三、表面性能

三、表面性能

在许多与材料有关的问题中，表面性能十分重要，因为表面是不同界面间的不连续界限，材料表面性能与材料的特性直接相关。例如，当冰融化时，在三个相中产生了两个表面，即固液界面和气液界面。材料重要的表面性能有表面张力、表面能和润湿性。

（一）表面张力（surface tension）与表面能（surface energy）

表面张力是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力，表现为液体表面收缩。通常，由于环境不同，处于界面的分子与处于相本体内的分子所受的力是不同的。在液体内部的一个水分子受到周围液体分子的作用力的合力为零，但在表面的一个液体分子却不如此。如因上层空间气相分子对它的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力即为表面张力。

由于物质表面层原子或分子朝向外面的键能没有得到补偿，表面原子或分子比物质内部的原子或分子具有额外的势能，这种势能称为表面能，单位为J/m2。单位面积的表面能的数值和表面张力相同，但两者物理意义不同。

一般所说的液体表面张力是指空气与液体界面的表面张力，记为γLV；固体的表面张力是指空气与固体界面的表面张力，记为γSV；固体与液体所形成的界面的表面张力则为γSL。

（二）润湿性

液体在固体表面扩散的趋势称为液体对固体的润湿性（wettability），润湿性与表面张力密切相关，可由液体在固体表面的接触角（θ）的大小来表示。接触角是指液滴接触固体表面并达到平衡状态时，通过液滴边缘三相点（气、液、固点）作液滴曲面的切线，切线在液滴接触面一侧与固体表面的夹角（θ）。三种表面张力与接触角的关系如下：(https://www.daowen.com)

γSV=γSL+γLV·cosθ

式中，γSV为固-气的表面张力，γSL为固-液的表面张力，γLV为液-气的表面张力。

当γSV-γSL=γLV时，cosθ=1，θ=0°，称为完全润湿或理想润湿；当γSV＞γSL，1＞cosθ＞0，0°＜θ≤90°，称为润湿（图2-5（a）），表明液体的润湿性好；当γSV＜γSL，cosθ＜0，θ＞90°，称为不润湿，表明液体的润湿性差（图2-5（b））；当γSV=γSL，cosθ=0，0=180°，称为完全不润湿。因此，接触角越小，润湿性越好。

良好的润湿性是粘接的必要条件，金属烤瓷粉熔附于金属表面时也应有良好的润湿性。