摩擦学读书报告(二)

《摩擦学原理》读书汇报

<固—液界面>

专业：机械电子工程姓名：署恒涛学号：201410100230

第一部分固液界面简述

界面现象，相界面上因为存在于本体相不同的作用力而产生的一些现象；被习惯的称作“表面现象”；如：固体表面的水滴、海绵吸水等。一般来讲界面可以分为五种：固-固、固-液、固-气、气-液、液-液。关于固液界面的特性，它不仅与固体、气体本来性质有关；而且还与固液两相本质结构、组成甚至所处外界客观环境有关。另外，在实际情况中，由于固液界面一般都会与大气接触，因此在研究固液界面的特性时，切记不要忽视气相作用，比如气压等。

在研究固-液界面时，首先就要研究该界面的湿润性。湿润性是指液体在固体表面的铺展或凝聚的能力。一般认为：边界润滑膜的机理与润滑剂的湿润性有关。研究该特性需要考虑的内容包括：表面张力、接触角以及表面张力引起的内部压力。

固液界面的粘着现象与液体的表面张力密切相关。表面张力可以表述为液体表面在单位长度上的牵引力。

表面张力的方向和液面相切，并和两部分的分界线垂直，如果液面是平面，表面张力就在这个平面上。如果液面是曲面，表面张力就在这个曲面的切面上。表面张力是分子力的一种表现。它发生在液体和气体接触时的边界部分。是由于表面层的液体分子处于特殊情况决定的。液体内部的分子和分子间几乎是紧挨着的，分子间经常保持平衡距离，稍远一些就相吸，稍近一些就相斥，这就决定了液体分子不像气体分子那样可以无限扩散，而只能在平衡位置附近振动和旋转。在液体表面附近的分子由于只显著受到液体内侧分子的作用，受力不均，使速度较大的分子很容易冲出液面，成为蒸汽，结果在液体表面层（跟气体接触的液体薄层）的分子分布比内部分子分布来得稀疏。相对于液体内部分子的分布来说，它们处在特殊的情况中。表面层分子间的斥力随它们彼此间的距离增大而减小，在这个特殊层中分子间的引力作用占优势。因此，如果在液体表面上任意划一条分界线把液面分成两部分。这两部分彼此的吸引力一定大小相等、方向相反。这种表面层中任何两部分间的相互牵引力，促使了液体表面层具有收缩的趋势，由

于表面张力的作用，液体表面总是趋向于尽可能缩小，因此空气中的小液滴往往呈圆球形状。

表面张力F 的大小跟分界线的长度成正比。

严格的来讲，在固-液界面中，液体的表面张力为气-液表面张力，如图1所示。

图1 表面张力与接触角

)(SV γ-固气表面张力；)(SL γ-固液表面张力

)(LV γ-气液表面张力；θ-接触角

S L V 、、-气体、液体、固体

液体表面自动收缩的现象也可以从能量的角度来分析。一般情况下，湿润性是通过测量液体在表面的接触角来实现的。如图1所示，接触角θ定义为固、液、气三相交界点上固-液界面与液-气界面切线之间的夹角。那么我们可以得到接触角与表面张力之间的关系为：θγγγcos ⋅+=LV SL SV 。一般当。＜90θ时被称为湿润；当。＞90θ时被称为不湿润。表面接触角大，则表示该表面是疏润性的；反之表示该表面为亲润性，这时它的粘附能大于液体的内聚能。而表面接触角的大小是由固体和液体的表面张力或表面自由能所决定的。

接触角θ可以用投影法得到，液体的表面张力可以用表面张力测试仪测出。另外，接触角θ还与固体表面的粗糙度以及温度等因素有关。

当两个平行的固体平板之间存有一滴液体时，会在液滴的端部形成弯月面。若液滴内部的压力小于环境压力，则弯月内凹；反之，弯月面外凸；如图2所示。

图2 液体弯月面 弯月面内外的压力差称为毛细压力或者拉普拉斯压力，可以为正值（内部压力大于外部压力），也可以为负值。

根据拉普拉斯公式，毛细压力引起的两平行圆盘的作用力LV F 为：

h R F LV LV )

cos (cos 212θθγπ+=

式中，21θθ、分别表示液体上下两表面之间的接触角；R 为圆盘的半径。 由上式可以分析：弯月面力的大小与球面的半径，液体的表面张力以及接触角有关，而与液体的体积无关。在微尺寸的环境中，弯月面力应被作为重要的作用力不能被忽视。

第二部分 固液界面吸附膜

吸附是指在相界面上某种物质的浓度不同于体相浓度的现象。由于固体表面具有一定的表面张力，且在加工成型过程中形成的许多晶格缺陷使得表面的院子处于不饱和或者不稳定状态，液体的极性基团容易产生吸附，而使表面形成各种摸。表面吸附效应对于边界润滑和干摩擦状态都是十分重要的；有物理吸附膜和化学吸附膜之分。

当气体或液体与固体表面接触时，由于分子或原子相互吸引的作用力而产生的吸附为物理吸附；由于极性分子的有价电子与基体表面的电子发生交换而产生化学合力，使得极性分子定向排列，被称作化学吸附。两者示意图如图3、4所示。前者吸附膜较弱，对温度很敏感，加热可使分子解除吸附，且产生吸附于解除吸附是可逆的；后者较为稳定，且有不可逆性，要在高温下才能解除吸附。

图3 物理吸附图4 化学吸附除上述的吸附膜之外，在不同的相体界面层还会存在化学反应膜。化学反应膜又被称为表面反应膜，通常指外部物质与接触表面产生化学反应形成不同于表面基体成分的化学物质的界面。这种反应是不可逆的，一般在重载、高温、高速的条件下形成，如图5所示。

图5 化学反应膜