下载文档原格式
玻璃表面凝结水的原理玻璃表面凝结水是我们在日常生活中经常会遇到的现象。
当潮湿的空气接触到玻璃表面时，水分会凝结成水滴。
这个现象是由玻璃表面的特性以及周围环境条件共同作用的结果。
我们需要了解玻璃表面的特性。
玻璃是一种非晶体固体材料，其表面是非常光滑的。
这种光滑的表面使得水分无法渗透进入玻璃内部，而只能停留在表面上。
同时，玻璃表面也具有一定的亲水性，即喜欢吸附水分的能力。
这使得潮湿的空气中的水分更容易被吸附到玻璃表面上。
周围环境条件也对玻璃表面凝结水的形成起着重要作用。
当空气中的水蒸气含量较高，同时温度较低时，潮湿的空气会接触到玻璃表面并迅速冷却下来。
由于冷却后的空气无法再承载原先的水分，水分便开始凝结成水滴。
这就是我们看到的玻璃表面凝结水的现象。
玻璃表面凝结水的形成也与室内外温差有关。
在冬季，室内温暖而外部温度较低，玻璃表面会成为水分凝结的主要地方。
这也是为什么我们经常会在冬天看到窗户上有凝结水的原因。
除了上述因素，空气中的杂质也会对玻璃表面凝结水的形成起到一定影响。
例如，空气中存在着微小的灰尘或污染物，这些杂质可以作为水分凝结的核心，促使水分更容易凝结在玻璃表面上。
玻璃表面凝结水的现象在一定程度上也与湿度有关。
当湿度较高时，空气中的水蒸气含量也较高，从而增加了玻璃表面凝结水的可能性。
相反，当湿度较低时，空气中的水蒸气含量较低，玻璃表面凝结水的现象也会减少。
玻璃表面凝结水的形成是由玻璃表面的特性、周围环境条件以及湿度等多种因素共同作用的结果。
了解这些原理可以帮助我们更好地理解和应对玻璃表面凝结水的问题。
在实际生活中，我们可以通过保持室内外温差的适当范围，控制室内湿度，以及定期清洁玻璃表面等方式来减少玻璃表面凝结水的产生。
固体表面与接触特性综述固体表面与接触特性摘要：简要介绍了固体表面的几何特性包括表面波纹度、表面粗糙度和支撑面积曲线，固体表面的物理物理与化学特性，接触表面间的相互作用与接触面积，接触力学和接触变形。
关键词：固体表面，几何特性，物理特性，化学特性，接触特性1 固体表面特性摩擦磨损是在相互接触的物体表面进行的，因此研究接触体摩擦表面的性质是研究摩擦磨损的基础。
[1]固体的表面性质主要包括两方面的内容，即表面形貌与表面组成。
前者着重研究表面的形状，后者着重研究表面的结构及表面的物理、化学性质。
1.1 固体表面几何特性1.1.1表面波纹度表面波纹度是零件表面周期性重复出现的一种几何形状误差，波纹度有两个重要参数即波高h和波距s 。
波高h表示波峰与波谷之间的距离，波距s表示相邻两波形对应点的距离。
表面波纹度会减少零件实际支承表面面积，在动配合中会引起零件磨损加剧。
[1]表面波纹度通常是由于机加工时不均匀的进刀、不均匀的切削刀或机床的振动引起的。
[2]1.1.2 表面粗糙度表面粗糙度不像表面波纹度那样具有明显的周期性，其波距和波高均较小，常用下列指标对表面粗糙度进行评定：（1）轮廓算数平均偏差Ra（2）均方根偏差Rq（3）微观不平十点高度Rz（4）轮廓最大高度Rmax[3]不同形状和轮廓的表面用上述不同方法测得的粗糙度值也不同．但在一定程度上，它们之间可以相互换算。
以上参数仅能说明表面轮廓在高度方向的偏差，不能说明表面凸峰的形状、大小和分布状况等待性。
因此还需要有其它参数如微凸体的峰顶曲率半径、微凸体的坡度、密度以及支承面积等来加以描述[4]。
1.1.3 支撑面积曲线支承面积曲线不仅能表示粗糙表层的微凸体高度的分布，而且也能反映摩擦表面磨损到某一程度时，支承面积的大小[5]。
支撑面积曲线主要用于计算实际接触面积。
在标准长度1的轮廓线上，做与中线平行的一系列直线，将各条平行线截取的轮廓图形中微凸体的长度相加，分别画在轮廓图的右边。
固体材料和其特性在自然界中，我们经常接触到各种不同的材料。
其中，固体材料是最常见的一种。
它们具有一定的形状和体积，不易变形，因而被广泛应用于生产和生活中。
本文将探讨固体材料的定义、分类以及其特性。
一、固体材料的定义固体材料是指分子、离子、原子以及其它原子团聚在一起以形成一定大小和形状的物质。
固体材料通常具有较高的密度和强度，不易变形，可以用各种加工工具进行加工。
二、固体材料的分类根据固体材料的结构和性质，其可分为晶体和非晶体两种类型。
1. 晶体晶体是一种由原子、分子或离子按一定规律排列而成的物质。
在晶体的内部，原子、分子或离子通过共同的晶面和晶点结合在一起。
晶体的结构往往会对其物理、化学性质产生决定性影响。
晶体又可分为单晶体和多晶体两种类型。
单晶体是一种晶体，其各个部分的结构都完全一样。
因此，它们具有各向同性，对光的传播和电学性质表现出均匀性。
单晶体通常用于制造光电子器件，如太阳能电池板、半导体器件等。
多晶体是由多个单晶体组成的晶体，其结构并不完全一致，因此各个部分的性质表现出来是不同的。
多晶体通常用于制造机器零件、建筑材料等。
2. 非晶体非晶体又称玻璃态，是一种无序的凝聚态，通常没有长程有序结构。
其原子、分子或离子被随机地排列布局，因此展示出没有规律的结构。
非晶体与晶体相比，具有一些特殊的结构和性质，因而其应用范围更加广泛。
三、固体材料的特性1. 坚硬度固体材料的坚硬度是指其抵抗表面划痕的能力，可以通过‘莫氏硬度试验’等方法评估。
不同固体之间的硬度差别很大，例如天然金刚石、硬度为 10，极难被划伤，而没有硬度的气体只在表面有一层极浅的跑道，因此极易被划伤。
2. 热传导性固体材料具有比气体和液体更高的热传导性。
这意味着固体能够更快地将热量从一个点传输到另一个点。
其原因在于固体的分子间距离较小，因此热量在其内部可更容易地传递。
3. 电导性在一些固体材料中，电子的自由移动是存在的，这使得它们具有导电性。
固体表面与接触特性摘要：简要介绍了固体表面的几何特性包括表面波纹度、表面粗糙度和支撑面积曲线，固体表面的物理物理与化学特性，接触表面间的相互作用与接触面积，接触力学和接触变形。
关键词：固体表面，几何特性，物理特性，化学特性，接触特性1 固体表面特性摩擦磨损是在相互接触的物体表面进行的，因此研究接触体摩擦表面的性质是研究摩擦磨损的基础。
[1]固体的表面性质主要包括两方面的内容，即表面形貌与表面组成。
前者着重研究表面的形状，后者着重研究表面的结构及表面的物理、化学性质。
1.1 固体表面几何特性1.1.1表面波纹度表面波纹度是零件表面周期性重复出现的一种几何形状误差，波纹度有两个重要参数即波高h和波距s 。
波高h表示波峰与波谷之间的距离，波距s表示相邻两波形对应点的距离。
表面波纹度会减少零件实际支承表面面积，在动配合中会引起零件磨损加剧。
[1]表面波纹度通常是由于机加工时不均匀的进刀、不均匀的切削刀或机床的振动引起的。
[2]1.1.2 表面粗糙度表面粗糙度不像表面波纹度那样具有明显的周期性，其波距和波高均较小，常用下列指标对表面粗糙度进行评定：（1）轮廓算数平均偏差Ra（2）均方根偏差Rq（3）微观不平十点高度Rz（4）轮廓最大高度Rmax[3]不同形状和轮廓的表面用上述不同方法测得的粗糙度值也不同．但在一定程度上，它们之间可以相互换算。
以上参数仅能说明表面轮廓在高度方向的偏差，不能说明表面凸峰的形状、大小和分布状况等待性。
因此还需要有其它参数如微凸体的峰顶曲率半径、微凸体的坡度、密度以及支承面积等来加以描述[4]。
1.1.3 支撑面积曲线支承面积曲线不仅能表示粗糙表层的微凸体高度的分布，而且也能反映摩擦表面磨损到某一程度时，支承面积的大小[5]。
支撑面积曲线主要用于计算实际接触面积。
在标准长度1的轮廓线上，做与中线平行的一系列直线，将各条平行线截取的轮廓图形中微凸体的长度相加，分别画在轮廓图的右边。
固体物理的研究内容固体物理是物理学中的一个重要分支，主要研究固体材料的性质和行为。
固体是由原子、分子或离子组成的宏观物体，具有一定的结构和各种不同的物理性质，固体物理通过研究这些性质来揭示固体材料的内部结构和行为规律。
以下是固体物理的主要研究内容：1.晶体结构和缺陷：晶体是具有高度有序排列、周期性重复的结构的固体。
固体物理研究晶体的各种结构和缺陷，包括晶格常数、晶胞结构、晶体缺陷、晶体生长等。
通过研究晶体的结构和缺陷可以揭示晶体物理性质的产生机制。
2.电子结构和能带理论：固体物理研究固体材料中电子的行为，包括电子的能带结构、价带和导带的形成，以及电子在能带中的运动和输运性质。
电子结构和能带理论是解释固体材料的电学、磁学、光学等性质的重要基础。
3.电子输运：固体物理研究电子在固体中的传输行为，包括载流子的形成和迁移、电导率、热导率等。
电子输运研究对于电子器件的设计和性能优化具有重要意义。
4.磁性和磁性材料：固体物理研究固体材料的磁性行为，包括磁相变、磁化强度、磁导率等。
磁性材料在信息存储、能源转换等领域具有重要应用。
5.光学性质：固体物理研究固体材料对光的吸收、散射、折射等光学性质，包括光的吸收谱、折射率、色散等。
光学性质的研究对于发展光电子学、激光技术等具有重要意义。
6.声学性质：固体物理研究固体材料的声学性质，包括声速、声波传播、声吸收等。
固体材料在声学传感、声学器件等领域有广泛应用。
7.表面和界面物理：固体物理研究固体材料的表面和界面的物理性质，包括表面态、界面反应、表面扩散等。
表面和界面物理的研究对于理解固体材料的表面现象和界面特性具有重要意义。
8.低温物理：固体物理研究固体材料在低温下的性质和行为，包括超导性、超流性、磁性等。
低温物理的研究对于技术领域的超导电器件、低温电子学等有着重要应用。
总之，固体物理研究的内容非常广泛，涉及到固体材料的结构、电子、力学、磁性、光学、声学等各个方面，对于理解和应用固体材料具有重要意义。
固体材料的表面特性一、固体材料按照材料的特性，固体材料可分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三类；按照材料所起的作用，固体材料可分为结构材料和功能材料两大类；根据原子排列的特征，固态物质可分为晶体和非晶体两类。
晶体和非晶体原子排列如图2-2所示。
图2-2 晶体和非晶体原子排列晶体是指其组成微粒（原子、离子或分子）呈规则排列的物质。
晶体有固定的熔点和凝固点、规则的几何外形和各向异性的特点，如金刚石、石墨及一般固态金属材料等均是晶体。
非晶体是指其组成微粒无规则地堆积在一起的物质，如玻璃、沥青、石蜡、松香等都是非晶体。
非晶体没有固定的熔点，而且性能具有各向同性。
随着现代技术的发展，使得晶体与非晶体之间可以互相转化，如人们通过快速冷却，制成了具有特殊性能的非晶态的金属材料。
二、固体-气体的表面结构物质的聚集态有固、液、气三种形态，将两凝聚相的边界区域称为界面（interface），两凝聚相与气相形成的界面称为表面（surface）。
由于气体之间接触时通过气体分子间的相互作用而很快混合在一起，成为由混合气体组成的一个气相，即不存在气-气界面。
因此，界面有固-液、液-液、固-固三种类型，表面有固-气、液-气两种类型。
固体-气体界面示意图如图2-3所示。
图2-3 固体-气体界面示意图通常所说的表面是指固-气表面，这是我们研究的主要对象。
表面大致可以分为理想表面、清洁表面和实际表面三种类型。
人们日常生活中和工程上涉及固-气表面的现象和过程随处可见，例如气体吸附于固-气表面，形成吸附层。
例如：许多固-固界面在形成过程中，不少反应物质先以液态或气态存在，即先出现固-气表面和固-液界面，然后在一定条件下（通常为冷凝）才转变为固-固界面。
图2-4所示为固-固表面的结构，从截面上可以看出膜层与基体之间的界面结合处形貌。
图2-4 固-固表面的结构a）铝合金微弧氧化Al2O3陶瓷膜层表面SEM形貌 b）截面膜层形貌1.理想表面理想表面是一种理论的、结构完整的二维点阵平面。
在一些假设条件下把晶体的解离面认为是理想表面，实际不存在。
理想表面如图2-5所示。
图2-5 理想表面2.清洁表面清洁表面是在特殊环境中经过特殊处理后获得的，不存在吸附、催化反应或杂质扩散等物理、化学效应的表面。
例如：经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空中解理、蒸发薄膜、场效应蒸发、化学反应、分子束外延等特殊处理后，保持在10-10～10-9Pa超高真空下外来污染少到不能用一般表面分析方法探测的表面。
制备清洁表面是十分困难的，通常需要在10-8Pa的超高真空条件下解理晶体，并且进行必要的操作，以保证表面在一定的时间范围内处于“清洁”状态。
在几个原子层范围内的清洁表面，其偏离三维周期性结构的主要特征应该是表面弛豫、表面重构以及表面台阶机构。
洁净表面弛豫和洁净表面重构示意图如图2-6和图2-7所示。
图2-6 洁净表面弛豫示意图图2-7 洁净表面重构示意图研究清洁表面需要复杂的仪器设备，并且，清洁表面与实际应用的表面往往相差很大，得到的研究结果一般不能直接应用到实际中去。
洁净表面台阶化如图2-8所示。
图2-8 洁净表面台阶化3.实际表面实际表面是暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经过切割、研磨、抛光、清洗等加工处理而保持在常温常压下，也可能在高温和低真空下的表面。
显然，这种表面的结构会受到各种外界因素的影响而变得复杂化。
因此，实际表面结构及其性质是很复杂的。
研究实际表面，虽然受到氧化、吸附和污染的影响而得不到确定的特性描述，但是它可取得一定的具体结论，直接应用于实际。
这在控制材料和器件、零部件的质量以及研制新材料等方面起着很大的作用。
不同加工方法的材料表面轮廓曲线如图2-9所示。
图2-9 不同加工方法的材料表面轮廓曲线实际表面与清洁表面相比，不同之处在于：（1）表面粗糙度经过切削、研磨、抛光的固体表面看起来似乎很平整，然而用电子显微镜进行观察，可以看到表面有明显的起伏，同时还可能有裂纹、孔洞等。
如图2-10所示，TC4钛合金板材经过扫描电子显微镜（SEM）放大以后观察，材料表面有明显的空洞和沟痕，并且表面凸凹不平。
TC4钛合金表面SEM形貌（放大5000倍）如图2-10所示。
图2-10 TC4钛合金表面SEM形貌（放大5000倍）表面粗糙度是指加工表面上具有较小间距的峰和谷所组成的微观几何形状的特性。
表面粗糙度峰谷形貌及Ra定量描述如图2-11所示。
表面粗糙度对材料的许多性能有显著的影响。
控制这种微观几何形状误差，对于实现零件配合的可靠和稳定，减小摩擦与磨损，提高接触刚度和疲劳强度，降低振动与噪声等有重要作用。
表面粗糙度的测量有比较法、激光光斑法、光切法、针描法、激光全息干涉法、光点扫描法等，分别适用于不同评定参数和不同表面粗糙度范围的测量。
金属表面的实际构成和金属材料在工业环境中被污染的实际表面如图2-12和图2-13所示。
图2-11 表面粗糙度峰谷形貌及Ra定量描述图2-12 金属表面的实际构成图2-13 金属材料在工业环境中被污染的实际表面（2）残余应力金属在切割、研磨和抛光后，还存在着各种残余应力，同样对材料的许多性能产生影响。
实际上残余应力是材料经各种加工、处理后普遍存在的。
残余应力（内应力）按其作用范围大小可分为宏观内应力和微观内应力两类。
材料经过不均匀塑性变形后卸载，就会在内部残存作用范围较大的宏观内应力。
例如，焊接和材料受热不均匀或各部分热胀系数不同，均会在材料内部产生内应力。
微观内应力的作用范围较小。
残余应力对材料的许多性能和各种反应过程可能会产生很大的影响。
例如材料在受载时，内应力与外应力一起发生作用。
如果内应力方向和外应力方向相反，就会抵消一部分外应力，从而起到有利的作用；如果方向相同则相互叠加，则起破坏作用。
图2-14所示为ASM1.0残余应力检测仪。
图2-14 ASM1.0残余应力检测仪（3）表面的吸附固体与气体的作用有三种形式：吸附、吸收和化学反应。
固体表面出现原子或分子间结合键的中断，形成不饱和键，这种键具有吸引外来原子或分子的能力。
外来原子或分子被不饱和键吸引住的现象称为吸附。
吸收则是固体的表面和内部都容纳气体，使整个固体的能量发生变化。
吸附与吸收往往同时发生，难以区分。
（4）表面反应与污染如果吸附原子与表面之间的电负性差异很大而有很强的亲和力时，则有可能形成表面化合物。
在这类表面反应中，固体表面上的空位、扭折、台阶、杂质原子、位错露头、晶界露头和相界露头等各种缺陷，提供了能量条件，并且起着“源头”的作用。
金属表面的氧化是表面反应的典型实例。
金属表面暴露在一般的空气中就会吸附氧或水蒸气，在一定的条件下，可发生化学反应而形成氧化物或氢氧化物。
金属在高温下的氧化是一种典型的化学腐蚀。
涂覆在羟基铁粉表面的金属氧化物如图2-15所示。
图2-15 涂覆在羟基铁粉表面的金属氧化物实际上，在工业环境中除了氧和水蒸气之外，还可能存在CO2、SO2、NO2等各种污染气体，它们吸附于材料表面生成各种化合物。
污染气体的化学吸附和物理吸附层中的其他物质，如有机物、盐等，与材料表面接融，也留下痕迹。
（5）特殊条件下的实际表面实际表面还包括许多特殊的情况，如高温下的实际表面、薄膜表面、粉体表面、超微粒子表面等，深入研究这些特殊条件下的实际表面，具有重要的实际意义。
举例说明如下：1）薄膜表面。
薄膜通常是按照一定的需要，利用特殊的制备技术，在基体表面形成厚度为亚微米至微米级的膜层。
膜层的表面和界面所占的比例很大，表面弛豫、重构、吸附等会对薄膜结构和性能产生较大影响。
采用溅射法制备的物理气相沉积薄膜如图2-16所示。
图2-16 采用溅射法制备的物理气相沉积薄膜2）微纳米固体颗粒的表面。
纳米粒子的结构、表面结构和特殊性质引起了科学界的极大关注。
特别是当粒子直径为10nm左右时，其表面原子数与总原子数之比达50%，因而随着粒子尺寸的减小，表面的重要性越来越大。
例如，对半径为10nm的水滴而言，其压力有14MPa。
实验观测表明，纳米级粒子尺寸小于10nm时，其熔点甚至可以降低数百摄氏度。
图2-17所示为直径为10nm的纳米颗粒。
三、固体表面特征作用于固体表面原子和分子的力与固体内的力不同，即固体表面存在着一些与作用于固体内部原子和分子所不同的力。
这些力的存在都可能对固体表面的结构和性能，以及各种镀层、涂层的结构和性能产生显著的影响。
图2-17 直径为10nm的纳米颗粒1.表面吸附力考虑固体表面为晶体的固-气表面。
晶体内存在的力场在表面处发生突变，但不会中断，会向气体一侧延伸。
当其他分子或原子进入这个力场范围时，就会和晶体原子群之间产生相互作用力，这个力就是表面吸附力。
由表面吸附力把其他物质吸引到表面即为吸附现象。
表面吸附力有物理吸附力和化学吸附力两种类型。
（1）物理吸附力物理吸附力是在所有的吸附剂和吸附质之间都存在的，这种力相当于液体内部分子间的内聚力，视吸附剂和吸附质条件不同，其产生力的因素也不同，其中以色散力为主。
1）色散力。
色散力是因为该力的性质与光色散的原因之间有着紧密的联系而得到的。
它来源于电子在轨道中运动而产生的电矩的涨落，此涨落对相邻原子或离子诱导一个相应的电矩，反过来又影响原来原子的电矩。
色散力就是在这样的反复作用下产生的。
2）诱导力。
Debye曾发现一个分子的电荷分布要受到其他分子电场的影响，因而提出了诱导力。
当一个极性分子接近一种金属或其他传导物质时，例如石墨，对其表面将有一种诱导作用，但诱导力的贡献比色散力的贡献低得多。
3）取向力。
Keesom认为，具有偶极而无附加极化作用的两个不同分子的电偶极矩间有静电相互作用，此作用力称为取向力。
其性质、大小与电偶极矩的相对取向有关。
（2）化学吸附力化学吸附与物理吸附的根本区别是吸附质与吸附剂之间发生了电子的转移或共有，形成了化学键。
这种化学键不同于一般化学反应中单个原子之间的化学反应与键合，称为吸附键。
物理吸附与化学吸附的区别见表2-1。
表2-1物理吸附与化学吸附的区别2.表面张力与表面能表面张力是在研究液体表面状态时提出来的。
表面张力本质上是由分子间相互作用力产生，这种范德华力由色散力、诱导力、偶极力、氢键等组成。
固体的表面能在概念上不等同于表面张力。
例如，不粘锅的出现，让美食与好心情同时具有。
大部分不粘锅表面涂层的主要原料为具有憎水性的聚四氟乙烯。
聚四氟乙烯具有固体材料中最小的表面张力，不容易被水、油等液体润湿，所以不黏附任何物质。
但聚四氟乙烯不粘涂层与锅基体金属材料结合强度不高，高温时易析出有毒物质，加之涂层厚度有限，故不粘锅不能制作酸性食品，在烹调的过程中避免使用锋利的器具，使用温度要限制在250℃以下。
图2-18所示为采用表面张力最小的聚四氟乙烯制作的不粘锅。
