武漢理工材料科學基礎課后答案-第五章

第五章答案5-1略。5-2何謂表面張力和表面能？在固態(tài)和液態(tài)這兩者有何差別？解：表面張力：垂直作用在單位長度線段上的表面緊縮力或將物體表面增大一個單位所需作的功；σ=力/總長度（N/m）

表面能：恒溫、恒壓、恒組成情況下，可逆地增加物系表面積須對物質所做的非體積功稱為表面能；J/m2=N/m

液體：不能承受剪應力，外力所做的功表現為表面積的擴展，因為表面張力與表面能數量是相同的；固體：能承受剪切應力，外力的作用表現為表面積的增加和部分的塑性形變，表面張力與表面能不等。5-3在石英玻璃熔體下20cm處形成半徑5×10－8m的氣泡，熔體密度為2200kg/m3，表面張力為0.29N/m，大氣壓力為1.01×105Pa，求形成此氣泡所需最低內壓力是多少？解：P1（熔體柱靜壓力）=hρg=0.2×2200×9.81=4316.4Pa附加壓力=2×0.29/5×10-8=1.16×107Pa故形成此氣泡所需壓力至少為P=P1+△P+P大氣=4316.4+1.16×107+1.01×105=117.04×105Pa5-4（1）什么是彎曲表面的附加壓力？其正負根據什么劃分？（2）設表面張力為0.9J/m2，計算曲率半徑為0.5μm、5μm的曲面附加壓力？解：（1）由于表面張力的存在，使彎曲表面上產生一個附加壓力，如果平面的壓力為P0，彎曲表面產生的壓力差為△P，則總壓力為P=P0+△P。附加壓力的正負取決于曲面的曲率，凸面為正，凹面為負。（2）根據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？當用焊錫來焊接銅絲時，用挫刀除去表面層，可使焊接更加牢固，請解釋這種現象？解：吸附：固體表面力場與被吸附分子發(fā)生的力場相互作用的結果，發(fā)生在固體表面上，分物理吸附和化學吸附；

粘附：指兩個發(fā)生接觸的表面之間的吸引，發(fā)生在固液界面上；銅絲放在空氣中，其表面層被吸附膜（氧化膜）所覆蓋，焊錫焊接銅絲時，只是將吸附膜粘在一起，錫與吸附膜粘附的粘附功小，銼刀除去表面層露出真正銅絲表面（去掉氧化膜），錫與銅相似材料粘附很牢固。5-6在高溫將某金屬熔于Al2O3片上。（1）若Al2O3的表面能估計為1J/m2，此熔融金屬的表面能也與之相似，界面能估計約為0.3J/m2，問接觸角是多少？（2）若液相表面能只有Al2O3表面能的一半，而界面能是Al2O3表面張力的2倍，試估計接觸角的大小？解：（1）根據Yong方程：將已知數據代入上式=0.7，所以可算得接觸角約為45.6度（2）將已知數據代入Yong方程=0.8，可算得接觸角約為36.9度。5-7在20℃及常壓下，將半徑為10－3m的汞分散成半徑為10－9m的小汞滴，求此過程所需作的功是多少？已知20℃時汞的表面張力0.47N/m。解：此過程所需作的功應等于系統表面能的增加,即==59w5-8在2080℃的Al2O3（L）內有一半徑為10－8m的小氣泡，求該氣泡所受的附加壓力是多大？已知2080℃時Al2O3（L）的表面張力為0.700N/m。解：根據公式，可算得△P=2×0.7/10－8=1.4×108N5-920℃時苯的表面張力為0.0289N/m，其飽和蒸氣壓為10013Pa，若在20℃時將苯分散成半徑為10－6m的小滴，計算：（1）苯滴上的附加壓力；（2）苯滴上的蒸氣壓與平面上苯液飽和蒸氣壓之比。解：（1）根據公式，可算得△P=2×0.0289/10－6=5.78×104N（2）根據開爾文方程，簡化為查得苯的密度為879kg/m3將已知數據代入公式右邊==0.002=苯滴上的蒸氣壓與平面上苯液飽和蒸氣壓之比==1.0025-1020℃時，水的飽和蒸氣壓力為2338Pa，密度為998.3kg/m3，表面張力為0.07275N/m，求半徑為10－9m的水滴在20℃時的飽和蒸氣壓為多少？解：根據公式，可算得△P=2×0.07275/10－9=1.455×108N/m2根據開爾文方程，簡化為，將已知條件代入可算得：=1.077P=6864Pa最后算得半徑為10－9m的水滴在20℃時的飽和蒸氣壓P為6864Pa5-11若在101325Pa，100℃的水中產生了一個半徑為10－8m的小氣泡，問該小氣泡能否存在并長大？此時水的密度為958kg/m3，表面張力為0.0589N/m。解：根據公式，可算得附加壓力為△P=2×0.0589/10－8=1.178×107Pa對于液體中的氣泡，氣泡的壓力為P=P0—△P=101325—1.178×107﹤0所以該小氣泡不能存在。5-1217℃時大顆粒的1，2－二硝基苯在水中的溶解度為0.0059mol/L，1，2－二硝基苯固體與溶液的界面張力為0.0257N/m，計算直徑為10－8m的1，2－二硝基苯在水中的溶解度。1，2－二硝基苯固體的密度為1565kg/m3。解：根據公式，將已知數據代入，即=114.42，由此又可算得直徑為10－8m的1，2－二硝基苯在水中的溶解度為0.029mol/L5-13在某一定溫度下，對H2在Cu（s）上的吸附測得以下數據：PH×103Pa）5.06610.1315.2020.2725.33p/V（×105Pa/L）4.2567.60011.6514.8917.73其中V是不同壓力下每克Cu上吸附H2的體積（標準狀況），求朗格繆爾公式中的Vs。解：根據朗格繆爾公式公式兩邊乘以p,得以p/v對p做圖，則斜率為1/vs所作圖基本為直線，證明符合朗格繆爾等溫式，斜率為0.0007，則Vs=1428.6L5-1420℃時，乙醚－水、汞－乙醚及汞－水的界面張力分別為0.0107、0.379及0.375N/m，在乙醚與汞的界面上滴一滴水，求其接觸角。解：，5-15在真空下的氧化鋁表面張力約為0.9N/m，液態(tài)鐵的表面張力為1.72N/m，同樣條件下液態(tài)鐵－氧化鋁的界面張力為2.3N/m，問接觸角有多大？液態(tài)鐵能否潤濕氧化鋁？解：=-0.814，，所以不能潤濕。5-16考慮四種聯接作用：焊接、燒結、粘附接合和玻璃－金屬的封接，請從原子尺度考慮，解釋這些聯接作用相互間有何差異？解：焊接：兩種或兩種以上材質（同種或異種）,通過加熱或加壓或二者并用,來達到原子之間的結合而形成永久性連接的工藝過程叫焊接.焊接時周圍的條件，包括：母材材質、板厚、坡口形狀、接頭形式、拘束狀態(tài)、環(huán)境溫度及濕度、清潔度以及根據上述諸因素而確定的焊絲（或焊條）種類及直徑、焊接電流、電壓、焊接速度、焊接順序、熔敷方法、運槍（或運條）方法等。焊件坡口及表面如果有油（油漆）、水、銹等雜質，熔入焊縫中會產生氣孔、夾雜、夾渣、裂紋等缺陷，給焊接接頭帶來危害和隱患。燒結：是賦予材料性能的一種高溫處理工藝，原子向接觸點的擴散使顆粒間行形成粘結，進一步擴散最終填滿各種剩下的孔隙并使材料的致密度提高。是粉末或粉末壓坯加熱到低于其中基本成分的熔點的溫度，然后以一定的方法和速度冷卻到室溫的過程。燒結的結果是粉末顆粒之間發(fā)生粘結，燒結體的強度增加，把粉末顆粒的聚集體變成為晶粒的聚結體，從而獲得所需的物理、機械性能的制品或材料。低溫預燒階段:在此階段主要發(fā)生金屬的回復及吸附氣體和水分的揮發(fā)，壓坯內成形劑的分解和排除等。中溫升溫燒結階段:此階段開始出現再結晶，在顆粒內，變形的晶粒得以恢復，改組為新晶粒，同時表面的氧化物被還原，顆粒界面形成燒結頸。高溫保溫完成燒結階段:此階段中的擴散和流動充分的進行和接近完成，形成大量閉孔，并繼續(xù)縮小，使孔隙尺寸和孔隙總數有所減少，燒結體密度明顯增加。粘附現象的本質和吸附一樣都是兩種物質之間表面力作用的結果。粘附作用可通過兩相相對滑動時的摩擦、固體粉末的聚集和燒結等現象表現出來。玻璃和金屬的封接，受許多因素的支配。影響封接件最主要的因素有如下四方面：（1）金屬的氧化在玻璃與金屬氣密封接前，通常把金屬適度氧化，健金屬氧化物處于玻璃與金屬之間。這一步驟對封接是十分必要的，也是玻璃封接的一種微觀調控手段。金屬的氧化處理，是影響玻璃與金屬封接最重要的因素，其中氧化機理是探討封接技術的關鍵問題。（2）玻璃和金屬的膨脹系數玻璃和金屬膨脹系數的一致性，是形成良好封接的宏觀調控手段。當玻璃熔體與金屬封接時，處于高溫下的玻璃有足夠的粘滯流動性。它一面變形，一面隨著金屬的熱收縮曲線而收縮。然而，隨著溫度的降低，玻璃逐漸失去其流動性，以致跟不上金屬的熱收縮而逐漸從金屬的收縮曲線上分離開來。該變化既連續(xù)，又取決于冷卻速率，因而無法確定哪一點溫度是玻璃從金屬收縮曲線上分出來的特定溫度。通常為方便起見，用一特定溫度TM來表示玻璃固著于金屬時的狀態(tài)。這就是說，當T﹥TM，玻璃具有完全的流動性，且不產生應力。當T﹤TM，封接玻璃沿著固有的熱收縮曲線收縮，這個特定溫度TM稱為固化溫度，它與玻璃的應變溫度甚為接近。在任意溫度T時，產生與金屬間的收縮差⊿d，并在封接件內產生與⊿d成比例的應力。當應力超過玻璃的強度極限時，玻璃即遭到破壞，影響封接件氣密性。在固化溫度TM以下，兩者熱收縮曲線的相對關系實質上反映了膨脹系數的匹配程度，即從TM起始的玻璃與金屬的收縮差應為：⊿d=（ag-am）（TM-T）（1-1）式1-1中ag與am分別表示各種玻璃和金屬從TM到兩者匹配溫度T的膨脹系數。為了使玻璃消除永久應力，封接件需經退火，良好的退火對封接質量有著重要的意義。退火后的封接件不應快速冷卻，因為金屬比玻璃的導熱性好，因而金屬比玻璃冷得快。當金屬和玻璃的膨脹系數相同時，這種不同的冷卻速率導致金屬比玻璃收縮大，當玻璃失去流動性后，金屬就不得不在窄的范圍內冷卻，兩者長度的改變影響到玻璃和金屬的附著能力。如果開始快速冷卻的溫度超過玻璃的影響退火溫度下限，玻璃將處于拉伸狀態(tài)。為了防止這種拉應力的產生以及為了使玻璃略帶壓力，玻璃和金屬封接后，往往在煤氣火焰上單獨地加熱金屬部分。（3）玻璃的強度和界面擴散在考慮到玻璃和金屬膨脹系數匹配的基礎上，提高破璃的機械強度、尤其是抗拉強度，這對于封接件受到熱沖擊或者因溫度梯度引起的熱應力乃至受到使用中的外力時都是有利的。一般玻璃的抗壓強度可以很高，達到600～1500MPa，而抗拉強度極低僅是抗壓強度的1O%左右。實際上只是抗拉強度會出現問題。如有可能，采用結晶化破璃封接，這是提高玻璃抗拉強度的有效途徑，它通?？梢赃_到原始玻璃抗拉強度的3～5倍，甚至5倍以上。必須指出，封接處大量氣泡（尤其是成串氣泡）的存在是很有害的，因為它能降低機械強度和造成慢性漏氣。溶解在金屬中的氣體在封接加熱時放出，是產生氣泡的一個原因，這在鎢、鉬、鉑等金屬是少見的，而鎳、鐵及其合金較多。為此，除選用真空治煉法制得的金屬外，通?？衫迷谡婵罩谢驓錃庵屑訜峤饘兕A先去氣來消除此因素。產生氣泡的另一個原因是碳，特別是金屬表面層中的碳，在封接時會氧化成二氧化碳氣體而造成氣泡，這在鎳、鐵及其合金中亦較其它金屬為嚴重。解決過個問題的方法是把金屬放在濕氫或真空中退火，以去掉氣體和碳。從面杜絕氣泡的產生。遇火溫度一般在900～I100℃，時間根據金屬的厚度而定。在封接界面附近有兩類情況：一類是兩種不同材料之間的封接，在交界面直接產生相互擴散。例如玻璃和玻璃光學研磨封接，以及金屬之間的熔接。另一類是為便于封接，交界處放入異種材料。例如玻璃和金屬、陶瓷與金屬難以直接發(fā)生相互擴散的封接。這種場臺下產生熔化擴散現象。然而，無論是相互擴散或是熔化擴散界面附近的組成、性質和材質內部的組成、性質是不同的，這種變化對封接件的穩(wěn)定性有很大的影響。（4）封接件的形狀、尺寸以及表面粗糙度封接件內的應力大小和分布情況，受到封接件形狀與尺寸的影響。當應力超過封接材料的強度極限時，勢必損傷封接制品。一般地說，封接后，如果封接件僅僅作為電子管或電真空器件的一個組成部分，尚需繼續(xù)進行加工，或者用來和同樣的電子管或電子器件的封接部進行封接，則需再一次熱處理或經受機械力的作用。外力造成的暫時應力將與材料相互間的熱收縮應力復合在一起。與材料間熱收縮差同時形成的永久應力和由各種原因構成的暫時應力復合的結果，其值是相當可觀的。如果忽視了形狀與尺寸對應力的影響，則有可能影響到封接件的穩(wěn)定性。例如在生產實踐中，為了減輕這種應力，可以利用金屬薄邊的可塑性進行封接，甚至可以利用金屬的彈性來進行封接。此外，在粘附性試驗中也發(fā)現，如果底料上凹凸均勻，則粘附性良好，必然對封接產生有利的影響。5-17MgO－Al2O3－SiO2系統的低共熔物放在Si3N4陶瓷片上，在低共熔溫度下，液相的表面張力為900mN/rn液體與固體的界面能為600mN/m，測得接觸角為70.52o。（1）求Si3N4的表面張力；（2）把Si3N4在低共熔溫度下進行熱處理，測試其熱腐蝕的槽角為60℃，求Si3N4的晶界能？解：（1）=900cos70.520+600=900mN/M（2）=2×900cos300=1558.8mN/M5-18氧化鋁瓷件中需要披銀，已知1000℃時mN/m；mN/m；mN/m，問液態(tài)銀能否潤濕氧化鋁瓷件表面？可以用什么方法改善它們之間的潤濕性？解：=-0.8370不能潤濕，陶瓷元件表面披銀，必須先將瓷件表面磨平并拋光，才能提高瓷件與銀層之間的潤濕性。5-19根據圖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，試回答，那一個晶面上固－氣表面能將是最低的？為什么？解：根據公式表面能，其中為固體表面能，為晶格能，為阿弗加德羅常數，為1m2表面上的原子數目。和分別為表示第i個原子在晶體體積內和表面上時，最鄰近的原子的數目，在面心立方體晶體中在（111）面上為6，在（100）面上為4，在（110）面上為2.將上述數據帶入公式，得則：因而，（111）原子密排面上原子能最低。5-20試解釋粘土結構水和結合水（牢固結合水、松結合水）、自由水的區(qū)別，分析后兩種水在膠團中的作用范圍及其對工藝性能的影響。解：粘土結構水是粘土結構中的水；由于粘土顆粒一般帶負電，又因水是極性分子，當粘土顆粒分散于水中時，在粘土表面負電場的作用下，水分子以一定取向分布在粘土顆粒周圍以氫鍵與其表面上的氧和氫氧基結合，負電端向外。在第一層水分子的外圍形成一個負電表面，因而又吸引第二層水分子。負電場對水分子的引力作用，隨著離開粘土表面距離的增加而減弱，因此水分子的排列也有定向逐漸過渡到混亂?？拷鼉葘有纬傻亩ㄏ蚺帕械乃肿訉臃Q為牢固結合水，圍繞在粘土顆粒周圍，與粘土顆粒形成一個整體，一起在介質中運動，其厚度約為3－10個水分子厚。在牢固結合水的外圍吸引著一部分定向程度較差的水分子層稱為松結合水，由于離開粘土顆粒表面較遠，他們之間的結合力較小。在松結合水以外的水叫自由水。結合水的密度大，熱容小，界電常數小，冰點低等，在物理性質上與自由水不同。粘土和水結合的數量可以用測量潤飾熱來判斷。粘土與這三種水結合的狀態(tài)與數量將會影響粘土－水系統的工藝性能。在粘土含水量一定的情況下，若結合水減少，則自由水就多，此時粘土膠的體積減小，容易移動，因而泥漿粘度小，流動性好；當結合水量多時，水膜厚，利于粘土膠粒間的滑動，則可塑性好。5-21一個均勻的懸浮液，粘土濃度為30vol％，薄片狀粘土顆粒尺寸是平均直徑0.1μm，厚度0.01μm，求顆粒間平均距離是多少個？解：略。5-22粘土的很多性能與吸附陽離子種類有關。指出粘土吸附下列不同陽離子后的性能變化規(guī)律，（以箭頭表示：）H＋Al3＋Ba2＋Sr2＋Ca2＋Mg2＋NH4＋K＋Na＋Li＋（l）離子交換能力；（2）粘土的ζ電位；（3）粘土的結合水量；（4）泥漿穩(wěn)定性；（5）泥漿流動性；（6）泥漿觸變性；（7）泥團可塑性；（8）泥漿濾水性；（9）泥漿澆注時間（10）坯體形成速率解：（l）離子交換能力：Li＋Na＋K＋NH4＋Mg2＋Ca2＋Sr2＋Ba2＋Al3＋H＋（2）粘土的ζ電位：H＋Ba2＋Sr2＋Ca2＋Mg2＋NH4＋K＋Na＋Al3＋Li＋（3）粘土的結合水量：NH4＋Al3＋Ba2＋Sr2＋Ca2＋Mg2＋K＋Na＋Li＋H＋（4）泥漿穩(wěn)定性：H＋Al3＋Ba2＋Sr2＋Ca2＋Mg2＋NH4＋K＋Na＋Li＋（5）泥漿流動性：H＋Al3＋Ba2＋Sr2＋Ca2＋Mg2＋NH4＋K＋Na＋Li＋（6）泥漿觸變性：H＋Li＋Na＋K＋Mg2＋Ca2＋Sr2Ba2＋Al3＋NH4＋（7）泥團可塑性：Li＋Na