CN106645366B - 一种测定金属表面能的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定金属表面能的装置和方法，所述装置主要包括由被测金属制成的金属容器、离子溶液、固定电阻、电流表和导线。将离子溶液置于由被测金属制成的金属容器中，串联着固定电阻和电流表的导线的一端和金属容器接触，其另一端与大地连接构成导电回路，金属表面的电荷与溶液中的相反电荷分离而流入大地形成电流。根据电流的大小I、电流流动的时间t、电阻R和溶液与金属的接触面积M，计算出被测金属的表面能。

Description

一种测定金属表面能的装置和方法

技术领域

本发明涉及金属表面能，更具体地，涉及一种测定金属表面能的装置和一种金属表面能的测定方法。

背景技术

表面能是指在恒温、恒压、恒定组成的条件下，可逆地增加物质表面积时须对物质所做的非体积功。因此，表面能亦可以理解为表面粒子相对于内部粒子所多出的能量。

掌握材料表面能的大小，对于材料制备，特别是对于自清洁材料、减阻材料以及生物医学材料的设计和制备具有重要意义。

材料的表面能主要是通过测量的方法获得的。目前，开发的主要测量方法有：(1)接触角法，(2)反向气相色谱法，(3)吸附法，(4)圆片直接键合法等。由于材料表面的复杂性以及影响表面能因素的多样性，目前尚无一种可以直接测量材料表面能的方法。实际上，上述四种方法都是通过测量和计算相结合的方法获得表面能数据的。由于涉及理论计算，因此，计算过程中使用了诸多假设条件，这样就使表面能的最终结果存在较大误差。也就是说，通过上述方法获得的数据难以代表物体的实际表面能。另外，上述各测量和计算方法亦过于繁琐，实用性较差。

发明内容

本发明是根据金属表面吸附表面基团以及与离子溶液接触时表面基团解离使金属带电的特性这一原理实现的。

根据表面能的定义，表面能是固体表面粒子相对于内部粒子所多出的能量。也就是说，固体表面粒子具有比其内部粒子更高的活性，因此，为了平衡这部分多出的能量，固体表面的活性粒子要吸附一些表面基团。

当将固体置于离子溶液中时，固体表面因表面基团的解离会使其带电。一般来说，固体的表面能越高，其吸附的表面基团就越多，所带电荷亦越多。由于电中性的要求，带电固体表面附近的液体中必有与固体表面电荷数量相等但符号相反的多余反离子。由于固-液相间的电荷是分离的，因而在固-液相间会产生电势，亦称表面电势。

对于金属来说，由于其是电的良导体，其中的任何部位均具有相等的电位，因此，如果将与离子溶液接触的金属的任何部位用导电性良好的导线(如铝线、铜线、镍线等)与大地连接，那么在连接的导线中就有因从金属流向大地的电荷所产生的电流流动。

如果在线路中设置一个特定电阻R，然后测量出通过线路中的最大电流I_max和电流流过线路中的时间t，由于流过线路的电流随时间变化，那么可以通过以下式(1)计算出由电流流动所产生的电能。

式中：W为电流流动所产生的电能，单位为千瓦时(kW·h)；I为通过线路中的电流，单位为安培(A)；R为固定电阻，单位为欧姆(Ω)；t为流过线路的电流从最大到为零所经历的时间，单位为秒(s)。

电能W是能量E的一种，电能通过对电流做功可以转化为其他形式的能。其单位换算为：1千瓦时＝1000瓦×3600秒＝3.6×10⁶焦。那么：

E＝3.6×10⁶W (2)

式中：W为计算得到的电能，单位为千瓦时(kW·h)；E为相对应的能量，单位为焦耳(J)。

这里的能量E是由于与离子溶液接触的部分的金属表面所带电荷的流动所产生的，其数值大小与金属表面所吸附的表面基团的多少以及接触面积有关。

根据表面能的定义，在测得与离子溶液接触的金属表面积M之后，即可以利用下式计算金属的表面能y。

y＝E/M (3)

式中：y为金属的表面能，单位为焦耳每平方米(J/m²)；E为能量，单位为焦耳(J)；M为与离子溶液接触的金属内表面积，单位为平方米(m²)。

根据金属表面吸附表面基团以及与离子溶液接触时表面基团解离使金属带电的特性，本发明的测量装置和方法如下：

一种测量金属表面能的装置，所述装置包括由被测金属制成的金属容器、具有一定浓度的离子溶液、上部金属导线、固定电阻、电流表、开关和下部金属导线，其中离子溶液装入到金属容器中，上部金属导线的一端与金属容器的底部连接，其另一端与开关的一端连接，下部金属导线的一端与开关的另一端连接，固定电阻、电流表依次串联并接入大地。

上述装置中的金属容器可以是方形、圆形或其他不规则的形状，以其内表面积容易测定为宜，被测金属是导电性能良好的金属或合金，例如是从铝、钼、铜、镍、铁、钴、镁、银、金等及其合金中选择的至少一种。

上述装置中的固定电阻的阻值可以为几十欧姆至几千欧姆，电流表的量程为10nA～1A，精度为0.012％。

所述上部金属导线和下部金属导线由同一种材料制成，其材料可以为例如从铝、钼、铜、镍、铁、钴、镁、银、金等中选择的至少一种的高导电性的金属；

一种测量金属表面能的方法，所述方法使用上述装置，并包括以下步骤：

1、将被测金属制成具有一定内表面积的金属容器，其中金属容器可以是方形、圆形或其他不规则的形状，以其内表面积容易测定为宜，被测金属是导电性能良好的金属或合金，例如是从铝、钼、铜、镍、铁、钴、镁、银、金等及其合金中选择的至少一种；

2、在制成的金属容器中盛满具有一定离子浓度的离子溶液，其中，离子溶液中的带电基团选择性地吸附在金属容器的内表面，通过使吸附于金属容器内表面的表面基团解离从而使金属容器表面带电；

3、闭合开关，在通过上部金属导线和下部金属导线将金属容器、开关、固定电阻、电流表串联在一起接入大地的电路中就有因从金属容器流向大地的电荷所产生的电流流动，测量通过线路中的电流I的最大值I_max以及电路中电流最终为零所经历的时间t；

4、利用测量获取的电流I_max、流经的时间t、电路中的电阻R以及接触面积M，根据上述公式(1)、(2)和(3)即可计算出金属表面能y。操作时可按实施例进行计算。

本发明的优点在于设备成本低、操作简便、易于实施，能够直接真实地反映金属表面能的大小。

附图说明

附图1为本发明的测量装置的结构示意图。图中：1为金属容器，由被测金属制成；2为具有一定离子浓度的离子溶液；3为上部金属导线；4为固定电阻；5为电流表；6为大地，其电压为零；7为开关；8为下部金属导线。上部金属导线3和下部金属导线8将金属容器1、固定电阻4、电流表5串联在一起并接入大地6。

具体实施方式

以被测金属为镀锌钢板为实施对象，在镀锌钢板的金属容器1中盛满具有一定离子浓度的离子溶液2(饱和氯化钠溶液)，放置1～2h后，使用导线使金属容器1的外表面与大地连接，在线路中设置一个固定电阻R和一个电流表5，测量通过线路中的电流和电流流过线路的时间t，根据R和接触面积M(如表1所示)可以计算出金属的表面能。

表1.实验中有关计算表面能的各个参数

电阻R	接触面积M	电流流过线路的时间t	最大电流I<sub>max</sub>
				50Ω	1m<sup>2</sup>	30min	0.8mA

当使连接金属容器1和大地的导线接通时，导线中就开始有因从金属流向大地的电荷所产生的电流流动，从此时开始记录随时间变化的电流表中显示的电流，经过多次测量，总结得到的电流与时间的关系式是：I＝I_max cost。其中最大电流I_max是在导线接通的瞬间测得的，此时的电流最大，随后开始减小。由于测得的电流是一个变化量，在不同的时间内电流做功所产生的焦耳热不同，那么在整个电流流过线路的时间段t内，根据上述参数，电流流过固定电阻R所产生的电能可通过对公式(1)积分得到，即：

即电能为：

由上述中电能的单位换算公式及公式(2)可以得出相应的能量为：

把上式代入公式(3)，可计算出金属的表面能为：

y＝E/M＝0.0288J/1m²＝0.0288(J/m²)＝28.8(mJ/m²)

上式计算出的金属表面能实际上就是固体金属与液体相界面之间的固/液界面能，不同的离子溶液与固体金属相接触时就会有不同的表面能。相关研究表明：固/液界面能的数值很小，一般每平方米只有千分之几十到千分之几百焦耳，即只有几十到几百mJ/m²。因此，上述计算结果是真实可行的。

固/液界面能在本质上是由于固/液两相结构上的差异引起的，但由于两相都是凝聚相，测量困难。因此，相比传统的测量方法，本发明所提供的方法无疑是一个更为简便的方法。

Claims (7)

1.一种测量金属表面能的装置，其特征在于，所述装置包括：由被测金属制成的金属容器(1)、离子溶液(2)、上部金属导线(3)、固定电阻(4)、电流表(5)、开关(7)和下部金属导线(8)，其中，离子溶液(2)装入到金属容器(1)中，上部金属导线(3)的一端和金属容器(1)的底部连接，其另一端和开关(7)的一端连接，下部金属导线(8)的一端同开关(7)的另一端连接，固定电阻(4)、电流表(5)依次串联并接入大地(6)。

2.根据权利要求1所述的一种测量金属表面能的装置，其特征在于，所述装置中的金属容器(1)是方形、圆形或其他不规则形状，被测金属是导电性能良好的金属或合金。

3.根据权利要求2所述的一种测量金属表面能的装置，其特征在于，被测金属是从铝、钼、铜、镍、铁、钴、镁、银、金及其合金中选择的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种测量金属表面能的装置，其特征在于，所述装置中的固定电阻(4)的阻值为几十欧姆至几千欧姆，电流表的量程为10nA～1A，精度为0.012％。

5.根据权利要求1所述的一种测量金属表面能的装置，其特征在于，所述装置中的上部金属导线(3)和下部金属导线(8)由同一种材料制成，所述材料为高导电性的金属。

6.根据权利要求5所述的一种测量金属表面能的装置，其特征在于，所述高导电性的金属为铝、钼、铜、镍、铁、钴、镁、银、金中选择的至少一种。

7.一种测量金属表面能的方法，所述方法使用如权利要求1所述的装置，具体包括以下步骤：

(i)将被测金属制成金属容器(1)，其中，金属容器(1)是方形、圆形或其他不规则的形状；

(ii)在制成的金属容器(1)中盛满离子溶液(2)；

(iii)闭合开关(7)，在通过上部金属导线(3)和下部金属导线(8)将金属容器(1)、开关(7)、固定电阻(4)、电流表(5)串联在一起接入大地(6)的电路中就有因从金属容器流向大地的电荷所产生的电流流动，测量通过线路中的电流I的最大值I_max以及电路中电流由最大值I_max到最终为零所经历的时间t；

利用测量获取的电流最大值I_max、流经的时间t、电路中的电阻R以及接触面积M，根据以下公式(1)、(2)和(3)计算出金属表面能y；

式中：W为电流流动所产生的电能，单位为千瓦时(kW·h)；I为通过线路中的电流，单位为安培(A)；R为固定电阻，单位为欧姆(Ω)；t为流过线路的电流从最大值I_max到为零所经历的时间，单位为秒(s)；

E＝3.6×10⁶W (2)

式中：W为计算得到的电能，单位为千瓦时(kW·h)；E为相对应的能量，单位为焦耳(J)；

y＝E/M (3)

式中：y为金属的表面能，单位为焦耳每平方米(J/m²)；E为能量，单位为焦耳(J)；M为与离子溶液接触的金属内表面积，单位为平方米(m²)。