表面應力

表面科學的產生已有上百年的歷史，顯微技術的進步使我們得以將研究的觸角深入到微納觀的原子層次甚至電子雲，然而由微觀特性推知宏觀性質卻面臨着很大的困難，這促使人們不得不同時沿着宏觀和微觀這兩條線索來研究表面的種種奇特性質。

通過對錶面應力研究的不斷深入，發現由微觀特性推知宏觀性質卻面臨着很大的困難，這促使人們不得不同時沿着宏觀和微觀這兩條路徑來研究表面的獨特性質。

從宏觀角度看，是由於外加負載帶來的表面受力變化。近年來，應力和應變對材料表面性質的影響越來越受到重視，國內對這方面的研究也是如火如荼的進行着，無論是在理論研究、參數計算，還是實驗方面都取得了不菲的成績。

從微觀角度看，表面應力存在的物理原因是原子間長程的作用和表面幾何結構的變化，不同的表面結構會形成完全不同的表面應力。因此，表面應力也可以看作是一層覆蓋在固體表面的一塊已經被壓縮或被拉伸的薄膜，能夠施加側向的力。

在固體表面薄膜沉積後薄膜或多或少表現為彎曲現象，這時表面應力表現為拉應力或壓應力，可以認為鍍膜的應力是產生薄膜內力矩的力。 ^[2] 

近十幾年來，應力和應變對材料表面性質的影響正越來越受到重視，這方面的研究亦蓬勃地進行着，迄今已發表了不少包括理論、計算和實驗方面的結果，但是離深刻理解表面彈性作用的機理仍相距甚遠。

表面熱力學中有一個很重要的概念——表面自由能，它對於特定的材料在一定的物理化學條件下是一個常數，定義為生成單位面積表面所需要的能量，這個定義原來被認為是相當精確的，然而如果考慮材料的彈性變形，譬如拉伸或者彎曲過程，問題就變得比較複雜了，因為拉伸或者彎曲也會引起材料表面面積的變化，同時也消耗能量，材料產生此種單位面積變化所消耗的能量稱為表面應力，問題自然而然就產生了，表面應力是不是表面自由能呢？如果是，它是與材料變形無關的嗎？如果不是，那麼它和表面自由能之間有什麼聯繫嗎？這些問題困擾了不少研究表面彈性效應的學者。

04年Muller和Saul在他們關於表面物理的彈性效應的綜述文章中，從經典的彈性理論出發，經過一系列嚴密的推導，得到了表面應力的精確表達，並且詳細闡明瞭表面應力和表面自由能的區別以及聯繫。Muller等指出：表面應力不同於表面自由能，雖然它們的定義相同，都表示材料產生單位表面面積變化所需要的能量，然而區別在於發生這種物理過程的前提不同，前者為等表面原子數，而後者是等應變；前者表現為純變形，後者表現為表面的創造。

然而，表面或者界面熱力學最先在流體系統中由Gibbs提出，在那時表面自由能和表面張力的概念是通用的，這對於流體是正確的，因為流體無法在等表面原子數的條件下進行拉伸；然而對於固體材料情況就不同了，由於傳統習慣的影響，人們難免將兩者的概念相互混淆。

伴隨着表面應力變化的體應變顯著地依賴於表面積同體積的比值，如薄膜、碳納米管件等構件，電勢導致的表面應力變化遠大於輸入電能，因而更加適合作為電機制動器。這些基於表面應力的制動器的優點是可以在低工作電壓下有非常高的工作密度。

通過測量表面應力的改變量計算出薄膜應力差時薄膜在彎曲的應力下變形，當表面應力較小，而薄膜較厚時，變形後的形狀呈球面；反之就會分叉，這對製備薄膜、控制薄膜形狀是非常有用的。

另外，表面應力對於吸附原子有着重要的影響，主要表現在兩方面：首先，吸附原子和基底表面原子的結合將導致基底表面原子之間化學鍵的強度減弱和平衡鍵增加，從而導致表面壓應力的增加；其次，吸附原子的相互作用也導致表面應力的變化，吸引作用導致表面產生拉應力，排斥作用導致表面產生壓應力。吸附原子和基底表面原子的結合引起表面應力的大小與吸附原子的密度呈線性關係，而吸附原子的相互作用引起表面應力與吸附原子的密度呈非單調的依賴關係。

基於此特性，我們在鍍膜時，可以通過控制轟擊靶材的原子數量來保證薄膜質量。由於表面應力的過大，也會帶來負面效應，比如在薄膜製備時，由於薄膜非常薄，所以能夠承受的表面應力是極度小的；其實薄膜的表面應力就是對其拉伸或彎曲時因改變薄膜表面的面積而產生的能量，而這種能量超過了薄膜能承受的範圍，引起膜層裂開；另外，不易變形的工件上的薄膜不易拉伸彎曲，但不代表沒有，其表面鍍制的是一層很薄的膜層，所能承受的力很小。

所以降低薄膜的表面應力是防止膜層裂開的一種有效的方法。

表面應力解除法：

在洞壁進行的應力解除法。量測結果可用於圍巖的穩定性評價。 ^[3] 

如採用爆破開挖，使圍巖表面一定深度的巖體鬆動，則用該法量測的結果評價圍巖的穩定性和原巖應力狀態就有一定困難。

但如能有效控制爆破或用淺孔應力解除避開圍巖鬆動範圍， 則該法仍是一種比較實用的方法。