《表面能测试方法》由会员分享，可在线阅读，更多相关《表面能测试方法（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、表面能的测试方法一、接触角法（碳纤维）这种方法主要参考 Fowkes 的模型，该模型认为表面能是由可对 材料表面引起作用的各种作用力引起的，并将固体和液体的表面自由 能分解为色散作用成分、偶极作用成分、诱导作用成分、氢键作用成 分、n键作用成分、静电作用成分和给体一受体作用成分之和。 OWRK 法建立在 Fowkes 固体表面能加和理论基础之上，将固体表 面自由能分为色散和极性分量，分别反映接触相之间不同分子类型间 的作用力。通过测试碳纤维与各种已知性质的小分子的接触角来计算 碳纤维的表面能、色散分量和极性分量。DCAT21表面/界面张力仪，Dataphysics仪器股份有限公司。 用吊片法测
2、试四种小分子探测液体与碳纤维的前进接触角，每种小分 子液体的接触角均为至少 5 次实验的平均值，将前进接触角代替杨 氏接触角进行纤维表面自由能的计算。由于纤维单丝的分散性较大， 为了减少单丝分散性带来的测试误差，本文将 4根碳纤维单丝均匀的 黏在圆形夹具上，保证每根之间相互平行，并垂直于夹具底边，以保 证 4 根纤维同时与液面接触。OWRK 法建立在 Fowkes 固体表面能加和理论基础之上，将固 体表面自由能分为色散和极性分量，分别反映接触相之间不同分子类 型间的作用力。 Owens 和 Wendt 认为固液两接触相间的界面张力可 表 述如下:r f l 1/2 宀 f L r 1/2g =
3、 ys 十 V 丄-2（VM）-2ysyL）式中丁了二只 分别为固体总表面能、色散分量和极性分量；If P表示测试液体表面张力、色散分量及极性分量，且满足 儿/八/ J；7；将上述方程与杨氏方程结合得到：儿（1 + co/） = 2 （yfyf） 1/2 + 2応咗） 理论上，若能确定两种液体（已知儿X r 7.）在固体表面的接触 角，即可应用上述方程计算固体表面能和色散、极性分量。以上是用 OWRK 法计算表面能。二、反相气相色谱法（IGC法）IGC 法： 英国 SMS 公司。用甲烷测量死体积，载气为氦气，流速为10sccm。测试时探针箱温度35C，柱温箱温度30C，相对湿 度为 0% 。注
4、射浓度是 0. 04 p / po 。纤维装在经过惰性处理的玻璃 柱内，质量为 0. 800g 左右。为了除去碳纤维表面吸附的水和其他杂 质，在注射探测液体分子之前，先进行柱子内条件的平衡和稳定，时 间为 30min。IGC 测试的基本原理是，首先通过测定已知低分子溶剂探针分 子经过色谱柱的保留时间，计算得到探针分子的净保留体积二， 而保留体积与表面吸附自由能AG有关，经过计算得到色谱柱内待 测物的表面性质。表面能包含色散分量的贡献和极性分量的贡献，首先分析色散分量对碳纤维表面能的贡献。探针分子的净保留体积其中，j是James-Martin校正因子，由于色谱柱填充颗粒之间有黏性，导致载气流过柱
5、子时产生压降，需要对载气的保留时间进行较正m为样品质量。F为流速校正因子，与气流速度和色谱柱温度和柱 压有关。tR是探针分子的保留时间，t0是死时间。tR- t0是探针分子 净保留时间，T是色谱柱温度。保留体积与表面吸附自由能AG的 关系方程如下:W 二/?门门矿:+ A(4)其中， R 是气体常数， K 与待测物在色谱柱中的质量、待测物的表 面积以及吸附状态相关，对于同一个研究体系， K 值为常数。与探 针和碳纤维间的黏附功的关系如下:AGo= NaWaA G其中，Na是阿伏伽德罗常数，a为探针分子的表面积。根据 Fowkes的黏“ i附功计算公式，黏附功有两部分组成， 叭=十眄其中，是色散
6、分量的贡献，“ I是极性分量的贡献。对于正构烷烃， 黏附功主要是范得华力等色散力起主要作用，极性分量的贡献可以忽 略，即:其中，了乩了：是待测物和探针分子表面能的色散分量。根据Schultz 等人的方法，由方程(5) 、( 6) 和( 7) 得，RTln 二 2_V/2 * a * (了；)b2 + conl(8 )在一定温度条件下对一系列正构烷烃的 HIM ；与“丁门作图，根据直线的斜率2、丁-，可以求得丁值。而碳纤维表 面能的极性分量通过测试极性探针分子与碳纤维表面的相互作用自 由能来间接测试。心3；)图上，极性探针分子的吸 附自由能偏离了正构烷烃的灯 饷； 7 *直线，偏离的直线距离即为
7、极性探针分子与碳纤维表面的相互作用吉布斯能(AGSp)。 Good-van Oss 方法认为:X a x ( (y/ X y(yA x y) 172)(9)其中，NA是阿伏伽德罗常数，a是探针分子的表面积，丁-和匕 是 碳纤维表面受电子能力和供电子能力对表面能的贡献，丁和儿 是 极性探针分子受电子能力和供电子能力对表面能的贡献。理论上，只 采用一种酸性探针分子和一种碱性探针分子就可以计算得到碳纤维 表面能的极性分量。三、吸附法测量表面能 对于具有晶体结构的固体可用理论估算法和实测法得到固体表 面能。但对于煤这种“非晶物质”,表面能的计算尚不多见，用吸咐 法计算煤的表面能。应用.Langmuir
8、吸附方法中的吸附常数a、b和相 对比表面积S,根据表面化学原理可知，当ch4气体分子在煤表面上吸 附时,CH4在煤表面区域的浓度一定大于煤结构内的浓度，此差值称为 表面超量r (mol/cm2), r与吸附量Q的关系如下式：r =Q/Q S(5)式中：一表面超量；Q一吸附量；Q0CH4气体摩尔体积,22.4L/mol;S一比表面积m2/g。根据吉布斯公式,可计算出煤表面张力的变化,即:d 丫 =一RTdlnP(6)整理(6)式可得:Qdln/7式中:R气体常数,8.3143J/molK；n二维应力，表示干净煤表面(7)因为 Q=abP/(1+bP), 将其代入(7)式得:(未吸附)自由能与吸附
9、气体后煤表面能之差值，J/m2。由上式可知，煤 的表面能变化取决于吸附量、气体体系的热力学参数(T、P)以及煤的 物性参数(S)等。采用“重量吸附装置”对煤进行甲烷气体吸附。所谓重量法就是 用石英弹簧秤直接测称吸附剂(煤)吸附气体(ch4)后所增加重量的方 法(图1)。实验时应校正石英弹簧秤的浮力。实验条件为:煤样1g左右(烘干，粒度0.250.175mm);温度(30 士 0.1)C;压力050MPa;脱气真 空0.013Pa;吸附质CH4(99.99%)。实验时，在设置的温度下测定石英弹 簧秤的长度变化并换算成吸附量Q(cm3/g)。吸附平衡时间为石英弹簧秤不变化为止,约35h。然后作出吸
10、附甲烷量Q与吸附平衡压力P(MPa )间的关系，即煤的吸附等温线。煤的吸附为物理吸附并符合Langmuir 方程,即:式中:a单层饱和吸附量,cm3/g;b吸附平衡常数，无量纲；Q一设定条件下煤的吸附量,cm3/g;P吸附压力,MPa。将(1)式整理得:根据实测P、Q,由(2)式可计算出煤样的吸附特征参数a、b,由于a为单层饱和吸附量,因此将其折算成煤的吸附比表面积S为:5 =- NA * 力22 400(3)式中:S一煤的比表面积,m2/g;NA阿伏加德罗常数,6.023 X 1023；22400摩尔体积,cm3;。一吸附气体分子截面积，X 10-16cm2。由于实验中煤吸附气体为甲烷(CH
11、4),其分子直径为0.48nm,因此每个CH4分子在煤表面所占的面积为0.18nm2。那么对于吸附量为a的煤来说,其比表面积则为:S=4.8667 a(m2/g)(4)四、圆片直接键合界面表面能测试 裂纹传播扩散法最初是用于单片集成电路板的测量 ,后来由 Maszara 等引入到圆片键合测量。裂纹长度和表面能关系的原理如图1 所示。图中,L是刀片插入后产生的裂纹长度,R为圆片半径。当前，较多的研 究假定样品的开裂区域为矩形,开裂面积对裂纹长度的导数与面积大 小成正比。根据有限元分析结果,开裂区域的应力分布在宽度方向上, 应力在中间区域最大 ,并逐渐向两边减小 ;在长度方向上,应力逐渐增 大,并
12、且在开裂尖端呈现较大增长速度,即圆片键合界面的开裂区域本 质上是一个非常复杂的曲面,相应的裂纹不会是直线而必定是曲线。为此引入理论裂纹弦长h。仙图1表面能测试原理图型图 2 为刀片插入键合界面的示意图。根据材料力学知识,开裂部分的惯性矩近似其 中 ,i=1,2 分 别 对 应 上 下 键 合 圆 片 ,twi 为 相 应 圆 片 的 厚 度 , wih = 2-2RL L2。根据悬臂梁挠度公式，刀片厚度tb,=tb1+tb2，其中b bl b2,E为弹性模量,可得出刀片插入后的等效作用力3 Ei I h rL，则两个圆片弹性变形的总能量可近似为S =寺（Fl张+尸2 Q =耳驾輕 （2）将惯性
13、矩代入式（2）有综合考虑整个样品的能量变化,得到两圆片的总能量为U = Ut + (% + *)S(4)式中,s为开裂区域面积。对于稳定状态，根据最小能量原理有鳥二进而可计算出平均表面能:对于开裂方向上下轮廓线分别为f(L)和g(L)组成的任意形状样品，如图 1 所示,其面积计算公式为7.S = g(L )| dL因此开裂区域对开裂长度的导数为工八上 代入式得到平均表面能为显然，对称样品有f(L)=-g(L)，则其平均表面能为由式(7)可知,对于已知直径的同材质圆片键合样品 ,只要获得刀片插入后的裂纹长度和开裂区域面积 ,就可以得到键合圆片的平均表面能。刀片hl图2刀片荊入示意图面分别推出常用
14、样品的平均表面能计算式:圆片1圆片2(1)圆形样品对于圆形样品,如图1 所示,其开裂区域面积2 R L h (RL )，代入式(5)可得到键合界面的平均表面能:y= 笔_2仅5+圧丘心)C8)32RL 16L(2)矩形样品对于矩形样品，开裂区域面积S=hL,可得到键合圆片的平均表面能:丫=旧舟心+ E品(9)hRL - L(3)三角形样品对于三角形样品，其开裂区域面积s=L2tg e,e为轮廓线夹角，从而得 到平均表面能公式:7 (EI / h I 十 E? 11? i2)16tgO hRL - L -下面将上述理论公式应用于硅片直接键合的表面能计算实例。试验 过程中采用刀刃插入圆片键合界面,
15、利用红外系统获得裂纹区域图像 如图3(a)所示。利用MATLAB图像处理工具箱做预处理，采取边缘操 作命令得到开裂区域轮廓,进一步滤除非轮廓曲线中的高频杂音,得到 精确的开裂区域轮廓，如图3(b)所示。厶/ JT图3开裂区域红外照片及轮廓間开裂區域W斤裂轮刖曲线对开裂区域轮廓首先进行拟合处理，再计算平均表面能。从开裂区域轮廓可以看出,S=S1+S2，其中左边轮廓为刀片开始插入的硅片外圆轮廓圆弧段，右边轮廓为一曲线段，可以通过多项式拟合得到表达式。 以竖直方向为 x 轴、水平方向为 y 轴，采用右手法则建立坐标系进行 分析。假设拟合方程表示为S(x)=a0xn+a x+a 1,可用向量0n n+1A I =二-仙丄如图3(b)所示，则c n2/?(见(见)Si 二 A arcc:os一A2y = ax
