第四章答案 武汉理工大学 陆佩文 课后答案.doc

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1、第四章答案4-1 略。4-2 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；=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。4-3 在石英玻璃熔体下20cm处形成半径5108m的气泡，熔体密度为2200kg/m3，表面张力为0.29N/m，大气压力为

2、1.01105Pa，求形成此气泡所需最低内压力是多少？解：P1（熔体柱静压力）=hg=0.222009.81=4316.4Pa 附加压力=20.29/510-8=1.16107Pa 故形成此气泡所需压力至少为P=P1+P+P大气=4316.4+1.16107+1.01105=117.04105 Pa4-4（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0.5m、5m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

3、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）=1.98106 Pa4-5什么是吸附和粘附？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。4-6在高温将某金属熔于Al2O3片上。（1）

4、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cosq=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cosq=0.8，可算得接触角约为36.9度。4-7在2080的Al2O3（L）内有一半径为108m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=20.7/108=1.410

5、8 N4-8 20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106m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=20.0289/106=5.78104 N （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= =1.0024-920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109m的水滴在20时的饱和蒸气压为多少？解 ：根据

6、公式，可算得P=20.07275/109=1.455108 N/m2 根据开尔文方程，简化为，将已知条件代入可算得：=1.077 P=6864Pa 最后算得半径为109m的水滴在20时的饱和蒸气压P为6864Pa4-10若在101325Pa，100的水中产生了一个半径为108m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=20.0589/108=1.178107 Pa 对于液体中的气泡，气泡的压力为P=P0P=1013251.1781070 所以该小气泡不能存在。4-11在真空下的氧化铝表面张力约为0.9 N

7、/m，液态铁的表面张力为1.72 N/m，同样条件下液态铁氧化铝的界面张力为2.3 N/m，问接触角有多大？液态铁能否润湿氧化铝？ 解：q =-0.814，所以不能润湿。4-12 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. 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提高。是粉末或粉末压坯加热到低于其中基本成分的熔点的温度，然

8、后以一定的方法和速度冷却到室温的过程。烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘结，烧结体的强度增加，把粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚结体，从而获得所需的物理、机械性能的制品或材料。 粘附现象的本质和吸附一样都是两种物质之间表面力作用的结果。粘附作用可通过两相相对滑动时的摩擦、固体粉末的聚集和烧结等现象表现出来。玻璃和金属的封接，受许多因素的支配。影响封接件最主要的因素有如下四方面：（1）金属的氧化：在玻璃与金属气密封接前，通常把金属适度氧化，使金属氧化物处于玻璃与金属之间。金属的氧化处理，是影响玻璃与金属封接最重要的因素；（2）玻璃和金属的膨胀系数：玻璃和金属膨胀系数的一致性，是形成良好封接的宏观调控手

9、段;（3）玻璃的强度和界面扩散：在考虑到玻璃和金属膨胀系数匹配的基础上，提高破璃的机械强度、尤其是抗拉强度，这对于封接件受到热冲击或者因温度梯度引起的热应力乃至受到使用中的外力时都是有利的;（4）封接件的形状、尺寸以及表面粗糙度：封接件内的应力大小和分布情况，受到封接件形状与尺寸的影响。当应力超过封接材料的强度极限时，势必损伤封接制品。4-13 MgOAl2O3SiO2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

10、其热腐蚀的槽角为60，求Si3N4的晶界能？解：（1）由 得 gSV=900cos70.520+600=900mN/M （2）由 =2900cos300 =1558.8 mN/M4-14 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？解： 由 得 cosq =-0.8370不能润湿。陶瓷元件表面披银，必须先将瓷件表面磨平并抛光，才能提高瓷件与银层之间的润湿性。4-15根据图4-13和表4-3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

11、最低的？为什么？解：根据公式表面能，其中为固体表面能，为晶格能，为阿弗加德罗常数，为1m2表面上的原子数目。和分别为表示第i个原子在晶体体积内和表面上时，最邻近的原子的数目，在面心立方体晶体中在（111）面上为6，在（100）面上为4，在（110）面上为2.将上述数据带入公式，得则：因而，（111）原子密排面上原子能最低。4-16 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。解：粘土结构水是粘土结构中的水；由于粘土颗粒一般带负电，又因水是极性分子，当粘土颗粒分散于水中时，在粘土表面负电场的作用下，水分子以一定取向分布在粘土

12、颗粒周围以氢键与其表面上的氧和氢氧基结合，负电端向外。在第一层水分子的外围形成一个负电表面，因而又吸引第二层水分子。负电场对水分子的引力作用，随着离开粘土表面距离的增加而减弱，因此水分子的排列也有定向逐渐过渡到混乱。靠近内层形成的定向排列的水分子层称为牢固结合水，围绕在粘土颗粒周围，与粘土颗粒形成一个整体，一起在介质中运动，其厚度约为310个水分子厚。在牢固结合水的外围吸引着一部分定向程度较差的水分子层称为松结合水，由于离开粘土颗粒表面较远，他们之间的结合力较小。在松结合水以外的水叫自由水。结合水的密度大，热容小，界电常数小，冰点低等，在物理性质上与自由水不同。粘土和水结合的数量可以用测量润饰

13、热来判断。粘土与这三种水结合的状态与数量将会影响粘土水系统的工艺性能。在粘土含水量一定的情况下，若结合水减少，则自由水就多，此时粘土胶的体积减小，容易移动，因而泥浆粘度小，流动性好；当结合水量多时，水膜厚，利于粘土胶粒间的滑动，则可塑性好。4-17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

14、解： （l）离子交换能力：LiNa K NH4 Mg2 Ca2 Sr2 Ba2 Al3 H （2）粘土的电位：HBa2Sr2Ca2Mg2NH4KNaAl3Li （3）粘土的结合水量：NH4Al3Ba2Sr2Ca2Mg2KNaLiH （4）泥浆稳定性：HAl3Ba2Sr2Ca2Mg2NH4KNaLi （5）泥浆流动性：HAl3Ba2Sr2Ca2Mg2NH4KNaLi （6）泥浆触变性：HLiNaKMg2Ca2 Sr2Ba2 Al3NH4 （7）泥团可塑性：LiNa K NH4 Mg2 Ca2 Sr2 Ba2 Al3 H （8）泥浆滤水性：HAl3Ba2Sr2Ca2Mg2NH4KNaLi （9）泥

15、浆浇注时间：LiNa K NH4 Mg2 Ca2 Sr2 Ba2 Al3 H （10）坯体形成速率：HAl3Ba2Sr2Ca2Mg2NH4KNaLi 4-18 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？解：不同阴离子的Na盐电解质对粘土胶溶效果是不相同的。含有聚合阴离子的钠盐能使粘土的-电位值升至-60mV。所以加入Na2CO3基本上对粘土的各项性能没有影响，而加入Na2SiO3后，泥浆的流动性升高，注浆速率升高，触变性降低，坯体致密度升高。4-19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？解：当粘土与适当的水混合均匀制成泥团，该泥团受到高于某一个数值剪应力作用后，可以塑造成任何形状，当去处应力泥团能保持其形状，这种性质称为可塑性。影响因素有：1.矿物组成，矿物组成不同，颗粒间的作用力也不同。2.吸附的阳离子种类。阳离子的电价越高可塑性越好。3.颗粒的大小和形状。颗粒越细，比表面积越大，颗粒间的接触点越多，则可塑性增加。4.含水量等。生产上可以增大矿物组分的比表面积来增大毛细管力，从而增大可塑性；也可增大或减小吸附的阳离子的电价，从而改变粘土可塑性；或者将矿物的颗粒减小增大接触点来增大粘土的可塑性；