第26卷第6期Vol126No16材料科学与工程学报JournalofMaterialsScience&Engineering总第116期Dec.2008文章编号:167322812(2008)0620932205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Au、Ag、Cu、Ge、Sn五种金属在Al2O3、SiO2、ZrO2、高定向热解石墨的(0001)基面四种固体表面上的润湿性,用ADSA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)。【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:TB333;O647文献标识码:AWettabilityofHighSurfaceEnergySolidanditsSurfaceTensionCalculationLUOXiao2bin,ZHUDing2yi,QIAOWei,SHILi2min(CollegeofMaterialsScienceandEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350108,China)【Abstract】ThewettingofAu,Ag,Cu,GeandSnontheAl2O3,SiO2,ZrO2and(0001)basalplaneofhighlyorientedpyrolyticgraphite(HOPG)wasinvestigatedbysessiledropmethodunderargonmixtureCOatmosphereat1100℃.ThecontactanglesweremeasuredbyADSAsoftware.Thesurfacetensionsoffoursubstrateswerecalculatedbynewtheoreticalequation.Theresultsshowthatthecontactanglesonthesameceramicsurfaceincreasewithanincreaseofliquidmetalsurfacetensions,thesolidsurfacetensioncalculatedwiththenewtheoreticalequationiswellconsistent,whichindicatesthattheestablishingtheoreticalformulacancorrectlyreflecttheequilibriumrelationoftensionamongliquid,solidandvaporphases.Theaveragevaluesofsurfacetensionoffoursubstratesmentionedaboveare340.24,457.79,357.52,431.35(mJ·m-2)respectivelyat1100℃.【Keywords】highsurfaceenergysolid;surfacetension;sessiledropmethod;contactangle;wettability收稿日期:2007212212;修订日期:2008201225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。E2mail:luoxiaobing2002@163.com.通讯作者:朱定一,博士,教授,博士生导师。E2mail:zdy7081@163.com1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100mJ·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Young方程γsg=γsl+γlgcosθ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。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...
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