表面界面胶体.doc

表面界面及胶体
4-1 何谓表面张力和表面能？在固态和液态这两者有何差别？
4-2 在真空条件下Al2O3的表面张力约为0.9J/m2，液态铁的表面张力为1.72J/m2，同样条件下的界面张力（液态铁-氧化铝）约为2.3J/m2，问接触角有多大？液态铁能否润湿氧化铝？
4-3 测定了含有一个固态氧化物、一个固态硫化物和一个液态硅酸盐的显微结构，有以下的两面角：（a）两个硫化物颗粒之间的氧化物是112°；（b）两个硫化物颗粒之间的液体是60°；（c）两个氧化物颗粒之间的硫化物是100°；（d）一个氧化物和一个硫化物之间的液体是70°。假如氧化物和氧化物之间界面能是0.9J/m2，求其它界面能是多少？
4-4 在石英玻璃熔体下20cm处形成半径为5×10-8m的气泡，熔体密度ρ＝2200Kg/m3，表面张力γ＝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？
4-5 假如在母相α晶粒内由一个球状的第二相β，当β相移动到两个α晶粒的晶界上时，它所具有的形状是双球冠形，如图4-2示。 双冠的体积＝ ；双球冠的面积＝
（a）当β相为双球冠形，β在α相中的二面角为120°时，试分析β在α晶粒内呈球状较稳定，还是在境界上呈双球冠形较为稳定？
（b）如果β在晶界上呈薄膜状，情况又将如何？
4-6 1g石英当它粉碎（在湿空气中）成每颗粒半径为1μm的粉末时质量增加至1.02g，它的吸附水膜厚度为多少？（石英密度是2.65g/cm3）
4-7 具有面心立方晶格的晶体，其（110）、（100）、（111）面上表面原子密度分别为0.555，0.785，0.907，试回答哪一个晶面上固-气表面能将是最低的，为什么？
4-8 假如高岭石薄片的四面体上，每个裸露的氧上吸附着一个水分子，试问高岭石质量将增加多少？
4-9 试解释粘土结构水、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。
4-13 名词解释
（1） 范德华力
（2） 离子晶体表面双电层
（3） 润湿角和二面角
（4） 粘土的电动位
4-14 试说明晶界能总小于两个相临晶粒的表面能之和的原因？
4-15 （a）什么是弯曲表面的附加压力？其正负根据什么划分？（b）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？ （3.6×105Pa；3.6×106Pa）
4-16 在下列毛细管中装有液体如图4-6示，问当在毛细管的右端加热时，液体向哪一方向移动？为什么？

图4-6 4-16题附图
4-17 两根毛细管，半径分别为r1及r2，插入同一液体中，设该液体能润湿毛细管壁，并将在毛细管中上升，若测定在毛细管中的上升高度h，测得＝4.0，如果r2＝0.2cm，r1应为多少？ （0.05cm）
4-18 表面张力为0.5J/m2的某硅酸盐熔体与某种多晶氧化物表面相接触，接触角θ＝45°；若与此氧化物相混合，则在三晶粒交界处，形成液态球粒，二面角Ψ平均为90°，假如没有液态硅酸盐时，氧化物-氧化物界面的界面张力为1N/m，试计算氧化物的表面张力。 （1.06×10-2N/m）
4-19 将固体由真空（或气相）中移入某液态中去时会产生热效应，称之为浸润热。这是由固体在真空（或气相）中的总表面能与在液体中被浸润时的总表面能之差值所引起的。现将SiO2细粉料放入水中，测得浸润热为6.65J/g，已知SiO2在气相中与放入水中时表面能的差值为8.28×10-6J/cm2，试计算SiO2细粉料的比表面积。 （80m2g）
4-20 Mg-Al2O3-SiO2系统的低共熔物，放在Ai3N4陶瓷片上，在低共熔温度下，液相的表面张力为0.9J/m2，试计算SiO2细粉料的比表面积。
（1）球Si3N4的表面张力。
（2）把Si3N4在低共熔温度下进行热处理，测得其腐蚀角的槽角为123.75°，求Si3N4晶界能。 （9.0×10-3N/m；8.5×10-3N/m）
4-21 什么是吸附和粘附？当用焊锡来焊接铜丝时，用锉刀除去表面层，可使焊接更加牢固，请解释这种现象？
4-22 在高温将某金属熔于Al2O3片上。
（a）若Al2O3的表面额内功估计为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？ （45°34′）
（b）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？ （146.83°）
（c）若在（a）所述条件下，混合30％金属粉末于Al2O3成为金属陶瓷，并加热到此金属的熔点以上，试描述这种金属陶瓷材料的显微结构。
4-23 在0℃时，冰-水体系的固-液界面能为0.028J/m2，晶界能为0.07J/m2，液相表面能为0.076J/m2，并且液态水能完全润湿冰的表面。
（a）估计冰在空气中及冰在水下的晶界腐蚀角。
（b）将酒精加入液相中，则观察到固-液界面能降低。若要使晶界腐蚀角降低到零度，需要界面能降低到什么程度？
（c）怎样比较冰-水体系与（1 ）SiO2（固相）-硅酸盐熔体以及（2）MgO（固相）-硅酸盐熔体体系的晶界腐蚀？解释如何和为什么后面两个体系相异或相同。
（（c）提示：从SiO2和MgO在硅酸盐熔体中的润湿性、溶解度和界面张力大小去考虑）。
4-24 氧化铝瓷件表面上涂银后，当烧至1000℃时，已知γ（Al2O3，固）＝1J/m2；γ（Ag，液）＝0.92J/m2；γ（Ag，液/Al2O3固）＝1.77J/m2，试问液态银能否润湿氧化铝瓷件表面？如果不润湿，可以采取什么措施使其润湿？
4-25 有一含10％液相和10％封闭气孔的结晶材料，发现其气孔的二面角（45°）大于液相的二面角（20°）。
（a）画出截面的为官结构示意图并标出各部分含义。
（b）计算固-气表面张力和液-固界面张力的比值。
4-27 考虑涂4-7所示的三个相在表面平衡时的一般情况，试运用表面张力的平衡，证明：

图4-7 4-27附图
4-28 有一个体积为10-12m3的液滴，已知γL-S＝2.0J/m2；γ（S-S）＝0.4Jm2；试估计该液滴位于固体的晶界上和位移晶粒内部的能量差？ （2.32×10-12J/m2）
4-29 将两块垂直放置，相距d＝2×10-4m的铜板在1000℃进行银焊，银在1000℃进行银焊，银在1000℃时的表面张力γ＝0.923N/m2；银的密度ρ＝10.5g/m3，求银液上升高度h？
（0.089m）
4-30 设在基体相的三叉界点上存在着一个第二相颗粒。试画出二面角Ψ为180°、120°、60°、30°和0°时第二相颗粒的形状。
4-31 下列数据为铁的表面张力和组成的关系：从这些涉及表面过剩能量的数据中可得出什么结论？试述Fe-S和Fe-C两个体系的表面组成？
表面张力（N/m2）
添加剂硫（ppm）
表面张力（N/m2）
添加剂碳（ppm）
1.670
1.210
0.795

100
1000
10000

1.710
1.710
1.710
1.710
10
100
1000
10000
4-32 在小角度晶界上测得为错腐蚀坑的间距平均为6.87μm。X射线衍射表面晶界角为2.2×10-8rAd，问柏氏矢量的长度是多少？ （0.1nm）
4-33 已经确定，在距刃型位错2nm的某点剪应力为某一定值S，经此点的某一直线与材料的滑移方向成30°角。
（a）以S来表示离位错10nm处的剪应力。 （0.325s）
（b）离位错10nm处的最大张应力是多少？ （0.234s）
（提示：据位错的弹性性质可写出距刃位错r处的剪应力τ＝-Acosθ/r；距刃位错r远处的最大张应力）
4-34 氟化锂晶体经多边形化、抛光和腐蚀后，观察到沿某一直线位错腐蚀坑的间距为10μm，在外加剪应力作用下观察到小角度经界垂直于晶界平面移动，为什么会发生这种现象？若柏氏矢量为0.283nm，穿过晶界的倾斜角是多少？ （5.8″）
4-35 反应堆中辐照使某一金属内产生添隙He。退火时，He形成气泡，它使金属膨胀并使函数密度降低到原值的90％。将此金属溶解于酸，则每cm3的金属产生3.95cm3He气（在标准温度和压力下的气体体积）。显微镜观察表明气泡尺寸均匀，其半径约为1μm。试算出此结束的表面能数值。此值合理否？如何判断此值是否为平衡值？
4-36 假定遍尝为0.0001cm的NaCl正六面体上，每个表面钠离子有一个（OH）-的吸附位置，试问每克NaCl能吸附多少各OH-离子？（1.8×1019个(OH)-）
4-37 粘度的很多性能于吸附阳离子种类有关，指出粘度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+
（1） 离子置换能力
（2） 粘土的ζ电位
（3） 粘土的结合水
（4） 泥浆的流动性
（5） 泥浆的稳定性
（6） 泥浆的触变性
（7） 泥团的可塑性
（8） 泥浆的虑水性
（9） 泥浆的烧注时间
4-38 若粘土粒子是片装的方形离子，长度分别是10、1、0.1μm，长度是其厚度的10倍，试求粘土颗粒平均距离在吸力范围2nm时，粘土的体积浓度？（99.5%；95.4%；66.2%）
4-39 如果在蒙脱石中有的Al3+离子被Mg2+离子取代，那么每100g粘土将有多少Na+离子被吸附到粘土上？
4-40 实验测得平均粒径<1μm的高岭土-水溶液在10V/cm的直流电场中，粘土胶粒以2.79×10-3cm/s的速度向正极移动，（a）试求此时胶粒的ζ电位值。水介质的粘度为0.01dPa·s，介电常数为80。（b）若在该胶体悬浮液中分别加入微量的NaCl和(NaPO3)6电解质后，又测得胶粒的移动速度分别为3.58×10-3cm/s和5.66cm/s，试求加入两种不同电解质后，胶粒的ζ电位值？计算结果说明什么温度？ （－39.41；－50.40；－79.70mV）
4-41 粘土分别吸附一价、二价和三价阳离子以后，ζ电位变化规律如何？当粘土分别吸附Li+、Na+、K+离子后，其ζ电位值又如何变化，为什么？
4-42 高岭、蒙脱石、伊利石的阳离子交换容量值相同吗?为什么样离子交换容量波动在一个范围而不是定值？粘土有阴离子交换吗？测定粘土的阳离子交换量有何意义？
4-43 有两种矿物组成均为高岭石的粘土，一种呈紫褐色，可塑性强，阳离子交换容量（c.e.c）约为30毫克当量/百克土；另一种色洁白，塑性差，（c.e.c）约为5毫克当量/百克土。如分别用它们配置泥浆，为获得流动性好的稳定泥浆，用单一电解质还是用复合电解质稀释效果好？两种泥浆如获得相图的粘度，电解质加入量何者多，为什么？
4-44 用Na2CO3何Na2SiO3分别稀释同一种粘土泥浆，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？
4-45 试分析影响泥浆流动性和触变性的诸因素。
4-46 在注浆成型的泥浆中常搭配一些回坯泥（回坯泥中焊少量石膏屑）结果使泥浆变稠，欲降低泥浆粘度应采用什么措施？
4-47 高岭薄片的平均直径为0.9μm，厚度为0.1μm。在其版面上吸附层厚度为3nm。在边面上使20nm。试求由于吸附而使颗粒增加的有效体积百分数是多少？ （15.6%）
4-48 影响粘度可塑性的因素有哪些？生产上可以采用什么措施来提高或降低粘土的可塑性以满足成型工艺的需要？
4-49 一个均匀的悬浮液，粘土浓度30体积％，薄片状粘土颗粒尺寸平均直径0.1μm，厚度0.01μm，求颗粒间平均距离是多少？ （15nm）
4-50 试说明粘土的细度、有机质含量、结晶良好程度对粘土阳离子交换容量值的影响。