接 触角的 影响 敏感 , 进 行 实验 测量 和计 算 所得数值会相对精确 ;而当接 触角较 小时(0 ～ 35°), 固体 表 面张力的变化对接 触角的 影响 不敏 感 , 受 实际 固体 表面 微 观凹凸不平的影响 , 固体表面张 力值逐 渐进入 试验的“ 测 不 准” 区域[ 5, 6] 。 式(4)和 式(5)的导 出与 Y oung 方程 在本 质 上相同 , 两者均建 立在 非反应 型液 固界 面 张力 平衡 的基 础 上。
总第 116 期 Dec .2008
高表面能固体的润湿性实验及表面张力计算
罗晓斌 , 朱定一 , 乔 卫 , 石丽敏
(福州大学材料科学 与工程学院 , 福建 福州 350108)
【摘 要】 采用 座滴法 在 1100℃及氩 气与 CO 混合 气氛的 环境 中 , 研究 了 A u 、Ag 、Cu、G e 、Sn 五种 金属 在 A l2 O3 、SiO2 、Z rO2 、高定向热解石墨的(0001)基面 四种固 体表面 上的润 湿性 , 用 A DSA 滴形分 析软 件测量 了接 触 角 。 通过新的理论方程分别计算了四种固体材料的表 面张力 。 结果表 明 , 在 同一种 陶瓷表 面上 , 接触角 随着金 属 液体表面张力的增加而增大 , 所计算的固 体表面张力数值具 有较好 的一致性 , 表 明所建 立的理论 公式能 够正确 反 映液 、固 、气三相之间的张力平衡关系 。 在 1100℃时 , 上述四种固体材料表面张力的平均值分别为 340 .24 、457 .79、 357 .52、431.35(mJ · m -2)。
γsl
=
γlg 2
·
1 +sin2θ1 -co sθ1 , 0 < θ1 ≤ 180°(5)
源自文库
式(4)和式(5)就 是在 无限固 相平 面系统 中 , 固 相表 面张 力
γsg 和液固界面张 力 γsl 的表 达式 , 从 式中 可以 看出 γsg 和 γsl 仅仅是液相表面张力 γlg 和接 触角 θ的 函数 。 因 此 , 通过 实 验测量接触角 θ和液相 表面 张力 γlg , 就 可以 准确计 算出 固 相表面张力 γsg 。
图 1 液体在固体表面上的张力分布 (a)有限 液固界面 ;(b)无限液固界面
Fig .1 Tension dist ribu tion of li qui d on t he solid su rface (a)li mit ed liquid-solid i nt erf ace;(b)limit less liquid-solid int erf ace
γsg = γs l +γlg cosθ1 , 0 ≤ θ1 ≤ 180°
(3)
此式即为 Y oung 方 程 。 对同 一种固体 与液体 , 由 于表面 与
界面性质不变 , 将式(1)和式(2)代入 Young 方程式(3)中 解 析可得 :
γsg
=
γlg 2
·
1 + sin2θ1 +cosθ1 , 0 <θ1 ≤ 180°(4)
【Key words】 hig h surface ene rgy solid ;surface tensio n;sessile drop method ;contact ang le ;we ttability
1 引 言
表面张力是一个 重要 的热 力学 参量 , 所谓 高表 面能 固 体是指表面张力大于 100 mJ · m -2 的固 体 , 如陶瓷 、金属 及 其氧化物等 。 由于金属/ 陶瓷 的 润湿 性与 金 属基 复合 材 料 的开发 、硬质合金 和涂 层材 料的 生产 、金属 与陶 瓷的 焊接 、 冶金过程中金属与 渣的分 离等 密切 相关 , 获取 固体 材料 的 表面张力数据对于科学研究及 工业生 产极为重 要 。 但由 于 固体表面的原子失 去了流 动性 , 通 过试 验 直接 测量 其表 面 张力目前存在一定 的困难 , 特 别是 高表 面 能固 体采 用润 湿
90°≤θ2 ≤180°, 固相表面张力和液固界面张力有以下关系 :
γsg = γlg sinθ2 , 90°< θ2 ≤ 180°
(1)
γsl =-γlg · co sθ2 , 90°≤ θ2 ≤ 180°
(2)
式(1)表明在有限液固界面润 湿体系 中 , 固 相表面 张力仅 仅
是液相表面张力 γlg和接触角 θ的函数 。 图 1(b)为无 限平面 液固界面润湿性表征系统 , 由表面及界面张力 平衡可得 :
2 固体表面张力的计算方法
文献[ 5 , 6] 通过建立有限液固界面润湿体系 , 推导出在 无
限液固界面系统中固相表面张力和 液固界 面张力 的计算 方
法 。 图 1(a)为有限 液固 界面润 湿体 系的 张力分 布 , 通过 理
论分析和实验 得 出 , 在 平衡 状 态 下 , 接 触角 的 数值 范 围 为
【关键词】 高表面能固体 ;表面张力 ;座滴法 ;接触角 ;润湿性 中图分类号 :T B333;O647 文献标识码 :A
Wettability of High Surface Energy Solid and its Surface Tension Calculation
LUO Xiao-bin , ZHU Ding-yi , QIAO Wei , SHI Li-min
3 实 验
3.1 样品及制备 试验选用非反应型液固界面 或界面 相互作用 较弱的 液
体和固体材料 , 同时 选用的液 体表面张力 较大 , 以使 γsg/ γlg 的比值落在接触角变化比较敏 感的区 域 。 所用固 体材料 有 A l2 O3(纯 度为 99 %)、SiO2 石英 玻璃 、Z rO 2(含 6%w t.Y 2O 3 稳定剂)、高定向生长热解石墨 的(0001)基面 。 为 保证表 面 的光滑 度 , 对 于 A l2 O3 、Z rO 2 固 体 表 面 , 依 次 用 粒 度 为 1.5μm , 1 .0μm , 0 .5μm 的金刚石 研磨 膏抛光 。 SiO2 石英 玻 璃不需抛光 , 表面经清洗 后直接 使用 。 对高 定向生 长石墨 , 以水为介质将其在抛光布上抛 光 , 直 至镜面 , 用原 子力显 微 镜(A FM)测得表面粗糙度 Ra 的范围为 100～ 200nm 。 金属 选用了 A u、A g 、Cu 、G e 、Sn 共 5 种 , 将所 测金 属试样 质量 控 制在 0.1～ 0 .2g , 以减小 重力 对润湿 角的 影响 , 用细 砂纸 磨 去其外层的氧化膜 , 所有样品在丙酮溶液 中用超声波 清洗 3 次并吹干 。 表 1 所列为 5 种金属样品的相关参数 。
收稿日期 :2007-12-12 ;修订日期 :2008-01-25 基金项目 :国家自然科学基金资助项目(50471007);福建省自然科学基金资助项目(E0710006) 作者简介 :罗晓斌(1983-), 男 , 硕士 , 主要从事材料表面物理化学研究 。 E-mail :luoxiao bing2002@163 .com . 通讯作者 :朱定一 , 博士 , 教授 , 博士生导师 。 E-m ail :zdy7081@163 .co m
(College of Materials Science and Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)
【Abstract】 T he w etting of A u, A g , Cu , Ge and Sn on the Al2O 3 , SiO2 , Z rO2 and(0001)basal plane of highly o riented py ro ly tic g raphite (H OPG) was investig ated by sessile drop metho d under ar go n mix ture CO atmosphe re at 1100℃.T he co ntac t ang les wer e mea sured by A DSA so ftwa re .The surface tensio ns o f four substr ates w ere calculated by new theo retical equa tion .T he results sho w tha t the co ntact ang les on the same ceramic sur face increa se w ith an increase of liquid metal sur face tensio ns , the solid sur face tension calculated w ith the new theor etical equatio n is well consistent , which indica tes that the establishing theo retical for mula can co rrec tly reflect the equilibrium relation o f tensio n among liquid, solid and vapo r phases .T he ave rage value s of sur face tension o f fo ur substrates mentio ned abov e a re 340 .24 , 457.79 , 357.52 , 431.35(mJ · m-2)re spectively a t 1100℃.