泡沫

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气泡是通过在液体或固体中捕获气穴而形成的材料。 沐浴海绵和一杯啤酒的头部就是泡沫的例子。 在大多数泡沫中,气体体积很大,液体或固体薄膜将气体区域隔开。 肥皂泡沫也称为泡沫。 固体泡沫可以是闭孔或开孔的。 在闭孔泡沫中,气体形成离散的气囊,每个气囊完全被固体材料包围。 在开孔泡沫中,气泡相互连接。 沐浴海绵是开孔泡沫的一个例子:水很容易流过整个结构,取代空气。 睡垫是闭孔泡沫的一个例...

简介

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气泡是通过在液体固体中捕获气穴而形成的材料

沐浴海绵和一杯啤酒的头部就是泡沫的例子。 在大多数泡沫中,气体体积很大,液体或固体薄膜将气体区域隔开。 肥皂泡沫也称为泡沫。

固体泡沫可以是闭孔或开孔的。 在闭孔泡沫中,气体形成离散的气囊,每个气囊完全被固体材料包围。 在开孔泡沫中,气泡相互连接。 沐浴海绵是开孔泡沫的一个例子:水很容易流过整个结构,取代空气。 睡垫是闭孔泡沫的一个例子:气穴相互密封,因此垫子不能吸水。

泡沫是分散介质的例子。 一般来说,气体是存在的,所以它分成不同大小的气泡(即材料是多分散的) - 由可能形成薄膜的液体区域分隔,当液相从系统薄膜中排出时越来越薄。 当主尺度很小时,即对于非常细的泡沫,这种分散介质可以被认为是一种胶体

泡沫也可以指类似泡沫的东西,比如量子泡沫。

结构

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在许多情况下,泡沫是一个多尺度系统。

一种尺度是气泡:材料泡沫通常是无序的并且具有各种气泡尺寸。 在更大的尺寸下,理想化泡沫的研究与最小曲面和三维镶嵌(也称为蜂窝)的数学问题密切相关。 Weaire–Phelan 结构被认为是完美有序泡沫的最佳(最佳)晶胞,而 Plateau 定律描述了皂膜如何在泡沫中形成结构。

比气泡更小的是亚稳态泡沫薄膜的厚度,它可以被认为是一个相互连接的薄膜网络,称为薄片。 理想情况下,薄片以三元组连接并从连接点向外辐射 120°,称为高原边界。

更小的尺度是薄膜表面的液气界面。 大多数时候,该界面由一层两亲结构稳定,通常由表面活性剂、颗粒(皮克林乳液)或更复杂的组合构成。

固体泡沫的力学性能

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固体泡沫,无论是开孔还是闭孔,都被认为是蜂窝结构的一个子类。 与蜂窝和桁架等其他蜂窝结构相比,它们的节点连通性通常较低,因此,它们的失效机制主要是构件弯曲。 与蜂窝和桁架格子相比,低节点连通性和由此产生的失效机制最终导致它们的机械强度和刚度较低。

编队

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产生泡沫需要几个条件:必须有机械功,表面活性成分(表面活性剂)可以降低表面张力,泡沫的形成速度快于它的破裂速度。要产生泡沫,需要做功(W)来增加表面 面积(ΔA):

W = γ Δ A {\displaystyle W=\gamma \Delta A\,\!}

其中 γ 是表面张力

泡沫的产生方式之一是通过分散,大量气体与液体混合。 一种更具体的分散方法包括通过固体中的孔将气体注入液体中。 如果这个过程非常缓慢地完成,那么一次可以从孔口喷出一个气泡,如下图所示。

确定分离时间的理论之一如下所示; 然而,虽然该理论产生的理论数据与实验数据相匹配,但毛细管作用导致的分离被认为是更好的解释。

浮力作用使气泡升起,即

泡沫

F b = V g ( ρ 2 − ρ 1 ) {\displaystyle F_{b}=Vg(\rho _{2}-\rho _{1})\!}

其中 V {\displaystyle V} 是气泡的体积,g {\displaystyle g} 是重力加速度,ρ1 是气体的密度,ρ2 是液体的密度。 与浮力相反的力是表面张力,它是

F s = 2 r π γ {\displaystyle F_{s}=2r\pi \gamma \!} ,

其中 γ 是表面张力,r {\displaystyle r} 是孔的半径。随着更多的空气被推入气泡,浮力的增长速度快于表面张力。 因此,当浮力大到足以克服表面张力时,就会发生分离。

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  1. 简介
  2. 结构
  3. 固体泡沫的力学性能
  4. 编队

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