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表面应力

补充:0  浏览:3154  发布时间:2012-5-21
    因为拉伸或者弯曲也会引起材料表面面积的变化,同时也消耗能量,材料产生此种单位面积变化所消耗的能量称为表面应力。
  表面科学的产生已有上百年的历史,显微技术的进步使我们得以将研究的触角深入到微纳观的原子层次甚至电子云,然而由微观特性推知宏观性质却面临着很大的困难,这促使人们不得不同时沿着宏观和微观这两条线索来研究表面的种种奇特性质。
  近十几年来,应力和应变对材料表面性质的影响正越来越受到重视,这方面的研究亦蓬勃地进行着,迄今已发表了不少包括理论、计算和实验方面的结果,但是离深刻理解表面弹性作用的机理仍相距甚远。
  表面热力学中有一个很重要的概念——表面自由能,它对于特定的材料在一定的物理化学条件下是一个常数,定义为生成单位面积面所需要的能量,这个定义原来被认为是相当精确的,然而如果考虑材料的弹性变形,譬如拉伸或者弯曲过程,问题就变得比较复杂了,因为拉伸或者弯曲也会引起材料表面面积的变化,同时也消耗能量,材料产生此种单位面积变化所消耗的能量称为表面应力,问题自然而然就产生了,表面应力是不是表面自由能呢?如果是,它是与材料变形无关的吗?如果不是,那么它和表面自由能之间有什么联系吗?这些问题困扰了不少研究表面弹性效应的学者。
  04年Muller和Saul在他们关于表面物理的弹性效应的综述文章[1]中,从经典的弹性理论出发,经过一系列严密的推导,得到了表应力的精确表达,并且详细阐明了表面应力和表面自由能的区别以及联系。Muller等指出:表面应力不同于表面自由能,虽然它们的定义相同,都表示材料产生单位表面面积变化所需要的能量,然而区别在于发生这种物理过程的前提不同,前者为等表面原子数,而后者是等应变;前者表现为纯变形,后者表现为表面的创造。然而,表面或者界面热力学最先在流体系统中由Gibbs提出,在那时表面自由能和表面张力的概念是通用的,这对于流体是正确的,因为流体无法在等表面原子数的条件下进行拉伸;然而对于固体材料情况就不同了,由于传统习惯的影响,人们难免将两者的概念相互混淆。

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