界面科学与技术读书报告2

界面科学与技术读书报告二3液体表面及其性质3.1液体性质流体流动时，由于流体与固体表面的附着力和流体内部分子间的作用，将不断产生剪切变形，而流体的粘滞性就是流体抵抗剪切变形的能力。牛顿提出粘滞剪应力与剪切应变率成正比的假设，成为牛顿粘性定律，即𝜏=𝜇𝛾̇式中，𝜏是剪应力，𝛾̇是剪应变率，𝜇是流体的动力粘度。在工程中，常常将流体的动力粘度和其密度的比值作为流体的粘度，即𝜈=𝜇𝜌凡是服从牛顿粘性定律的流体统称为牛顿流体，其剪应力与剪应变率的关系如图1中直线C。在通常条件下，大部分将润滑油可以视为牛顿流体。不服从牛顿粘性定律的称为非牛顿流体，可表现为塑性、伪塑性和膨胀性等形式。为了改善使用性能，现代润滑油通常含有由多种高分子材料组成的添加剂以及大量使用的合成润滑剂，它们都呈现出强烈的非牛顿性质，使得润滑剂的流变行为成为润滑设计中不可忽视的因素。当温度升高时，流体分子运动的平均速度增大，而分子间的距离也增加，分子的动量增加，分子间作用力减小。因此液体粘度随温度的升高而急剧下降，从而严重影响它们的润滑作用。反之，气体的粘度则随温度的升高而略有增加。当液体或气体所受压力增加时，分子之间的距离减小而分子间的引力增大，因而粘度增加。通常，当矿物油所受压力超过0.2GPa时，粘度随压力的变化十分显著。随着压力的增加，粘度的变化率也增加，当压力增加大几个GPa时，粘度升高几个量级。当压力更高时，矿物油丧失液体性质而变成蜡状固体。对于重载荷流体动压润滑，特别是弹性流体动压润滑状态，粘压特性是非常重要的问题大多数液体在高剪切应变率时粘度将降低而呈现非牛顿特性。对于两相润滑剂以及高粘性的油或含有聚合物的油，则在较低的剪切应变率时就出现非牛顿特性。某些类型的润滑剂（如润滑脂，乳化液）的表观粘度（当时的剪切应力与当时的剪应变率的比值）随着剪切持续时间的延长而降低，这种行为称为触变性。3.2液体边界层性质一般情况下，连续介质力学假设与固体接触的流体速度与固体表面的速度相等，即无滑移边界条件。但如果流体的剪应力超过流体承受剪切的极限值，则流体与固体界面间将出现滑移，形成速度差，从而形成滑流区，如图3.2所示。滑流区实际上是在边界附近存在的一个薄的边界流层。图3.2边界滑移示意图。固体和液体接触时，固体表面普遍存在荷电现象，它导致了固/液截面的液体一侧带相反电荷。固体表面在溶液中荷电后，静电引力会吸引该溶液中带相反电荷的离子。它向固体表面靠拢而聚集在距离二相界面一定距离的液体一侧界面区内，以补偿其电荷平衡，于是构成了液体边界上的双电层。图3.3所示为典型Stern双电层模型结构。图3.3液体双电层Stern模型结构示意图3.3液体表面性质液体内部的分子所受的力是对称的，但是液体表面的分子所受的力与体内的不同，由于没有外流体分子，表面分子的受力不再对称，如图3.4所示。因为受体内分子吸引试图将表现分子拉入本体内，从而使表面积尽量缩小。热力学的说法是要将这个体系的表面能降至最小，这个力称为表面张力，或单位面积上的自由能。图3.4表面分子和体分子受力影响表面张力的因素有：1分子间的作用力。分子间的作用力增大，表面张力就增大。金属键＞离子键＞极性键＞非极性键。2温度。一般情况下温度升高，表面张力降低。临街温度时，气、液相无区别，界面消失，表面张力趋近于零。3接触的另一相物质。毛细效应是在一个细小的管子浸入液体时，液体上升或下降的一种现象。这种狭窄的管子或流道称为毛细管。液体在毛细管中的自由曲面称为凹凸面。水在玻璃表面的边缘处会稍微向上弯曲，但是水银会在边缘处向下弯曲。毛细效应可由接触角θ来量化，定义为液体与固体表面接触点上沿液面的切线与固体表面的夹角。当θ＞90°时，表面张力沿切线朝向固体表面作用，称此液体为可润湿表面。当θ＜90°时，此液体无法润湿表面。图3.5湿润与不湿润当溶剂加入溶质，溶液的表面张力会发生改变。通常把能显著降低液体表面张力的物质称为该液体的表面活性剂。表面活性剂分子都是由亲水性的极性基团（亲水基）和憎水性的非极性基团（亲油基）两部分构成。表面活性剂有广泛的应用，例如：1润湿作用，可用作润湿剂、渗透剂。2乳化作用、分散作用、曾溶作用，可用作乳化剂，分散剂，增溶剂。3发泡作用、消泡作用，可用作起泡剂、消泡剂。4洗涤作用，可用作洗涤剂。4固-液界面4.1固-液界面湿润性液体的湿润性通常是指它在固体表面的铺展或聚集的能力。液体表面倾向于收缩，这表现在当外力的影响很小时液滴趋于球形。一般认为，边界润滑膜的机理与润滑剂湿润性有关。另外，存在润滑油的两固体表面间的粘着等现象也与润滑油的表面张力大小密切相关。在通常情况下，湿润性是通过测量液体在表面农商行的接触角实现的。接触角θ定义为固液、气三相的交接点上固-液界面与液-气界面切线之间的夹角，如图4.1所示。当两个平行的固体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，则弯月面内凹，反之，弯月面外凸，如图4.2。弯月面内外压力差称为毛细压力或者拉普拉斯压力，可以为正值，也可以为负值。图4.24.2固-液界面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。由于体表面具有一定的表面张力，且在加工成形过程中形成的许多晶格缺陷使表面的原子处于不饱和或背部稳定状态，润滑油的极性基团等都容易产生吸附，而使表面形成各种膜。根据膜的结构性质不同，表面膜可以分为吸附膜和反应膜两种。吸附膜又有物理吸附膜和化学吸附膜，反应膜又有化学反应膜及氧化膜之分。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叫做物吸附。物理吸附一般是在常温、低俗、轻载条件下形成的。物理吸附于解附是完全可逆的。由于急性分子的有价电子u基体表面的电子发生交换而产生的化学结合力，使急性分子定向排列，吸附在金属表面上所形成的吸附膜叫做化学吸附膜。化学吸附要比物理吸附稳定的多，并且在同样条件下是不可逆的。化学吸附一般在中等载荷、中等滑动速度及中等温度条件下形成。在载荷过大、冲击性过大、起停过于频繁、四度过低或间歇摆动等工况下，一般很难获得足够厚的润滑膜。当表面过于粗糙时，润滑膜的厚度也难以保证粗糙峰脱离接触。这时可以利用润滑油中的极性物质吸附在金属表面形成吸附膜以防止和减轻磨损。表面反应膜通常指外部物质欲接触表面发生化学反应形成不同于表面基体成分的化学物质的界面，因此也称为表面化学反应膜。一般情况下，氯类、硫类可提高润滑脂的耐负荷能力，防止金属表面能在高负荷条件下发生烧结、卡咬、刮伤；而磷类、有机金属盐类具有较高的抗磨能力，可防止或减少金属表现在中等负荷条件下的磨损。