毛細力學

前言

近年來，微／納米科學不斷發(fā)展，微／納米技術不斷進步，不論在材料、結構上，還是在系統(tǒng)上都相繼涌現(xiàn)了眾多高科技的概念和實體成果。它們有的已經應用于工業(yè)化和信息化的商品生產中，有的已具有極大的應用前景和潛力。由于微／納米科學的尺度量級在微米和納米量級。既不同于傳統(tǒng)的毫米以上肉眼可見的宏觀尺度，也不同于傳統(tǒng)的物理化學層面的肉眼不可見的分子原子尺度。因此長期以來，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”。然而這個尺寸卻是宏微過渡的尺寸、宏微聯(lián)系的尺寸，也是界面和表面作用的尺寸。在這個尺寸量級，涉及許多生產和生活中的問題。界面的連接，表面的吸附，界面的黏附，機械的潤滑、摩擦、磨損，表面的污染和清洗，表面的腐蝕等，都與這個尺度的作用有關。特別是當機械、結構本身的尺寸都微小化到這個量級的時候，其不同物質的“相”或“態(tài)”的相互作用就更加顯著了。因此，這個尺度的問題是值得研究并深入認識的問題。毛細作用由于源于微觀分子間力的作用，而又表現(xiàn)為宏觀肉眼可見的現(xiàn)象，因此其跨越的尺度很大。傳統(tǒng)的毛細理論多是基于宏觀唯象學的研究，如熱力學理論、能量理論、流體力學理論等，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毛細現(xiàn)象機理的影響，很少涉及微納米尺度的量級。然而由于毛細作用本身涉及氣、液、固三種“相”和“態(tài)”，同時又是以表面、界面作用為主，因此其作用對微納米尺度而言是很強的。從這個角度講，毛細現(xiàn)象及毛細作用既有重新認識的需要，也有深入研究的必要。本書正是從這個角度出發(fā)來撰寫的。

內容概要

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

書籍目錄

前言主要符號說明緒論第一章  毛細現(xiàn)象與毛細作用  1.1 毛細現(xiàn)象與作用  1.2 微／納機電系統(tǒng)中的毛細作用  1.3 毛細力學的發(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 內聚與黏附  2.6 界面層及表面力  2.7 化學勢    2.7.1 化學勢的概念    2.7.2 化學勢與溫度壓力的關系    2.7.3 化學勢在相變中的應用    2.7.4 理想氣體化學勢第三章  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 物質種類對表面張力的影響    3.4.2 界面的影響    3.4.3 溫度對表面張力的影響    3.4.4 密度對表面張力的影響    3.4.5 壓力對表面張力的影響  3.5 液體的表面、界面張力的測量方法    3.5.1 毛細管上升法    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 用滴重計法測量液體的表面張力  3.6 測定固體表面張力的方法    3.6.1 臨界表面張力測定法    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微控全自動界面張力儀測表面張力實例    3.7.1 結構和工作原理    3.7.2 試驗前的準備工作    3.7.3 儀器的校驗    3.7.4 液體的表面張力和界面張力的測量    3.7.5 對實際張力的校正    3.7.6 注意事項  3.8 液體的彈性——液體拉伸虎克定律    3.8.1 拉伸過程的線性特征    3.8.2 拉伸過程的可恢復性    3.8.3 液體單位面積的最大拉力與面積無關    3.8.4 液體拉伸的虎克定律第四章  接觸角與潤濕  4.1 基本概念    4.1.1 接觸角    4.1.2 潤濕的概念    4.1.3 潤濕現(xiàn)象的微觀解釋  4.2 影響接觸角的因素    4.2.1 表面粗糙度對接觸角的影響    4.2.2 表面材料組成對接觸角的影響    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 三相線的力學平衡關系及Young方程  4.5 潤濕的類型    4.5.1 沾濕    4.5.2 浸濕    4.5.3 鋪展  4.6 接觸角的測量原理或方法    4.6.1 測高法測量接觸角原理    4.6.2 量角法測量接觸角的原理    4.6.3 鏡面反射法    4.6.4 平行光束法    4.6.5 毛細管上升下降法來推算接觸角    4.6.6 測力法測量接觸角的原理  4.7 基于量角法原理的接觸角測定儀測量方法    4.7.1 JYSP—180接觸角測定儀結構組成    4.7.2 儀器的安裝和使用第五章  Young-Laplace方程及應用  5.1 Young—Laplace方程  5.2 毛細管中的液體高度的Jurin準則  5.3 兩板問的液橋力  5.4 水流散落成水珠第六章  Kelvin方程及應用  6.1 Kelvin方程  6.2 Kelvin方程的應用    6.2.1 毛細孔凝結    6.2.2 人工降雨    6.2.3 彎月形半徑的計算  6.3 亞穩(wěn)定狀態(tài)和新相的生成    6.3.1 過飽和蒸氣    6.3.2 過熱液體    6.3.3 過冷液體    6.3.4 過飽和溶液第七章  表面張力梯度與Marangoni效應  7.1 表面張力梯度  7.2 Marangoni效應  7.3 Marangoni效應對幾種現(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對流  7.5 Marangoni對流的流態(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)值計算    7.6.4 Marangoni對流流場的顯示    7.6.5 間接測量方法  7.7 Marangoni對流的理論分析綜述第八章  毛細動力學  8.1 Hagen—Poiseuille方程  8.2 毛細流動的速率  8.3 毛細動力學方程  8.4 毛細流動過程及階段劃分    8.4.1 毛細流動過程的不同階段    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 液橋的邊緣效應第十章  微機電系統(tǒng)與毛細作用  10.1 微機械加工中的毛細作用    10.1.1 MEMS中的毛細黏附    10.1.2 毛細黏附的控制  10.2 毛細作用驅動的MEMS流體自組裝  10.3 平行板結構在毛細力作用下的動態(tài)特性第十一章  毛細波  11.1 毛細波現(xiàn)象  11.2 自由表面波的色散關系  11.3 自由表面波的特性分析及毛細波的概念參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：毛細力學很古老。早在13世紀人們就提出了毛細血管的概念，并從血液循環(huán)的角度試圖認識毛細作用的規(guī)律。毛細力學也很現(xiàn)代。直到當今的21世紀，人們還在不斷地探索不同領域中的毛細作用，如微／納米領域的毛細作用、表面科學中的毛細作用等。毛細力學很傳統(tǒng)。該門科學幾乎是和傳統(tǒng)的牛頓力學同時代誕生，并隨傳統(tǒng)的牛頓力學一同發(fā)展起來的，許多規(guī)律也都是以牛頓力學為基礎的。毛細力學也很時尚。當代的許多新型交叉學科或者從毛細力學衍生而出，或者與毛細力學緊密關聯(lián)，如納米科學、微機電系統(tǒng)科學、材料科學、界面化學等，都是與毛細力學緊密關聯(lián)的。毛細力學的最基本原理很簡單也很淺顯。毛細力學的最基礎的概念就是表面張力，或表面自由能；毛細現(xiàn)象的解釋也多是以表面張力或表面自由能為基礎的。毛細力學的規(guī)律卻又極其復雜深奧。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。由于一對分子之間的作用規(guī)律就已經很復雜，而需要探討一群分子間的相互作用，無論是從非矢量的能量角度還是從矢量的力的角度，都極其復雜。不僅物理作用上極為復雜，而且數(shù)學形式上也極為復雜。即使從唯象學的角度看，一個一般形態(tài)的物質的作用，其規(guī)律也很復雜。毛細現(xiàn)象很普通也很尋常。將一個較細的玻璃管插到諸如水的液體中，就會看到液體在玻璃管中上升；用吸管蘸上肥皂液就會吹出色彩斑斕的氣泡。孩子們都可以做這樣的實驗。毛細現(xiàn)象卻又蘊含著極其豐富的科學道理。小到燈芯吸油的燃燒、海綿的吸水，大到農作物植物的生長、水土的保持、天文氣象中的人工降雨，無一不涉及基本的毛細作用。

編輯推薦

《毛細力學》是在微／納機電系統(tǒng)技術(MEMS／NEMS)飛速發(fā)展的時代對毛細現(xiàn)象及其作用的重新認識和思考，并按由淺入深、由概念到理論、由基礎到應用、由傳統(tǒng)到現(xiàn)代的思路和原則進行編寫?！睹毩W》共分十一章，主要內容包括：傳統(tǒng)毛細現(xiàn)象和作用的認識歷程；表面張力及液體彈性的概念及測量方法；接觸角、潤濕的概念及其特性；Young—Laplace方程及應用；Kelvin方程及應用；表面張力梯度的概念及Marangom效應；毛細流動；液橋的概念及其作用；毛細力學在微機電系統(tǒng)中的應用；毛細波等。 《毛細力學》可供高等學校機械、機械電子工程、力學、物理等專業(yè)的師生閱讀，也可供科研機構從事相關研究的科技人員參閱。

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