第5章习题及答案-无机材料科学基础

第五章固体表面与界面5-1名词解释驰豫表面重构表面定向作用诱导作用色散作用范德华力润湿角临界表面张力粘附功阳离子交换容量聚沉值触变性滤水性可塑性5-2何谓表面张力和表面能？在固态和液态这两者有何差别？5-3在石英玻璃熔体下20cm处形成半径5×10－8m的气泡，熔体密度为2200kg/m3，表面张力为0.29N/m，大气压力为1.01×105Pa，求形成此气泡所需最低内压力是多少？5-4（1）什么是弯曲表面的附加压力？其正负根据什么划分？（2）设表面张力为0.9J/m2，计算曲率半径为0.5μm、5μm的曲面附加压力？5-5什么是吸附和粘附？当用焊锡来焊接铜丝时，用挫刀除去表面层，可使焊接更加牢固，请解释这种现象？5-6在高温将某金属熔于Al2O3片上。（1）若Al2O3的表面能估计为1J/m2，此熔融金属的表面能也与之相似，界面能估计约为0.3J/m2，问接触角是多少？（2）若液相表面能只有Al2O3表面能的一半，而界面能是Al2O3表面张力的2倍，试估计接触角的大小？5-7在20℃及常压下，将半径为10－3m的汞分散成半径为10－9m的小汞滴，求此过程所需作的功是多少？已知20℃时汞的表面张力0.470N/m。5-8在2080℃的Al2O3（L）内有一半径为10－8m的小气泡，求该气泡所受的附加压力是多大？已知2080℃时Al2O3（L）的表面张力为0.700N/m。5-920℃时苯的表面张力为0.0289N/m，其饱和蒸气压为10013Pa，若在20℃时将苯分散成半径为10－6m的小滴，计算：（1）苯滴上的附加压力；（2）苯滴上的蒸气压与平面上苯液饱和蒸气压之比。5-1020℃时，水的饱和蒸气压力为2338Pa，密度为998.3kg/m3，表面张力为0.07275N/m，求半径为10－9m的水滴在20℃时的饱和蒸气压为多少？5-11若在101325Pa，100℃的水中产生了一个半径为10－8m的小气泡，问该小气泡能否存在并长大？此时水的密度为958kg/m3，表面张力为0.0589N/m。5-1217℃时大颗粒的1，2－二硝基苯在水中的溶解度为0.0059mol/L，1，2－二硝基苯固体与溶液的界面张力为0.0257N/m，计算直径为10－8m的1，2－二硝基苯在水中的溶解度。1，2－二硝基苯固体的密度为1565kg/m3。5-13在某一定温度下，对H2在Cu（s）上的吸附测得以下数据：PH（×103Pa）5.06610.1315-2020.2725-33p/V（×105Pa/L）4.2567.60011.6514.8917.73其中V是不同压力下每克Cu上吸附H2的体积（标准状况），求朗格缪尔公式中的Vs。5-1420℃时，乙醚－水、汞－乙醚及汞－水的界面张力分别为0.0107、0.379及0.375N/m，在乙醚与汞的界面上滴一滴水，求其接触角。5-15在真空下的氧化铝表面张力约为0.9N/m，液态铁的表面张力为1.72N/m，同样条件下液态铁－氧化铝的界面张力为2.3N/m，问接触角有多大？液态铁能否润湿氧化铝？5-16考虑四种联接作用：焊接、烧结、粘附接合和玻璃－金属的封接，请从原子尺度考虑，解释这些联接作用相互间有何差异？5-17MgO－Al2O3－SiO2系统的低共熔物放在Si3N4陶瓷片上，在低共熔温度下，液相的表面张力为900mN/rn液体与固体的界面能为600mN/m，测得接触角为70.52o。（1）求Si3N4的表面张力；（2）把Si3N4在低共熔温度下进行热处理，测试其热腐蚀的槽角为60℃，求Si3N4的晶界能？5-18氧化铝瓷件中需要披银，已知1000℃时mN/m；mN/m；mN/m，问液态银能否润湿氧化铝瓷件表面？可以用什么方法改善它们之间的润湿性？5-19根据图5-13和表5-2可知，具有面心立方晶格不同晶面（110）、（100）、（111）上，原子密度不同，试回答，那一个晶面上固－气表面能将是最低的？为什么？5-20试解释粘土结构水和结合水（牢固结合水、松结合水）、自由水的区别，分析后两种水在胶团中的作用范围及其对工艺性能的影响。5-21一个均匀的悬浮液，粘土浓度为30vol％，薄片状粘土颗粒尺寸是平均直径0.1μm，厚度0.01μm，求颗粒间平均距离是多少个？5-22粘土的很多性能与吸附阳离子种类有关。指出粘土吸附下列不同阳离子后的性能变化规律，（以箭头表示：）H＋Al3＋Ba2＋Sr2＋Ca2＋Mg2＋NH4＋K＋Na＋Li＋（l）离子交换能力；（2）粘土的ζ电位；（3）粘土的结合水量；（4）泥浆稳定性；（5）泥浆流动性；（6）泥浆触变性；（7）泥团可塑性；（8）泥浆滤水性；（9）泥浆浇注时间；（10）坯体形成速率5-23若粘土粒子是片状的方形粒子。长度分别为10、1、0.1μm，长度是其厚度的10倍。试求粘土颗粒平均距离是在引力范围2nm时，粘土体积浓度？5-24用Na2CO3和Na2SiO3分别稀释同一种粘土（以高岭石矿物为主）泥浆，试比较电解质加入量相同时，两种泥浆的流动性、注浆速率、触变性和坯体致密度有何差别？5-25影响粘土可塑性的因素有那些？生产上可以来用什么措施来提高或降低粘土的可塑性以满足成形工艺的需要？第五章答案5-1略。5-2何谓表面张力和表面能？在固态和液态这两者有何差别？解：表面张力：垂直作用在单位长度线段上的表面紧缩力或将物体表面增大一个单位所需作的功；σ=力/总长度（N/m）表面能：恒温、恒压、恒组成情况下，可逆地增加物系表面积须对物质所做的非体积功称为表面能；J/m2=N/m液体：不能承受剪应力，外力所做的功表现为表面积的扩展，因为表面张力与表面能数量是相同的；固体：能承受剪切应力，外力的作用表现为表面积的增加和部分的塑性形变，表面张力与表面能不等。5-3在石英玻璃熔体下20cm处形成半径5×10－8m的气泡，熔体密度为2200kg/m3，表面张力为0.29N/m，大气压力为1.01×105Pa，求形成此气泡所需最低内压力是多少？解：P1（熔体柱静压力）=hρg=0.2×2200×9.81=4316.4Pa附加压力=2×0.29/5×10-8=1.16×107Pa故形成此气泡所需压力至少为P=P1+△P+P大气=4316.4+1.16×107+1.01×105=117.04×105Pa5-4（1）什么是弯曲表面的附加压力？其正负根据什么划分？（2）设表面张力为0.9J/m2，计算曲率半径为0.5μm、5μm的曲面附加压力？解：（1）由于表面张力的存在，使弯曲表面上产生一个附加压力，如果平面的压力为P0，弯曲表面产生的压力差为△P，则总压力为P=P0+△P。附加压力的正负取决于曲面的曲率，凸面为正，凹面为负。（2）根据Laplace公式：可算得△P=0.9×（1/0.5+1/5）=1.98×106Pa5-5什么是吸附和粘附？当用焊锡来焊接铜丝时，用挫刀除去表面层，可使焊接更加牢固，请解释这种现象？解：吸附：固体表面力场与被吸附分子发生的力场相互作用的结果，发生在固体表面上，分物理吸附和化学吸附；粘附：指两个发生接触的表面之间的吸引，发生在固液界面上；铜丝放在空气中，其表面层被吸附膜（氧化膜）所覆盖，焊锡焊接铜丝时，只是将吸附膜粘在一起，锡与吸附膜粘附的粘附功小，锉刀除去表面层露出真正铜丝表面（去掉氧化膜），锡与铜相似材料粘附很牢固。5-6在高温将某金属熔于Al2O3片上。（1）若Al2O3的表面能估计为1J/m2，此熔融金属的表面能也与之相似，界面能估计约为0.3J/m2，问接触角是多少？（2）若液相表面能只有Al2O3表面能的一半，而界面能是Al2O3表面张力的2倍，试估计接触角的大小？解：（1）根据Yong方程：将已知数据代入上式=0.7，所以可算得接触角约为45.6度（2）将已知数据代入Yong方程=0.8，可算得接触角约为36.9度。5-7在20℃及常压下，将半径为10－3m的汞分散成半径为10－9m的小汞滴，求此过程所需作的功是多少？已知20℃时汞的表面张力0.47N/m。解：此过程所需作的功应等于系统表面能的增加,即==59w5-8在2080℃的Al2O3（L）内有一半径为10－8m的小气泡，求该气泡所受的附加压力是多大？已知2080℃时Al2O3（L）的表面张力为0.700N/m。解：根据公式，可算得△P=2×0.7/10－8=1.4×108N5-920℃时苯的表面张力为0.0289N/m，其饱和蒸气压为10013Pa，若在20℃时将苯分散成半径为10－6m的小滴，计算：（1）苯滴上的附加压力；（2）苯滴上的蒸气压与平面上苯液饱和蒸气压之比。解：（1）根据公式，可算得△P=2×0.0289/10－6=5.78×104N（2）根据开尔文方程，简化为查得苯的密度为879kg/m3将已知数据代入公式右边==0.002=苯滴上的蒸气压与平面上苯液饱和蒸气压之比==1.0025-1020℃时，水的饱和蒸气压力为2338Pa，密度为998.3kg/m3，表面张力为0.07275N/m，求半径为10－9m的水滴在20℃时的饱和蒸气压为多少？解：根据公式，可算得△P=2×0.07275/10－9=1.455×108N/m2根据开尔文方程，简化为，将已知条件代入可算得：=1.077P=6864Pa最后算得半径为10－9m的水滴在20℃时的饱和蒸气压P为6864Pa5-11若在101325Pa，100℃的水中产生了一个半径为10－8m的小气泡，问该小气泡能否存在并长大？此时水的密度为958kg/m3，表面张力为0.0589N/m。解：根据公式，可算得附加压力为△P=2×0.0589/10－8=1.178×107Pa对于液体中的气泡，气泡的压力为P=P0—△P=101325—1.178×107﹤0所以该小气泡不能存在。5-1217℃时大颗粒的1，2－二硝基苯在水中的溶解度为0.0059mol/L，1，2－二硝基苯固体与溶液的界面张力为0.0257N/m，计算直径为10－8m的1，2－二硝基苯在水中的溶解度。1，2－二硝基苯固体的密度为1565kg/m3。解：根据公式，将已知数据代入，即=114.42，由此又可算得直径为10－8m的1，2－二硝基苯在水中的溶解度为0.029mol/L5-13在某一定温度下，对H2在Cu（s）上的吸附测得以下数据：PH×103Pa）5.06610.1315.2020.2725.33p/V（×105Pa/L）4.2567.60011.6514.8917.73其中V是不同压力下每克Cu上吸附H2的体积（标准状况），求朗格缪尔公式中的Vs。解：根据朗格缪尔公式公式两边乘以p,得以p/v对p做图，则斜率为1/vs所作图基本为直线，证明符合朗格缪尔等温式，斜率为0.0007，则Vs=1428.6L5-1420℃时，乙醚－水、汞－乙醚及汞－水的界面张力分别为0.0107、0.379及0.375N/m，在乙醚与汞的界面上滴一滴水，求其接触角。解：，5-15在真空下的氧化铝表面张力约为0.9N/m，液态铁的表面张力为1.72N/m，同样条件下液态铁－氧化铝的界面张力为2.3N/m，问接触角有多大？液态铁能否润湿氧化铝？解：=-0.814，，所以不能润湿。5-16考虑四种联接作用：焊接、烧结、粘附接合和玻璃－金属的封接，请从原子尺度考虑，解释这些联接作用相互间有何差异？解：焊接：两种或两种以上材质（同种或异种）,通过加热或加压或二者并用,来达到原子之间的结合而形成永久性连接的工艺过程叫焊接.焊接时周围的条件，包括：母材材质、板厚、坡口形状、接头形式、拘束状态、环境温度及湿度、清洁度以及根据上述诸因素而确定的焊丝（或焊条）种类及直径、焊接电流、电压、焊接速度、焊接顺序、熔敷方法、运枪（或运条）方法等。焊件坡口及表面如果有油（油漆）、水、锈等杂质，熔入焊缝中会产生气孔、夹杂、夹渣、裂纹等缺陷，给焊接接头带来危害和隐患。烧结：是赋予材料性能的一种高温处理工艺，原子向接触点的扩散使颗粒间行形成粘结，进一步扩散最终填满各种剩下的孔隙并使材料的致密度