[发明专利]一种测定金属表面能的装置和方法

说明书

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。

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。