表面范文10篇

表面范文篇1

1．理解圆柱的侧面积和表面积的含义．

2．掌握圆柱侧面积和表面积的计算方法．

3．会正确计算圆柱的侧面积和表面积．

教学重点

理解求表面积、侧面积的计算方法，并能正确进行计算．

教学难点

能灵活运用表面积、侧面积的有关知识解决实际问题．

教学过程

一、复习准备

（一）口答下列各题（只列式不计算）．

1．圆的半径是5厘米，周长是多少？面积是多少？

2．圆的直径是3分米，周长是多少？面积是多少？

（二）长方形的面积计算公式是什么？

（三）回忆圆柱体的特征．

二、探究新知

（一）圆柱的侧面积．

1．学生讨论：圆柱的侧面展开图（是长方形）的长、宽和圆柱底面周长、高的关系．

2．小结：因为长方形的面积等于长乘宽，而这个长方形的长等于圆柱的底面周长，宽等于圆柱的高，长方形的面积就是圆柱的侧面积，所以圆柱的侧面积等于底面周长乘高．

（二）教学例1．

1．出示例1

例1．一个圆柱，底面的直径是0.5米，高是1.8米，求它的侧面积．（得数保留两位小数）

2．学生独立解答

教师板书：3.14×0.5×1.8

＝1.75×l.8

≈2.83（平方米）

答：它的侧面积约是2.83平方米．

3．反馈练习：一个圆柱，底面周长是94.2厘米，高是25厘米，求它的侧面积．

（三）圆柱的表面积．

1．教师说明：圆柱的侧面积加上两个底面积就是圆柱的表面积．

2．比较圆柱体的表面积和侧面积的区别．

圆柱的表面积是指圆柱表面的面积，是侧面积加上两个底面积，而侧面积是指圆柱侧面的面积；表面积包含着侧面积．

（四）教学例2．

1．出示例2

例2．一个圆柱的高是15厘米，底面半径是5厘米，它的表面积是多少？

2．学生独立解答

侧面积：2×3.14×5×15＝471（平方厘米）

底面积：3.14×＝78.5（平方厘米）

表面积：471＋78.5×2＝628（平方厘米）

答：它的表面积是628平方厘米．

3．反馈练习：一个圆柱，底面直径是2分米，高是45分米，求它的表面积．

（五）教学例3．

1．出示例3

例3．一个没有盖的圆柱形铁皮水桶，高是24厘米，底面直径是20厘米，做这个水桶要用铁皮多少平方厘米？（得数保留整百平方厘米）

2．教师提问：解答这道题应注意什么？

这道题是求做这个水桶要用铁皮多少平方厘米．实际上是求这个圆柱形水桶的表面积．题里告诉我们的“一个没有盖的圆柱形铁皮水桶”，计算时就是用侧面积加上一个底面积．

3．学生解答，教师板书．

水桶的侧面积：3.14×20×24＝1507.2（平方厘米）

水桶的底面积：3.14×

＝3.14×

＝3.14×100

＝314（平方厘米）

需要铁皮：1507.2＋314＝1821.2≈1900（平方厘米）

答：做这个水桶要用1900平方厘米．

4．教师说明：这里不能用“四舍五入”法取近似值．在实际中，使用的材料都要比计算得到的结果多一些．因此，要保留整百平方厘米，省略的十位上即使是4或比4小，都要向前一位进1．这种取近似值的方法叫做进一法．

5．“四舍五入”法与“进一法”有什么不同．

（1）“四舍五入”法在取近似值时，看要保留位数的后一位，是5或比5大的舍去尾数后向前一位进一，是4或比4小的舍去．

（2）“进一法”看要保留位数的后一位，是4或比4小的舍去尾数后都向前一位进一．

三、课堂小结

这节课我们所研究的例1、例2、例3都是有关圆柱表面积的计算问题．圆柱的表面积在实际应用时要注意什么呢？

归纳：圆柱的表面积，在实际应用时，要根据实际需要计算各部分的面积，必须灵活掌握．如油桶的表面积是侧面积加上两个底面积；无盖的水桶的表面积是侧面积加上一个底面积；烟筒的表面积只求侧面积．另外，在生产中备料多少，一般采用进一法，就是为了保证原材料够用．

四、巩固练习

（一）求出下面各圆柱的侧面积．

1．底面周长是1.6米，高是0.7米

2．底面半径是3.2分米，高是5分米

（二）计算下面各圆柱的表面积．（单位：厘米）

（三）拿一个茶叶桶，实际量一下底面直径和高，算出它的表面积．（有盖和无盖两种）

五、课后作业

（一）砌一个圆柱形的沼气池，底面直径是3米，深是2米．在池的周围与底面抹上水泥，抹水泥部分的面积是多少平方米？

（二）一个圆柱的侧面积是188.4平方分米，底面半径是2分米，它的高是多少分米？

六、板书设计

探究活动

面包的截面

活动目的

培养学生的观察能力和操作能力，发展学生的空间观念．

活动题目

有一个圆柱形的面包，要切一刀把它分成两块，截面会是什么形状的图形？

活动过程

1、学生分组讨论．

2、利用橡皮泥捏一个圆柱体，进行实验，验证结论．

3、画出截面图，表示结论，发展空间观念．

参考答案

1、沿水平方向横切一刀，截面是圆形．（如图1）

2、沿垂直方向纵切一刀，截面是一个长方形．（如图2）

3、沿侧面斜切一刀，会形成大小不一的椭圆形．（如图3）

表面范文篇2

关键词TK聚合物砂浆混凝土表面修补加固施工方法质量控制注意事项

1概况

1999年12月～2000年4月，笔者对淮海农场混凝土建筑物进行了全面调查，并用回弹仪测验了建筑物的混凝土强度，用酸酞试液测验了碳化深度。通过调查发现，现有混凝土建筑物耐久性不良。主要表现在：①混凝土碳化和裂缝问题普遍存在；②沿海地区钢筋混凝土结构受氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀严重；③临水混凝土表面冻融松散剥落破坏；④混凝土表面冲磨破坏、机械磨损、磨蚀破坏以及化学侵蚀；⑤碱骨料反应破坏等。这些问题严重影响混凝土建筑物寿命和外观，甚至危及混凝土建筑物的正常运行和安全。为了提高混凝土建筑物的耐久性，延长建筑物的使用寿命，其后我们对淮海农场内的3座大梁混凝土剥落且有露筋现象的公路桥、15座出现大面积混凝土碳化且钢筋锈蚀严重的农田排灌泵站的工作桥、5座出现大面积混凝土剥落、碳化和钢筋锈蚀严重的节制闸机架桥等工程采用TK聚合物砂浆(由水利部天津水利水电勘测设计研究院科学研究所研制)进行修补加固，总面积达3050m2，防碳化喷涂面积约3400m2。经过现场检查验收，没有发现因材料或施工原因而出现裂缝现象，防碳化涂层没有发现脱落起皮现象。在施工中，我们曾对只有3d龄期修补砂浆进行凿除检查，结果凿除的砂浆普遍能粘下老混凝土面。经过2a的多次运行，没有发现脱落和出现裂缝现象，这说明TK聚合物砂浆是一种理想的修补材料。

2TK聚合物砂浆的主要性能及适用范围

TK聚合物砂浆是一种新型的混凝土表面修补材料，是以少量水溶性聚合物改性剂，再掺入一定量的活性成分、膨胀成分而配制成的TK聚合物防渗、防碳化、防腐砂浆。由于聚合物及活性成分的掺入，改善了聚合物水泥砂浆的物理、力学及耐久性能。主要体现在：

(1)活性作用。聚合物乳液中有表面活性剂，能够起减水作用。同时对水泥颗粒有分散作用，改善砂浆和易性，降低用水量，从而减少水泥的毛细孔等有害孔，提高砂浆的密实性和抗渗透能力。

(2)桥键作用。聚合物分子中的活性基因与水泥水化中游离的Ca2＋、Al3＋、Fe2＋等离子进行交换，形成特殊的桥键，在水泥颗料周围发生物理、化学吸附，成连续相，具有高度均一性，降低了整体的弹性模量，改善了水泥浆物理的组织结构及内部应力状态，使得承受变形能力增加，产生微隙的可能性大大减少。即使产生微裂隙，由于聚合物的桥键作用，也可限制裂缝的发展。

(3)充填作用。聚合物乳液迅速凝结，形成坚韧、致密的薄膜，填充于水泥颗粒之间，与水泥水化产物形成连续相填充空隙，隔断了与外界联系的通道。

总之，TK聚合物的活性作用、桥键作用、充填作用改善了硬化水泥浆体的物理结构及内应力，降低了整体的弹性模量、减少用水量、改善了硬化水泥浆体内部毛细孔等有害孔，从而大大提高了砂浆的粘结、抗裂、抗渗及抗腐蚀等性能。TK聚合物砂浆性能指标如表1所示。

从表1可以看出，与普通砂浆相比，TK聚合物砂浆具有抗拉强度高、拉压弹性模量低、干缩变形小、抗冻、抗渗、抗冲耐磨，与混凝土粘结强度高，具有一定的弹性，抗裂性能高。与环氧砂浆相比，还具有施工工艺简单、操作方便、无毒、成本低(是环氧砂浆的1／3～1／5)等优点。适用于水工、港工、公路、交通及地下工程的混凝土建筑物因碳化、空蚀、冻融破坏及化学侵蚀而引起的混凝土表层开裂、剥蚀等混凝土表面薄层修补，可直接用于防渗、防腐、防碳化工程，也可用于建筑瓷砖粘贴和卫生间防渗。

3TK聚合物砂浆施工及质量控制

采用TK聚合物砂浆进行修补加固处理时，应根据当地的气候条件、工程特点及施工进度合理组织施工。施工流程为：旧混凝土凿毛→喷砂(或用钢刷)除锈(污)→涂刷钢筋防锈剂→用清水冲洗饱和→基面涂刷TK界面剂→抹TK聚合物砂浆→养护→涂防碳化剂。

3.1基底处理

(1)凿毛。为确保TK聚合物砂浆与基底混凝土具有良好的粘结，一般用钢丝刷或喷砂方法清除表面浮层污物(有油漆或油脂污染部位用丙酮洗刷)。如基面松动严重，应采用人工凿毛方法，凿掉破损的混凝土，使基底露出坚硬、牢固的混凝土面，凿毛必须彻底全面，但也不宜深度过大，以免破坏了未碳化和损破的混凝土。如果钢筋锈蚀外露，还应对钢筋表面进行除锈，并涂刷钢筋防锈剂。

(2)饱和。对凿除的混凝土表面，采用高压水枪(采用饮用水)将碎屑、灰尘冲洗干净，并连续、均匀地喷洒，使表层混凝土达到饱和状态，且表面无明水。

3.2砂浆的配制

根据选用的原材料、设计技术及施工和易性要求事先进行试拌。现场可用砂浆搅拌机拌和或人工拌和，其各组分的配比用量必须严格控制。

先将称好的水泥、砂搅拌均匀，再将称好的TK改性乳液、活性剂及其他外加剂和水混合后加入，充分搅拌均匀即可。各组分配比必须严格控制。若人工拌和，宜在铁皮板上进行，以防止拌和水流失，造成因砂浆水灰比改变而影响砂浆的和易性，拌和水应采用饮用水。

每次拌和砂浆的方法应根据砂浆施工的进度确定。拌和成的砂浆存放的时间不宜超过45min。若拌成砂浆未及时使用而出现干硬现象，不能再加水重新拌和，应舍弃不用。

3.3施工

(1)TK界面剂的涂刷。抹砂浆之前，在工作基面上涂刷聚合物界面改性剂，涂刷时应均匀，不得有漏涂、流淌。

(2)TK砂浆抹面施工。待TK界面剂用手摸感到似粘非粘时，应立即抹砂浆，可采用机械喷涂或人工压抹，操作速度要快，且朝一个方向，一次用力抹平，避免反复抹。

(3)如修补厚度超过3cm时，应分层施工。层与层之间应间隔4h；对于破坏较深的部位(大于5cm)，可先采用TK聚合物混凝土进行修补，养护3～5d后，再抹TK砂浆。

TK砂浆适宜在5～30℃的环境温度下进行施工。如环境温度超出此范围，应根据实际情况对材料及配比进行调整。

3.4养护

用TK砂浆抹面后，应及时采用人工洒水并用塑料布或湿麻袋覆盖养护，避免砂浆产生干缩裂缝，潮湿养护48h后，再涂刷TK防碳化剂，自然潮湿养护5d。

3.5施工控制

(1)为保证TK砂浆的施工质量，必须建立、健全质量保证体系。施工人员应严格按操作程序，对各道工序进行检查验收。

(2)TK砂浆层外观平整，层面与基底结合牢靠。

(3)在施工过程中按设计要求进行现场抽样检验，必要时可现场进行钻孔取芯试验，以检查其效果。

4施工注意事项

4.1清理基面，凿除破损、松动的混凝土，喷砂(或用钢刷)除锈和油污，使外露钢筋表面无锈蚀，且混凝土表面粗糙。

4.2抹砂浆前2h，用饮用水冲洗待修补部位，使混凝土表面处于饱和状态，但表面不能有明水。

4.3人工修补时，无论采用机械喷涂还是人工抹砂浆，应朝一个方向使用抹刀，并且尽量一次抹完，避免来回抹。如修补厚度超过3cm时，应分层抹，层与层之间应间隔3～4h，每层厚度不超过2cm。

4.4修补砂浆养护48h后再涂混凝土防碳化剂。

5结语

TK聚合物砂浆是一种质量可靠、价格低廉、施工方便，而且无毒环保性修补材料，可以提高混凝土的耐久性，延长建筑物的使用寿命，可以防止混凝土病害的继续扩大，对新建混凝土工程采取预防性措施。TK聚合物砂浆具有粘结强度高，干缩变形小，抗压模量低，抗氯离子和硫酸盐离子侵蚀能力强的特点，而且可显著提高护筋阻锈能力，还具有一定的补偿收缩性能。采用TK聚合物砂浆进行修补加固处理时，应根据当地的气候条件、工程特点及施工进度合理组织施工。

参考文献

〔1〕张文渊.混凝土建筑物耐久性不良的原因及其对策.工程设计.1998(3)

表面范文篇3

【关键词】不规则；壳体；外表面；检测技术

1不规则曲面壳体外表面检测研制背景

目前铸件企业在加工不规则曲面壳体时，对于批量生产的不规则曲面壳体零件，尤其是由模具冲压或者注射成型的不规则曲面壳体零件，企业通常的做法是在试产阶段抽检部分产品，抽检时也只能对其不规则曲面上的一些重要参数进行检测，不能对不规则曲面壳体做到精确检测。目前检测不规则曲面壳体零件所用的方法主要分两种：一种方法是采用三坐标测量仪进行检测；另一种方法是采用普通的卡尺或千分尺，配合一些专门的量具进行检测。无论采用哪种检测方法，都是通过一个点一个点的进行检测，检测效率较低，并且存在人为偏差，更主要的是无法快速完成大批量不规则曲面壳体的检测，不适合大批量生产和连续生产的需要。另外，三坐标测量仪价格昂贵，专门量具的制作也需要花费较大资金。目前所用检测技术存在技术缺陷，而且效率低、成本高。因此急需一种可以实现对批量不规则曲面壳体外表面连续检测的技术。

2不规则曲面壳体外表面检测技术的研制

2.1技术概述

不规则曲面壳体外表面检测技术所要解决的核心问题就是针对不规则曲面壳体外表面检测技术面临的技术缺陷，研制一种结构简单、操作方便、效率高且造价成本低，并且既能满足批量连续，又能一次性完成整个不规则曲面壳体外表面检测的装置。不规则曲面壳体外表面检测装置主要由底板、顶板、滑板、检测气缸、检测机构、模数转换器以及工控PC组成。具体结构如图1所示。底板位于不规则曲面壳体外表面检测装置的最底端，板面上有导向垂直的四根导向柱；顶板固定于导向柱的顶端，顶板上配有升降开关，用来控制顶杆上下移动；滑板套接在四根导向柱上且能沿导向柱上下滑动，同时滑板和顶板均与底板平行；检测气缸固定于顶板上，气缸上设有顶杆，顶杆的底端与滑板固定相连；若干个高度检测机构设置于滑板之上；模数转换器以及工控PC与主机之间通过数据接口相连，每个高度检测机构均连接一组信号线，每组信号数传线的另外一端均与模数转换器相连。不规则曲面壳体外表面检测装置上的高度检测机构又包括调节螺栓、滑套、上滑块、下滑块、压力检测弹簧、滑杆等部件。调节螺栓插于上述滑板中，调节螺栓通过外螺纹与滑板链接；滑套固定于调节螺栓底面之上，另外滑套顶端固定有压力传感器；上滑块置于滑套内，在滑套的高度方向自由滑动；下滑块也置于上滑块下方的滑套内，同时也在滑套的高度方向自由滑动；压力检测弹簧，顶端与上滑块相连，底端与下滑块相连；滑杆的顶端插于滑套中并与下滑块固定相连，底部伸出于滑套之外，与压力传感器连接，压力传感器上设有一组信号线，该组信号线的一端与压力传感器相连，另外一端与模数转换器相连，这样即可实现全过程的不规则曲面壳体外表面检测。

2.2技术原理

选取一个不规则曲面壳体，将不规则曲面壳体置于不规则曲面壳体外表面检测装置底板上，并将曲面壳体进行定位；然后确定曲面壳体的检测点，根据检测点的位置确定高度检测机构的位置和数量，使高度检测机构与检测点的数量相等并一一对应，这时高度检测机构位于曲面壳体的检测点的正上方；再确定检测气缸顶杆的行程，确保顶杆移动至最下方的时候，滑板上的每个滑杆均压紧于检测点上，且每个滑杆对曲面壳体的压力适中。由于每个滑杆均挤压于相对应的检测点上，因此滑杆会给下滑块一个向上的压力。该压力经过压力检测弹簧和上滑块的传递后，最终传递到该检测点所对应的高度检测机构中的压力传感器上。该压力传感器会产生一个电流信号，通过信号线传递给模数转换器，从而得到一个数字信号。该数字信号的数值与该检测点的高度相对应。同理，其他检测点的高度也会对应有一个数字信号。也就是说，曲面壳体上的每个检测点均会对应有一个相应的数字信号，每个检测点所对应的数字信号的数值即为该检测点高度的标准值。每个检测点的标准值确定之后，根据每个检测点的误差范围即可通过实验的方式确定每个检测点所对应的数字信号的数值范围，该数值范围即为标准数值范围。之后，将该标准数值范围记录于工控PC的主机中，作为曲面壳体的数据库。将不规则曲面壳体置于不规则曲面壳体外表面检测装置底板上后按下升降开关，启动检测气缸，使顶杆下移。顶杆在下移的过程中会带动滑板和高度检测机构下移，当顶杆移动至最下方的时候，每个高度检测机构上的滑杆均压紧于待检测曲面壳体上的检测点上。此时，每个高度检测机构中的压力传感器均会产生一个电流信号，相应的每个电路信号经过模数转换器转换后产生一个数字信号。工控PC的主机则会将每个数字信号与数据库中的标准数值范围比对，若所有的数字信号的数值均没有超出标准数值范围，则该待检测的不规则曲面壳体为合格品，若有一个检测点或多个检测点的数字信号的数值超出了标准数值范围，则该待检测的不规则曲面壳体为不合格产品。为了便于操作人员确认合格品和非合格品，整个比对过程可以在工控PC的显示器上显示出来，比对之后的产品是否为合格品也可以在显示器上显示出来，达到清晰直观的目的，有利于提高批量检测的效率和水平。

2.3实施方式

该不规则曲面壳体外表面检测技术所用的装置以底板为基础构件，其他构件直接或间接的设于底板上。底板上固定的四根导向柱垂直于底板，导向柱的顶端固定有一块顶板，导向柱上套接有一块滑板，滑板和顶板均与底板平行。当滑板受到外力驱动的时候，能沿导向柱上下自由滑动。顶板上固定有一个检测气缸，检测气缸上设有顶杆，顶杆的底端与滑板固定相连，启动检测气缸顶杆就会上下滑动，顶杆上下滑动的时候则会带动滑板沿导向柱上下滑动。为了对检测气缸进行升降控制，顶板上还固定一个升降开关。操作人员通过对升降开关的操作即可实现对检测气缸的操控。滑板上固定有若干个高度检测机构，高度检测机构包括调节螺栓，调节螺栓插入于滑板中，调节螺栓上设有外螺纹，调节螺栓与滑板之间的连接方式为螺纹连接。因此，拧动调节螺栓转动即可改变调节螺栓的高度，进而改变整个高度检测机构的高度，从而实现对高度检测机构在高度上的调节。调节螺栓的底面固定有滑套，滑套的顶端固定有压力传感器，滑套内还设有上滑块和下滑块。上滑块和下滑块均与滑套相匹配，并能沿滑套的高度方向自由滑动。上滑块和下滑块之间设有一根压力检测弹簧，压力检测弹簧的顶端与上滑块相连，底端与下滑块相连。下滑块的下方固定有一根滑杆，滑杆的底部伸出滑套之外。当滑板在检测气缸顶杆的带动下发生下移时，滑杆的底端就会与曲面壳体的外表面相接触。在接触的过程中，压力检测弹簧会受到挤压，而受到挤压之后的压力检测弹簧在其弹力的作用下，就会驱动上滑块对压力传感器进行挤压，受到挤压之后的压力传感器就会根据受到的压力大小而产生一个电流信号。为了将压力传感器受到挤压之后的电流信号传递出去，压力传感器上设有一组信号线。该组信号线的一端与压力传感器相连，另外一端与模数转换器相连。模数转换器则通过数据接口与主机相连。通过上述步骤即可完成对不规则曲面壳体外表面的检测。该不规则曲面壳体外表面检测装置的每个调节螺栓上均设有两个锁紧螺母。两个锁紧螺母分别设于滑板上方和下方，因此，松开两个锁紧螺母就能对调节螺栓在高度上进行微调，有利于定期对本检测装置进行校核。微调完成后再次将两个锁紧螺母拧紧即可。滑杆的底端均设有一个尖锥，因而能有效降低滑杆与检测点的接触面积，从而获得更加精确的检测数值。滑套的底端设有一块环形挡块，能避免滑杆从滑套中脱出。检测装置的底板上均布有三个以上用于给曲面壳体进行定位的定位销，可以便于对待检测的曲面壳体实现快速定位。

3不规则曲面壳体外表面检测技术的价值和应用

表面范文篇4

关键词：非规则表面；逆向设计；自动曲面拟合

逆向设计过程即对产品实物或样件进行数据采集、数据处理，利用三维逆向造型设计软件对实物或样件进行数字化CAD模型重构，并进一步用CAD/CAE/CAM系统实现分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。相较于正向设计零基础设计周期长，逆向设计优势在于利用已有的模型数据进行外观及功能的修改和更新，可大大提高设计效率，减少设计难度。逆向设计一般流程如图1所示，其中数据采集、数据处理、模型重构是产品逆向设计的三大关键环节。本文主要围绕非规则表面瓶体，研究在其上进行逆向设计的技术关键问题。

1数据采集

1.1瓶体特点。本文中研究的两个瓶体表面均为曲面或非规则瓶体，主要形状均为回转体。瓶体A（如图2）表面为流畅的曲线线条，瓶身一部分有凹凸的花草造型，花草造型比较生动，呈不规则形状，如果采用正向建模，需要具有较高的绘画基础，一定的艺术基础。瓶体B（如图3）瓶身上窄下宽，整体比例和谐优美，瓶身表面呈凹凸曲线型，表面花纹无规则。如果利用这两个瓶体进行创新设计，快速获取瓶体整体造型CAD数字化模型是关键一步，因此，以上两个瓶体特点可以代表一部分的非规则表面瓶体。1.2数据采集要求。由于两个瓶体并非完全对称，不适合采用扫描部分数据并阵列的操作，需要将瓶身整体数据完整扫描。考虑到所用手持扫描仪的扫描精度，其中瓶体A扫描时需要着重将凹凸的花草造型进行扫描以保证在后续数据处理及实体化时最大程度保留细节。瓶体B扫描时需要将凹陷处的数据扫描完整，花纹拐角的细节处扫描完整。两瓶体的瓶口瓶身均为规则圆形，因此在扫描时此部分的扫描数据可以不要求完全呈现。1.3数据采集操作。数据采集主要分为采集准备工作及采集过程两部分。采集准备工作需要进行扫描仪的校准，标定点的粘贴以保证后续扫描数据的精准；采集过程中需要随时注意数据采集情况并将数据缺失的部分进行二次采集以使数据达到完整程度。由于本文中的实物为非规则表面，因此在实际数据采集时需要格外注意事物表面凹凸的细节部位及衔接拐角部位。（1）前期准备工作。为了保证实物数据采集时的精度，在实物扫描开始前须进行扫描仪的校准。本次扫描采用的是Handyscan300手持式扫描仪，扫描时需要保证实物放置的平面光滑无反光，避免对扫描过程及扫描结果产生干扰，再次可将深色绒布放置在扫描平面上。在实物标定点的粘贴上，要遵循数量、位置适宜并且尽量避开有明显特征部位的规则。数量过多会对表面扫描数据造成影响，数量过少可能造成公共点过少从而无法过渡的问题，保证每个扫描面与下一个扫描面有3至5个公共点即可。粘贴位置需无规律，避免扫描时由于标定点位置相似导致无法扫描。（2）实物数据采集。开始扫描时，需找到实物最佳摆放位置并摆放稳固，以保证能够扫描到尽可能多的标定点以便后续扫描过渡。扫描时需要随时注意软件显示界面，观察扫描数据情况，注意扫描仪与实物的距离，控制扫描仪扫描范围。在实物整体扫描完成后可暂停扫描，通过软件查看扫描数据情况，对于扫描数据不完整的细节处应当进行二次扫描，以保证获得完整的表面数据。（3）数据采集结束。在实物数据采集完成后关闭扫描仪，可以预先将多余杂点删除后，再保存扫描数据以便后续数据处理。1.4数据采集要点对于类似瓶体A、瓶体B这一类的非规则曲面物体进行扫描时，前期数据采集阶段需要全面地观察实物瓶体特点，这样在后续粘贴标定点及扫描时能够更好地把握粘贴位置及扫描角度。粘贴标定点时数量一定要适宜，标定点数量过多并不会使扫描过程更加容易，反而容易造成后续扫描数据错乱。在标定点粘贴位置的选择上，尽可能选择光滑、表面特征较少的区域，尽可能保证特征部位数据的完整性。扫描过程中保证扫描仪与实物距离在规定范围内，实物摆放的初始位置需能够扫描到尽可能多的标定点以便后续扫描过程的过渡。瓶体A的花草细节在扫描时需要多次、多角度扫描，以使扫描数据尽可能完整；瓶体B的凹凸花纹同样需要多角度，必要的时候可借助橡皮泥使实物呈一定角度摆放，从而使拐角处等细节更易扫描到。

2数据处理

2.1数据处理要求。数据处理过程中要求与实物的瓶体特征保持一致，实体之外的杂点需要完全删除；表面无特征处需光滑；特征处的细节需要完整保留，不可一味追求光滑而失去必要的细节。2.2数据处理操作。在此以瓶体B举例。对于瓶体B表面不平整的区域可采用减少噪音（如图4）、删除钉状物（如图5）及砂纸（如图6）命令进行修复。对于如图7中底部点云缺失部位可利用填充单个孔命令进行修复，填充结果如图8。在全部操作完成后，可利用网格医生命令进行全面检查，如图9方框中所示仍存在一些细小的缺陷，应用网格医生后如图10所示，可达到较理想的修复效果。2.3数据处理要点。数据采集结束后进行保存并导入GeomagicStudio进-30-行数据处理。主要从删除体外孤点、降噪、删除钉状物、填充、网格医生等几个方面进行处理，将扫描完的原始数据中多余的杂点删除，缺失的细节处填充完整，最后得到表面光滑、完整且精度较高的扫描数据。需要特别注意的是在降噪、删除钉状物等步骤中需要将应该保留的细节处进行保留，不可一味追求表面光滑从而将微小的细节丢失。最后运用网格医生，检查细节处有无瑕疵并修整。此阶段需要尽可能保留所有细节，尤其是瓶体表面特征处。而瓶体内结构简单部位或上下表面为简单平面部位如果扫描数据不理想或缺失可大范围删除填充。数据处理程度越好，后续逆向设计将越精准。

3模型重构

针对以上两个非规则表面瓶体的逆向设计，为了保证与实物形状贴合精度尽量高，运用GeomagicDesignX软件中的自动曲面创建功能进行模型重构，如图13所示。曲面拟合操作过程中，系统会根据导入的实体数据自动拟合出网格，如图14所示。此时需要将数据放大仔细查看网格分布是否均匀合理，凹凸处的网格是否能够贴合数据本身，如出现过大或过小的网格可通过拖拽顶点处的格点进行调整，调整完成后可进行预览,如图15所示，查看拟合效果是否理想并进行二次调整。最终自动曲面创建效果如图16所示，偏差比较结果可见，创建的模型在允许的偏差范围内，模型效果非常理想。接下来在此基础上可以进行再设计，例如在瓶上增加文字，图案浮雕效果等，也可以参考重构的模型，为此设计底座等其他零件，即实现了创新设计。由于最后进行瓶体内部建模，两个瓶体为花瓶，内部为镂空结构，因此接下来可通过旋转命令对内部进行建模。

4创新设计

利用GeomagicDesignX软件可以为重构的花瓶数字化模型添加其他结构，另外，采用MaterialiseMagics软件也可以对重构的数字化模型进行创新设计，比如添加文字等等，创新设计结果如图17所示。

5结束语

逆向设计主要应用于产品外观表面的设计，本文中所研究的两个瓶体均为非规则表面瓶体，具有一定的代表性。前期数据采集阶段，扫描此类瓶体侧立面较易过渡，因此可先扫描侧立面特征较集中区域，再扫描上下底面。此类瓶体的特点是表面非规则、花纹较平整无尖角或明显凹陷。因此利用自动曲面拟合进行逆向设计相比其他方法将更加容易，精度也将更高。并且适当灵活地对拟合网格进行调整最终也能实现较理想的拟合结果。

参考文献：

[1]成思源.杨雪荣.GeomagicStudio逆向建模及应用技术[M].清华大学出版社，2016，8.

[2]成思源.杨雪荣.GeomagicDesignX逆向设计技术[M].清华大学出版社，2017，12.

表面范文篇5

关键词：混凝土结构加固粘接FRP玻璃纤维界面剂偶联剂

一．引言

通过体外粘贴薄层材料的方法（以下简称“粘贴法”）加固混凝土结构已有较普遍的工程应用，包括粘钢、碳纤维、玻璃纤维等。其中粘贴玻璃纤维及碳纤维具有较好的可操作性，又以粘贴玻璃纤维造价更低。因此本文仅以玻璃纤维的粘贴为研究对象。

粘贴法固然是通过粘贴界面传递应力，使外贴材料与原结构形成整体，有效承载。通常情况下粘贴界面主要是通过剪切方式进行应力传递，因此粘贴加固混凝土结构的的关键问题是粘接界面的抗剪强度。从受弯构件外贴纤维加固的大量文献中可见，构件在极限荷载作用下几乎均为界面受剪破坏。为此本文以如何提高界面的剪切强度为宗旨，用不同的表面处理剂涂覆混凝土表面，研究对粘接界面抗剪强度的影响。

二．实验方法、内容

（一）．粘接界面抗剪强度的测试方法与

装置：

实验采用100×100×20mm的正方形混凝土切片，模拟混凝土表面打磨（去除浮浆）至露出骨料的状态。在两切割面上对称粘贴、成型40mm宽玻璃纤维薄片，粘接面为40×40mm，纤维一端出头作为夹持端，如图1．所示。

由于混凝土属脆性材料，且抗拉强度较低。测试夹头直接夹持混凝土切片时，会直接将混凝土拉断，无法测得胶接面抗剪强度。因此，实验采用矩形钢框作为传力构件，外套混凝土试件，荷载通过钢框施加到混凝土试件上，如图2．所示。

粘贴界面抗剪强度测试在100KN万能材料实验机上进行。将FRP夹持端及钢外框夹持端分别夹持在实验机上下夹头上，并使FRP薄片、混凝土切片、钢外框沿拉伸方向平行对中，然后进行拉伸剪切，测定极限强度。

（二）．实验材料

界面剂选用的试剂及原料均为市售品，配制成的8种界面剂列入表1．。其中5、6、7号为型号不同的偶联剂；9号为不作任何表面处理直接粘贴。

表1．混凝土表面处理剂及配方

编号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

界面剂

草酸

硬脂酸

普通水泥浆

高铝水泥浆

偶联剂A

偶联剂B

偶联剂C

环氧底胶

无

剂量

2％水溶液

2％乙醇溶液

水/灰=1/0.5

水/灰=1/0.5

1％乙醇溶液

1％乙醇溶液

1％乙醇溶液

A/B=10/4

空白

所用混凝土按强度等级为C50配制，按标准条件养护28天后，切割为20mm厚片材。

玻璃纤维选用型号为E－450的10：1单向无碱布，沿拉伸方向铺贴。

环氧树脂采用市售E44，环氧树脂配方为：E44－100；活性稀释剂－10；固化剂－20。

三．实验过程及现象

将混凝土切割面清洗去灰后，分别用各界面剂涂覆表面；室温（32℃）条件下彻底干燥后，用环氧树脂粘贴玻璃纤维；在30－36℃室温条件下，经7天时间固化；将粘贴面玻璃纤维端头超出40mm部分的毛边切断（参见图4.），然后进行测试。

由于受剪面为对称的两个粘贴面，测试过程中达到极限荷载的瞬间，绝大部分试件可观察到混凝土切片的转动，即两个粘贴面并非同时破坏。因此，剪应力应以单面面积计算。同时，先剪坏的面总是较弱的一面，因而实验结果趋于保守。另外，根据试验结果的标准差值的大小可以断定没有发生双面同时剪切破坏现象。

四．实验结果及分析：

（一）．实验结果

试件数量为每组3个，测试结果的

标准差除3＃、9＃分别为1.4MPa和1.6MPa外，其余在0.11～0.88MPa之间，离散性不大。经各种表面处理剂涂覆的粘接界面的极限抗剪强度测试结果绘制成柱状图如图3．所示。

两种典型的破坏断口形貌分别见图4、图5。

（二）．结果分析

由图3可见，以空白样9＃为基准，除试件6＃(偶联剂B)高出61％外，其余试件均低于空白样，仅3＃（普通水泥浆）试样接近空白样。从断口形貌来看也只有6＃样出现图4所示混凝土被劈裂的情况，其余试样为界面黏附破坏或以黏附破坏为主，如图5所示。

1＃和2＃试样均为酸性介质，强度分别为最低值及次低值，说明酸性介质对碱性的混凝土表面存在一定的腐蚀性，使界面粘接强度降低。1＃草酸的酸性强于3＃硬脂酸，相应的强度更低。断口如图5，为黏附破坏。

3＃、4＃分别为硅酸盐水泥浆和高铝水泥浆，铝水泥浆碱性相对较弱。由于环氧树脂所用固化剂为改性胺类，属碱性物质，在碱性环境条件下具有较高的活性，使得环氧树脂在与混凝土的接触面上能较好地固化，这样高碱性的硅酸盐水泥浆处理后，界面强度更高，但略低于空白样。根据断口形貌分析，破坏面发生在水泥浆与混凝土的界面上，说明水泥水化物部分阻隔了环氧树脂对混凝土地粘接，使界面强度弱化。

5＃、6＃、7＃分别为用三种偶联剂处理，而强度差异接近一倍，其中5＃、7＃均低于空白样，而6＃试样获得本次实验的最高强度。可以说明两个问题，一方面偶联剂对于环氧树脂与混凝土的界面处理非常有效；另一方面偶联剂有很强的选择性，选择不当反而会降低界面强度。5＃、6＃为均带有能与环氧树脂反应交联的有机基团的同类偶联剂，但参与化学反应的基团不同，6＃的反应活性强于5＃。而7＃样所用偶联剂与环氧树脂无可反应基团，强度却高于5＃，这可根据偶联剂的化学结构，从物理相容性及分子链的缠结方面进行分析，在此不作详述。从6＃样的断口形貌观察，FRP薄片上均有混凝土残留，可见破坏为混凝土的内聚破坏。由于本实验方法使混凝土破坏前始终受钢外框上横梁约束，当粘接强度较高时，混凝土只能通过水平方向的横向变形导致破坏，即混凝土被劈裂。因此可以认为6＃的粘接界面仍未被破坏，粘接效果比较理想。

8＃试样为环氧底胶处理，是现存粘贴加固混凝土通常采用的方法，所用底胶为加固专用胶，其强度略低于空白样，可见效果并不理想。因此用粘贴法进行结构加固是否一定采用底胶还值得进一步研究、商榷。

五．结论

本实验针对体外粘贴法进行结构加固的粘接界面处理得出如下结论：

（一）．证实通过适当的界面剂对混凝土表面进行处理，可使加固的粘接界面抗剪强度大幅提高。

（二）．用偶联剂配制的界面剂涂覆混凝土表面效果为最佳；偶联剂具有很强的选择性，其选用可根据化学结构定性地作出判断。

（三）．酸性介质处理混凝土表面导致粘接强度下降；碱性介质使粘接强度的下降相对较小。

（四）．涂覆底胶作为界面剂并不一定能使粘接强度得到改善。

以上结论仅从粘接界面的极限剪切强度测试得出。可以认为体外粘贴加固必须通过对混凝土表面的有效约束进行应力传递，而这种约束是由粘接界面的剪切作用提供，因此，本实验得出的结论对体外粘贴加固混凝土结构具有普遍的指导意义。

参考文献：

[1]姚谏等FRP复合材料与混凝土的粘结强度试验研究建筑结构学报.2003,24(5).-10-17,23

[2]冯肇杰等粘贴玻璃钢板加固混凝土梁粘接剪应力分析焦作大学学报.2002,16(3).-59-60

[3]张小冬等CFRP加固修复混凝土技术用粘接材料研冶金工业部建筑研究总院院刊.2000(1).-25-28

[4]张继文等外部粘贴碳纤维或钢板加固梁中粘结界面应力分析工业建筑.2001,31(6).-1-4,33

[5]张鹏碳纤维布加固混凝土梁的解析分析学与实践.2004,26(1).-32-33

表面范文篇6

关键词：表面形变；强化技术；滚压；内挤压；喷丸

引言

材料表面处理技术简称材料表面技术，是材料科学的一个重要分支，是在不改变基体材料的成分和性能（或虽有改变而不影响其使用）的条件下，通过某些物理手段（包括机械手段）或化学手段来赋予材料表面特殊性能，以满足产品或零件使用需要的技术和工艺。材料表面技术在工业中的应用，大幅度提高了产品（尤其是金属零件）的性能、质量和寿命，并产生了巨大的经济效益，因而深受各国政府和科技界的重视。

1表面形变强化原理

通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层（此形变硬化层的深度可达0.5～1.5mm），从而使表面层硬度、强度提高。

2表面形变强化工艺分类

表面形变强化主要有喷（抛）丸、滚压和孔挤压等三种工艺。

2.1喷丸强化工艺

喷丸是国内外广泛使用的一种在再结晶温度以下的表面强化方法，可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐蚀点（孔蚀）能力，它具有操作简单、耗能少、效率高、适应面广等优点，是金属材料表面改性的有效方法。

2.1.1喷丸强化的发展状况

1908年,美国制造出激冷钢丸,金属弹丸的出现不仅使喷砂工艺获得迅速发展,而且导致了金属表面喷丸强化技术的产生。1929年,在美国由Zimmerli等人首先将喷丸强化技术应用于弹簧的表面强化,取得了良好的效果[1]。20世纪40年代，人们就发现了喷丸处理可在金属材料表面上产生一种压缩应力层，可以起到强化金属材料、阻止裂纹在受压区扩展的作用。到了20世纪60年代，该工艺逐步应用于机械零件的强化处理上。20世纪70年代以来，该工艺已广泛应用于汽车工业，并获得了较大的经济技术效益，如机车用变速器齿轮、发动机及其他齿轮均采用了喷丸强化工艺，大幅度提高了抗疲劳强度。

进入20世纪80年代后，喷丸处理技术在大多数工业部门，如飞机制造、铁道机车车辆、化工、石油开发及塑料模具、工程机械、农业部门等推广应用，到了20世纪90年代其应用范围进一步扩大，如电镀前进行喷丸处理可防止镀层裂纹的发生[2]。

最近几年，随着工业技术的迅猛发展和需求，人们对这一操作简单，效果显著的表面处理技术给予了极大的关注，开发了多种新工艺，下面将介绍包括机械喷丸在内的多种新喷丸工艺的原理和特点逐一介绍。

2.1.2喷丸强化工艺的工作原理

喷丸处理是一种严格控制的冷加工表面强化处理工艺，其工作原理是：利用球形弹丸高速撞击金属工件表面，使之产生屈服，形成残余压缩应力层。形成压缩应力层的目的是预防工件疲劳破坏，把易产生疲劳破坏裂纹部位的抗应力转为压应力，从而有效地控制裂纹扩展。

2.1.2.1机械喷丸

大量弹丸在压缩空气的推动下，形成高速运动的弹丸流不断地向零件表面喷射，使金属晶体发生晶粒破碎、晶格扭曲和高密度错位，足够长的时间后，以冷加工的形式使工件表面金属材料发生塑性流动，造成重叠凹坑的塑性变形，在生成凹坑的过程中引起压应力并拉伸表面结构，这一变化过程被工件内部未受锤击的部分所阻挡，因此在工件表面和近表面形成残余的压应力，从而显著地提高了材料的物理和化学性能。

传统的喷丸强化因其具有提高金属零构件抗疲劳断裂能力而得到广泛应用，但也存在不少问题而影响其发展广度和深度：（1）受零构件的凹槽部位和丸粒不能有效撞击难以达到部位的限制，产生喷丸死角，造成喷丸强度不足；（2）受喷丸强化表面粗糙度的限制；（3）受环境污染的限制。因此，为满足更高的要求，人们有提出了各种不同的新工艺以满足要求。

2.1.2.2激光喷丸

激光喷丸强化是一项新技术。20世纪70年代初，美国贝尔实验室就开始研究高密度激光束诱导的冲击波来改善材料的疲劳强度。

激光喷丸的机理是：短脉冲的强激光透过透明的约束层（水帘）作用于覆盖在金属板材表面的吸收层上，汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成等离子体而爆炸产生冲击波，由它引起在金属零件内部传播的应力波，当应力波峰值超过零件动态屈服强度极限时，板料表面发生了塑性变形，同时由于表面的塑性变形使表层下发生的弹性变形难以恢复，因此在表层产生残余压应力。

与传统的机械喷丸强化相比，激光喷丸强化具有以下鲜明的特点和优势：（1）光斑大小可调，可以对狭小的空间进行喷丸，而传统机械喷丸受到弹丸直径等因素的限制则无法进行；（2）激光脉冲参数和作用区域可以精确控制，参数具有可重复性，可在同一地方通过累计的形式多次喷丸，因而残余压应力的大小和压应力层的深度精确可控；（3）激光喷丸形成的残余应力比机械喷丸的残余应力大，其深度比机械喷丸形成的要深；(4)激光喷丸使得零件表面塑性变形形成的冲击坑深度仅为几个；（5）适用范围广、对炭钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、球墨铸铁、铝合金及镍基高温合金等材料均适用[3]。

2.1.2.3高压水射流喷丸强化工艺

高压水射流喷丸强化工艺是近30年来迅猛发展起来的一项新技术，在20世纪80年代末，Zafred首先提出了利用高压水射流进行金属表面喷丸强化的思想。

高压水射流喷丸强化机理：就是将携带巨大能量的高压水射流以某种特定的方式高速喷射到金属零构件表面上，使零构件表层材料在再结晶温度下产生塑性形变（冷作硬化层），呈现理想的组织结构（组织强化）和残余应力分布（应力强化），从而达到提高零构件周期疲劳强度的目的。

与传统喷丸强化工艺相比，高压水射流喷丸强化技术具有以下特点：（1）容易对存在狭窄部位、深凹槽部位的零件表面及微小零件表面等进行强化；（2）受喷表面粗糙度值增加很小，减少了应力集中，提高了强化效果；（3）无固体弹丸废弃物，符合绿色材料选择原则，不因弹丸破损而降低表面可靠性；（4）低噪声、无尘、无毒、无味、安全、卫生有利于环境保护和操作者的健康。高压水射流喷丸强化技术先进、优势明显，具有广阔的应用前景[4]。

2.1.2.4微粒冲击

最近日本研究者提出了一种微粒冲击技术，这种方法可大大简化因为想同时提高金属零部件表面硬度、耐疲劳强度、耐磨性能并且降低表面粗糙度，而先后进行喷丸强化、表面研磨和抛光处理的做法。

与传统喷丸强化相比，微粒冲击方法采用的弹丸直径小，冲击速度快，硬度提高，处理后工件表面硬度增加的幅度大，表面的粗糙度小，而且通过残余应力分析，微粒冲击样品的最大残余应力则在表面以下100处，其存在深度大于微粒冲击，因此与喷丸相比，微粒冲击工件的表层硬度与普通喷丸处理的工件表面硬度相当，但微粒冲击明显降低了工件表面粗糙度，可使得耐磨特性得到了显著的提高，因此可延长被加工工件的使用寿命。

2.1.2.5超声/高能喷丸

中国科学院沈阳金属研究所对传统喷丸技术进行了改经，开发了喷丸（高频）和高能喷丸（低频）技术，实现了多种金属材料的表面纳米化，依对304不锈钢的研究表明，随着高能喷丸处理时间的增加，金属中马氏体的含量增加，到一定时间后达到饱和，金属材料表面纳米化可显著提高材料的表面硬度，还可以明显降低氮化温度、缩短氮化时间[5]。

2.1.3喷丸强化发展趋势

伴随这现代工业的快速发展,对机械产品零件表面的性能要求越来越高,改善材料表面性能,延长零件使用寿命,节约资源,提高生产力,减少环境污染已成为表面工程技术新的挑战。作为表面工程技术分支的表面喷丸强化技术面对这些机遇和挑战,将在加强理论研究的基础上发展新技术、新方法、新工艺、新设备和设备控制技术。

其主要研究方向[6]是:理论研究,也就是研究各种单一喷丸和复合喷丸的强化机理、喷丸提高零构件疲劳和接触疲劳强度的机制、喷丸过程力的作用形式及对表面（变形层厚度、粗糙度等）的影响、喷丸参数（弹丸材质、硬度、直径等）对喷丸强度的影响、喷丸使残余奥氏体转变为马氏体后材料的稳定性及耐磨性等；研究喷丸工艺和其他强化工艺方法的有机结合;加大开发新型、高效、低耗的喷丸设备和弹丸属性对喷丸强化效果的影响；着力解决传统喷丸强化工艺由于喷表面粗糙度、绿色喷丸等方面存在的问题。

2.2滚压强化工艺

滚压强化工艺是一种无切削加工工艺，表面滚压可以显著地提高零件的疲劳强度，并且降低缺口敏感性。

2.2.1滚压强化原理

利用特制的滚压工具,对零件表面施加一定压力,使零件表面层的金属发生塑性变形,从而提高表面粗糙度和硬度,这种方法叫做滚压,又称无屑加工。表面滚压特别适用于形状简单的大零件，尤其是尺寸突然变化的结构应力集中处，如火车轴的轴径等，表面滚压处理后，其疲劳寿命都有了显著提高。滚轮滚压加工可加工圆柱形或锥形的外表面和内表面曲线旋转体的外表面、平面、端面、凹槽、台阶轴的过渡圆角。滚压用的滚轮数目有1、2、3。单一滚轮滚压只能用于具有足够的工件；若刚度工件较小，则需用2个或者3个滚轮在相对的方向上同时进行滚压，以免工件弯曲变形，如图（a）、（b）所示[7]。

2.2.2滚压强化的发展趋势

定量定性。为获得特定的材料表面晶粒度、变形层厚度，应采用多大的滚压力、滚压速度以及滚压次数，目前没有这方面有指导意义的详细的试验数据或公式。

形式的多样性。目前的滚压技术一般只适用于回转体类和平面类零件，所以应完善滚压技术使得能适应零件形式的多样性，提高其使用范围。

大塑性变形。一般传统的滚压技术很难实现大变形，即使施加了比正常情况下高出几倍的压力,达3000N甚至更高,也未能消除车削留下的刀痕。

高强度。目前国内企业采用曲轴滚压工艺强化技术较低，一般只能提高强度30％～50％，当需要大幅度提高强度时，还需有更好滚压强化工艺[11]。

2.2.3滚压强化的发展状况

滚压强化技术是1929年由德国人提出的，1933年在美国铁路上开始应用滚压方法，1938年前苏联应用于机车车轴轴颈。1950年美国、前苏联在军用、民用飞机上大量应用孔挤压技术，如提高干涉配合铆接、干涉配合螺接；1970年国内航空部门开始将冷挤压工艺应用到飞机制造及维修中[8]。

目前主要的滚压加工工具有硬质合金滚轮式滚压工具、滚柱式滚压工具、硬质合金YZ型深孔滚压工具、圆锥滚柱深孔滚压工具、滚珠式滚压工具，通过滚压可以提高表面粗糙度2～4级，耐磨性比磨削后提高1.5～3倍，可以修正和提高形状误差和表面粗糙度，而且滚压过程操作方便，效率高、净洁无污染，其具有应用范围宽，滚压后的零件使用寿命长等特点，适用于对粗糙度和硬度均有一定要求的零件表面。

这种方法主要应用在大型轴类、套筒类零件内、外旋转表面的加工、滚压螺钉、螺栓等零件的螺纹以及滚压小模数齿轮和滚花等，并取得了显著成果，很好的提高了经济效益，如天津大学内燃机研究所唐琦等人通过对370Q型汽油机、376Q型柴油机进行的曲轴负荷分析、强度估算及弯曲疲劳强度实验表明，与未滚压曲轴相比教，经圆角滚压的曲轴疲劳强度增加了92.3％，安全系数由1.18提高到2.28并大幅度提高曲轴疲劳强度；还有如柳州南方汽车缸套厂在对缸套进行滚压试验后发现同一材料、硬度和壁厚的气缸套，由原来的直槽改制成为沉割槽，其破断力在原来基础上提高了35%以上，技术指标显著增加，获得明显效果，如表1[9]所示。

表1气缸套滚压前后主要技术指标对比表

气缸套规格前后对比平均破断力气缸套规格前后对比平均破断力

6105QB直槽131.18

6105QC直槽176.14

滚压槽176滚压槽243.39

提高(%)35.69提高(%)28.18

通过大量试验研究和工厂实践表明，影响到滚压质量的因素主要有以下几种：工件材料的性质：硬度、塑性、金相组织，硬度越低，塑性越高，则滚压效果越好；预加工的表面状况：表面粗糙度、显微组织、几何形状精度；滚压工具的结构：特殊的加工类型需要相应的滚压工具才能更好的保证加工质量；滚压用量：滚压深度、进给量、滚压速度、滚压次数[10]。

2.3内挤压强化工艺

孔挤压是一种使孔的内表面获得形变强化的工艺措施，效果明显。

2.3.1内挤压强化原理

孔挤压是利用棒、衬套、模具等特殊的工具，对零件孔或周边连续、缓慢、均匀地挤压，形成塑性变形成的硬化层。塑性变形层内组织结构发生变化，引起形变强化，并产生残余压应力，降低了孔壁粗糙度，对提高材料疲劳强度和应力腐蚀能力很有效。

2.3.2内挤压强化的发展状况

由于孔挤压强化效率高、效果好、方法简单，使用于高强度钢，合金结构钢、铝合金、钛合金以及高温合金等零件。主要被挤压孔的形状是圆孔、椭圆孔、长圆孔、台阶孔埋头窝孔和开口孔。

目前主要应用于以下几种类型[12]：

挤压棒挤压强化。孔壁上涂干膜润滑剂，施加力的方式阿为拉挤或推挤，适用于大型零部件装配和维修；

衬套挤压强化。孔内装有衬套，挤压棒用拉挤或推挤方式通过衬套孔，适用于各类零部件的装配和修理；

压印模挤压强化。在圆孔或长圆孔周围用压印模挤压出同心沟槽。适用于大型零部件及蒙皮关键承力部位的孔压印；

旋转挤压强化。使用有一定过盈量，经向镶有圆柱体的挤压头，旋转通过被挤压的孔，适用于起落架大直径管件和孔。

由于内挤压特殊的高效而简单的强化工艺，使得内挤压强化工艺得到了一系列广泛的应用，并也取得了良好的效果，一下是几种常见材料挤压的强化效果见表二[13]，可知孔挤压后可大幅度提高疲劳极限。

表二各种材料孔挤压强化效果

材料孔直径/mm应力循环次数/次疲劳极限/MPa

未挤压挤压

300M钢301×106280320

AF410钢201×106430610

30CrMnSiNiZA钢61×106523680

40CrNiMoA钢61×106320470

30CrNiMoV钢61×106260300

Ti6A14V钛合金201×106157206

LC9铝合金61×10760110

LC4铝合金61×10775121

也由于内挤压的特殊工艺性，这就要求挤压时一定要均匀、缓慢、连续的挤压孔，不允许有冲击和暂停现象。

3结论

表面形变强化效果显著，成本低廉，是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一，也是提高金属材料疲劳强度的重要工艺措施之一。

参考文献:

[1]董星，段雄.喷丸强化机械及技术的发展[J].矿山机械，2004，32（7）：66-68.

[2]刘春阳.方兴未艾的喷丸强化处理新技术[J].世界产品与技术，1997，（2）：10-11.

[3]章兴权.金属零件表面改性的喷丸强化技术[J].电加工与模具，2005，（2）：30-32.

[4]董星、段雄.高压水射流喷丸强化技术[J].表面技术，2005，34（1）：48-49.

[5]栾伟玲、涂善东.喷丸表面改性技术研究进展[J].中国机械工程，2005，16（15）：1405-1409.

[6]陈宏钧.车削表面的滚压加工[J].机械工人（冷加工），2001，（7）：54-57.

[7]孙希泰.材料表面强化技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[8]覃正光.滚压技术在气缸套加工中的应用[J].内燃机配件，1995，（2）：25.

[9秦书勤.超精内孔滚压技术及其应用[J].航天工艺，2000（6）：48.

表面范文篇7

关键词：氧化铝；氧化膜；验证；实验设计

无论是初中化学还是高中化学，对于铝不易生锈的原因都是直接用“铝与空气中的氧气反应生成致密的氧化铝薄膜，这层膜起着保护内部金属的作用”［1］说明，教师在课堂教学中也往往是直接进行注入式教学，而没有实验加以验证，这不利于学生直观理解与掌握知识，同时也不利于学生证据推理与模型认知核心素养的培养。此外，高中新教材对铝表面氧化膜性质的表述为:“酸、碱还有盐等可直接侵蚀铝的保护膜（氧化铝也能与酸或碱反应）。”［2］如何证明铝片表面存在一层致密的氧化膜？这层膜是不是立即形成的？它是否能溶于所有的酸？

1研究现状

鉴于以上原因，有许多一线教师设计实验向学生证明铝片表面存在一层致密的氧化膜。

1.1加热熔融不滴落

有教师通过演示加热铝片的实验，从“铝熔化但不滴落，像是有一层膜兜着一样”［2］的实验现象出发，让学生直观感受铝片表面存在一层致密的氧化膜。这种方法虽操作简单，但无法证明膜是与空气中氧气反应生成的氧化膜，也无法证明铝片表面氧化膜的致密性，不符合化学学科的严谨要求。

1.2以汞齐实验为基础的对比实验

周玉重首先使用氯化汞溶液除去氧化膜，再置换出汞生成汞齐，由于汞的存在，铝片在空气中氧化后不能生成致密的氧化铝薄膜而成絮状氧化铝，同时在水中产生气泡［3］。该方法借助实验证明铝片表面致密氧化膜的存在，符合化学学科以实验为基础的要求，但是由于氯化汞溶液有毒性，在中学阶段无法用于学生实验，另外，氯化汞破坏氧化膜形成汞齐也超出了学生的认知。

2实验方案的选择

分析上述两种方法，验证铝片表面有致密氧化膜实验；需要解决两个问题：一是设计系统的证明实验，二是确保实验在中学阶段的可行性。同时应从两方面入手，一方面引导学生体会铝片表面氧化膜的形成过程；另一方面是验证铝片表面膜的致密性。通过查阅文献和预实验，发现验证铝片表面有致密氧化膜的实验难点主要有以下几点，铝片表面氧化膜厚度在0.01～0.05µm［4］，不易被直接获取进行分析；能与氧化铝反应的物质绝大多数都能与铝反应，不易区别；氧化铝薄膜结构复杂［5］。根据铝片表面的氧化膜不溶于硫酸、硝酸，但可以溶于盐酸，同时强碱溶液可以破坏铝表面的氧化膜的特点［6］，在设计实验时可从以下两方面着手，在学生已有化学知识的基础上进行定性研究，利用氢氧化钠溶液除膜，将除膜铝片进行梯度时间氧化，再与稀硫酸反应，比较不同氧化时间的反应结果，引导学生体会铝片表面氧化膜的形成过程；通过对比除膜铝片和带膜铝片与盐酸、硫酸、硫酸铜的反应现象，验证铝片表面氧化膜的致密性。

3器材和药品

铝片若干，镊子，胶头滴管4支，水槽2只，实验透明方盒6个。1mol/L的氢氧化钠溶液，1mol/L稀盐酸，1mol/L稀硫酸，1mol/L稀硝酸，饱和硫酸铜溶液。

4实验内容

4.1铝箔表面氧化膜的形成过程

（1）裁剪6片大小相同的铝片，编号为1~6。将铝片1浸泡在盛有1mol/L的氢氧化钠溶液的水槽中2min，取出并在清水槽中清洗1min后，置于标记有25min的实验盒中，同时开始计时。（2）秒表计时2min，将铝片2按步骤（1）除膜，清洗，置于标记有20min的实验盒中。（3）前一步操作完毕间隔2min后，重复上述操作，直至铝片6置于标记有0min的实验盒中。（4）向6只实验方盒内快速倒入1mol/L的稀硫酸溶液，观察实验现象（图1）。实验结论：随着除膜铝片在空气中放置时间的延长，铝与稀硫酸接触后产生的气泡越来越少，说明铝片与空气中的氧气结合生成氧化铝薄膜，但是膜的形成并不是迅速发生的。

4.2铝片表面氧化膜致密性的实验探究

（1）取一大片铝箔折叠，得到两排各含有4个铝方格的铝格条。（2）向第一排的3个铝方格中分别滴加1mol/L稀盐酸，1mol/L稀硝酸，饱和硫酸铜溶液，第四个铝方格不做处理，观察实验现象。（3）向第二排4个铝方格中先分别滴加1mol/L的氢氧化钠溶液，1min后擦拭去氢氧化钠溶液，再分别在前3个铝方格中滴加1mol/L稀盐酸，1mol/L稀硝酸，饱和硫酸铜溶液，第四个铝方格不做处理，实验现象如图2至图5所示。实验结论：通过第一排第二排铝方格的实验现象对比，以及图2出现红色固体、图3产生气泡等现象，可以证明未除膜的铝箔，即有氧化膜的铝箔表面可以阻绝硫酸铜溶液、稀硝酸溶液、稀硫酸溶液，证明了铝箔表面氧化膜的致密性。但是，从图4实验现象发现，随着时间的延长，盐酸可以溶解铝箔表面的氧化膜，进而与铝箔反应。

4.3实验注意事项

（1）在探究铝箔表面氧化膜的形成过程时，实验的前期准备和实验演示要紧密衔接进行，防止时间过长干扰实验现象。（2）在探究铝箔表面氧化膜形成过程的演示实验中，学生要小组配合，同时向6个方盒内倒入稀硫酸。（3）在铝片表面氧化膜致密性的实验探究中，用氢氧化钠溶液对第二排铝格除膜后，要擦干净氢氧化钠溶液，防止氢氧化钠溶液与后续试剂反应，干扰实验现象。5总结与评价本实验采用实验室常见的试剂、材料，避免了汞的盐溶液等有毒试剂，此外在课堂上演示占用时间较少，并且是以学生已知的知识为基础，便于学生理解，具有可行性。学生通过本实验不仅能对铝片表面氧化膜的形成过程和致密性有更深层次的认识，同时也能巩固学生对铝及氧化铝的化学性质的掌握。

参考文献

［1］宋心琦.普通高中课程标准实验教科书化学必修1［M］.北京：人民教育出版社，2007.

［2］王晶，郑长龙.普通高中课程标准实验教科书化学第一册（必修）［M］.北京:人民教育出版社，2019.

［3］周玉重.证明铝片表面上有氧化铝薄膜的实验［J］.化学通报，1956（1）：53.

［4］刘永杰，刘忆，董闯，等.Al2O3薄膜的应用与制备［J］.真空与低温，2002（12）：236.

［5］胡敏友，朱志江，张振.带膜铝片放入硫酸铜溶液的实验探究［J］.化学教与学，2019（10）：96.

表面范文篇8

关键词：农业机械；触土部件；表面改性；耐磨涂层

农业机械设备的触土部件如犁壁、犁铧、耙片等在工作时因磨损、腐蚀、粘附引起的早期失效与报废，严重缩短农机的使用寿命[1-3]。随着现代农业机械向大型化、复合化方向发展，对农业机械触土部件的综合性能的要求越来越高[4]，触土部件的优化设计和表面改性成为国内外学术界和产业界关注的热点问题之一。提高触土部件使用寿命的方法主要有三种[5]：(1)合理设计易损件结构；(2)开发新型整体耐磨材料；(3)对易损件表面进行强化处理。通过合理设计易损件结构以降低磨耗、提高使用寿命是有限度的，而新型整体抗磨材料的开发往往受到金属价格的限制[6]。在实际生产中，磨损失效通常发生在部件表层，如矿山机械钻头、农业机械犁铧及犁壁等表面。利用表面强化技术处理零部件表面，所获得的表面层厚度在几微米到几毫米之间，降低了涂层制备的成本；同时可以显著降低磨耗，有效提高硬度、疲劳强度，从而提高部件寿命[7-9]，在耐磨涂层制备过程中具有独特优势而备受青睐。针对耐磨涂层与基体难以结合的技术瓶颈，国内外学者进行了系统而又深入的研究，主要有：(1)改进传统耐磨涂层的制备方法，提出加工制造耐磨涂层的新方法，如激光熔覆、钎涂等；(2)开展了耐磨涂层中耐磨材质的研究，如镍铬合金、碳化钨、陶瓷氧化铝等，揭示不同耐磨材质对复合涂层组织性能的影响规律；(3)开展仿生耐磨涂层的研究，依据动植物体表可降低挖掘阻力、土壤粘附和运动磨损，为农机耐磨涂层的设计提供全新的设计思路。文中主要从制备技术、耐磨材质以及仿生涂层三个方面评述国内外有关农业机械耐磨涂层的研究报道，概述仿生涂层的研究进展，提出耐磨涂层目前研究的不足及未来发展的方向，以期为农机表面改性相关领域的工程研究和技术发展提供理论支撑和参考信息。

1农业机械耐磨涂层的研究概况

近20年来，国内外学者对农机表面耐磨涂层的制备方法进行了大量研究，耐磨材质的选取主要有镍铬合金、碳化钨、氮化物、陶瓷、氧化铝等。据不完全统计，科研机构有20多家，国内有关耐磨涂层的研究成果已超过50篇(包括期刊、会议论文、学位论文及专利)，其中成果最为丰硕的是吉林大学(10篇)。具有代表性的研究成果如表1所示。

2农业机械耐磨涂层的研究概况

2.1激光熔覆。激光熔覆是利用高能密度激光束辐照，使涂层材料与基体表面同时熔化，形成稀释率极低、与基体材料呈冶金结合的工艺方法[10-11]。刘燕[12]采用激光熔覆法在灰铸铁表面制备Al2O3/Fe仿生梯度纳米复合涂层，首先选择涂层材料为纳米氧化铝和铁粉、确定涂层材料的添加方式和粘结剂，其次将一定比例的粉末材料在研钵内混合均匀，加粘结剂并搅拌均匀涂覆于铸铁表层，厚度1~2mm，荫干(24h)。最后通过正交试验确定合适的激光功率和扫描速度。所制备的纳米表面改性层硬度和耐磨性显著提高，并且涂层中加入一定量的铁粉促进了熔覆层合金与基体良好的冶金结合，满足实际工程的需求。但是，激光熔覆组织及形态受到工艺参数、温度梯度、凝固速度的影响不易控制，因此激光熔覆技术在涂层制备方面仍有一定的局限性，需进一步优化工艺参数。2.2热喷涂。热喷涂技术是利用特定热源将喷涂材料加热熔化，借助高速气流将其雾化成极细的熔滴，高速喷射在工件表面的一种表面改性方法[13-14]。梁爱民等[15]通过等离子喷涂技术实现了耐磨涂层的可控制备。具体步骤为：将钼粉和钽粉按质量比为4:1或7:3的比例混合，用球磨机研磨使其颗粒度为42~54μm；对工件表面除锈、除污；选择合适的工艺参数利用离子喷涂设备进行喷涂，以Ar和H2作为保护气；常温下，所制备的金属涂层在微动摩擦试验中具有高硬度、耐磨、耐蚀的特性，且摩擦系数较低，大幅提高了机械零件的使用寿命，未来有着极佳的应用空间。2.3磁控溅射。磁控溅射是在真空中利用高速粒子轰击靶表面，使被轰击的粒子沉积在基体表面的一种表面改性技术。朱琳[16]采用磁控共溅射方法在65Mn钢表面制备TiNx/CFy复合涂层。具体步骤为：清洗Ti靶材和PTFE靶材，放入65Mn基体，抽真空至2.0×10-3Pa；通入N2气和Ar气，待气压稳定后，开启射频电源和偏压电源至所需参数；开启电机旋转，开始涂层沉积制备；沉积完成后，通入空气冷却，取出制备的复合涂层。所得到的涂层硬度高达1500HV，其磨损率可达到纳米Al2O3增强PTFE材料的水平，解决了触土部件在耐冲击、耐腐蚀、抗渗透性差等问题。磁控共溅射方法为新型耐磨涂层的制备提供了全新的思路，但对涂层与基材界面结合的结构特征研究还不够透彻，不具备开发大型的适用于各种农机部件的磁控共溅射装备。2.4钎涂法。钎涂法获得的涂层优点为：表面平整、加工精度高；涂层与母材冶金结合，结合强度比机械结合高得多；加热温度低，较小的热应力对母材性能影响小等[17-18]。卢广林[19]通过真空钎焊在45号钢表面制备立方氮化硼(c-BN)耐磨涂层。采用AgCuTi8Sn2活性钎料钎焊c-BN、钎焊温度950℃、保温时间20min时，Ti元素作为活性元素提高了钎料对c-BN单晶颗粒的润湿性，Sn在钎料合金中起到表面活性元素作用，有效改善钎料的流动性，能实现活性钎料、c-BN颗粒与45钢三者间的可靠连接，解决了一般焊接材料很难与c-BN连接的问题。然而贵金属Ag含量高，使得成本较高，在制备复合涂层时具有一定的局限性，并且研究工作缺乏系统性，诸如活性钎料成分、工艺参数、钎料与c-BN界面连接机制与力学性能等。

3耐磨涂层中耐磨材质的研究进展

目前，国内外学者对农机耐磨涂层中耐磨材质的研究主要有：金属耐磨涂层，包括镍铬合金、碳化钨等合金涂层；非金属耐磨涂层，包括陶瓷涂层、氧化铝涂层。3.1金属耐磨涂层的研究进展。A.Salimi等人[20]通过化学镀法，在超细WC颗粒上沉积了薄铜膜。然后，将WC-Cu复合粉体加入镍基钎料中，采用高温真空钎涂制备自流态合金(NiCrBSi)。所制备的涂层硬度高达1500HV，满足实际工程的要求，解决了堆焊过程中WC晶粒异常生长现象，并对裸露的WC进行强化。但由于Cu元素的加入，涂层韧性降低，压痕区域的裂纹萌生和扩展显著增加。齐剑钊[21]通过正交实验，研究了不同粒度WC和不同质量分数WC对钎涂层组织结构、力学性能、结合强度及耐磨性能的影响，发现WC颗粒增强的铜基复合涂层可以提高母材表面的耐磨性，最终得出20~30目(较大粒度)的WC含量越高涂层耐磨性越好。但有关WC粒度对复合钎涂层影响机理还没有完全阐述清楚，有待进一步研究。XuXingpei等[22]将具有不同质量分数的WC(30%，50%和80%)的复合涂层成功涂覆到Q345钢基材上。将WC粉末轧制成柔性布，并与纳米级粘合剂混合，然后根据WC金属布/BNi-2填充布/Q345钢的焙烧顺序，放入焙烧炉。分析涂层的微观结构，并测试涂层界面处结合强度，结果表明：三种涂层均出现了WC颗粒的偏析，随着WC质量分数的增加，涂层中的WC颗粒的偏析逐渐变弱，排列更紧密；涂层与钢基体冶金结合，质量分数为30%的WC涂层剪切强度最大为302MPa；但涂层中气孔较多，严重降低涂层的机械性能，易发生塑性断裂。3.2非金属耐磨涂层的研究进展。卞达[23]等人以磷酸二氢铝黏结剂与陶瓷骨料(氧化铝，硅酸锆，氧化锆)为原料，制备耐磨、耐高温金属基陶瓷涂层；重点研究了复合涂层黏结剂中Al/P比例、骨料粒度变化对耐磨性的影响，但忽略了陶瓷骨料中氧化铝的含量对复合涂层耐磨性的影响。随后，黄国栋等[24]研究了纳米氧化铝对涂层的表面形貌、界面结合情况以及对涂层的摩擦磨损性能的影响，结果表明：当氧化铝的质量占陶瓷骨料总质量的2%时，涂层表面光滑平整，耐磨性最好。氧化铝的加入促进了涂层与基体的紧密结合，获得的涂层质量良好，但对涂层的磨损机理没有完全阐述清楚，有待进一步研究。宋鹏[25]等人利用热喷涂技术成功制备了高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层，解决了氧化铝基热喷涂陶瓷涂层高温磨损过程中易产生裂纹及裂纹易扩展的问题。通过降低喷涂温度，抑制热裂纹产生；在高温磨损过程中，未熔颗粒周围的微裂纹扩展方向会发生改变，从而抑制裂纹扩展，增强了涂层的韧性，提高了涂层的耐性能，延长了氧化铝基高温耐磨陶瓷复合涂层使用寿命。花国然[26]利用激光熔覆技术在45钢表面制备改性Al2O3+13%TiO2陶瓷涂层，TiO2的加入降低了涂层的气孔率和硬度，提高了涂层的致密性和耐磨性。姚舜晖等[27]研究了TiO2含量对Al2O3基涂层磨损性能的影响，在干摩擦条件下，Al2O3基涂层的显微硬度随TiO2含量增加而降低，并提出TiO2不利于提高Al2O3基涂层的耐磨性，这与前者的研究是相悖的。总的来说，目前对陶瓷氧化铝涂层的磨损特性研究还不够深入、陶瓷类材料脆性大、耐磨涂层难以成形的问题尚未彻底解决。

4仿生耐磨涂层的研究进展

经过亿万年的进化，自然界已演化出适应各种土壤环境的动物，动物体表能够降低运动过程中土壤粘附和运动磨损，为农机触土部件的减阻、减粘和耐磨结构设计提供了天然的模板和全新的设计思路。金俊等人[28]深入研究了土壤动物(如蜣螂、蚯蚓等)的减粘脱附机理，通过合理优化结构参数，开发了仿生非光滑犁壁。新型仿生非光滑犁壁具有翻垡好、碎土率高等特点；具有良好的脱土性和耐磨性，减阻率为11%~20%，在水田犁耕有良好的应用前景。马云海[29]等人根据开沟器和土壤的相互作用过程，并结合蚯蚓非光滑波纹表面形态的减黏脱土机理，制造出仿生开沟器实型，降低作业阻力9%，解决了传统开沟器在工作过程中易粘土、阻力大的问题。徐德生[30]等人采用高频钎焊方法在45钢表面制备了WC/Cu非光滑耐磨复合涂层。复合涂层与45钢基体为良好的冶金结合，界面区组织致密。所制备的涂层具有高耐磨性，是淬火45钢和高铬铸铁的12.4倍和4.9倍。农机关键零部件的仿生设计取得了阶段性的成果，但随着农业机械化的规模越来越大、触土部件精度和速度的不断提高，单纯针对土壤动物体表特征分析和仿形进行关键部件仿生设计的方法已无法满足工程实际的要求，因此，在以后的研究中需针对关键零部件的使用环境和相适应的动物原型进行分析，将仿生结构设计与土壤动物运动学特性相结合，系统研究减阻耐磨、减粘等特性的作用机理，进一步提高关键部件性能。

5研究不足及展望

表面范文篇9

物质有三态、液态物质的表面层由于分子力的作­用形成一层如同张紧的橡皮膜一样的液膜，且有自行收缩的趋势，如果­在液面作一长为L的线段，则线段两边液面上有一张力F作用于L且力的方向与线段垂直，大小与线段长度L成正比。其中比例系数即称为液体表面张力系数，它等于单位长度直线两旁液面分子之间的相互作用力，由于组成不同的物质的分子不同，且在同一液体中不同温度分子的动能、势能不同，分子间的引力不同，所以张力系数也不同。因此，这种张力系数就成了描述液体特性的一个重要参数。在生物工程、化学研究中有重要研究意义。目前，测定液体表面张力系数的方法常用的有拉脱法、毛细管法、最大泡压法和滴重法；

液体中分子之间存在着相互吸引力。表面张力是一种表示液体分子之间吸引力大小的量度。液体分子间隙较气体的小，分子相互作用较气体的强，宏观上和固体相似不易压缩；液体分子运动较固体自由，宏观上和气体相似具有流动性，因液体的分子聚集状态不同于固体和气体，就表现出许多宏观性质：表面张力现象，液体对固体的润湿和不润湿现象，弯曲液面内外压强差，毛细现象，溶解、扩散、渗透现象等[1]。

一方面，液体中的分子向液体表面运动需要能量。液体表面分子处于部分“裸露”状态，与液体中的分子受到的作用力相比，和其它液体分子之间的有利的相互作用力减少。增加液体表面积需要能量：当液体表面积变大，更多的分子须从液体内部向表面迁移，从能量的观点来看这是不利的。分子之间的作用力越强，增加液体表面积所需要的能量就越大。表面张力就是用来说明增加单位表面积所需要的能量。另一方面，液体分子之间存在彼此相互作用力。对于位于液体表面的分子，由于邻近分子对表面分子的吸引作用力分布不均匀，结果产生一个指向液体内部的净作用力：

2液体表面张力系数

2．1液体表面张力系数的内涵

因为液体表面层的分子与内部分子周围的状况不同，内部分子所受邻近相同分子的作用力是对称的，各方面的力相互抵消；但表面层分子一方面受到本相分子的作用，另一方面受到性质不同的另一相分子的作用。由于两相分子性质不同，液体表面层里分子受力的球对称性遭到破坏而受到指向液体内部的合力作用，因此如果把一个分子从内部移到表面或增大表面积时，就必须克服体系内部分子之间的吸引力而对体系作功，称表面功。

由液体表面张力系数的定义：，可以推倒出液体表面张力和表面张力系数的关系为：；式中为液体表面上的一条直线段，为直线段两侧的拉力，即作用在上的表面张力，比例系数就是该液体在指定条件（温度、压强、液面外的物质等）的表面张力系数，它表示单位长度直线段两测液面的相互拉力，拉力在液面的切面内，垂直于界线并指向产生它的的液面一方，如果液面是曲面，可选取足够小，当做直线段来处理[2]。

我们还可以导出当液体表面在等温过程中增大表面积时和外力所作的功有以下的关系：

（1）

为液体的表面张力系数，其单位。即表面张力系数等于在等温过程中增加单位表面积时外力所作的功。

2．2液体表面张力系数的影响因素

（1）温度对液体表面张力系数的影响

分子从本体相运动到表面实际是扩大表面，需要对其做功，通过推导有[3]：

（2）

上式中，的值等于在温度不变，扩大单位表面积所吸的热，这是正值，所以，故的值将随着温度的升高而降低。

（2）浓度对液体表面张力系数的影响

在纯液体中加入杂质时，体系的表面张力会发生相应的变化，根据试验，稀溶液的表面张力和浓度的关系大致可分为3类，第一类的特征是浓度增加时，溶液的表面张力随之下降，大多数非离子型的有机物如短链脂肪酸、醇、醛类的水溶液都有此行为，第二类溶液的特征是，当液体的浓度增加时，溶液的表面张力随浓度上升，第三类的特征是，它与第一类曲线不同，当溶液很稀时，随浓度的增加而急剧下降，（为密度）。随后大致不随浓度而变，(有时也可能会出现最低值，是由于溶液中含有杂质之故)，当把表面活性物质加入到体系中时，则会被吸附在该体系的表面上，使这些表面的表面自由能明显降低，从而降低表面张力系数，表面活性物质的这种性质和其结构有关[3]。

（3）液体表面张力系数和物理化学的关系

在学生的生活中，洗涤过程是每天都会发生的事，表面张力是表面活性剂水溶液的一种重要的物理化学性质，而表面活性剂又是洗涤液的主要成分，故表面张力系数与洗涤作用的关系必然有一定的规律，例大多数优良的洗涤剂溶液均具有较低的表面张力与界面张力，根据固体表面润湿的原理，对于一定的固体表面，较低表面张力系数的液体有较好的润湿性能，从而才可能进一步起洗涤作用，次外较低表面、界面张力有利于液体油污的清除，也有利于油污的乳化，因而有利于洗涤作用的发生，

由此可见，表面张力系数与液体的种类有关，和成分有关，容易挥发的液体的表面张力系数较小。表面张力系数还与温度有关，温度升高表面张力系数减小，当液体趋近于临界温度时，表面不复存在，表面张力系数趋于零。

3常用测量液体表面张力系数的方法

图1毛细管

测量液体表面张力系数有多种方法，常用的有拉脱法、滴定法、毛细管法、最大泡压法等。传统的拉脱法可分为Wilhelmy吊片法、脱环法和提板法等，虽然采用的与液面相接触的物体的形状各不相同，但一般存在以下问题[4]：（1）仪器稳定性不高，重复性差，实验准确度均受到一定的限制；（2）用铂丝制成的圆环或刀口容易变形和断裂，给实验带来不便；（3）吊片或提板过长时难以保持其平衡和接触角为零。采用一定高度、一定直径的圆环型吊片进行测量，既保持了吊片法和脱环法各自的优点，又避免了两者的缺点，有效地提高了实验的准确度。

除液态金属外，一般液体的表面张力数值均较小，容易蒸发的液体的表面张力就更小。传统的测量微小拉力的装置主要有焦利秤、扭秤等，操作难度大，灵敏度和稳定性差，因而准确度低。面张力系数是物质的一个重要物理属性数据，现在教材和参考书中测定表面张力系数的方法常见的有以下几种。

（1）毛细管升高法

这个方法研究得较早，在理论上和实验上都比较成熟，如图1所示。将干净的毛细管插入液体中时，可见到液体在毛细管中上升到一定高度，此时液柱的重力被向上拉的表面张力所平衡：

（3）

（4）

式中，是接触角，为表面张力系数，是液体密度，为重力加速度，为液柱的高度，为毛细管半径。

在推导过程中，我们只考虑了毛细管内球面最低点以下的重力，忽略了液柱高度h以上管内半球面周围环形液体的重力，这部分体积约，重力为修正后得出用主细管法测液体表面张力系数的原理式。设玻璃被液体完全润湿则，计入毛细管中弯月面部分的液体重，则上式修正为

（5）

（2）拉脱法

测量液体的表面张力系数有多种方法，拉脱法就是一种直接测量法：直接测出液面绷在长度确定的边界上的表面张力，如果在液体表面想象一条直线段，那么，表面张力就表现为线段两边的的液面会以一定的拉力相互作用，此拉力方向垂直于线段，大小与此线段的长度L成正比，即。其中，为液体表面张力系数，国际制中单位为牛顿/米，记为，数值上等于作用在液体表面单位长度上的力的大小。

具体试验中，将一门形细金属丝框从浸入被测液内被缓慢向上拉出液面时，金属丝提起一层液膜，设金属丝直径为a，拉起的液膜破裂的一瞬间的拉力为F，膜拉出液面的高度为h，膜的宽度等于金属框内宽b，由于金属框前后液膜有两个表面，则表面张力为2bα，根据力平衡原理并考虑到液膜本身的重量，则有

即得，用金属框拉脱法，液体表面张力系数的实验原理式：

式中，ρ为被测液体的密度，g为当地重力加速度。

拉脱法测定液体表面张力系数是基于液体与固体接触时的表面现象提出的。由分子运动论可知，当液体分子和与其接触的固体分子之间的吸引力大于液体分子的内聚力时，就会产生液体浸润固体的现象。

参考文献：

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[4]杨述武.普通物理实验[M].北京:高等教育出版社，2000.232-254.

表面范文篇10

表面张力来自于什么?要解释这个问题首先要理解表面层的概念，然后通过分析表面层分子间距离与其受力情况，总结什么是表面张力。

1.液体跟气体接触的表面形成一个薄层，通常称之为表面层。液体的表面层是介于空气和液体之间的。

2.表面层里的分子间距离及其运动情况与液体内部均不相同。表面层分子间的距离小于气体分子间的距离、大于液体分子间的距离。气体分子对液面分子的作用极其微弱，表面层的分子主要受到来自液体内部分子的作用，与液体内的分子相比，表面层的分子受到的作用要弱些，因而振动的振幅要比液内分子大些，分子间平均距离也相应大些，所以表面层分子的分布比液体内部稀疏。

3.分子间的作用力与分子间的距离有关。在液体内部分子间既存在着引力，又存在着斥力，引力和斥力的数量级相同，在通常的条件下可以认为它们的大小是相等的。而表面层里分子间的距离增大，引力和斥力都减小，但斥力减小得更快，所以，分子间的相互作用表现为引力。

所以可作小结：从微观上看，表面张力是因为液体表面薄层内分子间的相互作用，它不同于液体内部分子间的相互作用，从而使液体表面层具有一种特殊性质，宏观上便表现出液体表面具有收缩的趋势，整个液面就会处在一种张紧的状态，表面上出现张力。简单地说表面张力是液体表面层相邻部分之间的吸引力。可见液体表面张力是一部分液面与另一部分液面之间的相互作用，施力物体和受力物体都是液体。如果在液面上划一条分界线，把液面分为A和B两部分，那么，由于表面层中分子间的引力，液面A对液面B有引力FAB的作用，液面B对液面A有引力FBA作用，FAB和FBA大小相等、方向相反，这种存在于各部分液面间的相互吸引力称为液体的表面张力。

二、液体的表面张力的方向

表面张力是跟液体表面共面或相切的。如果液面是平面，表面张力就在这个平面上；如果液面是曲面，表面张力就在这个曲面的切面上。作用在任何一部分液面上的表面张力，总是跟这部分液面的分界线垂直。当液面中间没有分界线时，可以任意画一条线，表面张力都与该线垂直。因此表面张力在液面里各个方向都有，使液面像一张绷紧的橡皮膜。

三、液体的表面张力的大小

由于表面张力来自于大量分子间的引力，是大量分子引力的宏观表现，如果参与作用的分子越多，宏观的表面张力就越大。因此表面张力与所研究的那部分液面的周界线的长度L成正比；不同性质的液体，表面张力应不同，因此引入了表面张力系数σ，实验发现表面张力系数与液体性质、温度和纯度有关，故表面张力表示为：F=σL。

四、液体的表面张力所产生的压强

由于表面张力作用，弯曲液面有一个特点，就是在它的下面产生附加压强，其数值为P=2σR，显然该附加压强和表面张力系数成正比和表面的半径R成反比。表面弯曲越厉害，其半径R越小，附加压强P就越大。对凸液面，液面内压强大于液面外压强，附加压强P向下；对凹液面，液面内压强小于液面外压强，附加压强P向上。

通过以上几方面的分析讲解，学生们对液体的表面张力应该有了清晰的认识，所以通过具体解释在平静的水面上轻轻放上一枚硬币而不下沉的现象，使学生们进一步加深对表面张力的理解。

对于这个现象，部分同学们会认为硬币不下沉是由于硬币受到了液体的表面张力和重力相平衡的缘故，这显然是错误的。

首先，要向学生们明确硬币不可能受到表面张力的作用。因为从硬币中央垂直于液面方向作一分界线把液面分成A、B两部分，而FAB是A液面对B液面的表面张力，FBA是B液面对A液面的表面张力，FAB与FBA都垂直于分界线与液面相切，所以显然FAB与FBA都不是作用在硬币上。

然后，解释硬币不下沉的原因。由于硬币在水面上的受力情况与其在橡皮膜上的受力情况极为相似，所以可以对比硬币在橡皮膜上的受力，使学生理解的更形象。在橡皮膜上，硬币受到了重力和膜的支持力这一对平衡力的作用。由于表面张力能使液体表面的分子都互相牵引，不容易随便脱离，形成一层薄膜，就好像一张张紧的橡皮膜一样，只要这层膜不破裂，硬币便会由于重力的作用而对液面产生一个压力，根据牛顿第三定律，液面也会对硬币产生一个向上的支持力，硬币的重力与这个支持力平衡，所以硬币不下沉，并不是受到液体表面张力的缘故，而是液膜对硬币的支持力在起作用，如果液膜破裂(如滴一滴洗洁精)则硬币迅速下沉。从上面的分析可知，表面张力与液膜的支持力是根本不同的两个概念。

通过以上教学实践，笔者发现，能够激发学生的学习热情，使学生将抽象的物理知识与客观现象相联系，获得良好的教学效果。这也符合了当今社会培养学生崇尚科学、适应现代社会科学技术高速发展的需要。