固体表面的接触
(最新整理)固体表面及界面接触现象(1)分解
q(ps pns n)
2021/7/26
30
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
若用 σ ( 0 ) 表示表面处为平带时的薄层电导，
则半导体表面层总的薄层电导为：
σ σ(0 ) q (p s p n s n )
2021/7/26
31
2021/7/26
32
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
从式（6-15）可以看到，当Vs改变时，Qs也改 变，也就是说表面空间电荷层的面电荷密度Qs随 表面势Vs改变而变化，这相当于一个电容效应。 可求得微分电容：
[1exp(qVs )]np0[exqpV (s )1]
Cs
rs0
LD
kBT pp0
kBT
F(qV,snp0)
9
§6 固体表面及界面接触现象
6.1 表面态
表面态对半导体的各种物理过程有重 要影响,表面态的带电将产生一个垂直半 导体表面的电场，与此相关的效应将在 下一节讨论。
2021/7/26
10
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
（一） 半导体表面受外场的影响
在一块与半导体表面平行的平板金属与半导 体之间加上外电压V，就会有一个电场（强度 E0)作用于半导体表面，这相当于金属与半导 体之间构成平板电容器。
2021/7/26
27
§6 固体表面及界面接触现象
6.2 表面电场效应
5. 深耗尽状态
因为空间电荷区中多子对外电场改变的响应几乎是瞬 时的（约10-12秒），而少子的响应则要慢得多（约100~102 秒），如果表面电场的幅度较大（其方向对P型半导体是 由表面指向体内）、变化又快（例如以阶跃脉冲形式加 上），则刚开始的瞬间少子还来不及产生，因而也就没有 反型层，为屏蔽外电场，只有将更多的空穴（多子）进一 步排斥向体内（空穴是多子，跟得上外电场变化），由更 宽的耗尽层（大于强反型状态时的耗尽层宽度）中的电离 受主来承担。这种非平衡状态就叫深耗尽状态。
高二物理竞赛课件：固体表面及界面接触现象之表面态
晶体表面，晶格突然断裂，最外层的Si原子
出现未配对电子，即存在一个未饱和的键，称为
悬挂键。பைடு நூலகம்
悬挂键上的电子对应的能量状态称为表面态。
从能量高低的角度考虑，表面态的能量高于价带中的电子能量（体内配
对价键上的电子能量）低于导带中的电子能量（晶格空间的准自由电子的能
量状态），因此它的能量值必定在禁带范围内。
微分电容
其中：
() = [+ − − + () − ()൧
讨论非简并情况，满足玻尔兹曼分布，则
B
B
其中np0和pp0分别表示半导体内部热平衡电子浓度和热平衡空穴浓度。
外电场垂直作用于热
平衡P型半导体表面
层所满足的泊松方程。
B
B
电荷密度 QS 0 E0 。
• 金属和半导体的表面存在一定的电荷分布。
空间电荷区
• 空间电荷区的存在可以屏蔽外电场，使其不能深入半导体内部（空间电荷区存在
内建电场）。
由于表面层内存在电场，必然存在势能。附加了电势能后，
半导体表面层内的能带必然发生变化。下面以P型半导体为
例分析。
电子电势：
电势：
外加电场：
E ( x)
电场方向由半导体表
面指向半导体内部。
dV ( x)
dx
qV ( x)
半导体表面与体内之间的电
势差称为半导体的表面势。
空穴电势的变化
情况与电子相反。
空间电荷区出现附加的静电势能，使电子在半导体内部
和表面层的势能不相同，则相应的能带发生变化。
这种半导体表面空间电荷区
表面能带
悬挂键的密度很高
《无机非金属材料科学基础》第6章 固体的表面与界面行为
由此我们可以得到一个重要的结论:肥皂池的半径越 小，泡膜两侧的压差越大。
上式是针对球形表面而言的压差计算式，对于 一般的曲面，即当表面并非球形时，压差的计算式 有所不同。一般地讲，描述一个曲面需要两个曲率 半径之值;对于球形，这两个曲率半径恰好相等。一 般曲面两个曲率的半径分别为R1和R2。我们可以得 到一般曲面的压差计算式:
1. 共价键晶体表面能
2. 离子晶体表面能
每一个晶体的自由焓都是由两部分组成，体积 自由焓和一个附加的过剩界面自由焓。为了计算 固体的表面自由焓，我们取真空中0K下一个晶体 的表面模型，并计算晶体中一个原子(离子)移到晶 体表面时自由焓的变化。在0K时，这个变化等于 一个原子在这两种状态下的内能之差。
目录
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节 • 第五节
表面与界面物理化学基本知识 固体的表面(固-气) 固-液界面 浆体胶体化学原理 固-固界面
6.1 表面与界面物理化学基本知识
固体的界面可一般可分为表面、界面和相界面： 1）表面:表面是指固体与真空的界面。 2）界面:相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。 3）相界面:相邻相之间的交界面称为相界面。相界面有
界面间的吻合和结合强度。
表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生。微 裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度 这种影响尤为重要。
脆性材料的理论强度约为实际强度的几百倍，正是 因为存在于固体表面的微裂纹起着应力倍增器的作用， 使位于裂缝尖端的实际应力远远大于所施加的应力。
葛里菲斯（Griffith）建立了著名的玻璃断裂理论， 并导出了材料实际断裂强度与微裂纹长度的关系
R 2E C
接触角测试标准
接触角测试标准接触角测试是一种常见的表面性质测试方法，通过测试液体在固体表面的接触角来评估表面的亲水性或疏水性。
接触角测试广泛应用于材料科学、表面工程、涂料、油墨、纺织品、医疗器械等领域。
在进行接触角测试时，需要严格遵守相关的测试标准，以确保测试结果的准确性和可比性。
一、测试仪器和设备。
在进行接触角测试时，需要使用专业的接触角测试仪器，如旋转滴定仪、静态接触角仪等。
这些仪器通常配备有高精度的摄像头和图像分析软件，能够实时捕捉液滴在固体表面的形态，并计算出接触角的数值。
在选择测试仪器时，需要考虑样品的大小、形状、表面性质等因素，以确保测试的准确性和可重复性。
二、样品准备。
在进行接触角测试之前，需要对样品进行准备。
首先，需要确保样品表面干净、平整，没有杂质和污染物。
其次，需要根据测试要求选择合适的测试液体，常用的测试液体有水、甘油、二甲基硅油等。
在选择测试液体时，需要考虑样品的表面性质和测试的目的，以确保测试结果的准确性和可比性。
三、测试方法。
接触角测试通常包括动态接触角测试和静态接触角测试两种方法。
动态接触角测试是通过测量液滴在固体表面的滚动角速度来计算接触角，适用于表面能较低的样品。
静态接触角测试是通过测量静止液滴在固体表面的接触角来评估表面的性质，适用于表面能较高的样品。
在进行测试时，需要根据样品的特点选择合适的测试方法，并严格按照相关的测试标准进行操作。
四、数据分析。
在完成接触角测试后，需要对测试数据进行分析。
通常可以通过图像分析软件测量液滴的形态和接触角的数值，也可以通过数学模型计算表面的能量和粗糙度等参数。
在数据分析过程中，需要注意排除测试误差和干扰因素，确保测试结果的准确性和可靠性。
五、测试标准。
在进行接触角测试时，需要严格遵守相关的测试标准。
不同的行业和应用领域通常有相应的测试标准，如ASTM、ISO、GB等。
在选择测试标准时，需要考虑样品的特点和测试的目的，以确保测试结果的准确性和可比性。
氮吸附原理
氮吸附原理
氮吸附原理是指通过将氮气与固体表面接触，利用氮分子在固体表面上吸附的性质来判断固体材料的孔隙结构和表面特性。
氮分子在固体表面吸附时，会发生物理吸附和化学吸附两种过程。
物理吸附是指氮分子通过静电力、范德华力等相互作用力被吸附在固体表面上，没有形成化学键。
物理吸附通常发生在低温下、低压力下，吸附过程相对可逆。
化学吸附是指氮分子与固体表面的原子或分子之间发生化学反应，形成化学键。
化学吸附通常发生在高温下、高压下，吸附过程相对不可逆。
通过测量固体材料对氮气的吸附量和压力之间的关系，可以获取吸附等温线。
根据吸附等温线的形态，可以推断固体材料的孔隙结构和表面特性。
例如，当吸附等温线呈现类似Langmuir等温吸附线的形态时，表明固体具有均匀且相互独
立的吸附位点，孔隙结构较为均匀。
而当吸附等温线呈现类似BET等温吸附线的形态时，表明固体具有多层次的孔隙结构。
氮吸附原理在材料科学、化学工程、环境科学等领域中得到广泛应用。
通过氮吸附分析，可以评估固体材料的比表面积、孔隙体积、孔径分布等参数，以及表面化学性质和吸附能力，进而指导材料的设计和应用。
接触冲刷名词解释
接触冲刷名词解释
接触冲刷 (contact erosion) 是指由于流体 (如液体或气体) 与固体表面接触而产生的破坏现象。
在接触冲刷过程中，流体高速流经固体表面，对其造成冲刷和侵蚀，从而导致固体表面发生磨损和破坏。
接触冲刷通常发生在高速流体流经管道、叶片等部件时，在这些部件上的摩擦和压力作用下，流体动能转化为热能，导致部件表面温度升高，加剧了接触冲刷的破坏作用。
接触冲刷在许多工业领域都有广泛应用，如石油和天然气开采、流体输送、航空和航天等领域。
因此，研究接触冲刷的机理和抑制方法具有重要的工程和应用价值。
接触冲刷的机理涉及到流体力学、材料力学和热力学等多个学科，近年来得到了广泛的研究。
研究接触冲刷的抑制方法通常包括材料选择、表面修饰、流体优化等方面。
其中，材料选择是最有效的方法之一，可以采用高性能的材料，如高强度、高硬度的材料，以减轻接触冲刷的破坏作用。
表面修饰也是一种有效的抑制方法，可以通过在材料表面修饰一层保护层，来减缓流体对表面的冲刷和侵蚀。
流体优化也是一种常用的方法，可以通过改变流体的性质和流动条件，如提高流体的压力和速度，来减轻接触冲刷的破坏作用。
接触冲刷是一种严重的工程问题，对于许多工业领域都有着重要的负面影响。
因此，研究接触冲刷的机理和抑制方法具有重要的工程和应用价值。
接触角测试标准
接触角测试标准接触角测试是一种常见的表面性质测试方法，通过测量液体与固体表面接触的角度来判断表面的亲水性或疏水性。
接触角测试广泛应用于材料科学、化工、生物医药等领域，对于表面处理、涂覆材料的选择和性能评价具有重要意义。
本文将介绍接触角测试的标准方法和注意事项。
一、接触角测试的标准方法。
1. 准备工作，在进行接触角测试前，需要准备好实验所需的仪器设备，包括接触角测量仪、光源、相机等。
此外，还需要选择合适的测试液体，常用的有水、甘油、二甲基二氯甲烷等。
2. 样品制备，将待测试的固体样品制备成平整的表面，并确保其清洁干净，避免灰尘、油污等对测试结果的影响。
3. 测量步骤，将测试液体滴在样品表面，通过接触角测量仪测量液滴与样品表面的接触角度。
在测量过程中，需要注意控制液滴大小和滴液速度，保持测试条件的一致性。
4. 数据处理，根据测得的接触角数据，可以计算出表面的亲水性或疏水性指标，从而评价样品的表面性质。
二、接触角测试的注意事项。
1. 样品表面处理，在进行接触角测试前，需要对样品表面进行适当处理，以确保测试结果的准确性。
常见的处理方法包括清洗、打磨、涂覆等。
2. 测量条件控制，在进行接触角测试时，需要严格控制测试条件，包括温度、湿度、光照等因素，以确保测试结果的可比性。
3. 重复测量，为了提高测试结果的可靠性，建议进行多次重复测量，并取平均值作为最终结果。
4. 数据分析，对于接触角测试得到的数据，需要进行合理的分析和解释，结合样品的实际应用需求进行评价。
5. 仪器校准，定期对接触角测量仪进行校准，以确保测试结果的准确性和可靠性。
三、结论。
接触角测试作为一种常见的表面性质测试方法，在材料科学和工程领域具有重要的应用价值。
通过本文的介绍，相信读者对接触角测试的标准方法和注意事项有了更深入的了解，能够在实际应用中更加准确地进行接触角测试，并得到可靠的测试结果。
接触角测试的标准化和规范化将有助于推动该领域的发展，促进材料表面性质研究的进步。
固体表面产生化学吸附的原因
固体表面产生化学吸附的原因以固体表面产生化学吸附的原因为题，我们将详细探讨化学吸附的机制和原因。
化学吸附是指气体或溶液中的分子与固体表面发生化学反应并吸附在表面上的现象。
这种吸附是由于分子间的相互作用力导致的。
以下将从分子间力、化学键形成和表面特性等方面解释固体表面产生化学吸附的原因。
分子间力是导致化学吸附的主要原因之一。
分子间力包括范德华力、氢键和离子键等。
范德华力是非极性分子之间的相互作用力，是由于电子在分子中的分布不均匀而产生的。
当气体或溶液中的分子与固体表面接触时，分子间的范德华力会使分子倾向于在表面附近聚集，从而产生化学吸附。
另一种分子间力是氢键，它是由于氢原子与氮、氧或氟等电负性较高的原子形成的强相互作用力。
氢键的形成使得分子更容易吸附在固体表面上。
离子键是由正负电荷之间的相互作用力引起的，当带电的离子与固体表面接触时，离子间的吸引力使得离子更容易吸附在表面上。
化学键形成也是固体表面产生化学吸附的原因之一。
当气体或溶液中的分子与固体表面接触时，表面的活性位点会与分子中的化学键断裂或形成新的化学键。
这种化学反应导致分子与表面之间形成了化学键，从而使分子吸附在固体表面上。
例如，金属表面上的氧化反应会导致氧分子与金属表面形成金属氧化物，从而实现化学吸附。
固体表面的特性也对化学吸附起到重要的影响。
固体表面的特性包括表面活性位点的种类和密度、表面结构和形貌等。
表面活性位点是指固体表面上能够与分子发生化学反应的位置。
表面活性位点的种类和密度决定了吸附分子与固体表面之间的相互作用力的强弱。
固体表面产生化学吸附的原因主要包括分子间力、化学键形成和表面特性等。
分子间力使分子在固体表面附近聚集，化学键形成使分子与固体表面发生化学反应并吸附在表面上，而固体表面的特性决定了吸附的效果。
通过深入理解这些原因，可以更好地理解和控制固体表面的吸附现象，为实际应用提供理论基础和指导。
固体表面与接触特性综述
固体表面与接触特性摘要：简要介绍了固体表面的几何特性包括表面波纹度、表面粗糙度和支撑面积曲线，固体表面的物理物理与化学特性，接触表面间的相互作用与接触面积，接触力学和接触变形。
关键词：固体表面，几何特性，物理特性，化学特性，接触特性1 固体表面特性摩擦磨损是在相互接触的物体表面进行的，因此研究接触体摩擦表面的性质是研究摩擦磨损的基础。
[1]固体的表面性质主要包括两方面的内容，即表面形貌与表面组成。
前者着重研究表面的形状，后者着重研究表面的结构及表面的物理、化学性质。
1.1 固体表面几何特性1.1.1表面波纹度表面波纹度是零件表面周期性重复出现的一种几何形状误差，波纹度有两个重要参数即波高h和波距s 。
波高h表示波峰与波谷之间的距离，波距s表示相邻两波形对应点的距离。
表面波纹度会减少零件实际支承表面面积，在动配合中会引起零件磨损加剧。
[1]表面波纹度通常是由于机加工时不均匀的进刀、不均匀的切削刀或机床的振动引起的。
[2]1.1.2 表面粗糙度表面粗糙度不像表面波纹度那样具有明显的周期性，其波距和波高均较小，常用下列指标对表面粗糙度进行评定：（1）轮廓算数平均偏差Ra（2）均方根偏差Rq（3）微观不平十点高度Rz（4）轮廓最大高度Rmax[3]不同形状和轮廓的表面用上述不同方法测得的粗糙度值也不同．但在一定程度上，它们之间可以相互换算。
以上参数仅能说明表面轮廓在高度方向的偏差，不能说明表面凸峰的形状、大小和分布状况等待性。
因此还需要有其它参数如微凸体的峰顶曲率半径、微凸体的坡度、密度以及支承面积等来加以描述[4]。
1.1.3 支撑面积曲线支承面积曲线不仅能表示粗糙表层的微凸体高度的分布，而且也能反映摩擦表面磨损到某一程度时，支承面积的大小[5]。
支撑面积曲线主要用于计算实际接触面积。
在标准长度1的轮廓线上，做与中线平行的一系列直线，将各条平行线截取的轮廓图形中微凸体的长度相加，分别画在轮廓图的右边。
接触角与粘度-概述说明以及解释
接触角与粘度-概述说明以及解释1.引言1.1 概述接触角与粘度是物理学中两个重要的概念，它们在液体界面行为和流体力学领域有着广泛的应用。
接触角描述了液体与固体表面接触时的几何角度，而粘度则是液体的流动阻力。
液体与固体接触的角度称为接触角。
它是指液体在与固体表面接触时，与固体表面所形成的夹角。
接触角的大小可以反映液体的润湿性，即液体与固体之间的相互作用力大小。
当接触角接近于0度时，液体完全能够润湿固体表面，因为液体与固体表面之间的相互作用力较强。
而当接触角接近于180度时，液体难以润湿固体表面，因为液体与固体表面之间的相互作用力较弱。
粘度是液体的一个重要物理性质，它描述了液体流动的阻力大小。
粘度越大，液体流动的阻力就越大，流动性能就越差。
粘度的大小取决于液体分子之间的相互作用力。
当液体分子间的相互作用力较强时，粘度就会增大；相反，当液体分子间的相互作用力较弱时，粘度就会减小。
接触角与粘度之间存在一定的关系。
液体的接触角与其粘度之间存在一种内在联系，即接触角的大小会受到粘度的影响。
一般来说，粘度较大的液体更难与固体表面接触并润湿。
这是因为液体颗粒之间相互作用力较强，使得液体分子对固体表面的吸附和扩散能力降低，从而导致接触角的增大。
通过研究接触角与粘度的关系，可以更好地理解液体在界面上的行为，并为一些液体的应用提供理论基础。
例如，在表面润湿和液滴形态控制方面，我们可以通过调控液体的粘度来改变接触角，进而实现特定的应用要求。
此外，在涂层技术、液滴传输和液体微滴的生成等领域，对接触角和粘度的深入研究也有助于发掘新的应用前景。
综上所述，接触角与粘度是两个相互关联的重要概念。
它们在液体与固体之间相互作用和流体力学研究中具有广泛的应用价值。
通过深入研究接触角与粘度的关系，可以为相关领域的研究和应用提供更多的理论支持和指导。
文章结构部分的内容如下：1.2 文章结构本文将分为三个主要部分。
首先，在引言部分，我们将对接触角和粘度进行概述，并介绍文章的目的。
接触角原理
接触角原理
接触角原理是涉及到固体表面性质的一个概念。
它指的是液体与固体接触时，在两者交界面上形成的一个角度。
具体来说，接触角是由液体分子之间的相互作用力和液体与固体之间的相互作用力共同决定的。
固体表面的性质可以通过接触角的测量来进行表征。
对于水在玻璃表面上的接触角，若接触角小于90度，则说明液体能在固体表面上完全展开，这意味着固体表面是亲水性的。
相反，若接触角大于90度，则说明液体在固体表面上只形成一个小角度的接触，这表明固体表面是疏水性的。
接触角原理还可以解释液滴在固体表面上的现象。
当液滴滴在亲水性表面上时，液滴会自发地展开，接触角小于90度，液滴会迅速铺展开。
相反，当液滴滴在疏水性表面上时，液滴会形成一个球状，接触角大于90度。
这是因为亲水性表面的分子间相互作用力使得液滴能够在固体表面上迅速扩散，而疏水性表面的分子间相互作用力会使得液滴趋向集聚成球状。
除了亲水性和疏水性表面，还存在一类特殊的表面性质，称为超疏水性表面。
超疏水性表面上的接触角通常大于150度，液滴滴在超疏水性表面上时会迅速形成一个近似球状的形态。
这些特殊表面的实现往往涉及到工程技术的干预，例如表面微结构设计和化学涂层处理。
总的来说，接触角原理帮助我们理解液体与固体交界面的性质
与现象，对于许多应用领域，如涂层技术、材料设计等具有重要意义。
第2章固体的表面接触
② 实际压力法 实际压力的计算 a. 弹性变形情况 两粗糙球面： 两粗糙球面：
P Ar = Pr
Pr：实际压力
B：材料的弹性常数 ：
Ra 0.43 0.14 Pr = 0.61( 2 ) PP rB
粗糙球面与光滑平面： 粗糙球面与光滑平面：
1 − µ 12 1 − µ 22 B = + E1 E2
固体的表面接触
杜永平
§3 接触力学 一、任意两曲面体接触
2 2 1 2
x z p = pmax (1 − 2 − 2 ) a b
则总压力 则总压力为
a b
x z P = ∫ pdF = pmax ∫ ∫ (1 − 2 − 2 ) dxdz −a −b a b
2
2
1 2
令 则
x = aρ cos θ
An = a ⋅ b
固体的表面接触 杜永平
2. 真实接触面积 r 真实接触面积A
Ar = ∑ ∆Ai
i =1
n
一般情况下， ＝（0.01～0.1）%An 一般情况下，Ar＝（ ～ ） 就摩擦学而言，其决定性意义的是真实接触面积 就摩擦学而言， Ar，而非名义接触面积 n。 而非名义接触面积A 1939年鲍登（Bowden）和泰保（Tabor）利用 年鲍登（ 年鲍登 ）和泰保（ ） 真实接触面积与载荷成正比， 导电法证实了真实接触面积与载荷成正比 导电法证实了真实接触面积与载荷成正比，其接 触为塑性接触的结论。 触为塑性接触的结论。 的结论
δ
1
2
HB 1 2 = ' r E
用无量纲参数来表示塑性指数
讨论： 讨论：
σ φ =( ) δ
1
2
接触角表面能计算公式
接触角表面能计算公式
接触角是指液体与固体表面接触时，液体表面与固体表面所形成的夹角。
接触角的大小与液体与固体表面的亲疏程度有关，即液体与固体表面的表面能。
表面能是指单位面积内所需要的能量，它是描述固体表面性质的重要参数。
接触角表面能计算公式是用来计算液体与固体表面的接触角的公式。
接触角表面能计算公式为：
cosθ = (γs - γsl) / γl
其中，θ为接触角，γs为固体表面能，γl为液体表面能，γsl为固体与液体之间的界面能。
接触角表面能计算公式的推导过程如下：
液体在固体表面上形成的接触角θ，可以用杨-杜普方程表示：
γl cosθ = γs - γsl
其中，γl为液体表面能，γs为固体表面能，γsl为固体与液体之间的界面能。
将上式两边同时除以γl，得到：
cosθ = (γs - γsl) / γl
这就是接触角表面能计算公式。
接触角表面能计算公式的应用非常广泛，例如在涂料、油墨、胶水等领域中，可以通过计算接触角来评估涂层的附着性能；在生物医学领域中，可以通过计算接触角来评估生物材料的表面性质，以及细胞与材料之间的相互作用等。
接触角表面能计算公式是描述液体与固体表面相互作用的重要公式，它的应用范围非常广泛，对于研究材料表面性质、涂层附着性能等方面具有重要意义。
固体表面有何特性
粘接的对象都是固体，而且粘接作用仅发生在固体的表面。
因此，了解固体表面的特性，很有必要。
现分述如下：
1)由于固体表面长时间暴露，表面上均有吸附气体、吸附水膜、氧化物、油脂和尘埃等东西，因而是不清洁的。
2)宏观是光滑的固体表面，在微观上都是非常粗糙、凹凸不平的，象是峰谷交错，两固体表面的接触，只能是最高峰的点接触，实际接触面积仅为几何面积的1％左右。
3)固体表面的分子要比内部分子的能量大，这多余的能量称为表面能或表面自由能．因而固体表面能量高于内部能量。
4)由于固体表面的能量高，为使其稳定，必须吸附一些物质，这就表现出固体表面具有一定的吸附性，因此即使是新制备的表面，也很难保证绝对清洁。
5)固体表面布满了很多孔隙，有些材料基体就是多孔的，表面当然也不例外。
即使基体密实的材料，表面因粗糙、氧化、腐蚀和吸附也会形成多孔隙的表面。
接触角原理
接触角原理接触角原理是表征液体在固体表面上接触时的角度变化的物理现象。
在实际应用中，接触角常常被用来表征固体表面的亲水性或疏水性，以及液体在固体表面的吸附能力。
接触角的定义为液滴与固体表面所形成的夹角，即液面与固液界面所形成的夹角，液体与固体接触面积越小，接触角越大，反之亦然。
接触角既受固体表面特性的影响，也受液体表面张力的影响。
一般来说，当液体对固体表面具有一定的亲水性时，形成的接触角较小（小于90度），这种情况下，液滴能够充分地展开在固体表面上，表现出润湿性。
而当液体对固体表面具有较强的疏水性时，形成的接触角较大（大于90度），液滴则不能很好地展开在固体表面上，表现出不良润湿性。
液体在固体表面上的接触行为不仅与固体和液体表面的物化特性有关，同时也受到气体相的影响。
在实际情况中，绝大多数液体表面都存在一层氧化层或异物层，如果液体不与空气接触，接触角就会受到影响。
接触角的测定方法有很多种，主要包括静态接触角法、动态接触角法和气泡法。
静态接触角法是一种基于光学或成像系统的方法，可以直接测量液滴和固体表面形成的接触角；动态接触角法则是通过在实验过程中改变液滴与固体表面的接触情况，从而测量接触角变化的方法。
气泡法则是通过测量气泡在液体和固体界面上升降的时间，从而计算出接触角的方法。
除了上述应用领域，接触角原理在生物学、环境科学和食品工业等领域也有着广泛的应用。
在生物学中，接触角原理被用于解释液体和生物界面之间的相互作用，并被应用于诊断医学领域的生物膜研究。
在组织工程中，接触角原理也被用于控制生物材料的表面性能，以提高生物材料的可控性和生物相容性。
糖皮质植入的成功率与材料表面的润湿性密切相关。
在环境科学中，接触角被用于测量水的表面张力和疏水性，从而预测污染物在自然环境中的行为。
在水污染控制和治理中，诸如油膜吸附、废水处理，水中有毒有害物质的检测和去除，也都需要利用接触角原理。
在食品工业中，接触角原理被应用于测量食品和包装材料的表面润湿性，以便更好地控制包装材料与食品接触后的润湿性和控制拉伸或撕裂的强度。
吸附的基本原理和过程步骤
吸附的基本原理和过程步骤
吸附的基本原理是指固体表面对气体或液体物质的吸收作用，使物质分子沉积在固体表面上形成吸附层。
吸附是由于固体表面存在的无定形结构、电荷、亲疏水性以及表面活性位点等因素所引起的。
过程步骤如下：
1. 接触：吸附物质与固体表面接触，形成物质分子与表面分子之间的相互作用；
2. 扩散：吸附物质的分子从溶液或气相中由高浓度区域向低浓度区域进行扩散，并在表面形成致密分子层；
3. 吸附：吸附物质的分子与固体表面之间发生相互作用，吸附物质分子吸附在固体表面上，形成吸附层；
4. 平衡：吸附物质的吸附量随着时间的增加而趋于稳定，形成吸附平衡，吸附速率与脱附速率相等，吸附层处于动态平衡状态。
在实际应用中，通过调节吸附条件，如温度、压力、pH值等，可以改变吸附平衡及吸附量，以实现固体表面的选择性吸附。
材料科学基础05-固体的表面与界面培训讲学
亚晶界（sub-boundaries）、相界(phase boundaries)
及层错(stacking faults)等。
界面的存在对晶体的力学、物理和化学等性能产生着重
要的影响。
2022/3/14
9
界面现象的本质
表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。
体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是第2 节 界面及界面行为——润湿与吸附、粘附
• 本章了解界面、固体表面分类及结构、固体表面 力场
• 重点掌握润湿的类型（附着、浸渍和铺展润湿） • 重点掌握Young方程、接触角 • 润湿的应用 • 吸附、粘附
第1节 固体的表面及其结构
固体表面的特点
固体表面的不均一性。表现在：
2022/3/14
高倍电子显微镜下聚四氟乙烯表面结构图
2
1µm • CVD氧化铝涂层剖面
2022/3/14
• 氧化铝涂层表面
3
相界面
3）相界面: 相邻相之间的交界面称为相界面。 相界面有三类: 固相与固相的相界面（s／S）； 固相与气相之间的相界面（s／V）；固相与液相 之间的相界面（s／L）。
F范＝FK＋FD＋FL 1/r7
对不同物质，上述三种作用并非均等的。例如对于非极 性分子，定向作用和诱导作用很小，可以忽略，主要是 分散作用。
固体的表面结构
表面力的作用： 液体: 总是力图形成球形表面来降低系统的表面能。 固体: 使固体表面处于较高的能量状态(因为固体不能流动), 只能借助于离子极化、变形、重排并引起晶格畸变来 降低表面能，其结果使固体表面层与内部结构存在差异。
（1）台阶表面 台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规 则的台阶的表面所组成。
接触角名词解释
接触角名词解释
接触角是指两个物体在接触点处的夹角。
这个概念常用于描述液滴或气泡与固体表面的接触情况。
在液滴和固体表面的接触中，存在接触角。
接触角的大小决定了液滴在固体表面上的形状。
如果接触角较小，则液滴将展开，与固体表面有很大的接触面积。
如果接触角较大，则液滴形状更为球状，与固体表面接触的面积较小。
接触角的大小与液体与固体表面之间的相互作用力有关。
如果液体与固体表面之间相互作用力较强，接触角会较小。
相反，如果相互作用力较弱，接触角会较大。
接触角在工程和科学领域中有很多应用。
例如，通过调整液滴在固体表面上的接触角，可以改变液体在微流体设备中的流动性能。
此外，接触角也被用于研究液滴在涂层和染料中的扩展性，以及气泡在液体中的消解过程等。
接触面积公式
接触面积公式接触面积公式简介接触面积是指从两个物体之间的接触部分测量出的面积，它对于了解物体之间的摩擦、粘附和传热等现象至关重要。
在工程中，接触面积公式是一项重要的计算工具。
它可以帮助工程师预测机器操作中的摩擦力和活塞油压等事项，以确保设备在运行时能够稳定地运作。
接触面积公式高中物理课程中，是很重要的一个知识点。
高中物理中涉及到的有液体、固体和气体的接触面积公式，虽然他们的背景与应用有所不同，但对于工程领域中的应用都非常有用。
下面我们就介绍多个不同物质的接触面积公式。
1.液体的接触面积公式对于液体来说，接触面积是指液体与固体接触的部分的面积。
液体的接触面积公式如下：A = F/w其中， A 是液体与固体接触的面积， F 是液体对固体施加的作用力， w 是液体与固体接触的压力。
这个公式也可以写成：A = 4F/3πw其中括号内为（3V/4π）的值，V是两个物体之间的总体积。
2.固体的接触面积公式对于固体来说，其接触面积公式可以分为直接接触和间接接触两种情况。
直接接触是指两个固体表面直接接触，间接接触则是指两个固体通过一种介质而相互接触。
对于直接接触，可以使用下面的公式：A = (F/μp)其中， A 是两个固体表面的接触面积， F 是所施加的作用力，μ 是两个固体表面间的摩擦系数， p 是所施加的压力大小。
对于间接接触，公式则复杂得多。
为了计算这种情况的接触面积，需要考虑介质的渗透率。
介质的渗透率越高，两个固体表面之间的接触面积也就越大。
3.气体的接触面积公式对于气体来说，在接触面积的计算上涉及到压力和温度变化对气体行为的影响。
对于气体相互接触，接触面积公式如下：A = ΨkPR/γT其中，Ψ是一个常数，k是热力学参数，P是气体压力，R是气体常数，γ是气体比热容，T是气体的绝对温度。
结论了解接触面积公式可以帮助工程师更精确地预测机器操作中的摩擦、粘附和传热等现象。
这些现象可能会导致机器性能退化，因此应该尽可能地避免。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2
2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 3R 3 2E F
1 3
σmax = δ=
3
3 R1 R2 F 3F 3 R1 R2 1 2 1 2 2 2a 2 1 2 E E2 1
9 R1 R2 1 1 1 1 16 R1 R2 E1 E2
当 ＜0.6时，为弹性变形； ＞1时，开始出现塑性变形； ＞10时，完全为塑性变形。 由于大多数表面的值都超过1，所以几乎在任 何接触情况下，都有某些接触微凸体为塑性变 形。
四、研究接触特性的方法
弹性变形和塑性变形的转变点，可用塑性指数来衡量：
E HB
式中 E— H B— Ra— R —
Ra R
综合弹性模量； 材料的硬度； 轮廓算术平均偏差； 微凸峰的曲率半径。
当表面粗糙度Ra值大，R小，HB低，则 值大， 接触变形容易达到塑性状态； 反之，表面光洁，微凸体曲率半径大，硬度 高，值小，则接触变形可能为弹性。
2 2 1 2 9 3 W 4E2R F 2 1 3
3
接触面上的最大接触应力σmax与载荷的立方根成正比。 与两圆柱体的接触比较，球体接触面上的应力值与载荷 关系较不敏感。
五、接触面积的计算
1、单一球体同光滑平面的接触
接触面上的压力和变形可以用单个球体接触时的赫兹接触公式 进行计算。
真实接触面积为： Ar nAi nR2 Z d nR2 载荷和面积的关系为：
F
2E 3 2 n R
3 1 2
Ar
3
2
弹性变形时，载荷与真实接触面积的3/2次方成正比。
2） 塑性接触
当载荷较大时，由于真实接触面积很小，接 触面积上的应力可能达到材料的屈服极限σs， 使接触面积上的材料发生塑性变形。
20
200 500
25X10 –5
20X10-4 5X10-2
W
V
接触面积
阿查德（Archard）认为，在弹性接触的情 况下，实际接触面积与所加载荷的关系可用下式 描述
Ar KL
m
m——取决于表面接触模型
二、接触模型
由于Ar 很小，故在此面积上的接触压力远远大 于Aa上的压力。为了计算A上的压力，首先将微凸体
固体表面的接触又有弹性接触和塑性接触之分。
一、接触面积
对实际粗糙表面的接触，定义了三种含义 不同的接触面积，即名义接触面积An 、轮廓 接触面积Ac和实际接触面积 Ar 。
接触面积
所谓名义接触面积，又称表观接触面积，即是把参 与接触的两表面看成是理想的光滑面的宏观面积，记为 An，它由接触表面的外部尺寸决定。名义接触面积为:
固体表面的接触是研究摩擦磨损的基础，如 果不了解两个固体表面接触时的情况，就无法搞 清摩擦和磨损的实质。
接触表面间的相互作用
实际上只在少数较高的微凸体上产生接触， 由于实际接触面积很小而接触点上的应力很大， 因此在接触点上发生塑性流动、粘着或冷焊。 这种接触点叫做接点，也称粘着点或结点。
金属间的焊合性 ：与两金属性质有关。
2 载荷为：F= ER 3
1 2
3 2
弹性变形后接触面积为: A=
R
可见，真实接触面积与载荷的2/3次方成正比。
2、简单粗糙表面接触
假设粗糙表面微凸体的形状和大小都一样，且 为分布在同一高度上的半球形微凸体，并设与 其接触的是理想的刚性平面
1）弹性变形
1 4 E2 R2 2 2 n 总载荷为： F 3 2 1 2 3
的形状模型转化为宏观的规则几何形状，一般可假
设为球体、圆柱体、锥体等形状的组合接触。在多
数情况下，都按球状微凸体进行分析和计算。
三. 接触及接触变形的方式
接触变形方式：
弹性接触 （Hertz接触）
塑性接触 弹塑性接触 接触方式： 点接触、线接触、面接触
Ball-on -disk
Pin –on -disk
机械相互作用 ：较硬的表面微凸体会嵌入 较软的表面中，较软的材料表面微凸体被压扁 和改变形状。
理想固体表面间的接触
所谓理想的固体表面，是指不考虑其粗糙度
的理想光滑表面。理想固体表面的接触问题是
接触力学研究的重要基础内容。
根据其接触特点，通常可将理想固体表面
的接触问题分为点接触和线接触两种情况加以
讨论。而根据外加载荷的大小或变形是否可逆，
第三章 固体表面的接触
一、在外加载荷作用下，两个粗糙表面接触时， 其接触特性及变形特性如何？ 二 、两球体在载荷作用下发生弹性接触时，其假 设条件是什么？接触面积与载荷之间的关系如何？ 三、接触变形有哪些种类？ 四、平面与多凸体接触时，在简单模型条件下接 触面积与载荷的关系？ 五、什么是塑性指数？塑性指数如何影响两表面 之间的实际接触面积？ 六、实际接触面积与载荷之间的关系由什么因素 决定？ 七、要使材料能够承受较大的载荷而不产生屈服， 应该怎样选材？ 八、如何测量接触面积？
b=
σmax = δ=
F R1 R2 R1 R2 1 12 1 12 E E2 1
2 2 2 F 1 1 2 R1 1 2 2 R2 0.407 0.407 ln ln E1 b E2 b
An a b
轮廓接触面积，即是接触表面被压平部分所形成 的面积，如图中的小圈范围内所示的面积，记作Ac。 轮廓接触面积Ac仍然是一种假设的接触面积，约占名 义接触面积的5～15%。 Ac＝（5～15%）Aa
接触面积
实际接触面积，即是两接触表面真实接触面积的总和，记 为Ar。它是由粗糙表面较高微凸体接触构成的微观接触面积。 即图中虚线围住的中间小黑点的总和。实际接触面积在摩擦学 中具有重要意义。 Ar的大小与许多因素有关，主要与表面粗糙度、接触物 体的刚性和外界载荷的大小有关。在一般情况下，Ar只占Aa 的很小一部分，约为Ar＝（0.01～0.1%）Aa。 真实接触面积随载荷变化的情况（20 cm2的接触表面） 加载负荷，N Ar， cm2
表面轮廓高度按正态规律分布的接触模型
Ar=πnaRσe-h
F=2 naR
1 2
1 2
1 3 2 2
Ee-h
F=
2 EAr
R
1 2
1 2
na—单位面积内微凸体数；
—为轮廓高度的均方根偏差。
h= d
当微凸体高度随机分布时，随载荷增大，真实接 触面面积和实际接触面点数目成正比例增大。
4、接触性质的判断―塑性指数
Pin –on-ring
四、载荷与接触应力、接触变形
1、两平行圆柱体的接触
δ
δ
δ
δ
δ
δ
(b) (a) 接触宽度b，最大接触应力σ
max及中心距接近量δ
(c)
接触宽度b，最大接触应力σmax及中心距接近量δ
2 2 4 R1 R2 F 1 1 1 2 E E R1 R2 1 2
总载荷为 F= nFi = nAiσs = ArHB Ar为塑性变形后的真实接触面积, Ar=2πR2δ 由上式可见塑性变形后的真实接触面积与载荷 成正比, 且比弹性变形的真实接触面积大一倍。
N
Ar
N 切向力F
A0 A
Ar=A0+ A
3、微凸体高度随机分布时与光滑平面的接触
实际粗糙表面与光滑表面接触模型
ν、E—分别为材料的泊桑比和弹性模量
结论：
接触面上的最大接触应力σmax及接
触面积均与载荷F的平方根成比例。
2、两球体的接触
R1 O1
Z2 Z1
a O2 a R2 2a
σmax
x
接触宽度a，最大接触应力σmax及中心距接近量δ
3F R1 R2 1 1 1 2 a3 E E 4 R1 R2 1 2