聚合物表面_界面表征技术进展
V o l.14高分子材料科学与工程N o15 1998年9月POL Y M ER M A T ER I AL S SC IEN CE AND EN G I N EER I N G Sep t.1998
聚合物表面 界面表征技术进展Ξ
邱清华 贾德民
(华南理工大学高分子材料科学与工程系,广州,510641)
摘要 综述了聚合物表面 界面表征技术的进展,具体叙述了离子谱(ISS、S I M S)、电子谱(XPS)、离子谱和电子谱联用(XPS2SS I M S)、隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(A FN)等在表征聚合物表面 界面的原理及应用。全文包括主要参考资料33篇。
关键词 表征技术,聚合物,表面 界面
聚合物表面 界面的性质直接影响到材料的加工、性能及应用,如粘合、共混、复合、摩擦磨损等,特别是对新型聚合物及其复合材料的研究,其表面 界面的表征显得尤为重要,因它有助于了解表面
的组成、结构形态等,从而推断材料的许多物理化学性质。所以聚合物表面 界面表征不仅是一种基础理论工作,而且还能解决诸多实际应用问题。
目前较为常用和先进的聚合物表面 界面表征技术有:离子散射谱(ISS)、二次离子质谱(S I M S)、静态二次离子质谱(SS I M S)、俄歇电子谱(A ES)、X 射线光电子谱(XPS)、卢瑟福背散射(RB S)、扫描电子显微镜(SE M)、透射电子显微镜(T E M)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(A FM)等。每种表征技术都有其特点,对于众多的聚合物和表征目的不同,则需选择不同的分析方法,才能达到预期的效果。T ab.1比较了常用聚合物表面 界面表征技术的一些异同点。
Tab.1 Co m par ison of character ization of poly m er surface i n terface
A ES ISS SS I M S RBS XPS T E M SE M incidence particle electron i on i on i on pho ton electron electron em itted particle electron i on i on i on electron electron electron dep th reso luti on<10nm monlayers<1nm<100nm<10nm<10nm<100nm elem ental range excep t H excep t H,L i all excep t H,L i excep t H,H e excep t H excep t H li m it of detecti on>0.1%ppm ppm ppm>0.1%>0.1%>0.1% surface dam age yes yes yes yes no yes yes quantiative analysis sem iquan.sem iquan.difficult sem iquan.quan.quan.quan.
下面所叙为近年来离子谱和电子谱在表征聚合物表面 界面方面的应用及表征的一些进展。
1 离子谱
利用离子束进行聚合物表面分析的技术主要可分为两类,一类是离子散射谱,另一类是二次离子质谱,其它还有离子中和谱、离子诱发俄歇谱和脱附谱等。
1.1 离子散射谱(ISS)
离子散射谱包括低能离子散射谱和高能离子背散射谱(即卢瑟福背散射谱)。它利用惰性气体正离子H e+、N e+、A r+等轰击聚合物表面,与表面原子相碰撞引起运动和能量的变化,然后分析被散射出的离子。它可以用于测定加入聚合物中的稳定剂在表面分离富集[1];按照聚合物C O散射离子强度的不同,可以区别出聚合物的立体结构,如J.A. Gardella用此法研究区别了全同、间同和无规立构聚甲基丙烯酸甲酯[2]。但这种技术在分析聚合物材料方面应用并不广泛,原因是其它表征技术比它能提供更多的表面信息,而且分辨率及灵敏度均比它
Ξ收稿日期:1996-04-08;修改稿收到日期:1996-07-06 联系人及第一作者:邱清华,男,32岁,博士.
高,如二次离子质谱。1.2 二次离子质谱(SI M S )
二次离子质谱(S I M S )是聚合物表面分析的主要手段之一,S I M S 的分析过程是先用离子或原子束轰击聚合物表面,通过质量分析器对从聚合物表面溅射出的粒子(即二次离子)进行分析,得出二次正、负离子谱图,从谱图中便能得到有关聚合物表面的结构和化学信息。S I M S 可分为静态二次离子质谱(SS I M S )和动态二次离子质谱。二者的区别是:
SS I M S 入射表面的离子流较低(约10-9
m ),二次离子来自材料表层,而且表面不会受破坏。动态S I M S 所用的离子流较高(达10-17m ),样品表面易受损,所以静态二次离子质谱常用于表面研究[3,4],动态二次离子质谱则应用于深度切面研究[5]。
SS I M S 能有效地提供表面信息,许多聚合物的标准正离子和负离子谱图已被收集出版[6],通过与标准谱图的对照,可以得知聚合物种类及结构的变化[7],还可区别聚合物异构体和聚合物的在表面分离凝聚现象[8]。例如R .D .Go ldb latt 等人利用S I M S 研究了聚苯乙烯体系的分离凝聚现象,他们将高分子量PS 和预氘化的低分子量PS 按一定比例混合,测出在体系表面总是含较高浓度的低分子量PS ,并从降低体系熵及低表面能的角度出发,较好地解释了这一现象[9]
。
A .G .Shard 等人则利用SS I M S 研究了嵌段聚氨酯(PU )的表面成分,F ig .1为聚氧化丙烯酯(PPO )合成的PU 正离子SS I M S 谱图,在m z 59处是PPO 引起的峰,而m z 106处则是二异氰酸链段峰;F ig .2为聚环氧乙烷(PEO )合成的PU 正离子SS I M S 谱图,m z 45处主离子峰是PEO 单聚物的特征峰,m z 106处
也是二异氰酸链段峰;F ig .3是PPO PEO 嵌段共聚物所制成PU 的正离子谱图,从图中可看出m z 59处有强峰,m z 106处也有明显的峰,但在m z 45处则无峰,这说明由PPO PEO 合成的PU 表面富含大量PPO 软链成分,而无PEO 成分,表面还含硬链部分二异氰酸链段[10]
。
F ig .1 Positive ion SSI M S spectru m of PU (PPO
)
F ig .2 Positive ion SSI M S spectru m of PU (PEO
)
F ig .3 Positive ion SSI M S spectru m of PU (PPO PEO )
同位素的测定是S I M S 在聚合物表面分析中独特的
分析能力,实际应用中有不同的分析方法,如示踪单体聚合(常用氘化PS )[11]和含同位素试剂表面官能团化(常用18O 进行等离子处理)等[12]。另外,利用扫描的初级离子束可以得到样品的二次电子及吸收电子像,能清晰地观察样品表面的形貌[13]。2 电子谱
电子谱包括X 射线光电子谱(XPS )和紫外光电子谱(U PS )。U PS 在聚合物表面分析中用得很少,XPS 则非常普遍。XPS 是利用单色光照射聚合物样品,X 光子与样品表面原子内层的电子相作用,并传递能量给电子,当电子有了足够的能量便从表面逸出,这种电子即为光电子,这些电子带有聚合物表面的信息,所得的XPS 谱图便可对聚合物表面进行表征[14]。
XPS 在聚合物表面
界面表征中应用非常广泛,能对聚合物、共聚物、共混物的表面进行分析研究,并能与其它分析技术一起研究聚合物表面的化学或物理改性及接枝等。P .J .de L ange 用XPS 研究了几种丙烯酸单体接枝改性的聚丙烯,T ab .2为用非离子甲基丙烯酸羟乙基酯(H E M A )作为单体进行接枝的有关数据及XPS 测定结果。从表中可见,表面氧的浓度随单体浓度增加而增加,如作H E M A 浓度～氧浓度曲线,则与H E M A 浓度～C W ST 曲线相似,并可知少量的接枝将带来表面性能的巨大变化。同时他还用XPS 测定了丙烯酸单体接枝聚丙烯薄层的厚度,其测定结果与理论计算结果一
2高分子材料科学与工程1998年
致[15]。
Tab.2 Results of XPS m easure m en t on
polypropylene graf ted with HE M A
H E M A conc.
(mo l L)
Graft(G)
(M-M0) M0
C W ST
(105N c m)C
at.%
O N
0.01 -0.00253396.43.60.0
0.030.00345982.617.10.2
0.050.00578374.425.60.0
0.100.01519671.927.60.5
0.500.23710170.030.00.0
XPS还可用于研究粘结点断裂及粘合机理[16]、各种成分在共混物或共聚物表面的分离凝聚[17]、以及定性区分部分聚合物的晶区与非晶区[18]。从XPS 价电子带谱还可以鉴定聚合物异构结构,如正、异、叔2甲基丙烯酸丁酯,它们的价电子带谱互不相同[19]。
与离子谱、红外衰减全反射技术相比,XPS是一种不损样品的分析技术,且分析的信息大都来自10-8m内的表面区,所以它在聚合物表面研究中将越来越重要。
3 分析仪的联用
每种分析手段都有其优点和局限性,在聚合物表面分析中,如将合适的分析法联合表征、互相补充,则所得结果更加完整、准确,这是聚合物表征的一个发展方向。
3.1 XPS-SI M S联用
目前联用得较多的是XPS与S I M S,XPS能分析元素及官能团,但却不能直接分析出分子结构,如聚乙烯与聚丙烯,仅XPS就很难判断。而S I M S,特别是TO F2S I M S(TO F:ti m e2of2fligh t m ass analyze),则对化学结构非常敏感,能很好地分析出聚合物分子结构,是对XPS分析的补充。
在等离子沉积聚苯乙烯薄膜的表面分析中,就使用了XPS与SS I M S联合分析法[20]。XPS分析了薄膜C1S、O1S和N1S,发现当沉积压力小于20Pa时,氧、氮的渗入随压力增大而减小(T ab.3),当压力大于20Pa时,氮的渗入就能被消除,于是将制作薄膜的沉积压力控制在20Pa以上,则能很好控制氧、氮的渗入。然后再用SS I M S分析了沉积压力为21Pa 所制得的薄膜分子结构,如在S I M S谱图m z126和128处的峰分别代表以下结构:
+
+
m z 126 m z 128
Tab.3 Dat a on oxygen and n itrogen i ncorporation
i n to PS f il m
D epo siti on
p ressure(pa)
N1S(%)O1S(%)C1S(%)N C O C
0.212.6812.4974.060.170.16
8.36.1911.9781.840.080.09
16.61.6610.8087.550.020.12
20.009.0490.9600.1
3.2 T OF-SSI M S
近些年来,许多聚合物是通过TO F2SS I M S来表征的,TO F2SS I M S具有高离子透射性(高达30%)、高质量分辨率(m z达10,000),可以使用很低的初离子流,以减小有关表面电荷问题和高初离子流所引起的表面损坏。与常用的四极分析器2 SS I M S相比,在许多方面有很大的提高,如四极分析器2SS I M S只能分析m z<500的低质量范围聚合物,且离子流高,所以TO F2SS I M S应用极为广泛。TO F2SS I M S可以用来研究聚合物表面化学结构[21]、末端官能团[22]、聚合物表面改性[23]、粘合剂及粘结层结构[24],还可测定分子量分布[25]等。
4 扫描隧道显微镜(ST M)
STM是1980年由G.B inn ing和H.Roh rer发明的,这是通过一微小探针在样品表面扫描,以探针为一电极,样品表面为另一电极,当它们之间的距离缩小到原子尺寸数量级时,其间势垒将减薄到某一程度,以致电子可以从一个电极通过隧道效应穿过势垒到达另一电极,形成隧道电流。测定其隧道电流便可得高分辨、三维显微图象,它的Z向分辨率可达2×10-11m,横向分辨率为10-10～2×10-9m。该显微镜不用电子光学系统,无像差,结构也比电子显微镜简单,是扫描显微领域的一大创举,因而在1986年获得诺贝尔物理奖。
STM能测定各种类型聚合物的表面结构,如聚乙烯、聚苯胺、电聚合聚吡咯和聚环氧乙烷等。对薄膜的测定,其厚度能从分子单层到几个10-8m。最近,Jam es R.Sheats测定了5×10-8～1.1×10-7m 厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMM A)、聚苯乙烯(PS)、聚二苯基硅氧烷(PD PS)和感光酚醛树脂薄膜[26],得到横向分辨率为1～5nm的成像。Graham J. L eggett等详细地用STM研究了聚环氧乙烷(PEO)流延膜,并与透射电镜所得结果相比较[27],他们发现表面有球形、纤维状和分支状结构(图略),而且纤维状和分支状结构的直径约为20nm,与透射电镜成像相比,在X、Y方向的分辨率至少不低于透射电镜成像分辨率,但在Z方向上,则透射电镜无法相比。
3
第5期邱清华等:聚合物表面 界面表征技术进展
5 原子力显微镜(AF M)
STM虽能研究聚合物的有关表面结构,但它要求样品制备得非常薄,为了能直接测定厚聚合物及其它非导体,G.B inn ing、C.F.Q uate和Gerber于1986年发明了A FM[28]。与STM相似,也能对固体样品表面结构形成高分辨三维图像。一般A FM包括控制扫描移动的压电晶体扫描器、对支架偏移敏感的光度头和支承扫描器、光度头及感受偏移信号系统的架台,它通过安在软支架弹簧上的一尖探针来对样品表面进行扫描,当样品在探针下移动时,由于样品表面的特性,会引起支架的偏移,光学系统则对探针相对于样品表面位置很敏感,通过测定支架偏移信息即可得表面形貌像[29]。
在过去几年中,许多聚合物和共聚物表面是通过A FM来表征的,并得到有关形貌结构像,如聚乙烯(PE)、聚吡咯、L angm u ir2B ledgett(LB)薄膜等。T.Yano和L.A.N agahara等人[30]用A FM研究电聚合聚N2甲基吡咯(PM eP)表面结构,发现如电聚时电流密度高,而且溶液温度低,则会导致PM eP 表面结构更粗糙。
与扫描电镜(SE M)相比,虽然SE M也能用于观察表面形貌,但当表面有涡陷,而且需定量测定涡陷深度时,便显得无能为力。用A FM则可解决此问题,它可定量提供X、Y、Z3方向的信息。O.L.Shaf2 fer等便利用了A FM这一特点表征了橡胶增韧环氧树脂中粒子与母料的界面,并比较了SE M和A FM成像:SE M成像只能提供X和Y平面方向上的尺寸,而A FM成像图则为立体三维,同时可提供3方向的尺寸[31]。
A FM除了可以研究形貌结构外,还可研究摩擦力分布[32]、磁力结构、介电常数的变化等。最近N.Um eda和K.M ak ino等人还用A FM研究了氟化物薄膜的电沉积,得到250nm×700nm的电沉积区像[33]。
最近还出现了一些表征聚合物表面的新方法,但因不是很成熟,在此不叙述。相信随着近代仪器的不断发展,将有越来越多的分析方法可用以表征聚合物材料表面 界面,使我们能更加清楚地了解聚合物的结构与性能,从而使聚合物材料得到更大的发展和应用。
参考文献
1 T hom as G E,et al.A pp l.Surf.Sci.,1980,6:204
2 J r.Gardella J A,A pp l.Surf.Sci.,1988,31:72
3 B letso s I V,H ercules D M,Fow ler D,et al.A nal.Chem., 1990,62:1275
4 Bhatia Q S,B rrell M C.Surf.Interf.A nal.,1990,15:388 5 Garbassi Fabi o,M o rra M arcoo,O cchello E rnesto.Po lym.
Surf.,John W iley and Sons L td.,England,1994:75
6 B riggs D,B row n A,V icker m an J C.H andbook of Static Sec2 ondary I on M ass Spectrom etry,W iley,Ch ichester,1988
7 B riggs D.Surf.Interf.A nal.,1990,15:734
8 H earn M J,R arner B D,B riggs D.M acromo l.,1988,21: 2950
9 Go ldblatt R D,Scilla G J,et al.J.A pp l.Po lym.Sci.,1988, 35:2075
10 Shard A G,D avies M C,et al.Po lym er,1995,36(4):775 11 W h itlow S J,W oo l R P.M acromo l.,1991,24:5926
12 M o rra M,O cch iiello E,et al.J.Co ll.Interf.Sci.,1990, 137:11
13 B row n A,V icker m an J C.Surf.Interf,A nal.,1984,6:1 14 B riggs D.H andbook of X2ray and U ltraviet Pho toelectron spec2 tro scopy,H eyden,L ondon,1977
15 de L anhe P J,Gebben B,E lfrink P J.Surf.Interf.A naly., 1994,22:502
16 H aack L P,D ebo lt M A,Kaberline S L,et al.Surf.Interf.
A naly.,1993,20(2):115
17 A rgo T G,Hook D J,Gardella J A J r.,et al.A pp l.Spec2 troc.,1991,45:448
18 Batich C D.A pp l.Surf.Sci.,1988,32:57
19 Castner D G,R atner B D.Surf.Interf,A nal.,1990,15:479 20 L eggett Graham J,et al.Surf.Interf,A nal.,1995,23(1):22 21 Yanash i m a H,T anaka K,Sh iraga N.H yom en Kagaku,1993, 14(6):358
22 Belu A M,H unt M O,D e Si m one J M.M acromo l.,1994,27
(7):1905
23 V an derW el H,L ub J.Surf.Interf,A nal.,1993,20(5):373 24 T reverton J A,Paul J A,et al.Surf.Interf,A nal.,1993,20
(5):449
25 Fow leer D E,Johnson R D,V an L eyen D.A nal.Chem., 1990,62:2088
26 Sheats Jam es R.L angm uir,1994,10:2044
27 L eggett Graham J,Shakesheff Kevin M,et al.Po lym.P rep r., 1993,34(2):90
28 B inning G,Q uate C F.Phys.R ev.L ett.,1986,56:930
29 Chan Ch i m ing.Po lym.Surf.M odificati on and Characteriza2 ti on,H anser Pulishers,N ew Yo rk,1994:7
30 Yano T,N agahara L A,et al.J.V ac.Sci.T echno l.(B), 1994,12(3):1596
31 Shaffer O L,Bagherl R,et al.J.A pp l.Po lym.Sci.,1995, 58:465
32 den Boef A J.R ev.Sci.Instrum.,1991,62:88
33 Um eda N,M ak ino K,et al.J.V an.Sci.T echno l.(B),1994, 12(3):1600
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D EVELOP M ENT IN CHARACTER IZAT I ON OF POLYM ER SURFAC
E INTERFACE
Q iu Q inghua ,J ia D em in
(D ep art m ent of P olym er M aterial S cience and E ng ineering ,S ou th Ch ina U niversity of T echnology ,Guang z hou )
ABSTRACT T he developm en t in characterizati on of po lym er su rface in terface w as review ed w ith 33ref 2erences ..T he theo ries and app licati on of ISS ,S I M S ,XPS ,XPS 2SS I M S ,STM ,A FM etc .in characteri 2zati on of po lym er su rface in terface w ere describ led in detail .Keywords characterizati on ,po lym er ,su rface in terface
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第5期邱清华等:聚合物表面 界面表征技术进展
聚合物材料表征测试题库
高分子研究方法题库 1 在对聚合物进行各种光谱分析时，红外光谱主要来源于分子振动－转动能级间的跃迁；紫外-可见光谱主要来源于分子的电子能级间的跃迁；核磁共振谱主要来源于置于磁场中的原子核能级间的跃迁，它们实际上都是吸收光谱。 2、SEM 和TEM的三要素是分辨率、放大倍数、衬度。 2、在有机化合物中，解析谱图的三要素为谱峰的位置、形状和强度。 2 苯、乙烯、乙炔、甲醛，其1H化学位移值最大的是甲醛，最小的是乙炔，13C的化学位移值最大的是甲醛最小的是乙炔。 4、紫外光谱主要决定于分子中发色和助色基团的特性，而不是整个分子的特性。 3 差示扫描量热仪分功率补偿型和热流型两种。第107页 4 产生核磁共振的首要条件是核自旋时要有磁距产生。 5 当原子核处于外磁场中时，核外电子运动要产生感应磁场，核外电子对原子核的这种作用就是屏蔽作用. 6 分子振动可分为伸缩振动，弯曲振动 7 傅里叶红外光声光谱英文简称为FTIR-PAS.P28 8 干涉仪由光源，定镜，分束器，检测器等几个主要部分组成。P19 9 高聚物的力学性能主要是测定材料的强度和模量以及变形. 10 共混物的制样方法有流延薄膜法热压薄膜法溴化钾压片法P11 11 光声探测器和红外光谱技术结合即为红外声光谱技术. P27 12 核磁共振普与红外、紫外一样，实际上都是吸收光谱。红外光谱来源于分子振动-转动能级间的跃迁，紫外-可见吸收光谱来源于分子的电子能级间的跃迁。[P46] 13 核磁共振谱图上谱峰发生分裂，分裂峰数是由相邻碳原子上的氢数决定的，若分裂峰数为n，则邻碳原子氢数为n-1。 P50 15 红外光谱在聚合物研究中占有十分重要的位置，能对聚合物的化学性质、立体结构、构象、序态、取向等提供定性和定量的信息。P6 16 红外光谱中，波动的几个参数为波长、频率、波数和光速。 17 红外光谱中，在1300~1400cm，基团和频率的对应关系比较明确，这对确定化合物中的官能团很有帮助，称为官能团区． 18 红外活性振动能引起分子偶极矩变化Ｐ８ 19 红外区是电磁总谱中的一部分，波长在0.7~1000之间。 20 红外吸收光谱是直接地反映分子中振动能级的变化；而拉曼光谱是间接地反映分子中振动能级的变化。 21 记录X射线的方法有照相法和计数器法。P68 22 解析谱图三要素为谱峰位置形状和强度P/13 2 在紫外光谱中不同浓度的同一种物质，在某一定波长下的λmax处吸光度A的差异最大.所以测定最灵敏 23 聚合物的一般制样方法主要有流延薄膜法，热压薄膜法，溴化钾压片法 24 拉曼光谱研究高分子样品的最大缺点是：荧光散射。 25 拉曼位移的大小与入射光的频率无关，只与分子的能级结构有关。P30 26 凝胶渗透色谱对分子链分级的原理是体积排除理论。P96 27 凝胶渗透色谱仪的组成：系统自动进样系统加热恒温系统分离系统检测系统 28 强迫非共振法是研究聚合物粘弹动力学性能有效、普遍、重要的方法。P146 29 斯托克斯线或反斯托克斯线与入射光频率之差称为拉曼位移。P30 30 温度由低到高时，高聚物历经三种状态，即玻璃态，高弹态和粘流态。P2 31 现代热分析是指在程序控温之下，测量物质的物理性质随温度变化的一类技术P105
复合材料的界面改性
界面及界面改性方法 界面结合强度低，则增强纤维与基体很容易分离，在材料的断面可观察到脱粘、纤维拔出、纤维应力松弛等现象，起不到增强作用；但界面结合强度太高，则增强纤维与基体之间应力无法松弛，形成脆性断裂。 在研究和设计界面时，不应只追求界面粘结而应考虑到最优化和最佳综合性能。 1、聚合物基复合材料界面 界面结合有机械粘接与润湿吸附、化学键结合等。 大多数界面为物理粘结，结合强度较低，结合力主要来自如色散力、偶极力、氢键等物理粘结力。 偶联剂与纤维的结合（化学反应或氢键）也不稳定，可能被环境（水、化学介质等）破坏。一般在较低温度下使用，其界面可保持相对稳定。增强剂本身一般不与基体材料反应。 聚合物基复合材料界面改性原则： 1）在聚合物基复合材料的设计中，首先应考虑如何改善增强材料与基体间的浸润性。一般可采取延长浸渍时间，增大体系压力、降低熔体粘度以及改变增强体织物结构等措施。２）适度的界面结合强度 ３）减少复合材料中产生的残余应力 ４）调节界面内应力和减缓应力集中 聚合物基体复合材料改性方法 １、颗粒增强体在热塑性聚合物基体加入两性相溶剂(增容剂)，则能使液晶微纤与基体间形成结合良好的界面 ２、纤维增强体复合材料界面改善 a)纤维表面偶联剂 b)涂覆界面层 c)增强体表面改性 2、金属基复合材料界面 金属基体在高温下容易与增强体发生不同程度的界面反应，金属基体多为合金材料，在冷却凝固热处理过程中还会发生元素偏聚、扩散、固溶、相变等。 金属基复合材料界面结合方式有化学结合、物理结合、扩散结合、机械结合。总的来讲，金属基体复合材料界面以化学结合为主，有时也会出现几种界面结合方式共存。 金属基体复合材料的界面有3种类型：第一类界面平整、组分纯净，无中间相。第二类界面不平直，由原始组分构成的凸凹的溶解扩散型界面。第三类界面中含有尺寸在亚微米级的界面反应物。多数金属基复合材料在制备过程中发生不同程度的界面反应。 金属基复合材料的界面控制研究方法： 1）对增强材料进行表面涂层处理在增强材料组元上预先涂层以改善增强材料与基体的浸润性，同时涂层还应起到防止发生反应的阻挡层作用。 2）选择金属元素改变基体的合金成分，造成某一元素在界面上富集形成阻挡层来控制界面反应。尽量避免选择易参与界面反应生成脆硬界面相、造成强界面结合的合金元素 3）优化制备工艺和参数金属基体复合材料界面反应程度主要取决于制备方法和工艺参数，因此优化制备工艺和严格控制工艺参数是优化界面结构和控制界面反应的有效途径。 3、陶瓷基复合材料的界面 陶瓷基体复合材料指基体为陶瓷材料的复合材料。增强体包括金属和陶瓷材料。界面结合方式与金属基体复合材料基本相同，有化学结合、物理结合、机械结合和扩散结合，其中以化学结合为主，有时几种结合方式同时存在。 陶瓷基体复合材料界面控制方法
高分子聚合物的表征方法及常用设备
高分子聚合物的表征方法及常用设备 高分子聚合物的结构形貌分为微观结构形貌和宏观结构形貌。微观结构形貌指的是高分子聚合物在微观尺度上的聚集状态，如晶态，液晶态或无序态（液态），以及晶体尺寸、纳米尺度相分散的均匀程度等。高分子聚合物的的微观结构状态决定了其宏观上的力学、物理性质，并进而限定了其应用场合和范围。宏观结构形貌是指在宏观或亚微观尺度上高分子聚合物表面、断面的形态，以及所含微孔（缺陷）的分布状况。观察固体聚合物表面、断面及内部的微相分离结构，微孔及缺欠的分布，晶体尺寸、性状及分布，以及纳米尺度相分散的均匀程度等形貌特点，将为我们改进聚合物的加工制备条件，共混组份的选择，材料性能的优化提供数据。 高分子聚合物结构形貌的表征方法及设备包括： 1.偏光显微镜（PLM） 利用高分子液晶材料的光学性质特点，可以用偏光显微镜观测不同高分子液晶，由液晶的织构图象定性判断高分子液晶的类型。 2.金相显微镜 金相显微镜可以观测高分子聚合物表面的亚微观结构，确定高分子聚合物内和微小缺陷。体视光学显微镜通常被用于观测高分子聚合物体表面、断面的结构特征，为优化生产过程，进行损伤失效分析提供重要的信息。 3、体视显微镜 使用体视显微镜时需要注意在取样时不得将进一步的损伤引入受观测的样品。使用金相显微镜时，受测样品需要首先在模具中固定，然后用树脂浇铸成圆柱形试样。圆柱的地面为受测面。受测面在打磨、抛光成镜面后放置于金相显微镜上。高分子聚合物亚微观结构形貌的清晰度取决于受测面抛光的质量。 4.X射线衍射 利用X射线的广角或小角度衍射可以获取高分子聚合物的晶态和液晶态组织结构信息。有关内容参见高分子聚合物的晶态和高分子聚合物液晶态栏目。 5.扫描电镜（SEM） 扫描电镜用电子束扫描聚合物表面或断面，在阴极射线管上（CRT）产生被测物表面的影像。对导电性样品，可用导电胶将其粘在铜或铝的样品座上，直接观察测量的表面；对绝缘性样品需要事先对其表面喷镀导电层（金、银或炭）。 用SEM可以观察聚合物表面形态；聚合物多相体系填充体系表面的相分离尺寸及相分离图案形状；聚合物断面的断裂特征；纳米材料断面中纳米尺度分散相的尺寸及均匀程度等有关信息。 6.透射电镜（TEM） 透射电镜可以用来表征聚合物内部结构的形貌。将待测聚合物样品分别用悬浮液法，喷物法，超声波分散法等均匀分散到样品支撑膜表面制膜；或用超薄切片机将高分子聚合物的固态样样品切成50nm薄的试样。把制备好的试样置于透射电子显微镜的样品托架上，用TEM可观察样品的结构。利用TEM可以观测高分子聚合物的晶体结构，形状，
最新聚合物材料表征与测试考点
一、红外光谱中，什么是特征频率区、指纹区？二者的频率范围是多少？三键、 双键和单键分别在哪个频率范围内会产生吸收峰？ 能代表某种基团存在并具有较高强度的吸收峰所在的频率位置称为基团特征吸收频率。一些同系物或结构相似的化合物，在这个区域的谱带往往存在一定的区分，可以区别开来，如同人的指纹，因此称为指纹区 三键在2400-2100cm-1处产生吸收峰 双键在1900-1500cm-1处产生吸收峰 单键在1300cm-1以下产生吸收峰 二、什么是热分析？常用的热分析方法有哪些？（至少三种） 热分析是在受控程序温度条件下和规定的气氛测量物质的物理性质随温度或时间变化的技术。常用的热分析方法有差式扫描量热和差热分析、热重分析和动态力学分析 三、核磁共振氢谱图可以提供哪些主要信息？ 峰的数目:标志分子中磁不等性质子的种类，多少种； 峰的强度(面积)比:每类质子的数目(相对)，多少个； 峰的位移值(δ):每类质子所处的化学环境、化合物中位置； 峰的裂分数:相邻碳原子上质子数； 偶合常数(J):确定化合物构型。 四、X射线衍射谱图物相分析的基本思想是什么？说出晶态、非晶态、半晶态衍射谱图的特征分别是什么？（p78） 1）
2） 3）区分晶态与非晶态（鉴别是否有结晶） 聚合物鉴定 识别晶体类型 尖锐峰——结晶存在 弥散“隆峰”——样品中有非晶态 不尖锐不弥散的“突出峰”——有结晶存在，但不完善 五、拉曼与红外 一般说来极性基团的振动和分子非对称振动使分子的偶极矩变化，所以是红外活性的。非极性基团的振动和分子的全对称振动使分子极化率变化，所以是拉曼活性的。 拉曼光谱最适用于研究同种原子的非极性健如S－S，N＝N，C＝C，C≡C等的振动。 红外光谱适用于研究不同种原子的极性键如C＝O，C—H，N—H，O－H等的振动。 名词解释： 1双折射现象： 光束入射到各向异性的晶体上时，入射光分解为两束光而沿不同方向折射的现象。它们为振动方向互相垂直的线偏振光。 2化学位移： 由于原子核外电子运动产生了感应磁场，对外磁场产生屏蔽作用（σ屏蔽常数，反映核所处的化学环境），使质子的共振频率发生变化，在谱图上反映出谱峰的位置移动了
高分子聚合物的主要表征方法
摘要 本文主要综述了高分子聚合物及其表征方法和检测手段。首先，从不同角度对高分子聚合物进行分类，并对高分子聚合物的结构，生产，性能做了一个简单的介绍。其次，阐述了表征和检测高分子聚合物的常用方法，例如：凝胶渗透色谱、核磁共振（NMR）、红外吸收光谱（IR）、激光拉曼光谱（LR）等。最后，介绍了检测高分子聚合物的常用设备，例如：偏光显微镜、金相显微镜、体视显微镜、X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜等。 关键词：聚合物；表征方法；检测手段；常用设备
ABSTRACT This paper mainly summarizes the polymer and its detection means.First of all, this paper made a simple introduction of the polymer structure, production performance. Secondly, it describes the detection methods of polymers, such as: gel permeation chromatography, nuclear magnetic resonance (NMR), infrared absorption spectroscopy (IR), laser Raman spectroscopy (LR).Finally, it describes the common equipment used to characterize and detection of polymers, such as: polarizing microscope, metallographic microscope, microscope, X ray diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, atomic force microscopy. Key words：Polymer; Characterization; Testing means; common equipment
材料表面与界面名词解释和简
材料表面与界面 1、材料表界面对材料整体性能具有决定性影响，材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、化学反应、复合等等，无不与材料的表界面密切有关。 2、应用领域：a. 航空和航天器件； b.民用;c.特种表面与界面功能材料； d.界面是复合材料的重要特征。 3、隐形涂料：这种涂料含有大量的铁氧体粉末材料，依靠其自身自由电子的重 排来消耗雷达波的能量。 4、表面与界面概念：常把从凝聚相（固相、液体）过渡到真空的区域称为表面; 从一个相到另一个相之间的区域称为界面. 5、表界面尺寸：可以是一个原子层或多个原子层，其厚度随材料的种类不同而 不同。 6、在物质的气、液、固三态中，除了两种气体混合能完全分散均匀而不能形成 界面外，三种相态的组合可构成五种界面：液－气，液－液，固－气，固－液，固－固。 7、物质的分类。从形态上：固体，液体，气体，胶体，等离子体。从结构上： 晶体，无定形。 8、固体表面的分类：理想表面；清洁表面（高温热处理，离子轰击加退火，真 空解理。真空沉积。场致蒸发等）。吸附表面。 9、清洁表面发生的常见重要物理化学现象：(a)表面弛豫；（b）重构；(c) 偏析又称偏聚或分凝；(d)台阶化；(e) 形成化合物；(f)吸附 10、表面处离子排列发生中断，体积大的负离子间的排斥作用，使C1-向外移动，体积小的Na+则被拉向内部，同时负离子易被极化，屏蔽正离子电场外露外移， 结果原处于同一层的Na+和C1-分成相距为0.020 nm的两个亚层，但晶胞结构基本没有变化，形成了弛豫。 11、重构：表面原子重新排列，形成不同于体相内部的晶面。 12、偏析又称偏聚或分凝指化学组成在表面区域的变化但结构不变。 13、台阶化表面附近的点阵常数不变，晶体结构也不变，而形成相梯度表面。 14、形成化合物：指表面化学组成和结构都发生改变，在表面有新相生成。 15、吸附指表面存在周围环境中的物种。分类：物理吸，附和化学吸附。 16、物理吸附：外来原子在固体表面上形成吸附层，由范德华力作用力引起，则此吸附称为物理吸附。特点：物理吸附过程中没有没有电子转移、没有化学键的生成和破坏，没有原子重排等等，产生吸附的只是范德华力。物理吸附的作用力是范德华力，包括：定向力/偶极力、诱导力、色散力；作用力。 17、化学吸附：外来原子在固体表面上形成吸附层由化学键作用力引起，则此吸附称为化学吸附。特点：表面形成化学键；有选择性；需要激活能；吸附热高（21- 42 KJ/mol）。吸附的物种可以是有序=也可以是无序=吸附在表面，也可以是单层=，也可以是多层=吸附。因表面的性质和被吸附的物种而定。 18、表面产生吸附的根本原因：（1）电荷在凝聚相表面发生迁移，包括负电荷的电子迁移和正电荷的离子迁移。（2）表面存在可以构成共价键的基团：A、过渡金属原子空的d轨道如Pt(5d96s1)；B、化学反应成键。 19、固体的表面特性：①表面粗糙度r : 实际表面积与光滑表面积之比值。表面粗糙度测定方法:1)干涉法：适合测量精密表面；2)光学轮廓法；3)探针法；4）比较法；5）感触法。
聚合物测试表征复习重点
第一章：红外吸收光谱法 1.红外吸收法的基本原理及仪器组成； 2.样品的制备方法； 3.红外吸收光谱法在高聚物定性分析中的应用，熟悉高聚物红外吸收谱图横、 纵坐标表示的物理意义，熟悉常见官能团吸收峰位置，能够给出红外图谱上主要吸收峰的归属，从而判断该聚合物的种类；能够通过红外图谱中可反应官能团的消失或新官能团的出现来判断高聚物化学反应的进程。 第二章：热分析 1.热分析方法的种类； 2-1.差示量热扫描法(DSC)的基本原理、实验技术和主要影响因素； 2-2.DSC在高分子材料领域的应用，分物理转变的研究和化学反应的研究两类。物理转变包括结晶/熔融、液晶转变等相转变以及玻璃化转变等；化学反应包括聚合、交联等。可以用来测定聚合物的结晶度、反应热，研究结晶动力学和反应动力学。 2-3.重点：用DSC研究聚合物结晶行为时常采用的两种测试方法(非等温结晶法和等温结晶法)：熟悉结晶聚合物的升温曲线和降温曲线中各个参数的物理意义，掌握熔点和结晶点的确定方法，能够通过熔融峰面积计算聚合物的结晶度。 2-4.玻璃化转变温度的确定。如何通过熔融DSC曲线判断两相聚合物共混物的相容性好坏？(玻璃化转变温度、熔点间位置的变化) 3-1.热重法(TG)的基本原理、实验技术和主要影响因素； 3-2.TG的应用-广泛应用于高分子材料的组成分析、热稳定性测定、氧化或分解反应及其动力学研究、失去低分子物的缩聚反应研究和材料老化研究等； 3-3.重点：熟悉TG曲线各项参数的物理含义；如何通过TG曲线判断聚合物耐热性能的好坏(失重百分数温度1%、5%、50%);如何通过TG曲线分析材料的组成。 第三章：X射线法(大角X射线衍射法-WAXD、小角X射线散射法-SAXS) 1.X射线在晶体中衍射的基本原理及测定方法-布拉格方程：nλ=2dsinθ,其中 θ为掠射角，晶面间距d，n为正整数(1,2,3……)，称衍射级数； 2.了解X射线衍射法在聚合物中的应用；
聚合物基复合材料精彩试题
第一章 聚合物合金的概念、合金化技术的特点？ 聚合物合金：有两种以上不同的高分子链存在的多组分聚合物体系 合金化技术的特点:1、开发费用低，周期短，易于实现工业化生产。2、易于制得综合性能优良的聚合物材料。3、有利于产品的多品种化和系列化。 热力学相容性和工艺相容性的概念？ 热力学相容性：达到分子程度混合的均相共混物，满足热力学相容条件的体系。 工艺相容性：使用过程中不会发生剥离现象具有一定程度相容的共混体系。 如何从热力学角度判断聚合物合金的相容性？ 1、共混体系的混合自由能（ΔG M ）满足ΔG M =ΔH M -TΔS M <0 2、聚合物间的相互作用参数χ 12 为负值或者小的正值。 3、聚合物分子量越小，且两种聚合物分子量相近。 4、两种聚合物的热膨胀系数相近。 5、两种聚合物的溶度参数相近。 *思考如何从改变聚合物分子链结构入手，改变聚合物间的相容性？ 1、通过共聚使分子链引入极性基团。 2、对聚合物分子链化学改性。 3、通过共聚使分子链引入特殊相互作用基团。 4、形成IPN或交联结构。 5、改变分子量。 第二章 *列举影响聚合物合金相态结构连续性的因素，并说明分别是如何影响的？ 组分比：含量高的组分易形成连续相； 黏度比：黏度低的组分流动性较好，容易形成连续相； 内聚能密度：内聚能密度大的聚合物，在共混物中不易分散，容易形成分散相；溶剂类型：连续相组分会随溶剂的品种而改变； 聚合工艺：首先合成的聚合物倾向于形成连续性程度大的相。 说明聚合物合金的相容性对形态结构有何影响？
共混体系中聚合物间的工艺相容性越好，它们的分子链越容易相互扩散而达到均匀的混合，两相间的过渡区越宽，相界面越模糊，分散相微区尺寸越小。完全相容的体系，相界面消失，微区也随之消失而成为均相体系。两种聚合物间完全不相容的体系，聚合物之间相互扩散的倾向很小，相界面和明显，界面黏接力很差，甚至发生宏观的分层剥离现象。 什么是嵌段共聚物的微相分离？如何控制嵌段共聚物的微相分离结构？ 微相分离：由化学键相连接的不同链段间的相分离 控制溶剂、场诱导、特殊基底控制、嵌段分子量来控制 *简述聚合物合金界面层的特性及其在合金中所起的作用。 特性：1、两种分子链的分布是不均匀的，从相区到界面形成一浓度梯度；2、分子链比各自相区内排列松散，因而密度稍低于两相聚合的平均密度；3、界面层内易聚集更多的表面活性剂、其他添加剂、分子量较低的聚合物分子。 作用：力的传递效应；光学效应；诱导效应。 第三章 简述橡胶增韧塑料的形变机理及形变特点。 形变机理：银纹化和剪切带形变 特点：1、橡胶的存在有利于发生屈服形变；2、力学性能受形变机理影响 简述橡胶增韧塑料形变机理的研究方法及影响形变机理的因素。 定量研究：高精度的蠕变仪同时测定试样在张应力作用下的纵向和横向形变 影响因素：树脂基体；应力和应变速率；温度；橡胶含量；拉伸取向 简述橡胶增韧塑料的增韧机理，并列举实例加以说明。 多重银纹化增韧理论：在橡胶增韧的塑料中，由于橡胶粒子的存在，应力场不再是均匀的，橡胶粒子起着应力集中的作用。（脆性玻璃态高聚物受外力作用发生银纹形变时材料韧性很差） 银纹-剪切带增韧机理：银纹和剪切到之间存在着相互作用和协同作用。（ABS 拉伸过程中既有发白现象，又有细颈形成） 试比较橡胶增韧塑料和刚性粒子工程塑料的异同点。 1、增韧剂种类不同； 2、增韧的对象不同； 3、增韧剂含量对增韧效果的影响不同； 4、改善聚合物合金性能的效果不同； 5、增韧机理不同； 6、对两相界面黏结强度的要求是相同 第四章
(整理)聚合物的表征概述
精品文档 目录1 前言 0 2 表征方法 (1) 2.1 红外光谱法(IR) (1) 2.2 核磁共振法(NMR) (3) 2.3 热分析法 (3) 2.4 扫描电镜法 (5) 2.5 X-射线衍射法 (5) 2.6 原子力显微镜法 (6) 2.7 透射电镜法 (7) 3 聚合物表征的相关研究 (8) 4 结论 (8) 参考文献 (9)
精品文档 聚合物表征方法概述 摘要：介绍了常规的聚合物的表征方法，具体叙述了红外光谱(IR)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、核磁共振(NMR)等的原理、方法、特点、局限性及改进方法并展望了聚合物表征方法的发展趋势。 关键词: 聚合物表征方法 Summary of polymer characterization methods Abstrac t：The conventional polymer characterization methods were introduced in this paper. The principle, method, characteristics infrared spectra (IR), X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and the nuclear magnetic resonance (NMR) have been described, the limitations, the improved method and the predicts the development trend of those polymer characterization methods have been summarized. Keyword：polymer characterization method 1 前言 功能高分子是指具有某些特定功能的高分子材料[1]。它们之所以具有特定的功能，是由于在其大分子链中结合了特定的功能基团，或大分子与具有特定功能的其他材料进行了复合，或者二者兼而有之。功能高分子材料从20世纪50年代才初露端倪，到70年代方成为高分子学科的一个分支，目前正处于成长时期。它是在合成或天然高分子原有力学性能的基础上，再赋予传统使用性能以外的各种特定功能而制得的一类高分子[2]。一般在功能高分子的主链或侧链上具有显示某种功能的基团，其功能性的显示往往十分复杂，不仅决定于高分子链的化学结构、结构单元的序列分布、分子量及其分布、支化、立体结构等一级结构，还决定于高分子链的构象、高分子链在聚集时的高级结构等，后者对生物活性功能的显示更为重要[3]。
聚合物基复合材料的界面研究进展
大学研究生课程论文 题目聚合物基复合材料的界面研究进展成绩 专业材料工程 课程名称、代码1512011080405 年级 姓名学号 时间年月 任课教师
聚合物基复合材料的界面研究进展 【摘要】界面的好坏是直接影响复合材料性能的关键因素之一。当复合材料受到外力作用时，除增强材料和基体受力外，界面亦起着极其重要的作用。本文主要综述无机刚性粒子增强复合材料、无机纳米粒子增强复合材料、纤维增强复合材料、原位复合材料的界面特性及其改性方法，并简要介绍了各种复合材料的增强机理，界面相容性。 【关键词】聚合物；复合材料；综述；增强 1 前言 界面是复合材料极为重要的微观结构，它作为增强体与基体连接的“桥梁”，对复合材料的物理机械性能有至关重要的影响。复合材料一般是由增强相、基体相和它们的中间相(界面相)组成，它们各自都有其独特的结构、性能与作用，增强相主要起承载作用，基体相主要起连接增强相和传载作用，界面是增强相和基体相连接的桥梁，同时是应力的传递者[1]。目前对增强相和基体相的研究已取得了许多成果，但对作为复合材料三大微观结构之一的界面问题的研究却不够深入，其原因是测试界面的精细方法运用起来较困难，描述的理论尚不完整，尤其从力学的角度研究界面的性质、作用及其对复合材料力学性能的影响和破坏机理等方面的工作正在开展。界面的性质直接影响着复合材料的各项力学性能[2]，尤其是层间剪切、断裂、抗冲击等性能，因此随着复合材料科学和应用的发展，复合材料界面及其力学行为将越来越受到重视。 复合材料的强度、刚性及韧性是代表其物理机械性能的重要指标，对复合材料进行界面改性使两相界面具有合适的粘附力，形成一个相互作用匹配且能顺利传递应力的中间模量层，以提高聚合物基复合材料的力学性能一直是高分子材料科学的重要研究领域[3]。 2 无机刚性粒子增强聚合物基复合材料及其界面 无机刚性粒子增强聚合物是近年来研究的热点，它克服了以往用弹性体、热塑性树脂增韧聚合物时在韧性提高的同时刚性下降的缺点。常用的无机刚性粒子[4]有CaCO3、SiC、BaSO4、滑石、硅石灰、蒙脱土以及煤灰等。欧玉春[5]等提出刚性粒子增强增韧聚合物的界面结构模型，即在均匀分散的刚性粒子周围嵌入具有良好界面结合和一定厚度的柔性界面相，以便在材料经受破坏时能引发银纹，终止裂缝的扩展。在一定形态结构下它还可引发基体剪切屈服，从而消耗大量冲击能，又能较好地传递所承受的外应力，达到既增强又增韧的目的。 在PP/CaCO3复合体系中用酯酸类偶联剂在刚性粒子表面引入柔性或弹性界面层，降低
《聚合物表征》试卷及答案
北京化工大学2007——2008学年第一学期 《聚合物表征》期末考试试卷 一．选择题（下面每个选择题中有一个或多个正确答案，每题2分，共40分） 1.最早发现X射线的人是 D 。 A. 傅立叶 B. 布拉格 C. 劳厄 D. 伦琴 2. 中红外光谱的波数范围是指 B 。 A. 4000～13000cm-1 B. 400～4000 cm-1 C.6000～13000 cm-1～400cm-1 3. 在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的DSC曲线图中，介于玻璃化温度和熔点之间有时会出 现一放热峰，产生此峰对应的结构变化是 C 。 A．晶型转变 B.僵化的分子链段开始运动C冷结晶 D.不完善晶区熔融 4. 红外光谱图解析的基本的要素是 A B C 。 A. 峰的位置 B. 峰的强度 C. 峰的形状 D. 峰的朝向 5. 动态力学分析仪可以进行A B C D 等多种扫描模式的实验。 A. 温度 B. 时间 C.频率 D. 应变 6聚合物的平衡熔点总是 B 其测定到的熔点。 A. 低于 B. 高于 C. 等于 7. GPC谱图的横坐标如果以“保留体积”表示，“保留体积”的含义是 C 。 A. 分子链体积 B. 流体力学体积 C. 泵输送的流动相溶剂的体积 D. 抽取样品的量 8. 可用 A 和 B 等方法测定聚合物结晶度。 A. X射线衍射（XRD） B. 差示量热扫描（DSC） C. GPC D. 毛细管流变仪 9. GPC仪器中正确的连接是 A 。 A．泵-进样器-色谱柱-检测器 B. 进样器-泵-色谱柱-检测器 C. 进样器-色谱柱-泵-检测器 D. 泵-进样器-检测器- 色谱柱 10. 采用 D 可同时获知粘合剂固化后的玻璃化温度及模量. A．DTA C. DSC D. DMTA 11．将聚合物链插入无机纳米粘土的层间，形成的纳米插层结构，导致XRD谱图上相应的衍射峰如何移动 A 。 A. 向低角度移动 B. 向高角度移动 C.不发生移动 12. 红外光谱实验中所使用的载体是 C 。 A. 玻璃片 B. 透明体 C. 溴化钾晶体 D. 水 13.做一次DSC实验需要的样品量大约是 A 。 A．3mg B. 3g C. 30g D. 300g 14. 一种聚和物材料的熔融指数值越高，说明其熔体 B 。 A．流动性越差 B. 流动性越好 C. 越容易发生交联 D. 越容易发生降解 15. 差热扫描量热仪（DSC）测量的是维持样品和参比物处于相同温度所需要的 热流率差；它反映了样品 C 的变化率。 A．内能 B.自由能 C.焓 D.温度
高分子聚合物的表征方法及常用设备
高分子聚合物的表征方法及常用设备 1. X射线衍射 x射线的波长和晶体内部原子面之间的间距相近，晶体可以作为X射线的空间衍射光栅，即一束X射线照射到物体上时，受到物体中原子的散射，每个原子都产生散射波，这些波互相干涉，结果就产生衍射。衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。分析衍射结果，便可获得晶体结构。 主要部件包括4部分。 （1）高稳定度X射线源（2）样品及样品位置取向的调整机构系统样品须是单晶、粉末、多晶或微晶的固体块。（3）射线检测器（4）衍射图的处理分析系统 2. 扫描电镜（SEM） 扫描电镜用电子束扫描聚合物表面或断面，在阴极射线管上（CRT）产生被测物表面的影像。对导电性样品，可用导电胶将其粘在铜或铝的样品座上，直接观察测量的表面；对绝缘性样品需要事先对其表面喷镀导电层（金、银或炭）。 当一束极细的高能入射电子轰击扫描样品表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时可产生电子-空穴对、晶格振动（声子)、电子振荡（等离子体）。 扫描电子显微镜由电子光学系统，信号收集及显示系统，真空系统及电源系统组成。 3. 透射电镜（TEM） 透射电镜的总体工作原理是：由电子枪发射出来的电子束，在真空通道中沿着镜体光轴穿越聚光镜，通过聚光镜将之会聚成一束尖细、明亮而又均匀的光斑，照射在样品室内的样品上；透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，样品内致密处透过的电子量少，稀疏处透过的电子量多；经过物镜的会聚调焦和初级放大后，电子束进入下级的中间透镜和第1、第2投影镜进行综合放大成像，最终被放大了的电子影像投射在观察室内的荧光屏板上；荧光屏将电子影像转化为可见光影像以供使用者观察。本节将分别对各系统中的主要结构和原理予以介绍。 透射电镜可以用来表征聚合物内部结构的形貌。将待测聚合物样品分别用悬浮液法，喷物法，超声波分散法等均匀分散到样品支撑膜表面制膜；或用超薄切片机将高分子聚合物的固态样样品切成50nm薄的试样。把制备好的试样置于透射电子显微镜的样品托架上，用TEM可观察样品的结构。利用TEM可以观测高分子聚合物的晶体结构，形状，结晶相的分布。高分辨率的透射电子显微镜可以观察到高分子聚合物晶的晶体缺陷。TEM系统由以下几部分组成 电子枪：聚光镜：样品室：物镜：中间镜：透射镜：此外还有二级真空泵来对样品室抽真空、照相装置用以记录影像。 4. 原子力显微镜（AFM） 原子力显微镜使用微小探针扫描被测高分子聚合物的表面。当探针尖接近样品时，探针尖端受样品分子的范德华力推动产生变形。因分子种类、结构的不同，范德华力的大小也不同，探针在不同部位的变形量也随之变化，从而“观察”到聚合物表面的形貌。
材料表面与界面-习题含答案
第一章 1、什么是Young 方程？接触角的大小与液体对固体的润湿性好坏有怎样的关系？ 答：Young 方程：界面化学的基本方程之一。它是描述固气、固液、液气界面自由能γsv，γSL ，γLv 与接触角θ之间的关系式，亦称润湿方程，表达式为： γsv -γSL =γLv COSθ。该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。 关系：一般来讲，接触角θ的大小是判定润湿性好坏的依据，若θ=0.cosθ=1，液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；若0＜θ＜90°，液体可润湿固体，且θ越小，润湿性越好；90°＜θ＜180°，液体不润湿固体；θ=180°，完全不润湿固体，液体在固体表面凝集成小球。 2、水蒸气骤冷会发生过饱和现象，在夏天的乌云中，用飞机撒干冰微粒，试气温骤降至293K ，水气的过饱和度（P/Ps ）达4，已知在293K 时，水的表面能力为0.07288N/m ，密度为997kg/m 3，试计算： （1）在此时开始形成雨滴的半径。 （2）每一雨滴中所含水的分子数。 答：（1）根据Kelvin 公式有 '2ln 0R RT M P P ργ= 开始形成的雨滴半径为： 0ln 2'p p RT M R ργ= 将数据代入得：
m R 101079.74ln 997293314.8018.007288.02'-?=?????= （2）每一雨滴中所含水的分子数为N=N A n ，n=m/M=rV/M ，得 个661002.6018.03997)1079.7(14.34)(34233103'=???????===-A A N M R N M V N ρπρ 3、在293k 时，把半径为1.0mm 的水滴分散成半径为1.0μm 的小水滴，试计算（已知293K 时水的表面Gibbs 自由为0.07288J .m -2）（1）表面积是原来的多少倍？（2）表面Gibbs 自由能增加了多少？（9分） 答：（1）设大水滴的表面积为A 1，小水滴的总表面积为A 2，则小水滴数位N ，大 水滴半径为r 1,小水滴半径为r 2。 21221244r r N A A ππ= 又因为将大水滴分散成N 小水滴，则 32313434r N r ππ= 推出 3 21???? ??=r r N =93100.1mm 0.1=??? ??um 故有 ()()10000.140.141022 912=???=mm um A A ππ 即表面积是原来的1000倍。 （2）表面Gibbs 自由能的增加量为 ()()212212421r Nr r A A dAs G A A -=-==??πγγ =4*3.142*0.07288*[109*（10-6）2-（10-3）2]
第四章 材料的表面与界面
第四章材料的表面与界面 4-1 什么叫表面张力和表面能？在固态下和液态下这两者有何差别？ 4-2 在晶体中，不同的结晶面上，表面上原子的密度住往是不一样的（见无机材料物理化学表6-1）。你认为原子密度大的晶面的表面能大呢？还是密度小的大？试解释之。 4-3 一般说来，同一种物质，其固体的表面能要比液体的表面能大，试说明原因。 4-4 什么叫吸附、粘附？当用焊锡来焊接铜丝时，手用挫刀除去表面层，可使焊接更加牢固，请解释这种现象。 4-5 为什么在实际晶体中，不存在理想晶体所设想的完整平面？至少也会有相当于螺形位错的柏氏矢量大小的台阶。 4-6 试说明晶界能总小于两个相邻晶粒的表面能之和的原因。 4-7 （a）什么叫弯曲表面的附加压力：其正负根据什么划分？ 的曲面附加压力？（b）设表面张力为900尔格／厘米2，计算曲率半径为0.5m 4-8 真空中Al2O3的表面张力约为900尔格／厘米2，液态铁的表面张力为1720尔格/厘米2，同样条件下，界面张力（液态铁－氧化铝）约为2300尔格/厘米2。问接触角有多大？液态铁能否润湿氧化铝？ 4-9 表面张力为500尔格/厘米2的某液态硅酸盐与某种多晶氧化物表面相接触，接触角θ=450；若与此氧化物混合，则在三晶粒交界处，形成液态小球，二面角ψ平均为900，假如没有液态硅酸盐时，氧化物－氧化物界面的界面张力为1000达因/厘米，试计算氧化物的表面张力。 4-10 MgO－Al2O3－SiO2系统的低共熔物，放在Si3N4脚瓷片上，在低共熔温度下，液相的表面张力为900尔格/厘米2，液体与固体的界面能为600尔格/厘米2，测得接触角为70.520。 （1）求Si3N4的表面张力。 （2）把Si3N4在低共熔温度下进行热处理，测得其腐蚀的槽角为123.750，求Si3N4晶界能。 （3）如果把20％的低共熔物与Si3N4粉末混合，加热到低共熔温度下，试画出低共熔物与Si3N4混合组成的陶瓷显徽结构示意图。 4-11 氟化锂晶体经多边形化、抛光和腐蚀后，观察到沿某一直线的位错腐蚀坑的间距为10微米，在外加剪应力作用下观察到小角度晶界垂直于晶界平面移动，为什么会发生这种现象？若柏氏矢量为2.83?，穿过晶界的倾斜角是多少？ 4-12 在高温将某金属熔于Al2O3片上。 （a）若Al2O3的表面能估计为1000尔格/厘米2，此熔融金属的表面能也与之
聚合物熔融指数的测定实验报告
实验二聚合物熔融指数的测定 一、概述 热塑性塑料的流动性测定指的是在拟定温度条件下，被测高聚物在高温加热炉城完全熔融状态，在拟定砝码负荷下，通过一定直径的小孔进行挤出实验的工艺过程。流动速率可以用来表征高分子材料在熔融状态的流动性、粘度等重要物理性能。 本实验的目的是：要求学生能够理解熔体流动速率仪基本工作原理；掌握流动速率计算方法；熟悉流动速率仪操作方法、应用围及注意事项。 二、原料及主要仪器设备 1、原料：LDPE或PS或ABS 2、主要仪器设备 （1）XNR – 400 A熔体流动速率仪 1 台 （2）配套工具1套 （3）天平1台 （4）真空干燥箱或红外灯干燥箱1台 三、实验步骤及操作方法 1、实验前务必参考该仪器使用说明。 2、根据待测物料性质拟定测定温度、负荷等参数。本实验温度、负荷的选择原则是测试温度必须高于所测材料的流动温度，但不能过高，否则易使材料受热分解。负荷的选择要考虑熔体粘度的大小，粘度大的试样应取较大的荷重；而粘度小的试样随取较小的荷重。温度及荷重选择可参考表一“各种塑料熔融指数测定的标准条件（ASMD—1238）”。本实验选择180℃、190℃、200℃，在2160克（21.18N）荷重下测定聚乙烯的熔融指数。先使温度稳定在180℃，以后再逐步改变温度。 3、确定试样的加入量与切样的时间间隔。本实验切取样条时间的选择方法是当圆筒试样达到规定温度时，就可以加上负荷，熔体通过毛细管而流出，用锐利的刀刃在规定时间切割流出的样条，每个切割段所需时间与熔体流出速度有一定关系，见表二。用时间来控制取样速度，可使测试数据误差较小，提高精确度。本实验确定间隔1~2分钟切割—次。 4、粉状、粒状、条状或模压块物料务必事先在红外灯干燥箱或80℃真空干燥数小时。 5、根据熔融指数和毛细管直径大小，确定试样重量，见表三。 6、接通电源，指示灯亮，炉体开始加热。等到设定温度后应该等待稳定后可将压料杆置于炉体预热10分钟。 7、取出压料杆，迅速加入试样，压实，开始计时（数显和秒表均可）。 8、式样预热6~8分钟后，选定负荷砝码压在压料杆顶部，开始挤出物料。切去料头约15厘米，间隔连续切取至少五个切割段，务必舍弃含有气泡段，取五个无气泡的切割段分别称量。 9、取样完毕，趁热将余料全部挤出，开始仔细清洗赘物，可用少许乙醇擦洗，直至料筒、压料杆和毛细管清亮为止。 10、实验完毕，停止加热，关闭电源，各种物件放回原处。
材料表面与界面
《材料表面与界面》课程简介 课程编号：02024915 课程名称：材料表面与界面/Material surface and interface 学分:2 学时：32 （实验：上机：课外实践：） 适用专业：无机非金属材料工程 建议修读学期：第6学期 开课单位：材料科学与工程学院无机非金属材料系 课程负责人：张毅 先修课程：物理化学、材料科学基础 考核方式与成绩评定标准：闭卷考试, 期末考试成绩70%，平时成绩30% 教材与主要参考书目： 教材：胡福增主编.材料表面与界面[M]. 上海：华东理工大学出版社, 2008. 参考书目 [1] 王兆华主编. 材料表面工程[M]. 北京：化学工业出版社, 2011. [2] 赵亚溥主编. 表面与界面物理力学[M]. 北京：科学出版社, 2012. [3] 腾新荣主编. 表面物理化学[M]. 北京：化学工业出版社, 2009. [4] 赵振国主编. 应用胶体与界面化学[M]. 北京：化学工业出版社, 2008. 内容概述： 材料的表界面在材料科学中占有重要的地位。材料表面与界面无机非金属材料工程专业的专业选修课。通过本课程的学习，使学生掌握材料表面与界面的基本概念、基本理论和基本研究方法，为今后在工作中打下有关材料研究和材料表面改性的理论基础。 The surface interface of materials plays an important role in material science. “Material surface and interface”is a specialized optional course of inorganic non-metallic materials specialty. The course mainly introduces the material surface basic concepts, basic theory and basic research methods of the interface. The study of this course is to lay the theoretical foundation for the study of materials and surface modification of materials in the future. 1
聚合物材料表征与测试考点总结
聚合物材料表征与测试考点总结 1、P3 1.3.1 高聚物结构的测定方法。 2、P4 公式（2-1） 2.1.2.2中公式3n-6和3n-5 3、P11 官能团区和指纹区的概念 4、P12 2.2（老师举的问题：纤维试样怎样测定？有哪些测定方法） 5、P13 2.3（上课叫老潘去做的排序题，比较几个化学分子的频率大小。 6、P16 表2-2 记住羰基在不同分子中红外谱图上对应的吸收谱带位置大概在1700左右即可。 7、P29 2.6.5 （重点看ATR内容P31) 8、P33 2.6.5.3 红外光声光谱法（用来测什么的） 9、P49 5.1 上面的两段话。 10、P52 化学位移和耦合常数 11、P56 谱图解析实例谱图的概念 12、P72 X射线法有大角X射线衍射法、小角X射线衍射法、白色X射线、（补充：软。。。、硬。。。。忘了） 13、P73 公式7-2 布拉格公式 14、晶面间距和晶粒尺寸的概念 15、P75 图7-7 16、P77 图7-10 17、P80 洁净度的测定 18、天空为什么是蓝色？云为什么是白色？--米氏。。。、胶体--丁达
尔效应 19、P82 晶粒尺寸测定 20、晶面参数的概念 21、P90 的表格，记住几种相对分子质量测定方法的测试范围及分类。 22、P91 第八章，记住测定方法分别测的是什么就行了，不需要知道怎么测。 23、P98 光散射法为什么测的是重均分子量。记住公式（9-10） 24、柱效概念和塔板数和分离度的概念 25、P109 11.3 （温度与校正曲线要一致，还有溶剂一般与正在运转的流动相相同等。） 26、P111 11.4.3 中的三个公式 27、P113 11.5.5 （关注“支化分子的均方回转半径。。。。。。应进行校正”这句话） 注：有缺的大家积极补上去哈，里面难免有错的，模糊的，就将就吧。