本發(fā)明涉及金屬表面能，更具體地，涉及一種測定金屬表面能的裝置和一種金屬表面能的測定方法。
背景技術(shù)：
：表面能是指在恒溫、恒壓、恒定組成的條件下，可逆地增加物質(zhì)表面積時須對物質(zhì)所做的非體積功。因此，表面能亦可以理解為表面粒子相對于內(nèi)部粒子所多出的能量。掌握材料表面能的大小，對于材料制備，特別是對于自清潔材料、減阻材料以及生物醫(yī)學材料的設(shè)計和制備具有重要意義。材料的表面能主要是通過測量的方法獲得的。目前，開發(fā)的主要測量方法有：(1)接觸角法，(2)反向氣相色譜法，(3)吸附法，(4)圓片直接鍵合法等。由于材料表面的復雜性以及影響表面能因素的多樣性，目前尚無一種可以直接測量材料表面能的方法。實際上，上述四種方法都是通過測量和計算相結(jié)合的方法獲得表面能數(shù)據(jù)的。由于涉及理論計算，因此，計算過程中使用了諸多假設(shè)條件，這樣就使表面能的最終結(jié)果存在較大誤差。也就是說，通過上述方法獲得的數(shù)據(jù)難以代表物體的實際表面能。另外，上述各測量和計算方法亦過于繁瑣，實用性較差。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明是根據(jù)金屬表面吸附表面基團以及與離子溶液接觸時表面基團解離使金屬帶電的特性這一原理實現(xiàn)的。根據(jù)表面能的定義，表面能是固體表面粒子相對于內(nèi)部粒子所多出的能量。也就是說，固體表面粒子具有比其內(nèi)部粒子更高的活性，因此，為了平衡這部分多出的能量，固體表面的活性粒子要吸附一些表面基團。當將固體置于離子溶液中時，固體表面因表面基團的解離會使其帶電。一般來說，固體的表面能越高，其吸附的表面基團就越多，所帶電荷亦越多。由于電中性的要求，帶電固體表面附近的液體中必有與固體表面電荷數(shù)量相等但符號相反的多余反離子。由于固-液相間的電荷是分離的，因而在固-液相間會產(chǎn)生電勢，亦稱表面電勢。對于金屬來說，由于其是電的良導體，其中的任何部位均具有相等的電位，因此，如果將與離子溶液接觸的金屬的任何部位用導電性良好的導線(如鋁線、銅線、鎳線等)與大地連接，那么在連接的導線中就有因從金屬流向大地的電荷所產(chǎn)生的電流流動。如果在線路中設(shè)置一個特定電阻R，然后測量出通過線路中的最大電流Imax和電流流過線路中的時間t，由于流過線路的電流隨時間變化，那么可以通過以下式(1)計算出由電流流動所產(chǎn)生的電能。式中：W為電流流動所產(chǎn)生的電能，單位為千瓦時(kW·h)；I為通過線路中的電流，單位為安培(A)；R為固定電阻，單位為歐姆(Ω)；t為流過線路的電流從最大到為零所經(jīng)歷的時間，單位為秒(s)。電能W是能量E的一種，電能通過對電流做功可以轉(zhuǎn)化為其他形式的能。其單位換算為：1千瓦時＝1000瓦×3600秒＝3.6×106焦。那么：E＝3.6×106W(2)式中：W為計算得到的電能，單位為千瓦時(kW·h)；E為相對應(yīng)的能量，單位為焦耳(J)。這里的能量E是由于與離子溶液接觸的部分的金屬表面所帶電荷的流動所產(chǎn)生的，其數(shù)值大小與金屬表面所吸附的表面基團的多少以及接觸面積有關(guān)。根據(jù)表面能的定義，在測得與離子溶液接觸的金屬表面積M之后，即可以利用下式計算金屬的表面能y。y＝E/M(3)式中：y為金屬的表面能，單位為焦耳每平方米(J/m2)；E為能量，單位為焦耳(J)；M為與離子溶液接觸的金屬內(nèi)表面積，單位為平方米(m2)。根據(jù)金屬表面吸附表面基團以及與離子溶液接觸時表面基團解離使金屬帶電的特性，本發(fā)明的測量裝置和方法如下：一種測量金屬表面能的裝置，所述裝置包括由被測金屬制成的金屬容器、具有一定濃度的離子溶液、上部金屬導線、固定電阻、電流表、開關(guān)和下部金屬導線，其中離子溶液裝入到金屬容器中，上部金屬導線的一端與金屬容器的底部連接，其另一端與開關(guān)的一端連接，下部金屬導線的一端與開關(guān)的另一端連接，固定電阻、電流表依次串聯(lián)并接入大地。上述裝置中的金屬容器可以是方形、圓形或其他不規(guī)則的形狀，以其內(nèi)表面積容易測定為宜，被測金屬是導電性能良好的金屬或合金，例如是從鋁、鉬、銅、鎳、鐵、鈷、鎂、銀、金等及其合金中選擇的至少一種。上述裝置中的固定電阻的阻值可以為幾十歐姆至幾千歐姆，電流表的量程為10nA～1A，精度為0.012％。所述上部金屬導線和下部金屬導線由同一種材料制成，其材料可以為例如從鋁、鉬、銅、鎳、鐵、鈷、鎂、銀、金等中選擇的至少一種的高導電性的金屬；一種測量金屬表面能的方法，所述方法使用上述裝置，并包括以下步驟：1、將被測金屬制成具有一定內(nèi)表面積的金屬容器，其中金屬容器可以是方形、圓形或其他不規(guī)則的形狀，以其內(nèi)表面積容易測定為宜，被測金屬是導電性能良好的金屬或合金，例如是從鋁、鉬、銅、鎳、鐵、鈷、鎂、銀、金等及其合金中選擇的至少一種；2、在制成的金屬容器中盛滿具有一定離子濃度的離子溶液，其中，離子溶液中的帶電基團選擇性地吸附在金屬容器的內(nèi)表面，通過使吸附于金屬容器內(nèi)表面的表面基團解離從而使金屬容器表面帶電；3、閉合開關(guān)，在通過上部金屬導線和下部金屬導線將金屬容器、開關(guān)、固定電阻、電流表串聯(lián)在一起接入大地的電路中就有因從金屬容器流向大地的電荷所產(chǎn)生的電流流動，測量通過線路中的電流I的最大值Imax以及電路中電流最終為零所經(jīng)歷的時間t；4、利用測量獲取的電流Imax、流經(jīng)的時間t、電路中的電阻R以及接觸面積M，根據(jù)上述公式(1)、(2)和(3)即可計算出金屬表面能y。操作時可按實施例進行計算。本發(fā)明的優(yōu)點在于設(shè)備成本低、操作簡便、易于實施，能夠直接真實地反映金屬表面能的大小。附圖說明附圖1為本發(fā)明的測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：1為金屬容器，由被測金屬制成；2為具有一定離子濃度的離子溶液；3為上部金屬導線；4為固定電阻；5為電流表；6為大地，其電壓為零；7為開關(guān)；8為下部金屬導線。上部金屬導線3和下部金屬導線8將金屬容器1、固定電阻4、電流表5串聯(lián)在一起并接入大地6。具體實施方式以被測金屬為鍍鋅鋼板為實施對象，在鍍鋅鋼板的金屬容器1中盛滿具有一定離子濃度的離子溶液2(飽和氯化鈉溶液)，放置1～2h后，使用導線使金屬容器1的外表面與大地連接，在線路中設(shè)置一個固定電阻R和一個電流表5，測量通過線路中的電流和電流流過線路的時間t，根據(jù)R和接觸面積M(如表1所示)可以計算出金屬的表面能。表1.實驗中有關(guān)計算表面能的各個參數(shù)電阻R接觸面積M電流流過線路的時間t最大電流Imax50Ω1m230min0.8mA當使連接金屬容器1和大地的導線接通時，導線中就開始有因從金屬流向大地的電荷所產(chǎn)生的電流流動，從此時開始記錄隨時間變化的電流表中顯示的電流，經(jīng)過多次測量，總結(jié)得到的電流與時間的關(guān)系式是：I＝Imaxcost。其中最大電流Imax是在導線接通的瞬間測得的，此時的電流最大，隨后開始減小。由于測得的電流是一個變化量，在不同的時間內(nèi)電流做功所產(chǎn)生的焦耳熱不同，那么在整個電流流過線路的時間段t內(nèi)，根據(jù)上述參數(shù)，電流流過固定電阻R所產(chǎn)生的電能可通過對公式(1)積分得到，即：即電能為：由上述中電能的單位換算公式及公式(2)可以得出相應(yīng)的能量為：把上式代入公式(3)，可計算出金屬的表面能為：y＝E/M＝0.0288J/1m2＝0.0288(J/m2)＝28.8(mJ/m2)上式計算出的金屬表面能實際上就是固體金屬與液體相界面之間的固/液界面能，不同的離子溶液與固體金屬相接觸時就會有不同的表面能。相關(guān)研究表明：固/液界面能的數(shù)值很小，一般每平方米只有千分之幾十到千分之幾百焦耳，即只有幾十到幾百mJ/m2。因此，上述計算結(jié)果是真實可行的。固/液界面能在本質(zhì)上是由于固/液兩相結(jié)構(gòu)上的差異引起的，但由于兩相都是凝聚相，測量困難。因此，相比傳統(tǒng)的測量方法，本發(fā)明所提供的方法無疑是一個更為簡便的方法。當前第1頁1 2 3