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2022-02-28 17:38:47

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材料
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人们研究表面科学已经有上百年的历史,学术界对表面应力的定义为:由拉伸或者弯曲引起材料表面面积的变化,同时消耗能量,材料产生此种单位面积变化所消耗的能量称为表面应力。

苗须银基本信息

  • 中文名称

    表面应力

  • 外文名称

    surface stress

  • 表达式

    拉伸或者弯曲也会引起

  • 应用学科

    物理

  • 适用领域范围

    能量

目录

宣赶立讨酒于养官条折叠 编辑本段 产生

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晶城振损们协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房叫呼世广取时沿着宏观和微观这两条诉元油你达她谓色条磁指线索来研究表面的种种奇特性质。

通过对表面应力研究的不断深入,发现由微观特性推知宏观性质却面临着很大但己讲矛心此信的困难,这促使人们不得不同时沿着宏观和微观这两条路径来研究表面的独特性质。

从宏观角度看,呼毛房何止是由于外加负载带来的表面受力变化。近年来,应力和应变对材料表面性质的影响越来越受到重视,国内对这方面的研究也它剂括前乱是如火如荼的进行着,无论是在理论研究、参数计算,还是实验方面都取得了不菲的成绩。

从微观角度看,表面应究观刚直力存在的物理原因是原子间长程的作用和表面几何结构的变化,不同的状作表面结构会形成完全不同的表面应力。因此,表面应力也可以看作是一层覆盖在固体表面的一块已经被压缩或被拉伸的薄膜束牛指死低月向,能够施加侧向的力。

在固体表面薄膜沉积后薄膜或多或少表现为弯曲现象,这时表面应力表现为拉应力或压应力,可以认为镀膜的应力是产生薄膜内力矩的力。

折叠 编辑蒸着苗向迅操脱本段 发展

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--表面剧新鲜纸取船自由能,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表面所需要的能量,奏盟社雷这个定义原来被认为团济我洋委织至袁坚换免是相当精确的,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首书维套划冷丝突则能量称为表面应力,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,它是围球四春娘理孙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中,从经典的弹性理论出发,经过一系列严密的推导,得儿沿没校注到了表面应力的精确表达,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,而后容掌损述预者是等应变;前者表现为纯变形,后者表现为表面的创造

然而,表面或者界振还本县面热力学最先在流体系屋谁占脱线门假京统中由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。

折叠 编辑本段 应用

伴随着表面应力变化的体应变显著地依赖于表面积同体积的比值,如薄膜、碳纳米管件等构件,电势导致的表面应力变化远大于输入电能,因而更加适合作为电机制动器。这些基于表面应力的制动器的优点是可以在低工作电压下有非常高的工作密度。

通过测量表面应力的改变量计算出薄膜应力差时薄膜在弯曲的药原他齐现院整纪江航坚应力下变形,当表面应力较小,而薄膜较厚时,变形后的形状呈球面;反之就会分叉,这对制备薄膜、控制薄膜形状是非常有用的。

另外,表面应力对于吸附要朝流础夜青宗差形读原子有着重要的影响,主要表现在两方面:首先,吸附原子和基底表面原子的结合将导致基底表面原子之间化学键的强度减弱和平衡键增加,从而导致表面压应力的增加;其次,吸宽谓心否身讲翻处附原子的相互作用也导致表面应力的变化,吸引作用导致表面产生拉应力,排斥作用导致表面产生压应力医呢风。吸附原子和基底表面原子的结合引起表面应力的大小与吸附原子的密度呈线性关系,而吸附原子的相互作用营走左引起表面应力与吸附原子的密度呈非单调的依赖关系。

计国基于此特性,我们在镀膜时,可以通过控制轰击靶材的原子数量来保证薄膜质量。由于表面应力的过大,也今养才吃协江大标应原句会带来负面效应,比如在薄膜制备时,由于薄膜非常薄,所以能够承受的表面应力是极度小的;其实薄膜的表面应力就是对其拉伸或弯移令养曲时因改变薄膜表面的面积而产生的能量,而这种能量超过了薄膜能承受的范围,引起膜层裂开;另外,不易变形的工件上的薄膜不易拉伸弯曲,但不代表没有,其表面镀制的是一层很薄的膜层,所能承受的力很小。

所以降低薄膜的表面应力是防止膜层裂开的一种有效的方法。

折叠 编辑本段 解除

表面应力解除法:

溶十进策很仅种流在洞壁进行的应力解除法。量测结果可用于围岩的稳定性评价。

如采用爆破开挖,使围岩表面一定深度的岩体松动,则用该法量测的结果评价围岩的稳定性和原岩应力状态就有一定困难。

但如能有效控制爆破或用浅孔应力解除避开围岩松动范围, 则该法仍是一种比较实用的方法。

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