液固表面接触特性研究

本科毕业设计（论文）毕业设计说明书(论文)题目： 液固表面接触特性研究作 者 :学 号：学院 (系 ):专 业 :指导教师： 评 阅 人： 20*年 6 月本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）任务书学 院（系）：专 业 ：学 生 姓 名：学 号：设计 (论文 )题目 ： 液固表面接触特性研究 起 迄 日 期 : 20*年 3 月 1 日 20*年 6 月 15 日设计 (论文 )地点 :指 导 教 师 :专 业 负 责 人 :发任务书日期: 20* 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、学习研究液固表面接触特性对传感器研究的影响；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、固体表面接触特性；2、研究液固表面接触特性对传感器研究的影响3、完成论文撰写；4、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，作开题报告研究液固表面接触特性对传感器研究的影响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）毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院（系）：专 业 ：设计 (论文 )题目 ： 液固表面接触特性研究指 导 教 师 :20*年 3 月 20 日本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000 字左右的文献综述：文 献 综 述假设在地面上有一静止的木箱，用力推它，然后撤去外力，则木箱运动一段距离后将停下，运用高中所学物理知识，不难得出是因为木箱和地面之间存在着摩擦力而致使木箱最终停下来。又如将一张纸放在水面上，若纸开始处于运动状态，而且水不是流动的，则纸有一时刻总会处于静止。比较两种现象，笼统地看两种现象是一样的。但若要系统地去分析，会发现他们有着诸多的不同点。首先他们有着不同的界面，前者为固固界面，后者为液固界面，他们的界面现象也就大为不同。要研究界面现象首先让我们追溯一下它的发展史并了解它的发展现状。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i 与 随体相浓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）使用巨正本科毕业设计（论文）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度因子方法，多侧重于平衡方面。本文所要研究的液固表面摩擦力将涉及到界面现象的众多问题，诸如表面张力液体和固体表面的吸附作用润湿现象，其中一些已经应用到实际中，例如润湿在模型铸造细化晶粒熔炼冶金焊接金属节约能源以及农业上都得到了较广泛的应用。除了上面的物理化学知识外，还要用到流体力学以及理论力学的相关知识。本文将以汞和氧化铝作为研究对象，对于液在固和固在液上都要对汞滴及氧化铝进行受力分析。液体和固体之间的界面受力将是如何，他们之间的摩擦力到底是怎样产生的，在文中都将具体阐述。此外，难免会涉及到无机化学的知识，比如氧化铝有两种变体，即-Al2O3（刚玉）和 -Al2O3。-Al2O3 晶体属三方晶体，而- Al2O3 为不够紧密的立方晶体，是一种缺陷尖晶石结构。- Al2O3 硬度大，熔点高，挥发性小，绝缘性好和耐腐蚀等优点，可用作耐腐蚀剂和抛光剂，也可用于耐火材料和陶瓷制品。-Al2O3 的密度小于 -Al2O3，在低温下稳定，较为活泼，不溶于水，可以和酸碱反应，-Al2O3具有较大的比表面积，可以作吸附剂和催化剂载体，也可用于色谱分离。又如汞，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*10-3mm 汞柱） ，加上汞的密度较大，所以汞适合制作气压计。汞的另一特性是能够溶解其他金属而形成汞齐，汞齐在化学本性上与其他合金相似，同时又有其自身的特点，即溶解于汞中的金属含量不高时，所生成的汞齐常呈液态或糊状。氧化铝和汞的自身性质就如上面所说，而要将两者联系起来，还要了解它们表面分子是以何种形式连接在一起的，这样才能知道他们相接触后在界面处分子受力到底是怎样的。本文将以氧化铝和汞为研究对象，来研究液固表面的摩擦力。本科毕业设计（论文）参考文献：1） 胡英 主编 吕瑞东 刘国杰 叶汝强等编 物理化学 下册 第四版 高等教育出版社 1999 1192）美A.W.亚当森 著 顾惕人 译 表面的物理化学 上册 科学出版社 1976 第一.二.五.七章3）邵光杰 王锐 董红星 王艳芝 编 朱文涛 审 物理化学 修订版 哈尔摈工业大学出版社 2003 2164）乐秀毓 王立人 宁文茂 苏永勃 编 大学化学 东北工学院出版社 1988 2215） 赵振国 等编著 界面化学基础 化学工业出版社 2001 第一.六.七章6）邵学俊 董平安 魏益海 编著 无机化学 下册 第二版 武汉大学出版社 2001 248 276 7）罗澄源 等编 物理化学实验 第二版 高等教育出版社 1983 3118）叶大陆主编 物理化学实验 冶金工业出版社 1986 1209）Dai ying, Zheng nanning, Li chunlai, Model-Independent Robust Adaptive Tracking Control of Robot Manipulators,199810) 陈文义 张伟 主编 流体力学 天津大学出版社 2004 5 6 1311）景思睿 张鸣远 编 流体力学 西安交通大学出版社 2001 10-1312）蔡炳新 主编 基础化学实验 科学出版社 2001 18313） 项红卫 著 流体的热物理化学性质 科学出版社 2003 18314）吴自勤 王兵 著 薄膜生长 科学出版社 2001 286本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和你采用的研究手段（途径）：本课题要研究的是液固表面摩擦力的测量，以氧化铝和汞为研究对象，将分别测量汞在氧化铝上和氧化铝在汞上的摩擦力。要采用的研究手段如下：一：称量汞的质量，首先，将空的密封容器放于天平上称量，称得质量为 m1，再把约 1ml 的汞注入到密封容器中 ，放到天平上称量，称得质量为 m2，则汞的质量为 m=m1-m2。二：将铝合金一端固定，而在另一端安装一个螺杆，并且已知螺距。三：调整铝合金与地面平行。四：将汞从密闭容器中倒出，并使它缓慢流到铝合金上，尽量使其成为一球形液滴。五：慢慢拧动螺杆，使铝合金与地面之间有一小的角度，直到汞滴开始移动，此时记下螺杆螺纹变化的数目。六：对所得数据进行处理，得到摩擦力的值，进而得到摩擦系数的数值。七：重复上述实验步骤，测量多组数值，取平均值。 本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：指导教师： 年 月 日所在专业审查意见：负责人： 年 月 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： 液 固 表 面 接 触 特 性 研 究 指导教师评语：指导教师(签字) ：年 月 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： 液 固 表 面 接 触 特 性 研 究 评阅人评语：评阅人(签字) ：职称(或学历):年 月 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： 液 固 表 面 接 触 特 性 研 究 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）液固表面接触特性研究摘 要接触角和界面张力是液固界面接触特性的重要参数。接触角和界面张力的测试已成为比较重要的技术手段，可以获得液固界面现象的许多特性，诸如表面润湿性、表面粗糙性等，接触角的滞后现象和动态接触角是接触角研究中的两个方面。在研究润湿作用时，接触角的大小是衡量润湿性优劣的最为方便的标准。本文将介绍接触角和界面张力的相关理论，并在讨论测试技术的基础上，采用简单的实验方法测量了铝与水银、铝与水的接触角和界面张力，从而知道它们之间的润湿性。关键词：接触角， 界面张力，润湿性，接触角滞后现象 本科毕业设计（论文）AbstractContact angle and interfacial tension were important parameters of characteristics of a liquid-solid surface interface. The contact angle and interfacial tension measurement is an effective method among the surficial sensitive technique by which a lot of useful informations about the liquid-solid surface can be acquired, such as the wettablity and roughness of the surface. The contact angle hysteresis phenomenon and dynamic congtact angle were investigated. The application of contact angle should consider wettability of solid surfaces. The contents of contact angle and interfacial tension were described in this paper. We measured them by using experiment on the basic of discussing measurement technical.Keywords: contact angle，interfacial tension， wettability， contact angle hysteresis phenomenon 本科毕业设计（论文）目 录1 绪论.12 接触角.22.1 接触角的滞后现象.22.1.1 接触角的提出.22.1.2 润湿性的定义.22.1.3 接触角的物理意义.32.1.4 接触角的滞后性.32.1.5 滞后现象的理论分析.42.2 动态接触角.82.2.1 动态接触角.82.2.2 理论分析.82.2.3 动态接触角研究中的几种模型.102.2.4 动态接触角测定方法 .122.2.5 关于动态接触角的结论.132.2.6 影响接触角的一些因素.133 接触角测试技术 .153.1 接触角测试方法 .153.1.1 常用的接触角测试方法 . .153.1.2 躺滴法和悬泡接触角直接测量法 .163.1.3 光学方法 .183.1.4 液滴外形分析法 .203.2 接触角测试实验.23本科毕业设计（论文）3.2.1 接触角测试原理.233.2.2 接触角的测试方法比较.243.2.3 实验结果与比较.253.2.4 结论 .283.2.5 实验结果分析.284 液固的界面张力.304.1 表面张力.304.1.1 表面张力概述.304.1.2 影响表面张力的因素.304.1.3 液体的表面张力.314.1.4 液体表面张力的形成原因 .314.1.5 固体的表面能和表面应力. 344.2 液固接触的界面张力实验.354.2.1 实验现象.354.1.2 实验原理.354.2.3 实验过程 .364.2.4 实验数据与结果误差分析.37结论.41参考文献.42致谢词.44附录 外文参考文献翻译及原文本科毕业设计（论文）1 绪论本课题主要研究液固表面接触特性。基于水银在常温下是液态金属、表面张力很大、接触角较大的特点，构成对加速度敏感的液体电极，水银电极与固定电极组成一个变电容的加速度传感器，它的抗过载能力不受敏感元件（水银）强度的限制，因此过载量程比可以极大地提高。液固表面接触特性包括：接触角、表面张力、固液吸附现象等。接触角、润湿性和表面张力是相互联系的。接触角作为表征气-液-固界面特性的参数，不仅反映了固体界面的湿润性，同时也描述了固体壁面的粗糙和不均匀等性质。通过接触角的测量可以得到低能表面润湿临界表面张力和估测固体的表面能。通过测得接触角、表面张力随温度变化的关系 就可以估算出浸润热。在一定的条件下接触角的测量值可以作为憎水性的判据，还可用于定量评价清洗质量。溶质在界面上的吸附性质将取决于界面张力如何随溶液活度额而改变，利用界面张力与接触角的关系，皆可以测量接触角计算出溶质在固液界面上的吸附量，可以作为反渗透分离新膜材料的发展提供有效的方法。表面张力的是研究表面活性剂作用的重要手段。考虑到铝表面为高能表面物质，而水银为液态金属，结合本课题的研究背景，在论文中将从接触角和表面张力这两个方面加以阐述：在论文中研究的内容包括理论和实践两个部分，理论部分分析接触角和表面张力产生原因、测量方法等，实践部分包括接触角和表面张力的实验测量。第 1 章是绪论部分，介绍本课题的研究背景和研究方法。第 2 章是接触角基本理论部分，介绍接触角的基本概念，包括接触角的滞后现象，动态接触角等。第 3 章是接触角的测量方法部分，介绍接触角测试方法的发展及其各自的优缺点的比较，最后给出了一种在现有条件下较容易实现的方法测量了铝与水银的接触角。第 4 章是界面张力（表面张力）部分，介绍了表面张力的概念、影响因素、产生原因，并引出了固液界面张力，测量了部分固体的界面张力。第 5 章结论部分，总结了全文给出了本文的结论。本科毕业设计（论文）2 接触角引言接触角是表面物理化学中的重要参数之一。通过接触角测试可得到固液、固气界面分子相互作用的许多重要信息,诸如表面湿润性、固液界面张力、表面粗糙度、化学多相性等。润湿是一种流体取代界面上另一种流体的界面现象, 通常是指液体从固体表面取代气体的过程在研究润湿作用时, 接触角的大小是衡量润湿性优劣的最为方便的标准。实际表面上接触角取值具有随意性,且其可在两个相对稳定的值之间变化,并将此最大取值称为前进接触角 A，最小取值为后退接触角 R此称为“接触角的滞后现象”。根据接触线是否移动,还有静态接触角和动态接触角的测量之分。在本章中将对以上提及的与接触角有关的各方面进行理论性的阐述。2.1 接触角的滞后现象2.1.1 接触角的提出 1、2将一液体滴到一平滑均匀的固体表面上,若不铺展,则将形成一个平衡液滴,其形状由固液气三相交界处任意两相间之夹角所决定,通常规定在三相交界处自固液界面经液滴内部至气液界面之夹角为平衡接触角,以表示。 与三个界面张力之关系为Young方程:(2.1)cosgllsgs式中 、 和 分别为固气、固液和液气界面张力。由上式知,只有 gslsgl gl- 时才有明确的三相交界线,即有一定的值;而 = - 时为零; l glsl0时 ,f和sl 方向一致。考虑一定体积的液滴置于粗糙固体表面,液固接触面积为A,液气自由面积为M,液滴处于平衡状态,见图2.1,由力学平衡可得到:- (2.7)gllsscoglf图2.2 接触角随液滴体积变化示意图即 (2.8)lsglsfcos相应的前进接触角和后退接触角分别满足： glYAfmaxcos本科毕业设计（论文）(2.9)glYRfmincos图2.3是根据式(2.9) 得到的液滴系统自由能液固接触面积曲线。以图中曲线c为例, 当液滴面积大于AR (接触角小于R )或小与 An(接触角大于 A)时,系统的自由能未达到最小值, 三相接触线会自动收缩或扩张分别达到后退角和前进角。当液固接触面积Aa90时后退接触角减小的幅度小于前进接触角增大的幅度;当= 90时,才出现纯势垒效应。接触角的滞后性还与液体表面张力相关,随液体表面张力的增加,滞后性增加。表面越粗糙，它就越不容易被液体湿润和越不容易变干。这就说明，固体表面的湿润性应当包含变湿和变干的两种能力，反映固体表面的两种完全不同的物理特性。（4）在粗糙表面上，由于固液接触面积的变化引起滞后张力的变化，从而使接触角的变化因此接触角不是唯一的。本科毕业设计（论文）2.2 动态接触角2.2.1 动态接触角 9湿润性通常用液体在固体表面上的静态接触角来表征。而根据接触线是否移动使接触角有了静态接触角和动态接触角的区别。而动态接触角研究中最主要的应该是接触线的应力奇点问题。湿润动力学揭示了接触角与接触线的移动速度、液体物性、固体衬底物性之间的关系。动态湿润过程可分为受迫湿润和自然铺展两类。图2.4是典型实际表面上动态接触角和湿润速度的关系曲线。图2.4 Elliott测定的动态接触角和速度的关系2.2.2 理论分析固体薄板插入液体槽中，由于毛细作用，在紧贴固体薄板处，将出现图2.5所示的弯月面。在下面的文章中，固体表面是粗糙表面，有滞后现象，当板处于静止状态时，根据文献的论述，接触线上除了三个界面张力以外，还应引入一个附加的滞后张力f。接触线的运动引起液体对固壁的粘性切应力 ，必然使得接触线上的力学平衡被破坏。湿润过程和退湿过程，接触线上动态接触角应满足的力学关系分别是： (2.10)wglslsg fco本科毕业设计（论文）lsfgs固壁 lg气体液体U 图2.5 前进接触线上的受力在接触线附近的贴壁层内，粘性切应力应其主要的作用。距离接触线r处流体对固壁的粘粘性切应力 10应为：(2.11)2)sin(4rUw显然贴壁无滑移是接触线上流体对固壁的粘性切应力发散。引入接触线特征参数 ，由此湿润和退湿过程接触线上的力学平衡关系分别为：(2.12)2)sin(4cosUfLGSG湿润过程和退湿过程的滞后张力可分别近似为： ALGSGf cosmax(2.13)SRLin式中的 即是毛细数，用来表征动态接触角行为的准则数和固壁条件无关。LGUCa实际上，两个流体相固定后，固壁材料的改变或者同一材料的表面粗糙度不同时，所观测到的无论是静态接触角还是动态接触角的行为均是不同的。在理想表面，这种情况同样适用。理论上，动态法和静态法得到的前进和后退接触角值应该是相同的。有些物质本科毕业设计（论文）表面，发现湿润过程动态法的前进接触角略小于静态法的值；退湿过程，动态法的后退接触角略大于静态法的值。这种现象时由于表面粗糙度引起的。在区间R， A内，以 Young接触角为界，当接触线又向前和向后的移动趋势时，滞后张力的代数值分别增大或者减小，直到临界状态，达到纯势垒效应。2.2.3 动态接触角研究中的几种模型1、 滑移模型 11经典流体力学理论在接触线内区出现应力发散,用经典流体力学理论解决移动接触线问题,需要修正Navier Stokes方程,或修正固液界面的边界条件,前者需要重新建立内区流体的模型,非常困难,通常选择后者,即在内区,用一个滑移边界条件代替无滑移边界条件.最早提出的无滑移边界条件形式如下:=, (2.14)滑移模型通常基于下列假设:接触线附近流动分为内区、过渡区和外区,内区带有滑移边界条件,其尺度为小量,可把接触线附近气液界面看作平面,过渡区和外区满足无滑移边界条件,如图2.6所示；Navier Stokes方程在此区域仍可适用;接触线是直线,气液界面以常速U垂直于接触线移动,二维流动。滑移模型中通常把固体表面到固体内部某点的距离定义为滑移长度,该点处液体外延速度等于固体表面速度,换句话说,把壁面无滑移条件推进到固体内部.滑移模型中接触角是作为控制气液界面形状的边界条件引入的.最简单的处理方法就是认为宏观观测到的动态接触角d 等于图2.6中所示的楔形气液界面的夹角a。内区过渡区外区液体气体图2.6 接触线局部区域示意图本科毕业设计（论文）2、前驱膜模型 12表观接触线前缘存在一层薄液体膜,称之为前驱膜(图2.7)。前驱膜平均厚度由液相和固壁表面性质决定,在表观接触线附近大约为1,最前缘减小到几个分子层厚度。Bretherton等人的分析表明 ,表观接触线速度U足够大时 ,固液间形成夹带膜。有学者提出实际湿润是表观接触线在前驱膜上(非“干”表面上)移动的过程。类似地,夹带膜的存在使表观接触线在空气膜上移动,也非“干”表面上。分析表明,接触线速度较低时,接触线前缘存在前驱膜,随接触线速度逐渐增大,前驱膜逐渐变小并最终消失。之后在接触线后侧形成夹带膜(图2.8),中间则存在前驱膜向夹带膜转变的过渡区。结合对粗糙表面接触角滞后现象的研究结果,粗糙表面上动态接触角与接触线移动速度的关系为：(2.15),()2sin(4cos CafCaADAD 和滑移模型不同,该关系式中增加了一个接触线特征参数,通过Hoffman、Strm和Ngan等人的实验对比发现,反映了固体材料特性和表面特性对动态湿润过程的影响,该模型是对滑移模型中只考虑静接触角和毛细数对动态湿润影响的补充。前驱膜液体空气d图2.7 接触线前缘前驱膜液体夹带膜空气d图2.8 接触线后缘夹带膜本科毕业设计（论文）3、 微观模型 12微观模型微观方法包括经典统计力学方法和分子动力学方法。Blake应用经典统计力学分析两互不混容流体动态湿润,分子尺度的界面区如图2.9所示,定义分子向前、向后运动频率为 和 ,静态界面有:wk(2.16)动态湿润过程接触线及流体界面移动,则 ,有:wk(2.17)图2.9 分子尺度上流体界面除距接触线两个分子间距的区域外,速度场与Navier Stokes方程在无滑移边界条件下的解相同,内区尺度在大约两个分子间距量级,这支持了宏观流体力学对内区的处理。分子动力学模型很大程度上依赖于对分子间相互作用势能的认知程度。2.2.4 动态接触角测定方法动态接触角的测量主要包括以下几种方式,铺展液滴法(图2.10a),让处于非平衡状态的液滴在固体表面上自由铺展;毛细管法(图2.10b),让液体弯月面在毛细管中以恒定速度前进或后退,毛细管截面可以是圆形或方形,类似有微型狭道;液槽法( 图2.10c), 让一固体衬底以恒定速度竖直插入或抽出液体槽,衬底可为带状、丝状或棒状;旋转圆柱法(图 2.10d)。相应动态接触角可通过对弯月面直接照相或间接计算得到。液滴 圆棒（a） (b) (c) （d） 图2.10 动态接触角的测量方法本科毕业设计（论文）2.2.5 关于动态接触角的结论（1） 、湿润过程，动态接触角随湿润速度逐渐增大；退湿过程，动态接触角随退湿过程速度的增大而减小。（2） 、通过引入接触线特征参数给出了接触线上的粘性应力，道出了动态接触角和接触线移动速度的关系。发现其与液相性质无关，有固壁性质决定。（3） 、动态接触角的影响因素动态接触角的影响因素很多，诸如固体衬底和流体性质、流动参数和几何特性，动态接触角随接触线移动速度和液体粘性的增大而单调增大,且粘性的影响更为强烈。研究表明,对于完全浸润表面(=0)和部分浸润表面(0),动态接触角与接触线移动速度的关系不同。2.2.6 影响接触角的一些因素 13影响接触角大小的一些因素接触角难以测准,常需多次测量取其平均值。这不仅是由于测量方法上的固有困难(如常需人为作切线等),而且影响接触角大小的因素,有的甚至是难以预料和控制的。（1） 、物质的本性根据Young方程可知,由固气、固液和液气界面张力所决定。在干净的空气中,对于指定的固体,液体的表面张力越小,其在固体上形成的液滴的越小;对于同一种液体,固体的表面能越大,越小。（2） 、吸附作用固体,特别是高表面能固体可自发自气相或溶液中吸附某些组份降低表面能,这就导致了三个界面张力的变化,从而影响的大小。这种影响有的可作定量的处理,有的则难以预料。实验结果表明,水在金表面上的可因气相成分不同而有几十度的变化。某种阳离子表面活性剂水溶液在石英上的可随表面活性剂浓度增加由0增至90,又减至0,可以用一定的吸附模型对此结果作定量讨论。（3） 、表面不均匀性如果固体表面由不同表面能的区域构成(如混合表面),某液体在其上的接触角与其组成有关。设固体表面由1、2二组份构成,它们占据的面积份数为f1、f2,某本科毕业设计（论文）液体在纯1和纯2组份物质表面上的接触角分别为1和 2,在混合表面上的接触角 满足下式:cos=f1cos1+f2cos2 (2.18)(4)、表面粗糙性粗糙因子是表征固体表面平整程度的参数,它等于固体真实表面积与表观表面积之比,常以r表示,显然r越大表面越粗糙。某液体在某固体平滑表面上的接触角为和在粗糙因子为r的同种固体上的接触角为 ,它们之间服从Wenzel方程：cos=rcos (2.19)由于r总是大于1的,故由上式可知,粗糙表面的接触角余弦的绝对值总是大于平滑表面上的。因而,当90时r越大接触角将变大;而 90的称为不润湿,所以当越接近180,固体的疏水性就越好。润湿性就越差。杨氏公式是一种理论计算方法,可以得到精确的和热力学稳定的理论接触角.如图3.9所示,在理想环境中,固、液、气三相的表面张力数值是一种理论化统计性的参数,杨氏方程体现了固气表面张力sg、固液表面张力ls、液气表面张力lg与固液界面接触角的关系。在表面张力确定时,就可以计算接触角,如式(3.10)所示。因此杨氏方程主要应用于微观理论推导的计算和原理引用。大多数实验测试方法也都是以杨氏方程为指导而产生的。在实际环境中,表面张力的大小与固体微观相结构和表面化学能紧密联系 23,而固体表面的微观形貌和相结构又与热处理工艺密切相关;同时固体、液体、气体的实际自由能(线张力的变化)、固体对液体的吸收(反应) 固体的表面粗糙度以及具体的实验环境的温湿度等等因素都难以在杨氏方程中反映;而且杨氏公式也认为微观接触角与液滴宏观大小和形状之间是没有联系的,这就给实际操作提供了很多不确定条件.因此,仅从理论表面张力参数得到的接触角不能完全反映出固体(薄膜)在不同处理工艺下的实际润湿性。本科毕业设计（论文）(3.10)gllssco式中:为表面张力。固体气体液体图3.9 接触角图解从以上因素来看,利用杨氏公式在一般实验条件下对于静态平衡系统测定液体的接触角是不可能的,因此在具体实验中以杨氏原理为指导产生了几种便于实际应用的接触角测试方法。3.2.2 接触角的测试方法比较本次实验以角度液滴法,半球法和连续注射法为主要测量方法,比较它们的优劣。以下为实验所采用的方法:：（1） 液滴法 其测量原理是对液滴的外形进行摄像,在三相相交界处作切线,再用量角器直接测量接触角21。（2） 半球法 如图3.10所示,用数码相机摄像,测量液滴高度和底面圆半径,根据公式(3.11)计算接触角。或 (3.11) 2sinrhrhtg2（3） 连续注射法（滴高法） 向玻璃片上注射液体,当液滴高度增大到一定高度hm,如果再注入液体时,高度不再变化则停止注射,进行摄像。此时液滴呈轴对称形态,液滴最大高度与铺展系数有一定关系 22。设平衡时液滴底面圆半径为,如果圆半径扩大 ,则液滴高度下降 。如图3.11所示。由于固-液界面能增加了rh,故体系的表面吉布斯能增加了 ,而液滴高度下降,其r2 )(2gsllsr位能就下降了 ,此二能量变化应相等,则有：hgv21本科毕业设计（论文）= (3.12)(2gsllsrhv21假设液滴的形状是圆柱体,从而忽略边界效应,故有 ,代入(3.12)rm2式得：(3.13)21)( mgslls h因为 得：co( 2glsglls(3.14)lmgh1s2式中: 为液体表面张力;为液体密度;为重力加速度。l所以只要测出hm就可以计算出2(2为接触角的补角)。图3.10 半球法示意图 图3.11 连续注射法示意图3.2.3 实验结果与比较在实验中采用了在纯水中清洗的铝板，并在60干燥30分钟进行实验。为了减少人为因素的影响，对于每次测试方法均实验三次，取平均值，以保真结果的准确性。实验数据如下表3.1所示：表3.1 接触角实验数据测试方法 实验1 实验2 实验3半球法（h、r）/mm（2.32、1.13） （3.4、1.75） （3.1、1.8）接触角（度） 128.2 125.5 119.72连续注射法 3.25 3.2 3.1本科毕业设计（论文）（mm）接触角(度) 118.3 115.2 108.7有实验结果的比较，可以得到：(1) 对液滴外形采取投影或摄像的方法,用量角器就可以直接测量出接触角的大小。这种方法是实验中最为简捷和方便的方法,其结果最为直观和接近实际值.但是这种方法在利用肉眼观察作切线时,人为误差难以避免,特别是摄像时,映像的清晰程度直接影响测量结果。(2) 半球法测量 25利用推理公式进行计算,计算过程科学,结果可靠.但在获取液滴外形过程中也存在角度液滴法所不能避免的人为因素影响,因此需要多次测量取其平均值,以减少误差.如图3.13所示,O为坐标原点,为将液滴看作球体一部分时球的球心,建立直角坐标系,是球与平面的切面圆半径,R为大球半径,h为半球高,为接触角.从图3.13(a)得:且 (3.15)Rrsinh2所以(3.16)2sinrh图3.13(b)中由于和1两角互补,故有 且 所Rr1sinh2以对于a、b两种半球均有相同的接触角计算公式(3.16)。同时由于(3.17)21sintg对(3.17)式右侧分子与分母同除 2,则有 (3.18)式与(3.17)21sinrh式完全相同,因此可知:(3.18)rtg2故在计算过程中,式(3.17)、(3.18)是等价的,可以互用。但是从结论和函数本科毕业设计（论文）关系看,当采用(3.18)式计算时,为一确定值;而采用(3.17)式计算时,对比(3.18)式,为不确定的两个值,即利用正弦函数计算角度时有两值。从表3.1可知,采用(3.18)计算,结果为一钝角(此结果为疏水性的体现,反映了实际结果),用(3.17)式则会有两互补的角度(在r和h相等时为90)；因此从可靠性上讲,在利用半球法测量计算时最好使 用(3.17)式,可以避免一定的人为误差。从物理意义上,重力作用的影响是明显的。作用在水滴上的力是重力Wg和附着力(附着功Wa),重力和体积(质量)有关、附着力和附着面积有关.水滴和固体的接触角与水滴的大小没有依存关系(水滴的形状是相似形).因为水滴的体积与水滴的半径的三次方比例、附着面积与半径的平方比例.所以重力Wg和附着力Wa的比值为：(3.19)rWag23这表示水滴的半径愈大则重力的影响愈大。因此为了减少重力作用的影响,液滴的体积就要尽量的小,图(3.14)所示液滴形貌是在放大180倍后,通过数码摄像所得到的。本次实验所取液滴的体积一般不超过1毫升。为的就是尽量降低重力因素的影响。因此此方法的合理性较高,并易于实际应用。(a) 测量液滴高度 （b） 测量液滴高度图 3.13 半球法计算示意图本科毕业设计（论文）(c) 测量液滴底面半径 （d） 测量液滴底面半径(3) 连续注射法是推导过程最合理,计算方法最科学的测试方法,但此种方法也是一种理想条件下的计算方法。将液滴看作一圆柱体,忽略了边界条件和边界效应是一种理想条件,在实际中并不可取；要求r,hm这在实际实验中对液滴的底面积大小就有一定的下限要求。由于重力和铺展系数的影响,在液滴高度不会增加时测量,此时根据液滴形貌图中高度和液滴底面圆的直径可以看出,要实现r,hm是一种理想的要求;要求在液滴恰好不再增高时测量其高度,这在实际应用中也是难以控制的 ;同时计算选取了一些理论数据,如L g而未在推导过程中体现出具体实验条件对这些数据影响的修正,因此会影响测量结果可靠性。无论小于90或大于90其测量计算结果相差并不大,即液滴高度微小的变化对测量的接触角数值影响不大，而且远大于其它方法测量结果。此测量方法对实验环境条件的要求很高,两对所选取的理论参数没有考虑到环境条件的影响。因此测量对象的变化难以真实反映出接触角的变化,从而和其他方法的结果差距非常大。因此采用连续注射法时,仅作为一种理论参照。3.2.4 结论(1) 利用半球法测量接触角是一种可行的方法,一般采用 ,可以避免出现rhtg2两种计算结果,提高测量结果的准确性。如果辅之以角度液滴法为参照,这样可以较为精确的判定半球法的测量准确性.因此在普通实验条件下,推荐半球法为首选测量方法。(2) 连续注射法可以作为理论推导和理论参考,但其实验可行性和测量准确性很差,不易作为实际运用。(3) 采用液滴法对液滴外形投影或摄像,这种方法简捷方便。但利用肉眼观察作切线,人为误差难以避免,特别是摄像时,映像的清晰程度直接影响测量结果。本科毕业设计（论文）3.2.5 实验结果分析通过实际的实验研究，分析了接触角测量的影响因素，分别讨论如下：(1) 接触角滞后。在一般的条件下，固体表面的情况比较复杂，难于达到理想的条件。接触角的滞后现象是经常发生的。引起接触角滞后的原因很多。例如固体表面的组分不均匀，各组分之间的憎水性又个不相同，固体表面吸附水或含水量的差异，表面吸附杂质的污染，表面粗糙度的不同等。(2) 表面粗糙度的影响。固体表面粗糙度对接触角的影响首先是 Wenzel21提出来的。认为在单位表面上，实际表面比理想表面有较大的表面能。文氏对杨氏方程做了如下修改：(3.20) WLVSVrcos)(式中 r 称为粗糙度因子， W 称为文氏角。 几 何 表 面 面 积真 实 表 面 面 积r文氏角（ W）与杨氏角（ Y）关系：(3.21) YWrcos(3) 表面吸附、表面污染的影响由于液体的蒸汽会被固体表面吸附 22，必然会降低表面自由能。因此：(3.22) SVSV0式中 SV 为固气界面自由能， S0 为在真空中固体表面自由能， SV 为液体蒸汽吸附膜的表面压，此 SV 可以从不同的蒸汽压的吸附量