Yüzey Enerjisi ve Tribolojik İletişimdeki Takma İlişkisi

Giriş: Yüzey Enerji ve Tribolojide

Triboloji - göreceli harekette yüzeyleri etkileşim etme bilimi - dolaylı olarak malzeme kimyası, kabalık ve eleştirel, eksiT:0yüzlü enerji[Döneticiler arasındaki ilişkiyi anlamak için temel değildir.)

Yüzey Enerji Nedir?

Yüzey enerjisi (veya interfacial free enerji), ek enerjiye kıyasla bir malzemenin yüzeyindeki aşırı enerjidir. Bir katı, atomlar veya içteki moleküller komşular tarafından çevrilidir ve dengeli kuvvetlerde, yüzeyde atomlar daha az komşuya sahiptir, daha fazla enerjiye yol açar - bu yüzey enerjisidir.

Malzemeler yüksek yüzey enerjisi veya düşük yüzey enerjisi olarak geniş ölçüde sınıflandırılmaktadır:

Yüzey enerjisi sabit bir sabit değildir - temiz durumda, ancak hava kirliliği, kabarma ve kaplamalar tarafından değiştirilebilir. Örneğin, taze bir şekilde cleaved mica yüzeyinin yüksek bir yüzey enerjisi vardır (~450 mJ/m2) temiz durumda, ancak havayla ilgili olarak hızla reklamlar veya su buharı ve hidrokarbonlar, etkili yüzey enerjisini azaltır.

Termodinamik Tanımlama

Matematiksel olarak, yüzey enerjisi ⁇ , yeni bir yüzey alanı oluşturmak için gerekli olan geri dönüşümlü çalışma ile ilgilidir. sağlam bir şekilde, o birim alanı başına Gibbs ücretsiz enerjide değişimdir: ⁇ = ( ⁇ G/ ⁇ A))T,P,n[FLT) Uygulamada, kutuplu test sıvılarını kullanarak ışık ölçümleri (örneğin, su, retin glycol) Owens-Wendt-Rabel-Wend[OWRK) yöntemi gibi modeller aracılığıyla sağlam yüzey enerjisini ortadan kaldırmak için kullanılır.

Tribolojik İletişimde Adhesion Anlamak

Tribolojide, adhesion, atom veya moleküler düzeyde iki temas yüzeyi arasındaki çekime işaret eder. Bu çekim, çeşitli intermolecular güçlerden ortaya çıkar - der Waals, hidrojen bağı, elektrostatik ve bazı durumlarda kimyasal bağlar. Adhesion, statik sürtünmenin temel kökenidir (sönüme başlamanın gerekli olan gücü) ve özellikle yüzeylerin temiz ve pürüzsüz olduğu zaman, özellikle de sürtünme katmasına katkıda bulunur.

Tribolojik koşullar altında, adhesion ya faydalı veya zararlı olabilir:

Reklamların büyüklüğü, gerçek iletişim alanına bağlıdır (bu yük, sertlik ve kabalık tarafından belirlenir) ve her malzemenin özel yüzey enerjisidir. Bu, Dupré denklemi tarafından ifade edilir, ki bu termodinamik iş tanımlanır:

[FONT:0][DÜDÜDÜŞÜNÜ: 2)[Üye: 9)[Üye: 4)[Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye)) [Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye/Üye)

W)12)) İki yüzey ( birim alanı başına enerji) ayırmak için gerekli olan çalışmadır (Dönetici:2).) ve ⁇ [D)[Dönetici: 8 ).

Yüzey Enerji vs. Pratik Adhesion

Dupré denklemi, tribolojik temaslarda teorik olarak en yüksek olan bir değere sahip olsa da, yüzeysel olarak betonun bozulması, kirlenme ve elastik-plastik deformasyon nedeniyle çok daha düşük malzemelerdir. Bununla birlikte, yüzey enerjisi yüksek çözünürlükte olan malzemeler, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek olan yüzeylere nasıl daha da yakın bir şekilde ulaşabilir.

Yüzey Enerji ve Adhesion arasındaki İlişki: Anahtar Prensipleri

İlişki, [[Dint-Vücre-i İmkanı:0) ile iyi tanımlanır; [Döntgenlik ve aşınma mekanizmaları üzerinde etkisi. temel ilkeleri inceleyelim:

1. Intermolecular Güçlerinin Rolü

Tüm malzemeler, iki malzemenin yüzey enerjileri ile etkileşime girer, ki bu da yüzeyler son derece yakın değilse (birkaç nanometre ile) van der Waals etkileşiminin gücüdür. İki malzemenin yüzey enerjileri ile etkileşim ölçekleri için, yüksek yüzey enerjileri için, kutup güçlerinden gelen ek katkıdır (örneğin, hidrojen bağ veya kovalent bağ)

2. Yüzey Kabalığı Etkisi

Kabalık, temas alanını azaltır, böylece atomik bağlar sayısını azaltır. Ancak, kabalık mekanik kilitlenme ve yüzey enerjisi bağlamında, yüksek iyonlu (örneğin, silikonun) çok yüksek bir kısmını etkiler.[Dönetici).

3. Kirlenme ve Yüzey Enerji Değiştirilmesi

Havadaki gerçek yüzeyler neredeyse anında bir bardak su, hidrokarbonlar veya oksitler ile kaplıdır. Bu kontraksiyon tabakası etkili bir şekilde yüzey enerjisini değiştirir. Örneğin, iki yüksek enerji ile temiz alüminyum yüzey - karam2 hızlı bir şekilde su hidratlanmış oksit tabakası (alumina) ile ⁇ ~100-200 mJ/m2. Lubricants daha etkili yüzey enerjisini değiştirir: bir petrol filmi, yüksek enerjileri nadiren temizleyebilir.

4. Ayrılmanın Rolü

Dupré denklemi geri dönüşümlüdür; ancak gerçek adhesion, plastik deformasyon, vielastic dağıtım ve kırıklık gibi geri dönüşümlü süreçleri geri alır. Böylece JKR ve Derjaguin-Muller-Toporov (DMT) temas modelleri tarafından tahmin edilen elastik olmayan kuvvetlere sahip malzemelere sahip.

Tribolojide örneklemeler: Yüzey Enerji Nasıl Sürüyor ve Giyiyor

Yüzey enerjisi ve külot arasındaki etkileşim doğrudan sürtünme katlarını etkiler, yağdırır ve yağdırma rejimleri. İşte farklı tribolojik uygulamalardaki etkileri kırıyoruz.

Friction Mechanisms

Friction iki ana katkıdan oluşur: deformasyon bileşeni (plowing) ve külot bileşeni)[Döneticileri)[Döneticileri/Felttleri)[Döneticileri)[Düzücükler için)[Düzücükler, yüksek çözünürlükte)[Düzücükler için)

Giyim Modes Adhesion'a Bağlandı

Yağma Regimes ve Yüzey Enerji

Sınır yağlarında, asperity temasın gerçekleştiği yerde, yağ asitlerinin yüzey gerilimine bağlıdır ve substratların yüzey enerjisine bağlıdır. Örneğin, kutup yağları (örneğin, yağ asitleri) düşük ses filmlerine metal oksitlerle tepki verir; bu koremisiyonun yüksek yüzeyinin enerjisinin yüksek yüzeyinden kaynaklanmaktadır.

Pratik Örnek: Manyetik Hard Disk Drives

Sert disk sürücüleri, okuma / yazma başı ([Dönetici:0)[Dönetici], spiral diskin üzerindeki nanometrelerin, başlangıç döngüsü sırasındaki erkekleri en aza indirmek için hala düşük olduğu durumlarda, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan bir şekilde yüksek çözünürlükte bulunan bir şekilde yüksek çözünürlükte.

Uygulamalar ve Gelecek Yol Yüzey Enerji Kontrolleri

Yüzey enerjisi-kesinlik ilişkileri bilgisi endüstriler boyunca çok sayıda tribolojik çözüm ilham aldı. Aşağıda temel uygulama alanları ve gelişmekte olan araştırma yolları var.

1. Antik-Adhesion için Low-Surface-Energy Kaplamalar

Filtre gibi kaplamalar, molybdenum disulfide (MoS2) ve grafikene oksit, adhesion ve sürtünmeyi azaltmak için uygulanır. Özellikle,TELFLT:0) otomotiv endüstrisi, piston halkaları üzerinde kullanım ve çekme oranı ile ısıtılır.

Başka bir büyüme alanı icephobic kaplamaları. Yüzeyler için Buz temizleme gücü yüzey enerjisi tarafından yönetilir: yüksek enerjili yüzeyler (örneğin, basit alüminyum) buzlu (suyu için ⁇ $ ⁇ ile) bağıntıları ve güç hatlarıyla güçlü bir şekilde bağlar.

2. Yüzey Etkili Yüzey Enerjisini Dönüştürmek

Lazer yüzey metinleri (LST), düşük hacimli beton kaplamalarla mikro ölçekli dimples veya osilleri üretir ve MEMS cihazlarında stictioni azaltabilir ve mekanik yüz mühürlerinde performans geliştirir.

3. Doğası tarafından esinlenen Biyomimetic Surfaces Inspired by Nature

Doğal yüzeyler, hiyerarşik yapı ve yüzey kimyası aracılığıyla mükemmel bir şekilde kontrol eder.TheurFLT:0)Irakt[Döneticileri) ve van der Waals ile yüksek adhesion kombinasyonu kullanarak, düşük miktardaki keratin (ilesi >150°) ile kontrol edilir.

4. Tunable Surface Energy ile Akıllı Lubricants

Dış uyaranlar, pH, elektrik alanları veya ışık, akıllı malzemelerin yüzey enerjisini değiştirebilir. Örneğin, 03:0) Atomik (düşük ⁇ ) Bu tür malzemeler talep etmek için kullanılabilir. (örneğin, poli(N-isopropylarilamid)) yüzey enerjisini kritik bir sıcaklıktan değiştirebilir, hidrofilik (yüksek iyon) hidrofobik (düşük iyon) ile daha hassas bir enerji değiştiricisine geçiş.

Başka bir sınır:0)liquid-infüzyon yüzeyleri[Dönetici: 1 )) (SLIPS – hem su hem de buz için keskin bir sıvıyağın azalması. Bu yaklaşım, anti-fikleme, ve sürüklenme uygulamaları ile ilgili olarak verilen bir miktar azaltılmıştır.

5. Yüksek performanslı Yüzey Enerji Ekranlama

Otomatik temas açısı ölçümlerinde ve makine öğreniminde, yüzlerce materyal kompozisyonu için yüzey enerjisinin hızlı karakterizasyonuna izin veriyor. Bu, MEMS'deki özel tribolojik talepleri için eksiyonel çözümlerin keşfine olanak sağlıyor. Örneğin, farklı terminal grupları (-CH3, –OH, -COOH, -CF3) MEMS'de stiction için en iyi kombinasyonu tanımlamak için ekranlandı.

Sonuç: Istemi Kontrol etmek için Yüzey Enerjisi

Yüzey enerjisi ve tribolojik temaslar arasındaki ilişki henüz nuanced. Yüzey enerjisi, betonun lenslerin üzerinde etkili bir şekilde kontrol sağlarken, pratik adhesion, yüzey enerjilerini operasyonel koşullara ve malzeme deformasyonuna göre değiştirirken, aynı zamanda, çift atomik simülasyonlar ile, kaplamalar, dokular ve akıllı yağdırır - hedefin lensleri azaltıp aşınmayı engelleyebilir.

[0] Daha fazla okuma için Dış referanslar: ).