液固表面摩擦力测量研究

本科毕业设计（论文）毕业设计论文液固表面摩擦力测量研究作 者 : 史晓丽学 号：01062B205学院 (系 ):专 业 : 通信工程指导教师： 评 阅 人： 20XX 年 6 月刘双峰 讲师本科毕业设计（论文）毕业论文任务书学 院（系）： 电子工程系专 业 ： 通信工程学 生 姓 名： 史晓丽学 号：01062B205设计 (论文 )题目 ： 液固表面摩擦力测量研究起 迄 日 期 :20XX 年 3 月 1 日 20XX 年 6 月 15日设计 (论文 )地点 : 电子工程系指 导 教 师 : 刘双峰专 业 负 责 人 : 赵冬娥发任务书日期: 20XX 年 3月 1 日本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）任 务 书1毕业设计（论文）课题的任务和要求：1、学习相关液体、固体表面接触特性；2、学习相关传感器原理；3、学习研究摩擦力测量方法；4、查询 10 篇以上文献，其中至少 1-2 篇外文资料；2毕业设计（论文）课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：1、探讨液体、固体表面摩擦力测量方法；2、设计合适的测量方案；3、实验数据处理；4、误差分析；5、完成论文撰写；6、外文资料翻译。本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）任 务 书3对毕业设计（论文）课题成果的要求（包括毕业设计(论文) 、图纸、实物样品等)：1、毕业论文一份；2、英文文献一份，相应的中文译文一份。4毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期 工 作 内 容20XX 年1 月 15 日 3 月 31 日4 月 1 日 5 月 31 日6 月 1 日 6 月 20 日6 月 21 日 6 月 25 日系统学习，查阅资料，作开题报告实验方案确定，实验撰写毕业论文论文答辩所在专业审查意见：负责人： 年 月 日学院（系）意见：院（系）领导： 年 月 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 (论 文 )评 语院(系 ):电子工程系 学生姓名： 史晓丽 学号： 01062B205 题目： 液固表面摩擦力测量研究 指导教师评语： 该同学在毕业设计期间，认真系统的学习了与设计题目相关的基本知识，态 度认真，踏实肯干，能 够独立查阅 所学要的文献，基本能够独立开展科学研究。对液固表面摩擦力测量进行了理论分析，并设计了实验方案， 实验所获得的数据可靠，具有一定的实用价值，在一定程度上反映了该生具有比较扎实的专业理论基础，较好地完成了毕业设计任务书所要求的内容。具有一定的创新性。论文撰写格式规范，符合我校教务处下发的论文撰写格式要求。论文条理清楚，结构合理，语言流畅， 圆满完成了毕业设计。建议成绩为优。同意参加毕业答辩。指导教师(签字) ：20XX 年 6 月 16 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 (论 文 )评 语院(系 ):电 子 工 程 系 学生姓名： 史 晓 丽 学号： 01062B205题目： 液 固 表 面 摩 擦 力 测 量 研 究 评阅人评语：通过论文阅读，可以看出史晓丽同学查阅了大量的文献资料，认真学习了传感器技术、物理化学、无机化学等方面的知识，设计了液体-固体表面摩擦力实验装置，完成了实验，取得了大量的数据并有所分析。此课题具有工程应用背景，又有理论研究的性质，实验方法有创新，工作量较大。 毕业设计工作量符合本科毕业设计要求；论文引用文献丰富，层 次清晰、行文简洁， 语言流畅，论 文撰写格式规范，符合我校教务处下发的论文撰写格式要求；基本完成了毕业设计任务书所要求的工作任务。所翻译的外文文献与课题相关性较好，译文基本正确，可用。建议成绩为优。同意参加毕业答辩评阅人(签字) ：职称(或学历):20XX 年 6 月 21 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 (论 文 )评 语院(系 ): 学生姓名： 学号： 题目： 综合成绩： 答辩委员会评语：答辩委员会负责人(签字)： 年 月 日本科毕业设计（论文）液固表面摩擦力测量研究摘要本课题将要研究液固表面的摩擦力测量，以水银和氧化铝为主要研究对象。并且也研究了水滴在氧化铝表面的摩擦力。我们设计了一套测量摩擦系数的装置。经过实验，记录了相关的数据。并对数据进行处理，得到两者的表面摩擦系数。同时得到了摩擦系数和水滴体积、汞滴质量以及与两者接触面积的关系。最后得出摩擦力的大小，并把摩擦力与表面张力相比较，分析出摩擦力对系统的影响远远小于表面张力的影响。从而可以得出制作水银加速度传感器不必考虑摩擦力对系统的影响。关键词： 氧化铝，汞，摩擦系数本科毕业设计（论文）Research of the friction about liquid-solid surfaceAbstractThis paper discussed the friction of the liquid-solid surface, with mercury and alumina as the main research object. We also studied the friction of the drip of water on the surface of alumina. We designed a set of device to measure coefficient of friction. And the correlative data of the experiment was recorded. Through the data processing, we got the value of the surface coefficient of friction. We analyzed the relation of the coefficient of friction, the volume of the drip of water and the mass of mercury. And the relation between coefficient of friction and contacting area was discussed. In the end got the value of the friction, the friction and the surface tension was compared. And gained the influence of the friction upon the system is far smaller to which of the surface tension. Thus we knew it is not necessary to consider the influence of the friction upon the system to make mercury acceleration sensor. The knowledge that this paper related to is too much, including physics, chemistry and physics chemistry etc.Keywords：alumina, mercury, the coefficient of friction本科毕业设计（论文）目录1 引言 11.1 摩擦力研究的现状 11.2 摩擦力的分类 21.3 摩擦力的几种数学模型 32 界面现象 92.1 界面现象概述 92.2 各种界面 112.3 界面张力 142.4 润湿作用 172.5 固体表面的吸附作用 193 水与汞 253.1 水 253.2 汞 284 铝及氧化铝 314.1 铝的性质 314.2 氧化铝 335 液固表面摩擦力测量装置 395.1 液固表面摩擦力测量装置的总体设计 395.2 测量装置所需器材 395.3 液固表面摩擦力测量装置的安装 426 液固表面摩擦力的测量 446.1 测量原理 446.2 水与氧化铝表面摩擦系数的测量 446.3 汞与氧化铝表面摩擦系数的测量 456.4 测量误差分析 466.5 关于水滴的实验数据处理 496.6 关于汞滴的实验数据处理 567 本文小结 64本科毕业设计（论文）参考文献 65致谢 67本科毕业设计（论文）1 引言1.1 摩擦力研究的现状 摩擦现象普遍存在于自然界中，伴随着物体的相对运动就必然产生摩擦。摩擦学虽是一门比较成熟的学科，对摩擦特性的研究各方面的理论也已比较成熟，而且随着摩擦学研究的不断进步，对摩擦学试验技术的要求也越来越高。下面对几种热门的研究进行一下简单的阐述：（1）应用计算机辅助自动化控制技术，进行摩擦磨损试验数据的在线处理和试验过程的实时测控，己成为摩擦学试验技术研究的一个重要内容。由于摩擦磨损试验研究涉及到载荷、速度、温度和摩擦力等诸多变量参数及其相互作用，传统的摩擦磨损试验机以及简单的微机控制已不能完全满足摩擦磨损试验实时动态分析和控制的需要I.21。因此，在长期从事摩擦学试验研究的基础上，研制出了一种基于 PC 计算机、具有智能测控功能的 HDM-10 端面摩擦磨损试验机系统。通过机电一体化设计和基于 PC计算机软件系统的应用，满足了端面摩擦磨损试验中载荷和速度在宽范围内连续可调和稳定变化的要求，实现了速度、载荷、摩擦力和试验温度等参数的实时采集、在线分析处理和测控。（2）目前对伺服系统尤其是气动伺服系统摩擦力特性的研究还不是很多。影响摩擦力大小的因素是多方面的，但在伺服气缸中滑动速度和工作压力将是气缸与活塞壁间摩擦力大小的很重要因素，滑动速度对摩擦力的影响是必然的（实际上是对摩擦系数的影响)，然而不同的实验却往往得出不同的结论，一种观念认为(如波列(Poiree)等人)摩擦系数随速度增加而减小，第二种观念认为(多勃洛沃里斯基等人)，摩擦系数随速度增加而增加，而克拉盖尔斯基的观念认为摩擦系在轻中载荷下随速度增加将出现一个最大值。于是从实际工作需要出发，针对伺服气缸这一特定元件提出了一种测量摩擦力的方法。模拟一套伺服气缸实际工作状态的实验系统，用Visual C+6. 0设计开发了一个测量分析摩擦力特性的数据采集分析系统，并借助该系统实时地测量出了对应不同工作压力和运动速度下的摩擦力，并绘制出了对应不同工作压力下摩擦力运动速度之间的对应曲线 2。(3）微电子机械系统的深入发展使得微小摩擦的研究成为热点研究方向。微小摩擦是本科毕业设计（论文）影响微电子机械系统总体性能的关键因素之一。当前的微机电系统一般是采用um级的工艺，mm级的元器件，制造出cm二级的系统。由于微机电系统是基于毫、微米级的微小系统，宏观系统中大量存在的摩擦问题必然会对微机电系统产生更大的影响。微机电系统中的摩擦介于宏观摩擦与微观摩擦之伺，称之为“微小摩擦”。目前人们对微型机电系统的研究主要集中在系统的机理上，还很少有人涉足这一领域的摩擦研究，因而在这方面的研究是极有价值的。用重构微摩擦测试系统中常值未知外扰的全阶观测器，来获得加载在摩擦测试元件-微马达上的摩擦力矩的大小。正压力的施加是通过对施力装置音圈电机和传动部件所施力的事先标定来获取。从而解决了微摩擦测试研究中传感器因被测空间小而无法安装的困难。研究表明，这种测试方案对微小摩擦的研究提供了一种有效的方法 3。（4）随着摩擦学研究的深人以及高新技术的发展对润滑提出的更高要求，基于分子自组装(SAMs)技术独特的优势而受到各国摩擦学研究工作者的广泛关注。在边界润滑条件下，表面活性剂类物质的存在，可使机件间的摩擦被活性剂分子层间的剪切所替代。为此，摩擦学工作者期望借助分子自组装技术，把长链化合物或聚合物的一端置人摩擦表面，形成一层“分子刷”，以达到降低摩擦磨损的目的。这一概念在纳米摩擦学中尤其引人注目。即利用化学的方法，在诸如MEMs等机件摩擦表面建立起一层高度定向致密的超薄有机膜，以减少其摩擦磨损，延长使用寿命。可以预言分子自组装技术对纳米摩擦学基础及应用研究将起到巨大的推动作用。将LB膜用于摩擦学领域的关键除设法提高其负荷承载能力或机械稳定性外，还须设法提高膜基结合强度。SAMs通过化学键与基体结合，故其结合强度较高。因此，为了提高LB膜的膜基结合强度及改善其机械稳定性，将SAMs与LB技术相结合制备出了一类复合分子膜，研究了其摩擦学性能。结果表明，与花生酸LB膜相比，自组装与LB复合分子膜的摩擦学性能大幅度改善，尤其承载能力及耐磨性显著提高;同时复合分子膜表现出更优异的微观摩擦性能，与自组装单分子膜相比，其与花生酸LB膜形成的复合分子膜在相同条件下的摩擦力可下降约3-5倍。1.2 摩擦力的分类摩擦力可分为静摩擦和动摩擦两大类。静摩擦力是指两个物体的表面没有彼此的滑动情况下的阻力。动摩擦，是指两个互相滑动的固体表面产生的阻力。静摩擦力是本科毕业设计（论文）一个物体在平坦的表面上运动的最大的阻力。在克服静摩擦力后，动摩擦力就会因为两个物体彼此间滑动而产生。动摩擦力通常比静摩擦力小，这是因为运动的物体的表面是很简单地与另一个物体结合在一起的。动摩擦力不必像静摩擦力那样对物体发生作用。1.3 摩擦力的几种数学模型摩擦力受许多物理因素影响变化规律复杂.由于计算技术飞速发展、若能建立可靠的摩擦力数学模型，存在摩擦力的力学问题均可得到满意的解答。下面提供了几种摩擦力模型，并对它们的特点进行了描述。 1）图1.1为库仑模型，库仑摩擦力模型规定的摩擦力与相对速度的函数关系,用函数式表示为： ， )(sgnrkVFAk（1.1） 库仑模型只描述了动摩擦力，没有考虑最大静摩擦力与动摩擦力的差值.很少发生粘着状态和反向运转的机械系统可以应用库仑模型 5。2)经典摩擦力模型图1.2为经典摩擦力模型规定的摩擦力与相对速度间的函数关系，在低速段摩擦力与相对速度成正比，不符合实验观测.计算结果可能与实际情况不符。 rV0图 1.3 折线摩擦力模型F rVkkF图 1.1 库仑摩擦模型FkrVkF图 1.2 经典摩擦力模型本科毕业设计（论文）3)折线摩擦力模型图1.3描绘折线摩擦力模型规定的摩擦系数与相对速度间的函数关系。组成折线的二直线斜率和转折速度k1:均由实验数据侧定。低速段直线斜率很大，与脱离粘着状态时摩擦力急剧变化有关，此斜率不容易测准。用它作数值仿真会产生较大误差，用它定性研究粘滑运动，却能得到正确的定性结论。4)指数函数模型图1.4描绘出指数函数规定的摩擦力与相对速度的关系.二物体脱离粘着状态后摩擦力解析式为)/(exp)(srksk VF（1.2）式中，具有速度量纲的常数Vs和无因次常数s，可以用实验数据确定。（5)负幂函数模型负幕函数模型规定的摩擦力与相对速度的关系是：)/(1/)(2srksk VF（1.3）式中，具有速度量纲的常数由实验数据确定.6) Dahl摩擦力模型FF0FkDV Vr图 1.5 Kamoop 摩擦力模型FF0FkV0 Vr图 1.4 指数函数模型本科毕业设计（论文）P.RDahl考虑了摩擦力变化滞后于相对速度变化这种事实，并于1968年用下列一阶非线性微分方程表示摩擦力与相对速度间的关系20)(sgnrrVFV（1.4）式中， 和 是两个实验常数。0F上式表明，由Dahl摩擦力模型确定的摩擦力不可能得到大于动摩擦力值的摩擦力。显然,它能表示流体润滑阻力与相对速度的关系，表示干摩擦力则不恰当。7)滞后型分布摩擦力模型Linker和Diterich用岩石试件做实验，发现接触面上的摩擦力(切向应力)不能立即响应正应力的变化，存在滞后现象。他们引人状态变量 试图建立接触面上剪应力和正应力之间的关系。终于找到了两个支配和关系的方程，一个是超越方程，另一个是一阶微分方程。)/ln(BVAr（1.5）)/()/ln(/ . Lrr （1.6）式中， 是试件的特征长度， ， ， 和 是实验常数， 为参照速度，均由实验ABV数据确定。滞后型分布摩擦力模型与介质的流变特性有关，适用与研究地壳断层错动和岩石力学问题.（8）Karnopp摩擦力模型图1.5是D.Karnopp于1985年建议的数值模拟用的摩擦力模型，将接触物体看作刚体，处于粘着状态时的摩擦力由平衡条件确定，滑动状态时的摩擦力等于动摩擦力.相对速度V r不超过DV值被认为处子粘着状态。DV是用户选择的小量，显然，DV越小，模本科毕业设计（论文）拟越精确.但计算量随之增大.Karnopp摩擦模型既简单又合理(按照刚体力学原理)，只要DV足够小，就能保证计算精度。因此，它得到了广泛应用。Karnopp摩擦模型用于研究动力学系统时，必须分别列写滑动状态和粘着状态的运动方程。如果系统有n个滑动面，必须列写出2 n组表示不同约束状态的运动微分方程，这就增大了编排软件的难度和计算量.9)刷子(Bristle)摩擦模11991年D.A.Haessig.Jr和B.Friedland提出一种摩擦力的数学模型，用一组弹性丝模拟接触表面上众多的呈随机分布的触点。物理图画表示如图7，这些弹性丝呈随机分布，每根弹性丝随物体相互滑动弯曲变形，与其接触的表面(图中的固定面)给它们的阻力之和就是宏观摩擦力。每根弹性丝变形量一旦达到极限值s 。阻力立即消失，相当于分子引力键破坏。继续滑动，又形成新的引力键，一根弹性丝可以代表数千个触点，因此取几十根(不超过50)弹性丝，同时选择合适的分布规律，取不同的相对速度V r计算宏观摩擦力与F间的关系，能与实际观测符合。刷子摩擦模型考虑接触区的微变形，摩擦力与微位移有函数关系。只要主动力变化，就会有位移响应，符合实际情况。刷子摩擦模型缺点是计算量很大。10)重新定位（Reset Integrator)摩擦模型为了减少刷子摩擦模型计算量过分大的缺点，D.A.Haessig.Jr等又提出了重新定位摩擦模型。此模型只用一根弹性丝，静摩擦力仍然保持与微变形成比例。变形超过极限值p 0,就发生滑动，摩擦力降低到动摩擦力的水平。该模型的方框图表示如图1.8，输人量为相对速度V r, 输出量是与相对位移 (变形)成比例的摩擦力，其中包含一个积分器。弹性丝的变形量p满足微分方程:图 1.6 刷子（Bristle）摩擦模型固定体本科毕业设计（论文）滑动状态 0,0pVpr（1.7）粘着状态 0.,pr（1.8）图中参数k为弹性丝的刚度，常数a表示最大静摩擦力与动摩擦力的差异，是为了抑制模型振荡(模拟摩擦耗能)引人的阻尼系数如果要分别表示粘着状态和滑动状态相对速度与摩擦力的关系，图1.8可以分解为两个结构简单的框图，分别表示为图1.9(a)和1.9(b)。重新定位摩擦模型有4个参数，它们是p 0，k，和a，应根据具休接触面的测量数据确定，也可以根据经验选择。krVF图 1.9(a) 粘住状态rVF图 1.9(b) 滑动状态 图 1.8 重新定位摩擦模型P0K+P0RV F图 粘住状态 图 滑动状态本科毕业设计（论文）分析具有几个滑动面的力学系统时，重新定位摩擦模型只要列写一个运动方程组，而Karnopp摩擦力模型要求列写2 n组不同的运动方程组,然而，Karnopp摩擦模型已经得到广泛应用，受到实践检验。重新定位摩擦模型是否能给出与Karnopp摩擦模型相同的结果，选择几个刚体动力学系统进行比较分析。结果表明，选择合理的模型参数p0，k，和a，计算结果与用Karnopp摩擦模型很接近.图10(a)和(b)表示二自由度平动模型在低速驱动情况下的相对速度和摩擦力响应曲线，表明Reset Integrator摩擦模型通常也能给出正确的数值计算结果 6。0.1 0.2 0.30.4 0.50.10.2-0.1-0.2相对速度（m/s）摩擦力（N）时间(s)图 10（a） 采用 Karnopp 摩擦模型图 10（b） 采用 Reset Integrator 摩擦模型0.1 0.20.30.40.50.1-0.1相对速度(m/s)摩擦力(N)时间(s)本科毕业设计（论文）2 界面现象2.1 界面现象概述多相系统的各相之间存在着界面，它有五种类型:气液、液液、液固、固固。通常将气液、气固界面称为表面。界面相 由于界面层具有与一般气、液、固相不同的特点，在物理化学中，常将它单独处理为一个相，称为界面相，而将一般的气、液、固相称为体相。按相的定义，应该是物理性质和化学性质完全相同的部分，将界面层称为界面相，则是一种模型化的做法。对于一个 组分系统，在描述气液固等体相的状态时，基本的可以直接测量K的状态函数有 ， ， 和 )；如着重研究强度性质，则有 ， ， (或TpV1(inkTpix, )。对于界面相，相应的是温度 、界面张力 、界面面积 和界面中组分 的界ibc TsA面过剩量 ),上标（ ）表示界面相；如着重研究强度性质，则有 , 和1()ink 单位界面过剩量 。i界面现象 与存在界面有关的各种物理现象和化学现象的总称。对它的研究可分为平衡和速率两大类。界面平衡 研究平衡时界面相的 和 与体相的 , , (或 , )的关系。和iTpixibc一般系统一样，也有普遍规律和物质特性两个方面。界面平衡的普遍规律右界面热力学提供，它给出界面相的热力学基本方程，涉及界面时的平衡判据，以及各种性质间的普遍依恋关系。研究界面平衡所需要的物质特性主要是 和 及其随条件的变化。ii它有三个来源：实验测定；经验半经验方法，主要是半经验的界面状态方程和吸附等温式；理论方法，要应用统计力学和量子力学。本科毕业设计（论文）界面速率 研究偏离平衡时界面相的 和 随时间的变化。这种变化可能是由i于传递现象造成的，也可能是由于界面中的化学反应引起的。同样也有普遍规律和物质特性两个方面。普遍规律主要是界面动力学和吸附动力学，所需物质特性有界面黏度、扩散系数、速率系数、活化能等。后者目的主要由实验方法获得。2.1.1 简史 界面现象的研究是从力学开始的。早在 19 世纪初，就形成了界面张力的概念，正如这一领域的前驱杨（Young T）在 1805 年指出：系统中两个相接出的均匀流体，从力学的观点就像是被一张无限薄的弹性膜分开，界面张力则存在于这一弹性膜中。杨还将界面张力概念推广应用于有固体的系统，导出了联系气液液固气固界面张力与接触角的著名的杨氏方程。1806 年，拉普拉斯（Laplace P S）导出了弯曲界面两边压力差与界面张力和界面曲率的关系，可以解释毛管中液体上升或下降的重要现象。1869 年都普里（Dupre A）研究了润湿和粘附现象，将粘附功和结合功与界面张力联系起来。界面热力学的奠基人则是吉布斯，他在为化学热力学建立框架时同时也包括了界面层的贡献。针对其厚度难以确定的困难，1878 年，他提出界面相厚度为零的吉布斯界面模型，一直沿用至今。由吉布斯 杜亥姆方程导得的联系 与 随体相浓i度变化的普遍关系式，被称为吉布斯等温方程。另一个对界面热力学作出重大贡献的是开尔文。他在 1859 年将界面扩展时伴随的热与界面张力随温度的变化联系起来。1871 年又导出蒸气压随界面曲率的变化，被称为开尔文方程。1893 年，范德华认识到在界面层中密度实际上是连续变化的，有一个分布。他应用了局部自由能（亥姆霍兹函数）密度的概念，结合范德华方程，并引入半经验修正，从理论上研究了决定于分子间力的状态方程参数与界面张力的关系。范德华的研究可以看作是用统计力学研究界面现象的前奏。50 年代以后，界面现象的统计力学研究取得了实质性的进展，勃夫（Buff F P）寇克伍特（Kirkwood J G）使用巨正则分布和密度泛函方法，哈拉西玛（Harasima A）应用正则分布，进行了与范德华类似的研究，但具有坚实的统计力学理论基础。另一方面，开展了固体表面的低能电子衍射（LEED）X 射线光电子衍射（XPD）扫描隧道显微术（STM）等的实验研究，对表面层的结构和分子的形态有了更深刻的了解。表面化学键的量子力学研究也再不断深入。从实际应用来说，主要还是半经验方法，已经发展了一系列预测界面张力的方法，以及半经验的状态方程或活本科毕业设计（论文）度因子方法，多侧重于平衡方面 7。2.1.2 界面现象的应用界面现象有着广泛的应用，主要涉及下列领域：吸附 实验室和工业中重要的分离方法。例如用活性炭脱除有机物，用硅胶或活性氧化铝脱除水蒸气，用分子筛分离烷烃和芳烃、分离氮气和氧气、从天然气中脱离二氧化碳和硫化物，用葡聚糖凝胶和琼脂糖凝胶分离蛋白质、干扰素等。多相催化 在气相或液相中使用固体催化剂以加速反应。大多数化学工业都使用多相催化技术，如合成氨、硫酸、醋酸乙烯和环氧乙烷，油品的催化裂化和加氢裂化，水煤气转化，费雪-屈洛普合成等。表面膜 例如由磷脂等生物活性物质形成的双层膜或囊泡，微电子集成电路块中有重要应用的 LB 膜，湖泊海洋表面覆盖的能延缓蒸发的天然糖蛋白膜或人工膜和造成污染的油膜等，它们大多是单分子层膜。新相生成 晶核生成或晶体生长是典型的新相生成过程，亚稳现象如过热、过冷、过饱和等产生的原因主要也是由于新相生成。泡沫乳状液 例如泡沫灭火，泡沫精馏，发酵罐消泡，胶乳、油漆、涂料的稳定，油料掺水改善燃烧降低成本，油水乳状液的破坏等。摩擦和润滑 例如固体表面的相互接触过程，表面的塑料变形，滚动摩擦，界面润滑与粘附作用等。去垢 各种洗涤剂的使用。选矿 利用润湿作用进行浮选。2.2 各种界面 2.2.1 各种界面1）气液界面气液界面就是由气体和液体形成的界面本科毕业设计（论文）如图 2.1 所示为由空气和硫酸铜溶液组成的气液界面 2）气固界面即由气体和固体形成的界面。 如图 2.2 所示为氢气和镍组成的气固界面。3）液液界面即液体和液体形成的界面。气固界面H2(g)图 2.2 气固界面图 2.1 气液界面本科毕业设计（论文）如图 1.3 所示为水和汞组成的液液界面。 4）固固界面即由固体和固体形成的界面如图 2.4 所示为铁管表面和 Cr 镀层组成的固固界面。5）液固界面：即由液体和固体形成的界面。图 2.3 液液界面图 2.4 固固界面铁管Cr 镀层固固界面本科毕业设计（论文）如图 2.5 所示为汞和玻璃板及水和玻璃板组成的界面。2.2.2 界面现象的本质最简单的例子是液体和其蒸汽组成的界面。液体内部分子所受的力可以相互抵消，但表面分子所受的体相分子的拉力大，受到气相分子的拉力小（因为气相分子的密度小）所以表面分子受到被拉入体相的作用力。这种作用力使表面有自动收缩到最小趋势，并使表面层显示出一些独特性质，如表面张力、表面吸附、毛细现象、过饱和状态等。2.3 界面张力2.3.1 界面张力的定义 正如杨所指出，界面可看作是一张绷紧的弹性薄膜，其中存在着使弹性薄膜面积减小的图 2.5 液固界面图2.7a气相液相图 2.6 液体及其蒸汽本科毕业设计（论文）收缩张力。这种张力在界面中处处存在，在界面边缘处则可以明确表示。例如在金属环中的肥皂膜，正反两面各有一个气液界面。若在液膜上放置一棉线圈，如图 2.7a所示，它成为线环内外界面的共同边缘。在线环两边界面中沿着界面的切线方向，分别有如图所示的垂直于边缘并方向相反的收缩张力在作用着，它们相互达到平衡，因而棉线环保持原先的偶然形状。若设想画一段曲线代替棉线环，此曲线即可想象为两边界面的共同边缘，上述作用于边缘两侧的相互达到平衡的收缩张力依然存在。若将线环内的液膜刺破，见图 2.7b，线环外的界面中的收缩张力将牵引线环，使之成为圆形。又如图 2.8 所示将一含有一个活动边框的金属线框放在肥皂液中，然后取出悬挂，活动边在下面。由于金属框上的收缩张力在作用，可滑动的边会被向上拉，直至顶部。 收缩张力的总和与界面边缘的长度成正比。界面张力即定义为：界面中单位长度的收缩张力；此力沿着界面的切线方向作用于边缘上，并垂直于边缘。对于液气或固气界面，又称表面张力 。如果在活动边框上挂一个重物，使重物质量 W2 与边框质量 W1 所产生的重力F（ F=（ W1+W2） g）与总的表面张力大小相等方向相反，则金属丝不再滑动这时 F=2l 图 2.7b图 2.8本科毕业设计（论文）l 是滑动边的长度，因膜有两个面，所以边界总长度为 2l, 就是作用于单位边界上的表面张力 7。 2.3.2 界面张力与温度的关系温度升高，界面张力下降，当达到临界温度 Tc时，界面张力趋向于零。这可用热力学公式说明：因为 BdnAVdPSdG（2.1）运用全微分性质，可得：BBnPAnPTAS,)()(（2.2） 等式左方为正值，因为表面积增加，熵总是增加的。所以 随 的增加而下降。TRamsay 和 Shields 提出的 与 的经验式较常用：T)0.6(3/2kVCm（2.3）式中 Vm 为摩尔体积， k 为普适常数，对非极性液体， k =2.210-7 JK-1 。2.3.3 影响表面张力的因素（1） 分子间作用力的影响：对纯液体或纯固体，表面张力决定于分子间形成的化学键能的大小，一般化学键越强，表面张力越大。金属键) (离子键) (极性共价键) (非极性共价键)两种液体间的界面张力，介于两种液体表面张力之间。（2） 温度的影响：温度升高，表面张力下降。本科毕业设计（论文）（3） 压力的影响：表面张力一般随压力的增加而下降。因为压力增加，气相密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。另外，若是气相中有别的物质，则压力增加，促使表面吸附增加，气体溶解度增加，也使表面张力下降。2.4 润湿作用2.4.1 润湿的分类将液体滴在固体表面上，由于性质不同，有的会铺展开来，有的则粘附在表面上成为平凸透镜状，这种现象称为润湿作用。前者称为铺展润湿，后者称为粘附润湿。如果液体不粘附而保持椭球状，则称为不润湿。如图 2.5 所示水为粘附润湿，而汞是不润湿的。此外，如果是能被液体润湿的固体完全浸入液体之中，则称为浸润。2.4.2 铺展系数等温、等压条件下，单位面积的液固界面取代了单位面积的气固界面并产生了单位面积的气液界面，这过程表面自由能变化值的负值称为铺展系数，用 S 表示。若S0，说明液体可以在固体表面自动铺展。 )(1gssGS（2.4）恒温恒压下，液体在固体表面上的铺展过程见图 2.9。由图可见，过程中新产生了液固与气液界面，原有的气固界面消失。图 2.9 液体在固体表面上的铺展本科毕业设计（论文）2.4.3 接触角与杨氏方程当铺展系数为负值，铺展不能发生，这时将产生粘附润湿和不润湿。在气、液、固三相交界点，气-液与气-固界面张力之间的夹角称为接触角，通常用 表示若接触角大于 90，说明液体不能润湿固体，如汞在玻璃表面；如图 2.10 所示若接触角小于 90，液体能润湿固体，如水在洁净的玻璃表面，如图 2.10 所示接触角的大小可以用实验测量，也可以用公式计算glssco（2.5） 此方程亦称为杨氏方程:也可表示为 cosglslgs（2.6）式中 、 、 分别为固气、固液和液气界面张力。由上式知, 只有gslgl时才有明确的三相交界线, 即有一定的值 ;而slsl 图 2.10 不润湿与润湿本科毕业设计（论文）时 为零； 时不存在平衡接触角。slgsl slgsl 下面由杨氏方程推导润湿特性： Young 方程也称为润湿方程, 它是界面化学基本方程之一。将 Young 方程与三个润湿过程的定义相结合, 得到判断润湿过程的几个公式:沾湿 )1(cosglslglsaW（2.7）浸湿 csglslgsi （2.8）铺展 )1(cosglslglsS（2.9）式中 、 和 分别称为粘附功、浸润功(润湿能、粘附张力)、铺展系数。由上三式aWiS可知, 越小( 越大),相应的 、 、 越大,即润湿性越好。因而 可作为润湿cosaWiS性能的度量标准。当接触角 =0 度时， =1，液滴在固体表面接近于薄膜形态，相当于完全浸湿。cs当接触角 为 090 度时，07，溶液为碱性。 本科毕业设计（论文）能溶于水的酸性氧化物或碱性氧化物都能与水反应，生成相应的含氧酸或碱。酸和碱发生中和反应生成盐和水。水在电流的作用下能够分解成氢气和氧气。碱金属和水接触会发生燃烧。在催化剂的作用下，无机物和有机物能够与水进行水解反应：1）有机物的水解：有机物分子中的某种原子或原子团被水分子的氢原子或羟基(-OH)代换，例如乙酸甲酯的水解： 2）无机物的水解：通常是盐的水解，例如弱酸盐乙酸钠与水中的 H+结合成弱酸，使溶液呈碱性： 此外，水本身也可以作为催化剂。3.2 汞3.2.1 汞的性质汞(mercury，Hg)，又称水银，是唯一在常温下呈液态并易流动的金属。比重13.595，蒸气比重 6.9。它的热膨胀系数相当大，而且在 0C 到 300C 的范围内，膨胀系数和温度之间具有很好的线性关系，又不润湿玻璃，故汞用来制作玻璃温度计。汞的蒸汽压比一般液体的蒸汽压低，0C 时仅为 0.0247Pa（1.85 10-4mm 汞柱） ，25C 时为 0.245Pa（1.84 10-4mm 汞柱） ，加上汞的密度较大，所以汞适合制作气压计 11。3.2.2 汞在常温下呈液态的原因