第五章固體表面與界面

1、理想晶體和玻璃體理想晶體和玻璃體：任一個原子或離子都處在：任一個原子或離子都處在三維無三維無限限連續(xù)的空間中，周圍對它作用連續(xù)的空間中，周圍對它作用完全相同。完全相同。實際晶體和玻璃體：實際晶體和玻璃體：有限有限處于物體表面的質(zhì)點，其處于物體表面的質(zhì)點，其境遇和境遇和內(nèi)部是不同的，表面的質(zhì)內(nèi)部是不同的，表面的質(zhì)點受力不均衡而處于較高的能階。點受力不均衡而處于較高的能階。例如例如：石英的粉碎。：石英的粉碎。1kg1kg直徑為直徑為1cm1cm米變成米變成1nm1nm米，米，表面積和表面能增加表面積和表面能增加143143倍。由于高分散系比低倍。由于高分散系比低分散系能量高得多，必然使物系由于分散

2、度的分散系能量高得多，必然使物系由于分散度的變化而使變化而使性質(zhì)性質(zhì)方面有很大差別。方面有很大差別。表面質(zhì)點不對稱結(jié)構(gòu)表面質(zhì)點不對稱受力能量升高熔點、沸點、蒸汽壓、熔點、沸點、蒸汽壓、溶解度、吸附、溶解度、吸附、潤濕和燒結(jié)等潤濕和燒結(jié)等化學(xué)活性、催化、化學(xué)活性、催化、固相反應(yīng)等固相反應(yīng)等內(nèi)容提要內(nèi)容提要 固體表面力場與表面能。固體表面力場與表面能。離子晶體在表面力場作用下，離子的極化與重排過程。離子晶體在表面力場作用下，離子的極化與重排過程。多相體系中的界面化學(xué)：如彎曲效應(yīng)、潤濕與粘附，表面改性。多相體系中的界面化學(xué)：如彎曲效應(yīng)、潤濕與粘附，表面改性。多晶材料中的晶界分類，多晶體的組織，晶界應(yīng)

3、力與電荷。多晶材料中的晶界分類，多晶體的組織，晶界應(yīng)力與電荷。 第一節(jié)第一節(jié) 固體的表面固體的表面 表面表面: :一個相和它本身蒸汽或真空接觸的分界面一個相和它本身蒸汽或真空接觸的分界面 界面界面: :一相與另一相一相與另一相( (結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)不同) )接觸的分界面。接觸的分界面。一、固體表面的特征一、固體表面的特征二、晶體表面結(jié)構(gòu)二、晶體表面結(jié)構(gòu)三、固體的表面能三、固體的表面能固體表面的不均勻性固體表面的不均勻性，表現(xiàn)在：，表現(xiàn)在：(1)(1)絕大多數(shù)晶體是各向異性，同一晶體有許多性能不同的表面。絕大多數(shù)晶體是各向異性，同一晶體有許多性能不同的表面。(2)(2)同一種物質(zhì)制備和加工條件不同也

4、會有不同的表面性質(zhì)。同一種物質(zhì)制備和加工條件不同也會有不同的表面性質(zhì)。(3)(3)晶格缺陷、空位或位錯而造成表面不均勻。晶格缺陷、空位或位錯而造成表面不均勻。(4)(4)在空氣中暴露，表面被外來物質(zhì)所污染，吸附外來原子可占據(jù)在空氣中暴露，表面被外來物質(zhì)所污染，吸附外來原子可占據(jù)不同的表面位置，形成有序或無序排列，引起表面不均勻。不同的表面位置，形成有序或無序排列，引起表面不均勻。(5)(5)固體表面宏觀光滑，固體表面宏觀光滑，原子尺寸原子尺寸衡量，實際上也是凹凸不平的。衡量，實際上也是凹凸不平的。 一、固體表面的特征一、固體表面的特征 定義：定義：晶體中每個質(zhì)點周圍都存在著一個力晶體中每個質(zhì)點

5、周圍都存在著一個力場，在晶體內(nèi)部，質(zhì)點力場是對稱的。但在固體表面，場，在晶體內(nèi)部，質(zhì)點力場是對稱的。但在固體表面，質(zhì)點排列的周期重復(fù)性中斷，使處于表面邊界上的質(zhì)點質(zhì)點排列的周期重復(fù)性中斷，使處于表面邊界上的質(zhì)點力場對稱性破壞，表現(xiàn)出剩余的鍵力。力場對稱性破壞，表現(xiàn)出剩余的鍵力。內(nèi)部原子對稱配位受力平衡表面原子不對稱配位受力不平衡 范得華力范得華力( (分子引力分子引力) ) 長程力長程力表面力的分類表面力的分類是固體表面產(chǎn)生物理吸附或氣體凝聚的原因。是固體表面產(chǎn)生物理吸附或氣體凝聚的原因。與液體內(nèi)壓、表面張力、蒸汽壓、蒸發(fā)熱等性質(zhì)有關(guān)。與液體內(nèi)壓、表面張力、蒸汽壓、蒸發(fā)熱等性質(zhì)有關(guān)。 定向作用

6、力定向作用力F FK K( (靜電力靜電力) ) 發(fā)生于極性分子之間。發(fā)生于極性分子之間。 誘導(dǎo)作用力誘導(dǎo)作用力F FD D 發(fā)生于極性與非極性分子之間。發(fā)生于極性與非極性分子之間。 分散作用力分散作用力F FL L( (色散力色散力) )發(fā)生于非極性分子之間。發(fā)生于非極性分子之間。 (1) (1) 范得華力范得華力( (分子引力分子引力) ) Transient dipoles Electrons touring through orbital space Evenly distributed about nucleus On overage No dipole At any instant

7、 Electrons are unevenly distributed Dipole Transient: an instant later, electrons will have moved Dipole pointing in different directionInduced Dipoles The effect of one dipole on a neighboring atom: Electrons of atom 2 drawn towards +ve side of atom 1 “Induced” dipole in atom 2 Aligned antiparallel

8、 At least a tendencyTransient Induced Dipoles An instant later Electrons moved Dipole aligned parallel Unfavorable Like charges repel Or pointing in completely different direction On average, more time aligned favorably Net attractive force表達式：表達式： 說明說明：分子間引力的作用范圍極小，一般為：分子間引力的作用范圍極小，一般為3 35 5埃。埃。 當兩

9、個分子過分靠近而引起電子層間斥力約等于當兩個分子過分靠近而引起電子層間斥力約等于B/rB/r3 3 , , 故范得華力只表現(xiàn)出引力作用。故范得華力只表現(xiàn)出引力作用。(2) (2) 長程力長程力： 屬固體物質(zhì)之間相互作用力，屬固體物質(zhì)之間相互作用力，本質(zhì)本質(zhì)仍是范得華力。仍是范得華力。 按作用原理可按作用原理可 分為：分為：A. A. 依靠粒子間的電場傳播的，如依靠粒子間的電場傳播的，如色散力色散力，可以加和，可以加和B. B. 一個分子到另一個分子逐個傳播而達到長距離的。一個分子到另一個分子逐個傳播而達到長距離的。誘導(dǎo)作用力誘導(dǎo)作用力：總是力圖形成球形表面來降低系統(tǒng)的表面能?？偸橇D形成球形表

10、面來降低系統(tǒng)的表面能。 固體固體: 使使固體固體表面處于較高的能量狀態(tài)表面處于較高的能量狀態(tài)(因為固體不能流動因為固體不能流動),只能只能借助于離子極化、變形、重排并引起借助于離子極化、變形、重排并引起晶格畸變晶格畸變來降低表來降低表面能，其結(jié)果使固體表面層與內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異面能，其結(jié)果使固體表面層與內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異。二、晶體表面結(jié)構(gòu)二、晶體表面結(jié)構(gòu)1. 離子晶體表面離子晶體表面超細結(jié)構(gòu)超細結(jié)構(gòu)(微觀質(zhì)點排列微觀質(zhì)點排列)顯微結(jié)構(gòu)顯微結(jié)構(gòu)(表面幾何狀態(tài)表面幾何狀態(tài)) 1. 離子晶體離子晶體MX在表面力在表面力作用下，處于表面層的負作用下，處于表面層的負離子離子X在外側(cè)不飽和，在外側(cè)不飽和，負負

11、離子極化率大，通過電子離子極化率大，通過電子云拉向內(nèi)側(cè)正離子一方的云拉向內(nèi)側(cè)正離子一方的極化變形來降低表面能極化變形來降低表面能。這一過程稱為這一過程稱為松弛松弛，它是，它是瞬間完成的，接著發(fā)生離瞬間完成的，接著發(fā)生離子重排。子重排。 NaCl 晶 體圖圖31 離子晶體表面的電子云變形和離子重排離子晶體表面的電子云變形和離子重排NaCl 晶 體圖圖31 離子晶體表面的電子云變形和離子重排離子晶體表面的電子云變形和離子重排2. 從晶格點陣穩(wěn)定性從晶格點陣穩(wěn)定性考慮作用力較大，極考慮作用力較大，極化率小的正離子應(yīng)處化率小的正離子應(yīng)處于穩(wěn)定的晶格位置而于穩(wěn)定的晶格位置而易極化的負離子受誘易極化的負離

12、子受誘導(dǎo)極化偶極子排斥而導(dǎo)極化偶極子排斥而推向外側(cè)，從而推向外側(cè)，從而形成形成表面雙電層表面雙電層。重排結(jié)重排結(jié)果果使晶體表面能量趨使晶體表面能量趨于穩(wěn)定。于穩(wěn)定。 3、 NaCl形成形成雙電層厚度雙電層厚度為為0.02nm,在在Al2O3、SiO2、ZrO2等表面上也會形成雙電層。等表面上也會形成雙電層。 4、當表面形成雙電層后，它將向、當表面形成雙電層后，它將向內(nèi)層內(nèi)層發(fā)生作用，并引起發(fā)生作用，并引起內(nèi)層離子的內(nèi)層離子的極化和重排極化和重排，這種作用隨著向晶體的縱深推移而，這種作用隨著向晶體的縱深推移而逐步衰減。表面效應(yīng)所能達到的深度，逐步衰減。表面效應(yīng)所能達到的深度，與陰、陽離子的半徑與

13、陰、陽離子的半徑差有關(guān)差有關(guān)，差愈大深度愈深。，差愈大深度愈深。 5、離子極化性能愈大，雙電層愈厚，從而表面能愈低。離子極化性能愈大，雙電層愈厚，從而表面能愈低。 應(yīng)用應(yīng)用： 硅酸鹽材料生產(chǎn)中，通常把原料破碎研磨成微細粒硅酸鹽材料生產(chǎn)中，通常把原料破碎研磨成微細粒子子(粉體粉體)以便于以便于成型和高溫燒結(jié)成型和高溫燒結(jié)。分析面心立方結(jié)構(gòu)分析面心立方結(jié)構(gòu)(100)、(110)、(111)三個低指數(shù)面上原子的分布。三個低指數(shù)面上原子的分布。(112. 晶體表面的幾何結(jié)構(gòu)晶體表面的幾何結(jié)構(gòu) 實驗觀測表明：實驗觀測表明： 固體的實際表面是不規(guī)則和粗糙的，固體的實際表面是不規(guī)則和粗糙的， 最重要的表現(xiàn)為

14、最重要的表現(xiàn)為表面粗糙度表面粗糙度和和微裂紋微裂紋。 ：(1)使表面力場變得不均勻，其活性及其它表面性質(zhì)也發(fā)生變化。使表面力場變得不均勻，其活性及其它表面性質(zhì)也發(fā)生變化。(2)直接影響固體表面積，內(nèi)、外表面積比值以及相關(guān)的屬性。直接影響固體表面積，內(nèi)、外表面積比值以及相關(guān)的屬性。(3)與兩種材料間的封接和結(jié)合界面間的與兩種材料間的封接和結(jié)合界面間的嚙合嚙合和和結(jié)合強度結(jié)合強度有關(guān)。有關(guān)。 因因晶體缺陷或外力晶體缺陷或外力而產(chǎn)生。表面裂紋在而產(chǎn)生。表面裂紋在材料中起著材料中起著應(yīng)力倍增器應(yīng)力倍增器的作用，使位于裂紋尖端的作用，使位于裂紋尖端的實際應(yīng)力遠大于所施加的應(yīng)力。格里菲斯關(guān)于的實際應(yīng)力遠大

15、于所施加的應(yīng)力。格里菲斯關(guān)于微裂紋的公式：微裂紋的公式：cEc 2 bsuu21 ub 為破壞化學(xué)鍵所需能量為破壞化學(xué)鍵所需能量us 為表面能為表面能 2. 離子晶體的表面能離子晶體的表面能)1(00ibissnnNUL r0 為為0K時的表面能；時的表面能；LS 為為1m2表面上的原子數(shù)；表面上的原子數(shù)；nis、nib分別表示第分別表示第i個原子在晶體表面和個原子在晶體表面和 晶體體內(nèi)最鄰近的原子數(shù)晶體體內(nèi)最鄰近的原子數(shù);Uo 為晶格能；為晶格能；N 為阿佛加德羅常數(shù)。為阿佛加德羅常數(shù)。三、固體的表面能三、固體的表面能 1. 共價晶體表面能共價晶體表面能： 實際表面能比理想表面能的值低，原因

16、可能為：實際表面能比理想表面能的值低，原因可能為： (1) 可能是可能是表面層的結(jié)構(gòu)與晶體內(nèi)部表面層的結(jié)構(gòu)與晶體內(nèi)部相比發(fā)生了改變，表相比發(fā)生了改變，表 面被可極化的氧離子所屏面被可極化的氧離子所屏 蔽，減少了表面上的原子數(shù)。蔽，減少了表面上的原子數(shù)。 (2) 可能是自由表面是由許多可能是自由表面是由許多原子尺度的階梯原子尺度的階梯構(gòu)成，使真構(gòu)成，使真 實面積比理論面積大。實面積比理論面積大。 總結(jié)總結(jié) 固體和液體的表面能與溫度、氣壓、第二相的性質(zhì)等條固體和液體的表面能與溫度、氣壓、第二相的性質(zhì)等條件有關(guān)。溫度上升，表面能下降。件有關(guān)。溫度上升，表面能下降。一、一、 彎曲表面效應(yīng)彎曲表面效應(yīng)彎

17、曲表面彎曲表面:由于表面張力的存在而產(chǎn)生一個附加壓力由于表面張力的存在而產(chǎn)生一個附加壓力。 對于對于 球面：球面： 2/r :為表面張力；為表面張力； 對于非球面：對于非球面： (1/r1+1/r2) r :主曲率半徑。主曲率半徑。 討論討論：(1) 當當 r1 r2時，時， 2/r ； (2)當為兩塊相互平行的平板間的液體液面當為兩塊相互平行的平板間的液體液面 上上/r1 (因為因為r2)， 當當r1 很小時，此時壓力稱為毛細管力。很小時，此時壓力稱為毛細管力。 附加壓力附加壓力總是指向曲面的曲率中心總是指向曲面的曲率中心，當曲面為凸面時為正值，凹面時為，當曲面為凸面時為正值，凹面時為負值。

18、負值。 與曲率半徑成反比，而與表面張力成正比與曲率半徑成反比，而與表面張力成正比。第二節(jié)第二節(jié) 界面行為界面行為 潤濕是固液界面上的重要行為。潤濕是固液界面上的重要行為。 應(yīng)用應(yīng)用：機械的潤滑、金屬焊接、陶瓷和搪瓷的：機械的潤滑、金屬焊接、陶瓷和搪瓷的 坯釉結(jié)合、陶瓷與金屬的封坯釉結(jié)合、陶瓷與金屬的封 接等。接等。 定義定義：固液接觸后，：固液接觸后，體系吉布斯自由焓降低時體系吉布斯自由焓降低時 就稱為潤濕。就稱為潤濕。 分類：分類：二、二、 潤濕與粘附潤濕與粘附按潤濕程度按潤濕程度附著潤濕附著潤濕鋪展?jié)櫇皲佌節(jié)櫇窠n潤濕浸漬潤濕 附著潤濕的附著潤濕的吉布斯自由焓變化吉布斯自由焓變化為：為：

19、G1 SL (LV SV ) 附著功附著功：W LV SV SL 附著潤濕附著潤濕液氣界面液氣界面(L-g)固氣界面固氣界面(S-g)固液界面固液界面(S-L)固體固體液體液體W愈大表示固液界面結(jié)合愈牢，即附著潤濕愈強。愈大表示固液界面結(jié)合愈牢，即附著潤濕愈強。潤濕張力：潤濕張力：F LV cos SV SL由此可看出：由此可看出： 在潤濕系統(tǒng)中在潤濕系統(tǒng)中(SV SL), LV 減小會減小會使使縮小，而在不潤濕系統(tǒng)中縮小，而在不潤濕系統(tǒng)中LV 減小減小會使會使增大。增大。 cosSV SL LV(A) (B) (C)潤濕與液滴的形狀潤濕與液滴的形狀(A) 潤濕，潤濕， 90o(C)完全潤濕，

20、完全潤濕， 0o ，液體鋪開，液體鋪開 鋪展?jié)櫇皲佌節(jié)櫇? 90 180 浸漬潤濕浸漬潤濕 浸漬潤濕浸漬潤濕指固體浸入液體中的過程。指固體浸入液體中的過程。 例：生坯的浸釉。例：生坯的浸釉。 浸漬潤濕自由能的變化：浸漬潤濕自由能的變化： G LV cos SV SL 討論：討論：若若SV SL ,則則90o ,浸漬潤濕過程將自發(fā)浸漬潤濕過程將自發(fā) 進行，此時進行，此時G0若若SV 90o ,要將固體浸入液體之要將固體浸入液體之 中必須做功，中必須做功， 此時此時 G0 固固液體液體固固總結(jié)：總結(jié)：三種潤濕的共同點是液體將氣體從固體表面排擠開，使原有三種潤濕的共同點是液體將氣體從固體表面排擠開，

21、使原有的固氣或的固氣或 液氣界面消失，而代之以固液界面。液氣界面消失，而代之以固液界面。改善潤濕的方法：改善潤濕的方法： 可知可知 (1) 降低降低SL (2)去除固體表面吸附膜，提高去除固體表面吸附膜，提高SV (3)改變粗造度。改變粗造度。當真實接觸角當真實接觸角90o ,粗造度愈大愈不利潤濕。粗造度愈大愈不利潤濕。lvslsv/ )(cos課堂總結(jié)課堂總結(jié) 1、表面力的存在及對晶體結(jié)構(gòu)的影響、表面力的存在及對晶體結(jié)構(gòu)的影響(表面雙電層表面雙電層) 2、界面行為、界面行為 彎曲表面效應(yīng)彎曲表面效應(yīng) (1/r1+1/r2)G1 SL (LV SV ) W LV SV SL附著潤濕附著潤濕鋪展

22、潤濕鋪展?jié)櫇窠n潤濕浸漬潤濕 潤濕與粘附潤濕與粘附 潤濕張力：潤濕張力：F LV cos SV SL G LV cos SV SL第三節(jié)第三節(jié) 晶界晶界定義定義：特性特性：晶界結(jié)構(gòu)疏松晶界結(jié)構(gòu)疏松，在多晶體中，在多晶體中晶界是原子快速擴散的通道，并容易晶界是原子快速擴散的通道，并容易引起雜質(zhì)原子偏聚。晶界上有許多空引起雜質(zhì)原子偏聚。晶界上有許多空位、位錯和鍵變形等缺陷使之處于應(yīng)位、位錯和鍵變形等缺陷使之處于應(yīng)力畸變狀態(tài)，故能階較高，使晶界成力畸變狀態(tài)，故能階較高，使晶界成為固態(tài)相變時為固態(tài)相變時優(yōu)先成核區(qū)域。優(yōu)先成核區(qū)域。 晶界晶界3、 晶界結(jié)構(gòu)的分類：晶界結(jié)構(gòu)的分類：兩個晶粒之間夾角兩個晶粒

23、之間夾角 界面兩側(cè)的晶體具有非常相似的結(jié)構(gòu)和類似的界面兩側(cè)的晶體具有非常相似的結(jié)構(gòu)和類似的取向，越過界面原子面是連續(xù)的取向，越過界面原子面是連續(xù)的 晶面間距比較小的一個相發(fā)生應(yīng)變，在界面晶面間距比較小的一個相發(fā)生應(yīng)變，在界面位錯線附近發(fā)生位錯線附近發(fā)生局部晶格畸變局部晶格畸變。界面兩側(cè)結(jié)構(gòu)相差很大且與相鄰晶體間有畸界面兩側(cè)結(jié)構(gòu)相差很大且與相鄰晶體間有畸變的原子排列。變的原子排列。(2). 晶界兩邊晶界兩邊原子排列的連貫性原子排列的連貫性來分來分Ni_YSZ(111)界面 晶界形狀由晶界形狀由表面張力表面張力的相互關(guān)系決定。的相互關(guān)系決定。 晶界在多面體中的形狀、構(gòu)造和分布稱為晶界在多面體中的形

24、狀、構(gòu)造和分布稱為晶界構(gòu)形晶界構(gòu)形。對于固固氣界面張力平衡關(guān)系對于固固氣界面張力平衡關(guān)系： SVSS 212cos 對于固固液界面張力平衡關(guān)系對于固固液界面張力平衡關(guān)系：SLSS 212cos (B)固固液平衡的二面角固固液平衡的二面角SLSSSL固態(tài)晶粒固態(tài)晶粒 固態(tài)晶粒固態(tài)晶粒 SVSS(A)熱腐蝕角熱腐蝕角(槽角槽角)SV二、多晶體的組織二、多晶體的組織SS/ SL cos（ ） 潤濕性潤濕性 相分布相分布 1 1200 不不 孤立液滴孤立液滴 1 1/2 /2 120600 局部局部 開始滲透晶界開始滲透晶界 2 1 00 全潤濕全潤濕 浸濕整個材料浸濕整個材料 3332/3ABCDE

25、(拋光斷面拋光斷面) 多晶材料中，如果有兩種多晶材料中，如果有兩種不同熱膨脹系數(shù)不同熱膨脹系數(shù)的晶相組成，在加熱的晶相組成，在加熱與冷卻過程中，由于兩相膨脹系數(shù)的差別，在晶界上會有與冷卻過程中，由于兩相膨脹系數(shù)的差別，在晶界上會有應(yīng)力應(yīng)力存存在在。最終會在晶界上出現(xiàn)裂紋，甚至使多晶體破裂。最終會在晶界上出現(xiàn)裂紋，甚至使多晶體破裂。LTdK/ 討論討論：(1)晶界應(yīng)力與熱膨脹系數(shù)差、溫度變化及復(fù)合層厚度晶界應(yīng)力與熱膨脹系數(shù)差、溫度變化及復(fù)合層厚度 成正比。成正比。 (2)若熱膨脹系數(shù)是各向同性，晶界應(yīng)力不會產(chǎn)生。若熱膨脹系數(shù)是各向同性，晶界應(yīng)力不會產(chǎn)生。 (3)若產(chǎn)生晶界應(yīng)力，則厚度愈厚，應(yīng)力愈

26、大。若產(chǎn)生晶界應(yīng)力，則厚度愈厚，應(yīng)力愈大。：在多晶材料中，細而長的針狀晶粒的在多晶材料中，細而長的針狀晶粒的強度與抗沖強度與抗沖 擊性能擊性能較好較好。層狀復(fù)合體中晶界應(yīng)力層狀復(fù)合體中晶界應(yīng)力LTdK/:晶界應(yīng)力 K:常數(shù) : 膨 脹 率 T : 溫 度d : 層 厚 L : 層 長晶界應(yīng)力抑制方法降低減小 d增大 L減小 T梯度功能材料薄板，細晶粒:納米晶材料材料熱導(dǎo)率相近第四節(jié) 粘土-水體系膠體化學(xué) 礦物粒度很細，表面積很大。粘土分散在水中形成溶膠懸浮液粗分散體系間特殊狀態(tài)。溶膠穩(wěn)定的特性-聚結(jié)不穩(wěn)定性(聚沉)與電解質(zhì)數(shù)量及種類、溫度、泥漿濃度等因素有關(guān)。粘土水系統(tǒng)膠體化學(xué)性質(zhì)是天機材料制

27、備工藝的理論基礎(chǔ)。二、陽離子交換容量（CEC)粘土顆粒由于破鍵、晶格內(nèi)類質(zhì)同晶取代和吸附在粘土表面腐殖質(zhì)離解等原因而帶負電，它吸附介質(zhì)中的陽離子中和其所帶的負電荷，被吸附的陽離子又能被溶液中濃度大價數(shù)高的陽離子所交換的現(xiàn)象粘土的陽離子交換容量是指在pH等于7的條件下，粘土所能交換下來的陽離子總量。其數(shù)值均以每100 g粘土所交換下來的陽離子的量表示。鑒定粘土礦物組成制備單一離子粘土主要粘土礦物的陽離子交換容量如下： 蒙脫石 80150 毫克當量/100G干粘土 伊利石 1040 毫克當量/100G干粘土 高嶺石 315 毫克當量/100G干粘土 離子交換吸附的特點：離子交換吸附的特點： 濃度相

28、同價數(shù)越高，與粘土表面的吸力越強，交換濃度相同價數(shù)越高，與粘土表面的吸力越強，交換到粘土表面上的能力越強；到粘土表面上的能力越強；價數(shù)相同、濃度相近時，離子半徑越小，水化半徑價數(shù)相同、濃度相近時，離子半徑越小，水化半徑越大，離子中心離粘土表面越遠，吸附能力弱越大，離子中心離粘土表面越遠，吸附能力弱(K+與與H+除外除外)； 當濃度很高時，低價離子同樣能交換高價離子。常當濃度很高時，低價離子同樣能交換高價離子。常見的陽離子交換能力強弱順序是：見的陽離子交換能力強弱順序是： H+Fe3+Al3+Ba2+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+Li+ 水吸附水擴散水自由水膠核粘土膠團 定義：定義：粘土顆粒

29、在水中表面帶負電荷，通粘土顆粒在水中表面帶負電荷，通過靜電作用可把交換性陽離子過靜電作用可把交換性陽離子( (稱為反離子稱為反離子) )吸引在它的周圍。這些反離子一方面受負電吸引在它的周圍。這些反離子一方面受負電荷的吸引靠近粘土表面，另一方面由于反離荷的吸引靠近粘土表面，另一方面由于反離子的熱運動及反離子之間的斥力，會脫離粘子的熱運動及反離子之間的斥力，會脫離粘土顆粒向溶液中擴散，其結(jié)果構(gòu)成了擴散雙土顆粒向溶液中擴散，其結(jié)果構(gòu)成了擴散雙電層。粘土顆粒周圍的陽離子只有一部分同電層。粘土顆粒周圍的陽離子只有一部分同粘土顆粒一起運動，這部分同粘土吸引得比粘土顆粒一起運動，這部分同粘土吸引得比較牢固的

30、陽離子層，稱為吸附層。另一部分較牢固的陽離子層，稱為吸附層。另一部分陽離子距離粘土顆粒稍遠，不隨粘土一起運陽離子距離粘土顆粒稍遠，不隨粘土一起運動，這一部分稱為擴散層。吸附層和擴散層動，這一部分稱為擴散層。吸附層和擴散層的交界面稱為滑動面。的交界面稱為滑動面。電動電位:帶相反電荷的吸附層與擴散層相對移動產(chǎn)生的電位差二、二、 流變性流變性靜切應(yīng)力靜切應(yīng)力 g使靜止的塑性流體開始運動的最低切應(yīng)力，簡稱切力，用使靜止的塑性流體開始運動的最低切應(yīng)力，簡稱切力，用 g表示。表示。觸變性觸變性破壞單位面積上網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所需的力即為靜切應(yīng)力。破壞單位面積上網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所需的力即為靜切應(yīng)力。規(guī)定靜置規(guī)定靜置1 min

31、后測定的靜切力為初切力，靜止后測定的靜切力為初切力，靜止10 min后測定的靜切力為終后測定的靜切力為終切力，并用二者的差值來表示鉆井液觸變性的強弱。切力，并用二者的差值來表示鉆井液觸變性的強弱。表現(xiàn)粘度表現(xiàn)粘度 表現(xiàn)粘度是指某一剪切速率下剪切應(yīng)力與剪切速率的比值。表現(xiàn)粘度是指某一剪切速率下剪切應(yīng)力與剪切速率的比值。 1. 1. 鉆井液流變模式及流變參數(shù)鉆井液流變模式及流變參數(shù)冪律流體（膨脹型）切應(yīng)力流速梯度s0流變性流變性流動和變形的特性稱為流變性流動和變形的特性稱為流變性流變學(xué)模式及流變參數(shù)流變學(xué)模式及流變參數(shù)牛頓流體牛頓流體nK冪律流體冪律流體2/12/12/12/1c卡森流體卡森流體n

32、K0赫切爾赫切爾巴爾克萊流體巴爾克萊流體賓漢流體賓漢流體PVd膠溶板面帶正電荷邊面帶負電荷板面帶正電荷邊面帶負電荷 分散系若能長久保持其分散狀態(tài)，各微粒處于均勻分散系若能長久保持其分散狀態(tài)，各微粒處于均勻懸浮狀態(tài)而不破壞，就稱為具有穩(wěn)定性。懸浮狀態(tài)而不破壞，就稱為具有穩(wěn)定性。沉降穩(wěn)定性沉降穩(wěn)定性穩(wěn)定性穩(wěn)定性聚結(jié)穩(wěn)定性聚結(jié)穩(wěn)定性分散體系的穩(wěn)定性分散體系的穩(wěn)定性定義：定義：重力作用下液中的固體顆粒是否容易下沉的性質(zhì)。重力作用下液中的固體顆粒是否容易下沉的性質(zhì)。影響因素：影響因素：粘土顆粒的大小、與分散介質(zhì)的密度差粘土顆粒的大小、與分散介質(zhì)的密度差分散介質(zhì)的粘度和液體中粘土顆粒的多少分散介質(zhì)的粘度和

33、液體中粘土顆粒的多少顆粒愈大、顆粒愈重、介質(zhì)粘度越小沉降穩(wěn)定性越差。顆粒愈大、顆粒愈重、介質(zhì)粘度越小沉降穩(wěn)定性越差。沉降穩(wěn)定性沉降穩(wěn)定性定義：液體中的固體顆粒是否易于自動降低分散度而定義：液體中的固體顆粒是否易于自動降低分散度而粘結(jié)變大的性質(zhì)。粘結(jié)變大的性質(zhì)。聚結(jié)的原因：聚結(jié)的原因：粘土顆粒分散度高，比表面積大，因而具有較大的粘土顆粒分散度高，比表面積大，因而具有較大的表面能。顆粒會自發(fā)地聚結(jié)變大，降低表面和分散度；表面能。顆粒會自發(fā)地聚結(jié)變大，降低表面和分散度；顆粒之間存在排斥力和引力，顆粒在運動中相互接顆粒之間存在排斥力和引力，顆粒在運動中相互接近或碰撞時引力大于排斥力時也會使顆粒聚結(jié)變大。近或碰撞時引力大于排斥力時也會使顆粒聚結(jié)變大。聚結(jié)穩(wěn)定性聚結(jié)穩(wěn)定性顆粒間的排斥力顆粒間的排斥力顆粒間的引力雙電層斥力雙電層斥力水化膜彈性阻力水