ОНЭиНТ_Сидорова_Л3(4,5) (Лекции по ОНЭиНТ)

Московский  государственный  технический  университет  им.  Н.Э.  Баумана  Факультет:  Машиностроительные  технологии  (МТ)  Кафедра:  Электронные  технологии  в  машиностроении  (МТ  11)  Основы  наноэлектроники    и    нанотехнологий  Сидорова    Светлана    Владимировна  2015  Лекция  3  Джозайя  Виллард  Гиббс      Родился  в  небольшом  городке  Нью-­‐Хейвен  в  штате  Коннекитут  11.02.1839г.,  почти  30  лет  проработал  профессором  математической  физики  в  Йельском  университете  того  же  штата,  печатался  в  Известиях  Коннекитутской  академии  и  опубликовал  всего  29  работ.    Основные  работы  написаны  в  виде  3  серий  статей:    “О  равновесии  гетерогенных  веществ”  (1876-­‐1878),  “Элементы  векторного  анализа”  (1881-­‐1884)  и  “Основные  принципы  статистической  механики”  (1902  г).

     Публикаций  немного,  Гиббс  вообще  не  любил  собраний,  публичных  выступлений  и  просто  публики.  Говорил  он  мало,  работал  очень  много  и  регулярно  имел  не  более  2-­‐3  учеников.  Но  зато  какие  это  были  работы!  В  этих  работах  Гиббс  предложил  правило  фаз,  ввел  понятие  химического  потенциала,  разработал  термодинамику  поверхностных  и  электрохимических  процессов,  основы  общей  статистической  термодинамики.      Гиббс  однозначно  считается  основоположником  термодинамики  гетерогенных  систем  и  статистической  механики.

 Поверхностное  натяжение    Поверхностное  натяжение  (σ,  Дж/м2)  на  границе  дисперсных  частиц  с  дисперсионной  средой  –  основной  термодинамический  параметр,  характеризующий  свойства  поверхности  раздела  фаз  (см.  Лекция  1).      Прибор  для  измерения  поверхностного  натяжения  –  тензиометр.

   Время  образования  новой  поверхности  –  возраст  поверхности.  1  –  газ;  2  –  жидкость;  3  –  твердое  тело  Динамические  методы  измерения  поверхностного  натяжения.  1.  Максимального  давления  в  пузырьке.  2.  Объема  капли  (счета  капель).  Статические  методы  измерения  поверхностного  натяжения  1.  Кольцо  Дью  Нуи.  2.  Пластина  Вильгельми.  3.  Вращающаяся  капля.  4.  Висящая  капля.  Поверхностное  натяжение  Метод  максимального  давления  в  пузырьке  Можно  измерять  поверхностное  натяжение  до  100  мН/м.    Диапазон  «возраста»  поверхности  (с  помощью  современных  тензиометров  KRUSS  серия  BP)  от  5  мсек  до  50  сек.      ,  где  Рmax  –  максимальное  значение  давления  в  пузырьке,  когда  пузырек  принимает  форму  сферы,  P0  -­‐  гидростатическое  давление  в  капилляре  за  счет  погружения,  r  -­‐  радиус  сферы  =  радиус  капилляра.

 Тензиометр  KRUSS  серия  BP  «ТириТ»  Поверхностное  натяжение  Метод  объема  капли    Зная  объём  капли  в  момент  отрыва  (Vкапля),  плотность  тяжёлой  фазы  (ρТ)  и  лёгкой  фазы  (ρЛ),  а  также  диаметр  капилляра  (d),  можно  рассчитать  динамическое  межфазное  натяжение  (g  –  гравитационная  составляющая):    Диапазон  времени  от  1  сек  до  нескольких  часов  (зависит  от  вязкости).

   Диапазон  измеряемого  межфазного  натяжения  от  0,1  до  55  мН/м.  Тензиометр  KRUSS  серия  DVT50  «ТириТ»  Поверхностное  натяжение  1  Статические  методы  измерения  поверхностного  натяжения    1.  Кольцо  Дью  Нуи.  2.  Пластина  Вильгельми.  3.  Вращающаяся  капля.  4.  Висящая  капля.  3  2  4  Поверхностное  натяжение  Метод  кольца  Дью  Нуи  где  Fmax  –  максимальное  усилие,  приложенное  для  отрыва  кольца,  Fv  –  сила  гидростатического  столба  жидкости  под  кольцом,  L  –  длина  смачивания.  Диапазон  измерения  от  2  до  100  мН/м.

   Тензиометр  KRUSS  серия  K6  «ТириТ»  Поверхностное  натяжение  Метод  пластины  Вильгельми  F  –  измеряемая  сила,  L  –  длина  смачивания,  Θ  –  угол  смачивания.    Диапазон  измерения  от  5  до  100  мН/м.  Тензиометр  KRUSS  серия  K100  «ТириТ»    Поверхностное  натяжение  Преимущества  метода    кольца  Дью  Нуи:    •  Много  литературных  данных.  •  Нагрузка  на  кольцо  выше,  следовательно,  выше  точность.  •  Некоторые  вещества,  например,  катионные  ПАВ,  показывают  низкую  смачиваемость  пластины.    Преимущества  метода    пластины  Вильгельми:    •  Не  требует  введения  поправок.

 •  Не  надо  знать  плотности  жидкости.  •  Измерение  производится  только  за  счет  касания,  без  давления  и  перемешивания  фаз.    НО  Для  очень  малого  межфазного  натяжения  методы  кольца  и  пластины  не  подходят,  т.к.  силы  взаимодействия  очень  малы,  а  сама  поверхность  очень  нестабильна.  Поверхностное  натяжение  Метод  вращающейся  капли  Отличие  от  предыдущих  методов  состоит  в  том,  что  против  сил  поверхностного  натяжения  используют  центробежные  силы.  где  ρH  –  плотность  тяжелой  фазы,  ρL  –  плотность  легкой  фазы,  r  –  радиус  вращения  капли,  ω  –    частота  вращения,  k  –  постоянная  прибора,  зависящая  от  приближения  оптики.    Тензиометр  KRUSS  SITE100,  «ТириТ»  Диапазон  измерения  10-­‐6  …  50  /100  мН/м.

   Поверхностное  натяжение  Метод  висящей  капли  Диапазон  измерения  составляет  от  0,1мН/м  до  нескольких  сотен  мН/м.  где  ΔР  –  разница  давлений,  действующих  на  кончик  капли  и  другие  ее  точки,  r1,2  –  основные  радиусы  кривизны  контура.  Тензиометр  KRUSS  DSA25,  «ТириТ»  Поверхностное  натяжение  По  данным  компании  «ТириТ»    Поверхностное  натяжение  По  данным  компании  «ТириТ»    Свободная  энергия  раздела  фаз    Свободная  энергия  поверхности  эквивалентна  поверхностному  натяжению  жидкости.

   Свободная  поверхностная  энергия  твердых  материалов  рассчитывается  на  основе  краевого  угла  смачивания  поверхности  различными  жидкостями.      Краевой  угол  смачивания  позволяет  описать  смачиваемость  твердых  поверхностей  жидкостями.  Эта  характеристика  позволяет  определить  поверхностное  натяжение  твердых  тел.  Свободная  энергия  раздела  фаз  Смачивание  –  физическое  взаимодействие  жидкости  с  поверхностью  твёрдого  тела  или  другой  жидкости.  Виды  смачивания:  •  Иммерсионное  (вся  поверхность  твёрдого  тела  контактирует  с  жидкостью).

 •  Контактное  (состоит  из  трёх  фаз  —  твердая,  жидкая,  газообразная).    Краевой  угол  смачивания  –  это  угол,  образованный  касательными  плоскостями  к  межфазным  поверхностям,  ограничивающим  смачивающую  жидкость,  а  вершина  угла  лежит  на  линии  раздела  трёх  фаз.    • • • • Методы  измерения    краевого  угла  смачивания:  Пластина  Вильгельми  Лежащая  капля  Поднятие  по  капилляру    Отраженный  свет    Измерение  краевого  угла  смачивания  Метод  лежащей  капли  Диаметр  капли  должен  быть  от  2  до  5  мм.

   Частный  случай  –  метод    "плененного  пузырька"  Разновидности  измерения  краевого  угла:  1.  Статический  краевой  угол.  2.  Динамический  краевой  угол:  •  натекающий  угол  •  оттекающий  угол  Измерение  краевого  угла  смачивания  Методы  оценки  краевого  угла  смачивания    Метод  Юнга-­‐Лапласа.    Достоинства:  наиболее  точный,  т.к.  использует  поправку  на  вес  капли.  Недостатки:  наиболее  трудоемкий;  не  может  использоваться  для  динамических  краевых  углов,  т.к.  рассматривает  каплю  симметрично.    Метод  длины-­‐ширины.

   Достоинства:  более  точен  для  мелких  капель  в  виде  сферы.  Недостатки:  не  подходит  для  динамических  краевых  углов,  т.к.  игла  находится  в  капле  и  нельзя  определить  высоту  капли  точно.      Метод  круга.    Достоинства:  в  отличие  от  предыдущего  метода  игла  в  капле  незначительно  влияет  на  результат.    Тангенциальный  метод  1.    Достоинства:  может  использоваться  с  динамическими  методами  оценки  в  том  случае,  если  капля  не  сильно  разрушается  иглой.    Тангенциальный  метод  2.    Достоинства:  точность;  подходит  для  измерения  динамических  краевых  углов,  но  требует  четкого  построения  изображения  в  точке  контакта  фаз.

 Недостатки:  чувствительность  к  загрязнениям  и  посторонним  веществам  в  жидкости.    Измерение  краевого  угла  смачивания  Метод  поднятия  по  капилляру  (метод  Вашбурна)  m2/t  –  прирост  массы  по  времени;  с  –  постоянная,  которая  зависит  от  радиуса  капилляров  и  их  числа;  η  –  вязкость  жидкости;  ρ  –  плотность  жидкости.    Метод  Вашбурна  –  частный  случай  динамическго  метода  пластины  Вильгельми  –    является  почти  единственнои‹̆  возможностью  оценить  смачиваемость    пористых  материалов,  порошков  и  волокон.

   Константа  материала,  зависящая  от  плотности  упаковки  волокон/крупинок,    может  слегка  отличаться  от  образца  к  образцу,  но  в  пределах  сохранения  общих  свойств  материала.    Измерение  краевого  угла  смачивания  Метод  отраженного  света  Прибор  для  измерения     Стандартный  анализ  краевого  угла  в  углублении  или  на  краевого  угла  в  углублениях  поверхности  со  сложным  рельефом  не  возможен,  т.к.  на  TVA100,  подобных  образцах  нельзя  получить  изображение  капли  сбоку,«ТириТ»  поэтому  был  разработан  прибор  для  решения  специфических  задач  в  области  биотехнологии,  микроэлектроники,  производства  плат,  керамики,  линз  и  т.п.