毛細(xì)力學(xué)

前言

近年來(lái)，微／納米科學(xué)不斷發(fā)展，微／納米技術(shù)不斷進(jìn)步，不論在材料、結(jié)構(gòu)上，還是在系統(tǒng)上都相繼涌現(xiàn)了眾多高科技的概念和實(shí)體成果。它們有的已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)化和信息化的商品生產(chǎn)中，有的已具有極大的應(yīng)用前景和潛力。由于微／納米科學(xué)的尺度量級(jí)在微米和納米量級(jí)。既不同于傳統(tǒng)的毫米以上肉眼可見(jiàn)的宏觀尺度，也不同于傳統(tǒng)的物理化學(xué)層面的肉眼不可見(jiàn)的分子原子尺度。因此長(zhǎng)期以來(lái)，從微觀上忽略了它的作用，從宏觀上又忽視了它的存在。這被wolfgang Ostwald稱為“被忽視的尺寸世界”。然而這個(gè)尺寸卻是宏微過(guò)渡的尺寸、宏微聯(lián)系的尺寸，也是界面和表面作用的尺寸。在這個(gè)尺寸量級(jí)，涉及許多生產(chǎn)和生活中的問(wèn)題。界面的連接，表面的吸附，界面的黏附，機(jī)械的潤(rùn)滑、摩擦、磨損，表面的污染和清洗，表面的腐蝕等，都與這個(gè)尺度的作用有關(guān)。特別是當(dāng)機(jī)械、結(jié)構(gòu)本身的尺寸都微小化到這個(gè)量級(jí)的時(shí)候，其不同物質(zhì)的“相”或“態(tài)”的相互作用就更加顯著了。因此，這個(gè)尺度的問(wèn)題是值得研究并深入認(rèn)識(shí)的問(wèn)題。毛細(xì)作用由于源于微觀分子間力的作用，而又表現(xiàn)為宏觀肉眼可見(jiàn)的現(xiàn)象，因此其跨越的尺度很大。傳統(tǒng)的毛細(xì)理論多是基于宏觀唯象學(xué)的研究，如熱力學(xué)理論、能量理論、流體力學(xué)理論等，即使涉及微觀也僅是從定性的角度探索一些很微觀的分子力對(duì)毛細(xì)現(xiàn)象機(jī)理的影響，很少涉及微納米尺度的量級(jí)。然而由于毛細(xì)作用本身涉及氣、液、固三種“相”和“態(tài)”，同時(shí)又是以表面、界面作用為主，因此其作用對(duì)微納米尺度而言是很強(qiáng)的。從這個(gè)角度講，毛細(xì)現(xiàn)象及毛細(xì)作用既有重新認(rèn)識(shí)的需要，也有深入研究的必要。本書正是從這個(gè)角度出發(fā)來(lái)撰寫的。

內(nèi)容概要

本書共分十一章。按照由淺入深，由基礎(chǔ)到應(yīng)用，由概念到模型，由理論到實(shí)踐，由傳統(tǒng)到現(xiàn)代來(lái)編排各部分內(nèi)容。第一章概述了一般的毛細(xì)現(xiàn)象及其作用，以及對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)的作用和影響，并簡(jiǎn)單回顧了毛細(xì)力學(xué)的發(fā)展歷程。第二章介紹了一些最基本的概念。第三章重點(diǎn)介紹了有關(guān)表面張力和界面張力的基本概念、影響因素、測(cè)量方法等。第四章主要介紹了潤(rùn)濕及接觸角的一些概念、特性及測(cè)量方法。第五章給出了Young—Laplace方程的推導(dǎo)及其在幾個(gè)方面的應(yīng)用。第六章集中介紹了。Kelvin方程的由來(lái)及其在人工降雨及毛細(xì)孔凝結(jié)中的應(yīng)用。第七章介紹了表面張力梯度的概念及其作用，并重點(diǎn)介紹了Marangoni效應(yīng)的機(jī)理及其若干方面的應(yīng)用。第八章以Hagen—PoiselJille方程為基礎(chǔ)，介紹了有關(guān)毛細(xì)流動(dòng)的一些規(guī)律和分析方法。第九章集中描述了液橋的概念及其作用。第十章給出了毛細(xì)力學(xué)在微機(jī)電系統(tǒng)中幾個(gè)具有代表性的應(yīng)用方面。第十一章介紹了毛細(xì)波的概念和初步分析。

書籍目錄

前言主要符號(hào)說(shuō)明緒論第一章  毛細(xì)現(xiàn)象與毛細(xì)作用  1.1 毛細(xì)現(xiàn)象與作用  1.2 微／納機(jī)電系統(tǒng)中的毛細(xì)作用  1.3 毛細(xì)力學(xué)的發(fā)展歷程第二章  基本概念  2.1 物態(tài)與相    2.1.1 物態(tài)    2.1.2 相  2.2 表面、界面與本體    2.2.1 表面、界面及本體    2.2.2 界面的特性  2.3 表面自由能  2.4 界面自由能和界面張力  2.5 內(nèi)聚與黏附  2.6 界面層及表面力  2.7 化學(xué)勢(shì)    2.7.1 化學(xué)勢(shì)的概念    2.7.2 化學(xué)勢(shì)與溫度壓力的關(guān)系    2.7.3 化學(xué)勢(shì)在相變中的應(yīng)用    2.7.4 理想氣體化學(xué)勢(shì)第三章  表面張力及界面張力  3.1 表面張力的概念  3.2 表面（界面）自由能（表（界）面張力）的分子論含義  3.3 界面張力的概念  3.4 影響張力的因素    3.4.1 物質(zhì)種類對(duì)表面張力的影響    3.4.2 界面的影響    3.4.3 溫度對(duì)表面張力的影響    3.4.4 密度對(duì)表面張力的影響    3.4.5 壓力對(duì)表面張力的影響  3.5 液體的表面、界面張力的測(cè)量方法    3.5.1 毛細(xì)管上升法    3.5.2 Du Nony環(huán)法    3.5.3 氣泡最大壓力法    3.5.4 Wilhelmy板法    3.5.5 用滴重計(jì)法測(cè)量液體的表面張力  3.6 測(cè)定固體表面張力的方法    3.6.1 臨界表面張力測(cè)定法    3.6.2 利用高聚物液體或熔體的表面張力與溫度的關(guān)系求固體表面張力    3.6.3 估算法  3.7 基于ZYW-200B微控全自動(dòng)界面張力儀測(cè)表面張力實(shí)例    3.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理    3.7.2 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作    3.7.3 儀器的校驗(yàn)    3.7.4 液體的表面張力和界面張力的測(cè)量    3.7.5 對(duì)實(shí)際張力的校正    3.7.6 注意事項(xiàng)  3.8 液體的彈性——液體拉伸虎克定律    3.8.1 拉伸過(guò)程的線性特征    3.8.2 拉伸過(guò)程的可恢復(fù)性    3.8.3 液體單位面積的最大拉力與面積無(wú)關(guān)    3.8.4 液體拉伸的虎克定律第四章  接觸角與潤(rùn)濕  4.1 基本概念    4.1.1 接觸角    4.1.2 潤(rùn)濕的概念    4.1.3 潤(rùn)濕現(xiàn)象的微觀解釋  4.2 影響接觸角的因素    4.2.1 表面粗糙度對(duì)接觸角的影響    4.2.2 表面材料組成對(duì)接觸角的影響    4.2.3 接觸角隨溫度的變化  4.3 接觸角滯后現(xiàn)象及影響因素    4.3.1 表面粗糙度的影響    4.3.2 表面污染的影響    4.3.3 固體表面上淀積物的影響  4.4 三相線的力學(xué)平衡關(guān)系及Young方程  4.5 潤(rùn)濕的類型    4.5.1 沾濕    4.5.2 浸濕    4.5.3 鋪展  4.6 接觸角的測(cè)量原理或方法    4.6.1 測(cè)高法測(cè)量接觸角原理    4.6.2 量角法測(cè)量接觸角的原理    4.6.3 鏡面反射法    4.6.4 平行光束法    4.6.5 毛細(xì)管上升下降法來(lái)推算接觸角    4.6.6 測(cè)力法測(cè)量接觸角的原理  4.7 基于量角法原理的接觸角測(cè)定儀測(cè)量方法    4.7.1 JYSP—180接觸角測(cè)定儀結(jié)構(gòu)組成    4.7.2 儀器的安裝和使用第五章  Young-Laplace方程及應(yīng)用  5.1 Young—Laplace方程  5.2 毛細(xì)管中的液體高度的Jurin準(zhǔn)則  5.3 兩板問(wèn)的液橋力  5.4 水流散落成水珠第六章  Kelvin方程及應(yīng)用  6.1 Kelvin方程  6.2 Kelvin方程的應(yīng)用    6.2.1 毛細(xì)孔凝結(jié)    6.2.2 人工降雨    6.2.3 彎月形半徑的計(jì)算  6.3 亞穩(wěn)定狀態(tài)和新相的生成    6.3.1 過(guò)飽和蒸氣    6.3.2 過(guò)熱液體    6.3.3 過(guò)冷液體    6.3.4 過(guò)飽和溶液第七章  表面張力梯度與Marangoni效應(yīng)  7.1 表面張力梯度  7.2 Marangoni效應(yīng)  7.3 Marangoni效應(yīng)對(duì)幾種現(xiàn)象的解釋    7.3.1 肥皂泡    7.3.2 Tears of wine（酒淚）    7.3.3 濕法工藝中的硅片干燥  7.4 Marangoni對(duì)流  7.5 Marangoni對(duì)流的流態(tài)    7.5.1 層流流態(tài)    7.5.2 振蕩流態(tài)  7.6 Marangoni效應(yīng)研究方法    7.6.1 線性分析方法    7.6.2 非線性分析方法    7.6.3 數(shù)值計(jì)算    7.6.4 Marangoni對(duì)流流場(chǎng)的顯示    7.6.5 間接測(cè)量方法  7.7 Marangoni對(duì)流的理論分析綜述第八章  毛細(xì)動(dòng)力學(xué)  8.1 Hagen—Poiseuille方程  8.2 毛細(xì)流動(dòng)的速率  8.3 毛細(xì)動(dòng)力學(xué)方程  8.4 毛細(xì)流動(dòng)過(guò)程及階段劃分    8.4.1 毛細(xì)流動(dòng)過(guò)程的不同階段    8.4.2 不同作用階段的劃分第九章  液橋的概念及其作用  9.1 液橋概念  9.2 液橋的形成  9.3 液橋力    9.3.1 液橋力的概念    9.3.2 液橋力的形成機(jī)理    9.3.3 液橋力的分析模型    9.3.4 液橋系統(tǒng)的總自由能  9.4 液橋氣液分界面的解——Young—Laplace方程  9.5 液橋系統(tǒng)中上層固體的液橋作用力    9.5.1 固定濕面的求解    9.5.2 恒量液體近似解    9.5.3 大間距的精確解    9.5.4 大間距球面液橋系統(tǒng)的精確求解    9.5.5 液橋的邊緣效應(yīng)第十章  微機(jī)電系統(tǒng)與毛細(xì)作用  10.1 微機(jī)械加工中的毛細(xì)作用    10.1.1 MEMS中的毛細(xì)黏附    10.1.2 毛細(xì)黏附的控制  10.2 毛細(xì)作用驅(qū)動(dòng)的MEMS流體自組裝  10.3 平行板結(jié)構(gòu)在毛細(xì)力作用下的動(dòng)態(tài)特性第十一章  毛細(xì)波  11.1 毛細(xì)波現(xiàn)象  11.2 自由表面波的色散關(guān)系  11.3 自由表面波的特性分析及毛細(xì)波的概念參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：毛細(xì)力學(xué)很古老。早在13世紀(jì)人們就提出了毛細(xì)血管的概念，并從血液循環(huán)的角度試圖認(rèn)識(shí)毛細(xì)作用的規(guī)律。毛細(xì)力學(xué)也很現(xiàn)代。直到當(dāng)今的21世紀(jì)，人們還在不斷地探索不同領(lǐng)域中的毛細(xì)作用，如微／納米領(lǐng)域的毛細(xì)作用、表面科學(xué)中的毛細(xì)作用等。毛細(xì)力學(xué)很傳統(tǒng)。該門科學(xué)幾乎是和傳統(tǒng)的牛頓力學(xué)同時(shí)代誕生，并隨傳統(tǒng)的牛頓力學(xué)一同發(fā)展起來(lái)的，許多規(guī)律也都是以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)的。毛細(xì)力學(xué)也很時(shí)尚。當(dāng)代的許多新型交叉學(xué)科或者從毛細(xì)力學(xué)衍生而出，或者與毛細(xì)力學(xué)緊密關(guān)聯(lián)，如納米科學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)科學(xué)、材料科學(xué)、界面化學(xué)等，都是與毛細(xì)力學(xué)緊密關(guān)聯(lián)的。毛細(xì)力學(xué)的最基本原理很簡(jiǎn)單也很淺顯。毛細(xì)力學(xué)的最基礎(chǔ)的概念就是表面張力，或表面自由能；毛細(xì)現(xiàn)象的解釋也多是以表面張力或表面自由能為基礎(chǔ)的。毛細(xì)力學(xué)的規(guī)律卻又極其復(fù)雜深?yuàn)W。由于決定表面張力或表面自由能特性的是分子層面的作用力。由于一對(duì)分子之間的作用規(guī)律就已經(jīng)很復(fù)雜，而需要探討一群分子間的相互作用，無(wú)論是從非矢量的能量角度還是從矢量的力的角度，都極其復(fù)雜。不僅物理作用上極為復(fù)雜，而且數(shù)學(xué)形式上也極為復(fù)雜。即使從唯象學(xué)的角度看，一個(gè)一般形態(tài)的物質(zhì)的作用，其規(guī)律也很復(fù)雜。毛細(xì)現(xiàn)象很普通也很尋常。將一個(gè)較細(xì)的玻璃管插到諸如水的液體中，就會(huì)看到液體在玻璃管中上升；用吸管蘸上肥皂液就會(huì)吹出色彩斑斕的氣泡。孩子們都可以做這樣的實(shí)驗(yàn)。毛細(xì)現(xiàn)象卻又蘊(yùn)含著極其豐富的科學(xué)道理。小到燈芯吸油的燃燒、海綿的吸水，大到農(nóng)作物植物的生長(zhǎng)、水土的保持、天文氣象中的人工降雨，無(wú)一不涉及基本的毛細(xì)作用。

編輯推薦

《毛細(xì)力學(xué)》是在微／納機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)(MEMS／NEMS)飛速發(fā)展的時(shí)代對(duì)毛細(xì)現(xiàn)象及其作用的重新認(rèn)識(shí)和思考，并按由淺入深、由概念到理論、由基礎(chǔ)到應(yīng)用、由傳統(tǒng)到現(xiàn)代的思路和原則進(jìn)行編寫?！睹?xì)力學(xué)》共分十一章，主要內(nèi)容包括：傳統(tǒng)毛細(xì)現(xiàn)象和作用的認(rèn)識(shí)歷程；表面張力及液體彈性的概念及測(cè)量方法；接觸角、潤(rùn)濕的概念及其特性；Young—Laplace方程及應(yīng)用；Kelvin方程及應(yīng)用；表面張力梯度的概念及Marangom效應(yīng)；毛細(xì)流動(dòng)；液橋的概念及其作用；毛細(xì)力學(xué)在微機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用；毛細(xì)波等。 《毛細(xì)力學(xué)》可供高等學(xué)校機(jī)械、機(jī)械電子工程、力學(xué)、物理等專業(yè)的師生閱讀，也可供科研機(jī)構(gòu)從事相關(guān)研究的科技人員參閱。

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