影响界面张力的因素分析

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：各种纯金属的表面张力的大小，可根据金属原子体积大小及绝对熵这两个因素来判断。对同一种金属及合金而言，影响表面张力的因素有：温度、杂质及合金元素、结晶形状、熔剂。

各种纯金属的表面张力的大小，可根据金属原子体积大小及绝对熵这两个因素来判断。原子体积和绝对熵较大的金属，其表面张力较小，反之亦然。对同一种金属及合金而言，影响表面张力的因素有：温度、杂质及合金元素、结晶形状、熔剂。

1.温度的影响

物质的表面张力随温度的变化而变化。在一般情况下，金属液的温度升高、体积膨胀，原子间距拉长，削弱了其分子间的结合力，则其表面张力降低。这可用温度系数来表示：（dσ／dt）_Mg＝－0.34erg／（cm²·℃）；（dσ／dt）_Zn＝－0.25erg／（cm²·℃）；（dσ／dt）_Al＝－0.35erg／（cm²·℃）。在一定的温度范围内，许多物质的表面张力与温度呈线性变化，温度系数dσ／dt为负值，说明随着温度的升高，表面张力σ数值下降。图1-7所示为几种金属的表面张力与温度的关系。

图1-7 几种金属的表面张力与温度的关系

在临界温度时，气、液两相无区别，表面张力等于零。许多物质的表面张力与温度有一定关系。

少数物质，如镉、铁、铜及其合金和若干硅酸盐的表面张力却随温度升高而增大。此种现象目前尚未获得应有的解释。例如：铜的表面张力在温度从1130℃升高到1250℃时，却增大6.29dyn／cm。

苯、二硫化碳、四氯化碳、乙醚、四羰基镍等物质的温度系数K约为2.1erg／℃。对于水、酒精及一些有机酸，K值不但小于2.1erg／℃，且随温度的变化而变化。

2.杂质及合金元素的影响

（1）微量元素的影响在金属液中含有微量元素时，若该元素属活性物质，则此元素将富集于金属液的表面层，因吸附作用使金属液的表面张力σ降低；若该元素属非活性元素，则金属液的表面张力σ将增大。

原子体积较大的熔融金属属于活性物质。这样，当其聚积在金属液表面时，就使其表层的平均原子体积增大，因而降低了表面自由能，这是一个自发过程。如Al、Mg、Zn、Sn、Sb、Bi（它们的原子体积分别为11.40cm³／g原子、15.7cm³／g原子、17.1cm³／g原子、18.9cm³／g原子、19.5cm³／g原子、20.91cm³／g原子）等元素就是活性物质，而Cu、Fe（它们的原子体积分别是7.94cm³／g原子及8.2cm³／g原子）等就是非活性物质。活性物质能使表面张力σ急剧减小，非活性物质则使表面张力σ增大。

（2）加入元素熔点的影响加入元素的熔点越高，其原子间的结合力越大，其表面张力也越大。

（3）夹杂物的影响若金属液中的夹杂物与金属液分子之间吸引力大于金属本身分子间的吸引力，则金属液的表面张力σ增大；反之，则减小。

3.结晶形状的影响

合金的结晶形状为球状、短柱状时，则会增大合金液的表面张力。

4.熔剂的影响

一些用表面活性元素（如RE等）配制的熔剂，通过物理吸附和增加反应层的厚度两方面的作用，可降低金属液／氧化膜的表面张力，并提高氧化膜表面的致密性。如用混合稀土RE配制的熔剂来熔炼ZMgAl8Zn，就能使其表面张力降低，使镁合金液形成正吸附，使RE在其表面富集并参与界面反应，在熔体和氧化膜之间形成一层富RE氧化物的致密的有保护作用的氧化膜，强力阻止Mg原子与O₂接触的几率，有效地阻止了Mg原子的氧化，并阻止镁合金液的燃烧或爆炸。图1-8所示为RE表面富集的示意图。同时由于RE在氧化膜和熔体间的富集，会降低熔体／氧化膜间的表面张力。这是因为RE在镁合金熔体内发生正吸附，使镁熔体的表面张力降低，并使氧化膜处于低能量的状态，不易起皱和破裂。

图1-8 RE表面富集示意图

由于RE参与界面反应会形成反应层，使熔体／反应层界面与氧化膜底面不在同一直线上，二者之间有一定的夹角，最终导致固／液界面张力方向发生变化，产生由氧化膜指向熔体内部的分压力F。根据界面反应润湿模型（图1-9）可得

F＝σ_1－scosθ （1-8）

RE的富集会增加反应层的厚度，使θ增大，根据式（1-8），θ增大，氧化膜指向熔体内部的分压力F也增大，这就可提高氧化膜与金属液之间的粘附能力，使氧化膜不容易破裂，从而增加了氧化膜的防氧化、防燃烧、防爆炸等的能力。

图1-9 界面反应润湿模型

影响界面张力的因素分析

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