材料表界面范围

第一章绪论

名词解释：表、界面；物理表面

表界面是指由一个相到另一个相的过渡区域。

物理表面：三维规整点阵到体外空间之间的过渡区域；厚度随材料种类而异，从一个到多

个原子层不等。

基本知识点：

1、表、界面现象的研究对象通常为具有多相性的不均匀体系，即体系中一般存在两个或两个以上不同性能的相。

2、表界面指相与相之间的过渡区域，因此表界面区的结构、能量、组成等都呈现连续的梯度变化。

3、按照扩散的微观机制可将表面扩散分为两类：自扩散和互扩散。

4、固体中的扩散是通过原子的随机运动进行的，因此扩散的前提是有可供原子运动的空间。

5、扩散过程的微观机制是缺陷的运动。

6、晶界迁移是重要的界面扩散传质现象，可由不同的驱动力引起；晶界迁移的特点与处于一定能量状态的晶界原子结构特点密切相关，其过程的本质是晶界能量的下降。

公式：

第二章液体界面

名词解释：表面张力：液体表面任意二相邻部分之间垂直于它们的单位长度分界线相互作用的拉力表面

自由能：广义，保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积时，相应热力学函数的增值。狭义，保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能，或简称表面自由能或表面能。

特劳贝(Traube)规则；在同系物溶液中，欲使表面张力降低得一般多，所需溶液浓度因分子中每增加一个亚甲基-ch2-而减少为原来的三分之一。

基本知识点：

1、表面张力本质上是由分子间相互作用力，即范德瓦尔斯力产生的；

2、表面张力产生的根本原因是分子间相互作用力不平衡引起的；

3、处在液体表面层的分子与其内部分子所受力场相同（错）；

4、气液界面的分子净受到指向液体内部的引力，该引力主要是范德华力；（对）

5、由于系统的能量越低越稳定，所以液体表面有自动收缩的能力；（对）

6、表面弯曲的液体在表面张力的作用下，表面上承受着附加压力，且方向总是指向液体内部；（错）

7、跨过平液面不存在压差；（对）

8、毛细管法测液体表面张力时，要求毛细管被所测液体完全浸润。（错）

9、Kelvin公式表明：液滴的半径越小，其蒸汽压越大；气泡的半径越小，其蒸汽压越小。

10、利用毛细管法测液体表面张力时，当毛细血管浸在液体中，若液体能浸润管壁，则会发生毛细上升现象，液面呈凹月形；若液体不能浸润管壁，则液面下降呈凸液面。

11、跨过一个平表面不存在压力差，而跨过曲面必然存在压力差。（对）

12、弯曲表面，△P与表面张力成正比，而与曲率半径成反比；（错）

13、人工降雨利用凸液面饱和蒸气压大于平液面蒸气压的原理，向云层提供凝结中心达到降雨目的；（对）

简答题：

1、应用Kelvin公式解释以下现象：①人工降雨；②过热液体；③过饱和溶液。

根据公式：

（1）当空气中的水蒸气凝结时，首先形成非常小的液核，在液核存在的基础上继而长大形成大的液滴，从而发生水蒸气的凝结。初始形成的液核半径非常小，对应的饱和蒸气压远

远大于平液面水的饱和蒸气压，液核很难形成，空气中水蒸气过饱和。空气中存在凝结中心时，如灰尘，会使水滴初始凝结曲率半径变大，当相应的饱和蒸气压小于高空中有的水蒸气压力时，蒸汽会凝结成水。人工降雨是利用这种原理，通过向云层中的过饱和水气提供凝聚中心以达到人工增雨的目的。

（2）液体沸腾时在液体表面进行气化，而且在液体内部要自动形成小气泡。根据开尔文公式

对于这样的气泡其饱和蒸气压小于平面液体的饱和蒸气压，而且气泡半径越小，泡内饱和蒸气压越小。在沸点时，最初形成的半径极小的气泡内的饱和蒸气压远小于外压，因此在外压的压迫下，小气泡难以形成，以致液体不易沸腾。

（3）公式：

生成高度分散的微小晶体具有较大的溶解度，晶体的曲率半径越小，相应的溶解度就越大，因此产生过饱和现象。

2、书后及课件计算题

第三章固体表面

简答题：

1、讨论固体的表面特性；固体表面分子的运动受缚性，固体表面的不均一性，吸附性。对固体形成新表面时，表面的分子或原子重排，迁移到平衡位置过程难完成，产生表面应力。

固体表面凹凸不平，晶体晶面的不均一性，固体表面污染。

正由于固体表面原子受力不对称和表面结构不均匀性，它可以吸附气体或液体分子，使表面自由能下降，而且不同的部位吸附和催化的活性不同。

2、比较物理吸附和化学吸附的区别与联系；

物理吸附仅仅是一种物理作用，没有电子转移，没有化学键的生成与破坏，也没有原子重排等。化学吸附相当于吸附剂表面分子与吸附质分子发生了化学反应，在红外、紫外-可见光谱中会出现新的特征吸收带。

3、Langmuir理论；BET多分子吸附理论

langmuir理论基本观点：固体表面存在一定数量的活化位置，当气体分子碰撞到固体表面时，就有一部分气体被吸附在活化位置上，并放出吸附热。已吸附在固体表面上的气体分子又可重新回到气相，即存在凝聚与逃逸的平衡，是一个动态平衡的过程。

bet：接受了langmuir理论中关于固体表面是均匀的，吸附作用是吸附和解吸的平衡等观点。吸附是多分子层的，各相邻吸附层之间存在着动态平衡。第一层吸附是固体表面与气体分子之间的相互作用，其吸附热为q1，第二层以上的吸附都是吸附质分子之间的相互作用，吸附热接近被吸附分子的凝聚热qL。

基本知识点：

1、固体表面的分子（原子）具有迁移性。（错）

2、固体表面的分子（原子）在一定条件下具有迁移性。（对）

3、固体表面的最突出特性之一是不均一性。（对）

4、固体表面的不均一性的原因包括：固体表面的凹凸不平、固体中晶体晶面的不均一性和固体表面易污染。

5、根据力的本质，可将固体表面的吸附作用分为物理吸附和化学吸附。

6、以提高固体比表面积来提高固体的吸附能力的方法包括：使固体具有多孔性和微粒化。

第四章液固界面

名词解释：接触角：在气、液、固三相交界点，自固-液界面经过液体内部到气-液界面的夹角称为接触角。；

粘附功：在等温等压条件下，单位面积的液面与固体表面粘附时对外所作的最大功称为粘附功；

内聚能：等温、等压条件下，两个单位液面可逆聚合为液柱所作的最大功称为内聚能，是

液体本身结合牢固程度的一种量度；

基本知识点：

1、接触角的测定方法：停滴法；吊片法；电子天平法。

2、接触角滞后的原因是由于液滴的前沿存在着能垒。

3、当θy<90°时，表面粗糙化将使接触角更小，润湿性更好；当θy>90°时，表面粗糙化将使接触角变大。润湿性更差。

4、前进角往往反映表面能较低的区域，或反映与液体亲和力弱的那部分固体表面的性质；而后退角往往反映表面能较高的区域，或反映与液体亲和力强的那部分固体表面的性质。

5、表面污染往往来自液体和固体表面的吸附作用，从而使接触角发生显著变化。

6、习惯上规定θ=90°为润湿与否的标准，即θ>90°为不润湿；θ<90°为润湿，θ越小润湿越好；当平衡接触角θ=0°或不存在时为铺展。

简答题：

1、引起接触角滞后的原因？

固体表面的粗糙度，固体表面的不均匀性和多相性，固体表面的污染。

2、润湿过程的三种类型是什么？为什么铺展是润湿的最高形式？

粘附湿润过程，浸湿过程，铺展湿润过程。因为凡能铺展的必定能粘附润湿与浸湿。

3、什么是杨氏方程？接触角大小与液体对固体的润湿性好坏有怎样的关系？

（1）固体被液体完全润湿

（2）固体完全不为液体润湿

（3） W固液越大。湿润性能越好

第五章表面活性剂

名词解释：表面活性剂：能显著降低水气界面和水油界面的界面张力的物质称为表面活性剂

HLB：亲疏平衡值，用来表示表面活性物质的亲水性的相对值

CMC：表面活性剂溶液中开始形成胶束的最低浓度

PIT：非离子型表面活性剂在低温下形成水包油（O/W）型乳状液，升温到达相转型温度时，乳状液从原来的O/W型转变为油包水型（W/O）

简答题：

1、表面活性剂的浓度对溶液的表面张力有怎样的影响？为什么有这样的影响？

表面活性剂加于水中，一开始表面张力随表面活性剂浓度增加而急剧下降，以后则大体保持不变。表面活性剂分子聚集在水面，亲水端向水，亲油端向空气分子会聚集在表面，使空气和水的接触面减少，表面张力急剧下降。水溶液表面聚集了足够多的表面活性剂，无间隙的布满在水表面上，形成了单分子膜，空气和水的接触面积不会再缩小，因此也就不能再降低表面张力。

2、表面活性剂按亲水基分类法总结，书P65；看书画

3、讨论影响CMC的因素；

（1）疏水基的影响：在C8—C16范围内表面活性剂疏水基烃链长度增加，CMC下降

（2）亲水基的影响：亲水基团越多，CMC值越大，种类影响不大

（3）温度：开始时CMC随温度升高而下降，中间经过一最小值，然后随温度升高而增大（4）其他：电解质的影响，添加电解质使CMC下降，有机物的加入

基本知识点：

1、HLB值的大小表示表面活性剂亲水亲油性的相对大小，HLB值越大，该表面活性剂的亲水性越强；HLB值越低，则亲油性越强。

2、PIT与HLB的关系近乎直线，HLB值越大，其亲水性强，其PIT越高，故需在较高的温度下才能转相；

3、PIT的测定可用电导法；

4、在CMC附近，表面活性剂溶液的许多性质都会出现转折；

5、CMC越小，该表面活性剂的活性越大；

6、离子型表面活性剂的溶解度随温度升高而增大，当温度达到某一定值后，溶解度会突然增大；该温度称为Krafft点，Krafft点是分子溶解和胶束溶解的分界点；

7、非离子型表面活性剂的溶解度随温度升高而下降；

第七、八章复合材料的界面及分析表征

基本知识点：

1. 复合材料的结构——基体相、增强剂相、相与相之间存在界面。

2. 界面是复合材料产生协同效应的根本原因；

3. 界面相内的化学组分，分子排列，热性能，力学性能呈现连续的梯度性变化；

4. 聚合物基复合材料增强材料包括——纤维增强材料，片状增强材料，颗粒状增强材料。

5. 按化学组成，偶联剂主要可分为硅烷类、有机铬络合物类、钛酸酯类偶联剂。

6. 硅烷偶联剂在玻璃纤维表面以-Si-O-Si-化学键结合，同时在玻璃纤维表面缩聚成膜，形成有机基团R朝外的结构。

7. 真实的碳纤维结构并不是理想的石墨点阵结构，而是属于乱层石墨结构。

8. 复合材料界面上特有的晶态结构是横晶，其形成与化学键以及基体的收缩有关。

9. 聚合物基复合材料的树脂基体可分为热固性树脂和热塑性树脂；用作复合材料基体的热固性树脂最主要的是不饱和聚酯树脂、环氧树脂和酚醛树脂。

10. 玻璃纤维增强塑料俗称玻璃钢，是由玻璃纤维和基体树脂组成的复合材料。

12. 若纤维与基体界面结合适度，当复合材料破坏时，界面脱粘和基体破坏同时发生，从基体中拔出的纤维表面，可粘附有许多基体树脂残迹。

13.增强纤维经表面处理后，表面的化学组成发生变化，表面产生了一些活性功能团，通过功能团的化学反应，增强了与基体树脂的界面结合。

简答题：

1.解释协同效应？复合材料为什么会产生协同效应？

复合材料的性能不是组成材料性能的简单加和，而产生了1+1>2的作用，称为协同效应。界面是复合材料产生协同效应的根本原因。裂纹在基体中发展，遇到纤维可能发生界面脱粘、基体和纤维的断裂、纤维拔出等过程，吸收了大量能量；并且裂纹发展未必在一个平面上，可沿着材料中不同的平面发生如上过程，直到裂纹贯穿了某一平面材料才破坏；这就使得复合材料的断裂能大大高于各组分材料的断裂能的加和，充分体现出复合材料的协同效应。

2. 什么是偶联剂？说明硅烷偶联剂对玻璃纤维增强塑料的作用机理？

偶联剂是分子中含有两种不同性质化学基团的化合物，其中一种基团可与增强材料发生化学或物理的作用，另一种基团可与基体发生化学与物理作用。

X基团水解，形成硅醇；硅醇的硅羟基之间以及硅醇硅羟基与玻璃纤维表面硅羟基之间形成氢键；硅羟基之间脱水形成—si—o—si—键

3. 高性能的有机纤维有哪些？具有什么特点？

Kevlar纤维、聚酯纤维、超高相对分子质量聚乙烯纤维

（1）低密度、高强度、高模量

（2）刚性链、高度取向、分子链堆砌密度大

（3）分子链排列呈表芯结构

4. 界面对复合材料的性能起重要作用的原因？

界面相很薄，是亚微观的，却有极其复杂的结构；在两相复合过程中，会出现热应力效应，界面化学效应和界面结晶效应，这些效应引起的界面微观结构和性能特征，对复合材料的宏观性能产生直接的影响。

5. 用偶联剂进行表面处理有哪些方法？

后处理法，前处理法，迁移法。

第九章生物材料界面

名词解释：

生物医用材料的一般定义

生物相容性

细胞外基质

基本知识点：

1. 天然生物材料具有细胞信号识别能力，具有良好的生物相容性和生物降解性，显示出合

成材料无可比拟的优势。

2. 生物材料按照材料与机体组织作用方式可分为生物惰性材料和生物活性材料；

3. 生物材料表面工程的一个重要研究方向是——通过表面修饰使人工细胞外基质的仿生化。

4. 表面自由能高的表面有利于细胞的黏附和延展，表面自由能低的则相反。

5. 生物材料的生物活性化的一个重要手段——支架材料与生物活性分子相结合。

6. 生物材料表面的拓扑结构无论在血液相容性还是在人工细胞外基质中都起着至关重要的

作用。

简答题：

1、生物医用材料的基本性能有哪些？

2、作为组织工程用细胞外基质材料的特征有哪些？