材料表面与界面(1)
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材料表面与界面-1
2020/8/12
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二、无机非金属材料的基本结构
1、离子晶体 (1)离子键的特点：无方向性，无饱和性 (2)离子晶体的构成――负离子配位多面
体：异类离子配位；密堆积趋势；正 负离子相互接触；电子云不重叠 (3)离子晶体的配位数―――离子临界半 径比
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离子半径比、配位数与结构类型的关系
平均共用两个半顶
[Si4O11]6－
202盐
层状，共用三个顶： [Si4O10]4－
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共用四个顶角：网状 [Si4－XO8]4X－
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3、硅酸盐结构中的同晶置换
网状结构硅酸盐的[SiO4]4－中，常 有一定数量的Si原子被Al原子置换，使 某些氧原子产生不饱和的键合轨道，晶 体结构达不到电中性
as bs
m11 m21
m12 m22
•
a b
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3、表面原子的重组机理
由于表面原子排列中断，引起系 统自由能的增加，并由此引起表面附加 原子排列的调整
――自行排列调整；外来物质调整
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a、表面弛豫作用(Relaxation)
表面区原子或离子间的距离偏离体 内晶格常数，而晶胞结构基本不变，这 种情况称为表面弛豫作用。层间距缩短 为负弛豫；层间距增长为正弛豫
• 3、课程论文4学时。要求： • 将本课程所学材料表面与界面的理论和原
理应用到学位论文的研究课题中，撰写一 篇不少于3000字的课程论文。第19周交上 来。
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参考书
• 1、赵文轸 材料表面工程导论 西安交 通大学出版社 。
材料的表面与界面
区局部融化，然后又迅速冷却而结晶，会造成了表面层约1微米范围内晶粒尺寸不均匀.
（2）贝尔比层：材料经抛光后，表面形成厚度约5-100nm的光亮而致密层，称为· 金属和合金的贝尔比层往往存在非晶、微晶和金属氧化物.贝尔比层坚硬并且具有 良好的耐腐蚀性. 机械加工后金属表面组织：氧化物层（10-100nm）-贝尔比层（5-100nm）-严重 畸变区（1-2μ m）-强烈畸变区-轻微畸变区
通过晶格的收缩或扩张而形成特殊排列的位错作为两相的过渡区.过渡区的位错称为失配位错.
多晶材料中的界面；（1）多晶材料中的相平衡 两个非共格相界的平衡： ①120︒<ψ <180︒时，第二相在母相中呈圆形，对母相不润湿，呈柱状分布； ②60︒<ψ <120︒时，第二相在母相三晶粒交界处沿晶界部分渗入； ③0︒<ψ <60︒时，第二相在母相三晶粒交界处形成三角状，随二面角减小铺展的越开； ④ψ =0︒时，第二相在母相的晶界区铺开；
旋转对称：旋转角θ =2π /n,n为正整数，称为旋转对称的滑移群：对某一直线作镜像反应后，再沿此线平行方向滑移 半个平移基失.镜像滑移群+点群→17种对称群，称为二位空间群. 原子的表面密度：单胞中某一表面上原子的总面积与该表面积之比.ρ =Aa/As （2）清洁表面：在真空中分开晶体，或将已有表面在真空中经过离子轰击、高温 脱附后得到的表面，这种表面没有吸附其它异类原子，只存在表面原子的排列变化 ①表面重构：形成晶体表面的悬空键的存在，使其处于高能不稳定状态，为了降低 表面自由能，表面原子的位置必然发生变化，这种变化的结果，使得表面原子的 平移对称性与理想表面显著不同，这种表面变化称为表面重构. ②表面弛豫：为了降低体系能量，表面上的原子会发生相对正常位置的上或者下 位移，表面原子的这种位移称为表面弛豫.其显著特征是表面第一层原子和第二层 原子之间的距离改变，越深入体相，弛豫效应越弱，并迅速消失. ③表面台阶结构：存在各种各样的缺陷：TLK模型，T指平台，L表示单原子高度的 台阶，K表示单原子尺度的扭折. （3）吸附表面：除了表面原子几何位置发生变化外，还通过吸附外来原子来降低 表面自由能.包括物理吸附(弱、快、无选择性)和化学吸附（强、慢、选择性）. 表面热力学：①表面自由能：自由能极图 ②表面自由能的各向异性影响因素：a.键能Eb； b.单位面积键的数量 ③晶体的稳定形状：表面自由能趋向最小，所以对于各向同性的液体来说，形状 总是趋于球形.定义体积恒定情况下表面自由能最小的形状为平衡形状. 对于各向异性的晶体来说，晶体的平衡形状就是自由能极图的最大内接多边形 实际表面：①表面粗糙度（表面不平整程度小于1mm时）R=Ar/Ag Ag为几何表面积；Ar为包括内表面在内的实际表面积 ②表面杂质的偏析（表面杂质浓度比体内大时）与耗尽（表面浓度比体内小时） 如果杂质原子在表面能使表面自由能降低，则形成偏析，反之形成耗尽； 由热力学条件得出、且偏析尺度为原子尺度（纳米级），称为平衡偏析； 实际上表面的偏析主要发生在几十纳米到几个微米的范围，这种偏析为非平衡 偏析，原因：表面区内存在许多空位、晶格畸变等缺陷，它们形成了明显的应力 场，并引起相应的畸变能，与主成分原子半径不同的各种杂质，进入畸变区域后， 将有利于畸变能的减少，使表面自由能降低，故形成各种非平衡偏析. ③金属与合金的表面组织受环境温度、氧气分压、合金组分浓度等的影响； 表面组织： （1）表面层晶粒尺寸变化：在切磨、抛光等机械加工时，产生大量的热，使表面
（2）贝尔比层：材料经抛光后，表面形成厚度约5-100nm的光亮而致密层，称为· 金属和合金的贝尔比层往往存在非晶、微晶和金属氧化物.贝尔比层坚硬并且具有 良好的耐腐蚀性. 机械加工后金属表面组织：氧化物层（10-100nm）-贝尔比层（5-100nm）-严重 畸变区（1-2μ m）-强烈畸变区-轻微畸变区
通过晶格的收缩或扩张而形成特殊排列的位错作为两相的过渡区.过渡区的位错称为失配位错.
多晶材料中的界面；（1）多晶材料中的相平衡 两个非共格相界的平衡： ①120︒<ψ <180︒时，第二相在母相中呈圆形，对母相不润湿，呈柱状分布； ②60︒<ψ <120︒时，第二相在母相三晶粒交界处沿晶界部分渗入； ③0︒<ψ <60︒时，第二相在母相三晶粒交界处形成三角状，随二面角减小铺展的越开； ④ψ =0︒时，第二相在母相的晶界区铺开；
旋转对称：旋转角θ =2π /n,n为正整数，称为旋转对称的滑移群：对某一直线作镜像反应后，再沿此线平行方向滑移 半个平移基失.镜像滑移群+点群→17种对称群，称为二位空间群. 原子的表面密度：单胞中某一表面上原子的总面积与该表面积之比.ρ =Aa/As （2）清洁表面：在真空中分开晶体，或将已有表面在真空中经过离子轰击、高温 脱附后得到的表面，这种表面没有吸附其它异类原子，只存在表面原子的排列变化 ①表面重构：形成晶体表面的悬空键的存在，使其处于高能不稳定状态，为了降低 表面自由能，表面原子的位置必然发生变化，这种变化的结果，使得表面原子的 平移对称性与理想表面显著不同，这种表面变化称为表面重构. ②表面弛豫：为了降低体系能量，表面上的原子会发生相对正常位置的上或者下 位移，表面原子的这种位移称为表面弛豫.其显著特征是表面第一层原子和第二层 原子之间的距离改变，越深入体相，弛豫效应越弱，并迅速消失. ③表面台阶结构：存在各种各样的缺陷：TLK模型，T指平台，L表示单原子高度的 台阶，K表示单原子尺度的扭折. （3）吸附表面：除了表面原子几何位置发生变化外，还通过吸附外来原子来降低 表面自由能.包括物理吸附(弱、快、无选择性)和化学吸附（强、慢、选择性）. 表面热力学：①表面自由能：自由能极图 ②表面自由能的各向异性影响因素：a.键能Eb； b.单位面积键的数量 ③晶体的稳定形状：表面自由能趋向最小，所以对于各向同性的液体来说，形状 总是趋于球形.定义体积恒定情况下表面自由能最小的形状为平衡形状. 对于各向异性的晶体来说，晶体的平衡形状就是自由能极图的最大内接多边形 实际表面：①表面粗糙度（表面不平整程度小于1mm时）R=Ar/Ag Ag为几何表面积；Ar为包括内表面在内的实际表面积 ②表面杂质的偏析（表面杂质浓度比体内大时）与耗尽（表面浓度比体内小时） 如果杂质原子在表面能使表面自由能降低，则形成偏析，反之形成耗尽； 由热力学条件得出、且偏析尺度为原子尺度（纳米级），称为平衡偏析； 实际上表面的偏析主要发生在几十纳米到几个微米的范围，这种偏析为非平衡 偏析，原因：表面区内存在许多空位、晶格畸变等缺陷，它们形成了明显的应力 场，并引起相应的畸变能，与主成分原子半径不同的各种杂质，进入畸变区域后， 将有利于畸变能的减少，使表面自由能降低，故形成各种非平衡偏析. ③金属与合金的表面组织受环境温度、氧气分压、合金组分浓度等的影响； 表面组织： （1）表面层晶粒尺寸变化：在切磨、抛光等机械加工时，产生大量的热，使表面
材料科学基础：第七章 表 面 与 界 面
大角晶界模型：
晶界力求与重合点阵 密排面重合，即使有偏 离，晶界会台阶化，使 大部分面积分段与密排 面重合，中间以小台阶 相连。
如图，AB、CD与重合 点阵密排面重合，中间 BC小台阶相连。
3． 小角度晶界：
对称倾侧晶界、不对称倾侧晶界、扭转晶界
3．小角度晶界—
对称倾侧晶界
由相隔一定距离刃 型位置垂直排列组成
如Cu-1Sn%合金，：Sn的偏析，Sn的原子半径比Cu大9%，发生严重点阵畸变。 当Sn处于晶界时畸变能明显降低
7.晶界偏聚---平衡偏聚：
B. 平衡偏聚公式 Cg=Co exp（dEs/RT）
Cg：晶界上溶质原子浓度，Co晶内溶质原子浓度， dEs晶界、晶内能量差
C. 平衡偏聚特点
a. 由公式可见一定溶质浓度在一定温度下对应一 定偏聚量
EC为位错中心能量,金属晶界能与晶粒位向差θ的 关系
晶界能---实线测量值、虚线计算值 小于15-
200 两者符合很好。EB在小角时与位向敏感，大 角度时为常数
晶界能---三个晶界平衡时有 E1/sinφ1=E2/sinφ2=E3/sinφ3
6.晶界能应用---少量第二相形状
A. A、第二相基体晶粒内
持……
化学工业：胶水，涂料，油漆，洗涤剂….. 写字，作画：纸张与墨水…. 食物消化：消化液与食物…… 建筑：砌砖，混疑土….. 烹调：灰面炸鸡……
7.晶界偏聚---平衡偏聚及非平衡偏聚
A. 平衡偏聚
平衡条件下由于溶质与溶剂原子尺寸相差很大，溶质原子在晶内、晶界的畸变能差很界--- 每个晶粒中直径10-100μm的晶块（亚晶粒）
之的界面
亚晶界---溶质原子优先聚集和第二相优先析
出的地方可阻碍位错运动，影响材料力学性能
材料表面与界面课后思考题 (胡福增)
31外基质1组织工程是近十年发展起来的一门新兴学科它是应用生命科学和工程的原理与方法研究开发用于修复增进或改善人体各种组织或器官损伤后功能和形态的新学科作为生物医学工程的一个重要分支是继细胞生物学和分子生物学之后生命科学发展史上又一个新的里程碑
第一章
1.试述表面张力（表面能）产生的原因。怎样测试液体的表面张力
④滴体积法
测定原理
当一滴液体从毛细管滴头滴下时,液滴的重力与液滴的表面张力以及滴头的大小有关。表示液滴重力(mg)的简单关系式:mg=2πrγ实验结果表明,实际体积小得多。因此就引入了校正因子f(r/V1/3),则更精确的表面张力可以表示为:γ= mg/{2πrf(r/v1/3)}其中m为液滴的质量, V为液滴体积, f为校正因子。只要测出数滴液体的体积,就可计算出该液体的表面张力。
（2）分子结构是由两种不同性质的基团所组成。一种为非极性亲油基团，另外一种为极性亲水基团，即表面活性剂既具有亲水性又有疏水性，形成一种所谓的“两亲结构”的分子。（3）随着表面活性剂浓度的增加，表面张力而下降，当达到临界浓度时，表面张力就不再发生变化。
（4）表面活性剂其亲水端向水，亲油段相空气，其浓度的上升会使分子聚集在表面，这样，空气和水的接触面减小，表面张力急剧下降，与此同时，水中的表面活性剂也聚集在一起，排列成憎水基向里，亲水基向外的胶束。表面活性剂浓度进一步增加，水溶液表面聚集了足够多的表面活性剂的分子，无间隙地布满在水溶液表面上，形成单分子膜。此时，空气和水完全处于隔绝状态，表面张力趋于平缓。
第四章
1.简述无机固体的理想表面、清洁表面和真实表面。
理想表面是将一块晶体沿某晶面切开，而不改变切开面附近原子的位置和电子的密度分开，所形成的表面称为“理想表面”,理想表面在自然界是不存在的。假设除了确定一套边界条件外，系统不发生任何变化，即半无限晶体中的原子位置和电子密度都和原来的无限晶体一样，这种理想的表面实际上不可能存在。
第一章
1.试述表面张力（表面能）产生的原因。怎样测试液体的表面张力
④滴体积法
测定原理
当一滴液体从毛细管滴头滴下时,液滴的重力与液滴的表面张力以及滴头的大小有关。表示液滴重力(mg)的简单关系式:mg=2πrγ实验结果表明,实际体积小得多。因此就引入了校正因子f(r/V1/3),则更精确的表面张力可以表示为:γ= mg/{2πrf(r/v1/3)}其中m为液滴的质量, V为液滴体积, f为校正因子。只要测出数滴液体的体积,就可计算出该液体的表面张力。
（2）分子结构是由两种不同性质的基团所组成。一种为非极性亲油基团，另外一种为极性亲水基团，即表面活性剂既具有亲水性又有疏水性，形成一种所谓的“两亲结构”的分子。（3）随着表面活性剂浓度的增加，表面张力而下降，当达到临界浓度时，表面张力就不再发生变化。
（4）表面活性剂其亲水端向水，亲油段相空气，其浓度的上升会使分子聚集在表面，这样，空气和水的接触面减小，表面张力急剧下降，与此同时，水中的表面活性剂也聚集在一起，排列成憎水基向里，亲水基向外的胶束。表面活性剂浓度进一步增加，水溶液表面聚集了足够多的表面活性剂的分子，无间隙地布满在水溶液表面上，形成单分子膜。此时，空气和水完全处于隔绝状态，表面张力趋于平缓。
第四章
1.简述无机固体的理想表面、清洁表面和真实表面。
理想表面是将一块晶体沿某晶面切开，而不改变切开面附近原子的位置和电子的密度分开，所形成的表面称为“理想表面”,理想表面在自然界是不存在的。假设除了确定一套边界条件外，系统不发生任何变化，即半无限晶体中的原子位置和电子密度都和原来的无限晶体一样，这种理想的表面实际上不可能存在。
《材料表面与界面》PPT
•贝尔比层形成与作用 •动抛性光(熔时化抛)光, 在剂凝磨固去前表，面由层于原面子表，面下张面力一的层作在用瞬使间表内面保变持得流平
滑。
•由于金属有高的热导率，表面层又迅速地凝固成20Å 左右
的非晶态层。
• 对于金属和合金来说，它们的抛光表面大都有一层贝尔比
层，其成分是金属和它的氧化物的混合物。贝尔比层可起到 耐蚀、强化的作用。。
会吸附水分子，并解离成羟基(OH-)，而使表面的物埋化表面：空气/表面组成/设计组成。 •表面组成：表面能小的氧化物易在玻璃表面富集,如PbO,
材料 铝
铁
加工方式与粗糙系数
加工条件 箔
板材抛光 阳极氧化层，厚20µm
2号金刚砂抛光，苯去脂 膜
粗糙系数 6 1.6
200~900
3.8 60
(3) 粗糙度对材料或应用的影响 材料表面受力的影响 由于固体的表面是不平整性，当两个表面相互接触时, 真实接 触面积与表观接触面积差别较大。
在实际应用中，表观面积与加工方式和负荷无关。 而真实接触面积会随受力负荷而改变：
几种调整的方式后形式清洁表面结构示意图
(1) 弛豫
•表面区原子(或离子)间的距离偏离体内的晶格常数，而晶胞
结构基本不变, 这种情况称弛豫。
• 离子晶体的表面容易发生弛豫，主要作用力是库仑静电力，
这是一种长程作用。
•弛豫产生原子位置偏移，主要在垂直表面方向。因此，一
般认为弛豫后表面原子排列的平移对称性不变，只是微观对 称性发生了变化。
贝尔比层 微晶区 明显变形区
磨料颗粒
•研磨时, 金属表面的温度可达500℃~1000℃，有时会产生熔
化。
•金属导热性好, 冷却迅速, 熔化的原子来不及回到平衡位置，
材料表面与界面的特性及其应用
材料表面与界面的特性及其应用材料表面和界面性质是材料科学中的重要研究领域，因为这些性质决定了材料的性能和用途。
在本文中，我们将探讨材料表面和界面的特性及其应用。
一、表面和界面的概念表面是指材料外部与环境接触的部分，分为实际表面和几何表面两种。
实际表面是真实的材料表面，几何表面是理想情况下的平滑表面。
材料的表面特性主要包括表面形貌、表面化学组成、表面结构和表面能等。
界面是指两种不同的材料或相同材料的不同部分之间的分界面，它们之间的接触面积和界面能量影响着材料的特性。
材料的界面性质主要包括晶界、异质界面、相界面等，其中晶界是指晶粒之间的界面，异质界面是指不同材料之间的界面，相界面是指同一材料中不同相之间的界面。
二、表面和界面的特性1. 表面形貌表面形貌是指表面的几何形状和表面纹理。
这些形状和纹理决定了材料的摩擦、磨损、润滑性能等。
表面形貌通常通过光学显微镜、扫描电子显微镜等观察技术获得。
2. 表面化学组成表面化学组成是表面化学反应和表面吸附现象的结果，包括化学基团、氧化物、热处理物种等。
表面化学组成影响材料的电子结构、化学反应和材料与环境之间的相互作用。
3. 表面结构表面结构是指表面的晶体结构和缺陷结构。
它们决定了表面的力学强度、疲劳寿命等。
表面结构通常通过X射线衍射、中子衍射、TEM等实验手段获得。
4.表面能表面能是表面分子间相互作用的能量和表面吸附分子的能量。
表面能决定了表面与其他材料之间的亲疏性和黏附性。
表面能通常通过表面张力、接触角等实验技术测量。
5. 总界面能总界面能是指材料界面的总能量，包括界面张力和界面形变能等。
总界面能主要影响材料的界面稳定性，是材料界面优化的重要指标。
三、表面和界面的应用表面和界面的特性在材料科学中具有重要的应用，主要包括以下方面：1. 表面修饰利用表面化学组成和结构的差异，对材料表面进行化学、物理、生物修饰，以达到特定的表面性质。
例如，通过表面修饰可使金属表面耐蚀、增加光电转换效率等。
材料科学中的表面与界面现象
材料科学中的表面与界面现象引言表面与界面现象是材料科学中一个极为重要的研究领域。
无论是在材料的合成、加工、性能研究还是应用开发中，表面和界面都扮演着至关重要的角色。
本文将从表面与界面的定义、表面和界面的性质以及表面与界面的应用等方面进行探讨，希望能够对读者对材料科学中的表面与界面现象有一个全面的了解。
表面与界面的定义在材料科学中，表面是指材料与外界相接触的边界部分，它是材料与外界进行物质和能量交换的重要场所。
表面能够直接反映材料的性质和特征，并且表面的性质往往与材料的体积相差较大。
界面是指两个或多个不同材料之间的接触面，它是不同材料之间相互作用的场所。
界面处的物理和化学变化可以导致材料的性能发生显著的变化，因此对界面的研究在材料科学中具有重要意义。
表面和界面的性质表面的性质材料表面的性质主要包括表面能、表面形貌和表面化学组成等。
表面能是指材料表面上的内能与外界的能量之间的交换能力，它直接反映了材料与外界的相互作用强度。
表面形貌则是指材料表面的形状和结构特征，它影响着材料的摩擦、磨损、光学和电子等性能。
表面化学组成是指材料表面元素的种类和分布情况，它决定着材料的表面反应活性和化学稳定性。
界面的性质界面的性质主要包括界面能、界面形貌和界面化学组成等。
界面能是指两个不同材料的接触面上的内能与外界能量之间的交换能力。
界面形貌则是指不同材料接触面的形状和结构特征，它对表面应力、界面强度和界面位错等起着重要作用。
界面化学组成是指两个不同材料接触面上化学元素的种类和分布情况，它决定了界面反应的速率和界面附着力。
表面与界面的应用表面与界面的性质在材料科学中具有广泛的应用价值。
以下将介绍几个常见的应用领域。
表面涂层技术表面涂层技术是指将附加层覆盖在材料表面上，以提高材料的性能和增加其使用寿命。
表面涂层技术广泛应用于防腐、耐磨、导热、导电等方面。
例如，汽车制造中常用的喷涂技术可以在汽车外部覆盖一层防腐、防划伤的漆膜，提高汽车的耐用性和外观质量。
材料的表面与界面第一章 表面与界面的基础知识
表面张力和表面自由能是对同一表面现象从 力学和热力学角度所做的描述。
表面张力的力学概念直观、易应用，在分析 各种界面同时存在的各界面张力的平衡关 系时容易理解。
表面自由能的概念反映现象的本质，讨论表 面现象的各种热力学关系时应用表面自由 能概念更贴切和方便。
在采用适宜的单位时（如表面张力用mN.m-1, 表面自由能用mJ.m-2），同一体系的表面 张力和表面自由能数值相同。
的高度h服从washburn方程：h2=ctrcos/2η 和η为液体的表面张力和黏度；c为毛细管因子，r为与粉体
柱相当的毛细管平均半径，一般将cr作为仪器常数。
五. 浮选与接触角
测定接触角后可以用来计算固体的表面能， 润湿热，吸附量等有用的数据。
在工业上接触角的研究的最大应用在泡沫浮 选：在矿浆中加入起泡剂等后通入空气形 成泡沫，由于水对矿石粉不同组成的润湿 性质不同，有用矿粉体附着在泡沫上并上 浮分离，无用的矿粉体则沉入水底。每年 全世界用浮选法分离的矿石达到10亿吨以 上。
材料表面与界面研究的意义 材料的表面与其内部本体，无论在结构上还是在化学组成上都有明显
的差别，这是因为材料内部原子受到周围原子的相互作用是相同的， 而处在材料表面的原子所受到的力场却是不平衡的，因此产生了表面 能。对于有不同组分构成的材料，组分与组分之间可形成界面，某一 组分也可能富集在材料的表界面上。即使是单组分的材料，由于内部 存在的缺陷，如位错等，或者晶态的不同形成晶界，也可能在内部产 生界面。材料的表界面对材料整体性能具有决定性的影响，材料的腐 蚀、老化、硬化、破坏、印刷，涂膜、粘结、复合等等，无不与材料 的表界面密切有关。因此研究材料的表界面现象具有重要的意义。
-GS=sg - lg - sl = S
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2
3 、静电力 Gouy-Champman模型 Stern模型
3
3.2.3 两平面界面在溶液中的相互作用
D
4
两平面间的静电排斥力（能）来自WR (D) (64n0Tr02 / K )eKD
κBoltzman常数
n0 单位体积中离子个数 D 平板间距离
r0
exp(Ze 0 exp(Ze 0
/ /
2T ) 2T )
液体A 界面
液体B
28
1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的开关按键来实现功 能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图：
按键
PCBA
开关键
传统机械按键设计要点：
1.合理的选择按键的类型，尽量选择 平头类的按键，以防按键下陷。
2.开关按键和塑胶按键设计间隙建议 留0.05~0.1mm，以防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计算累积公 差，以防按键手感不良。
超低界面体系： H2O－油/表面活性剂/盐类
除H2O外，其他三类相互匹配才可达到超低界面张力
37
①油对超低表面张力的影响
石油磺酸盐
TRS10~80 0.2%
NaCl
1%
H2O
γ12mN/m
10－2 10－3 10－4
7
C数
38
②表面活性剂浓度浓度对超低表面张力的影响
Heptane
NaCl
1%
H2O
Fowkes理论
d sp
d 色散力对表面张力的贡献 sp 其他相互作用对表面张力的贡献31
非极性液体只有色散力 极性液体
d
d sp
假设只有色散力在界面上起作用
AB A B 2
Ad
d B
32
2 A(B)alkane
A(B) alkane
d A( B) alkane
4.1 液－液界面张力
22
常见水－液界面张力(20℃)
H2O n-hex n-oct benz n-octanol Hg
γ0 72.8 18.4 21.8 28.9 27.5 484
mN/m
γH2O-S - 51.1 50.8 35.0
8.5
375
mN/m
23
4.2 液－液界面铺展
界面变化 A
A
18
3.4.2空间稳定作用特点(Ws(D))
两界面间总相互作用能 W(D)=Wvdw(D)+WR(D)+Ws(D)
1）阻止距离达到第一极小值，防止聚沉 2）受电介质影响小 3）水和非水中都可使用 4）可以稳定很浓的分散体系
19
3.5 短程相互作用
在0.1~0.2nm范围内起作用
短程作用力也称为接触力
/ m2
100atm
46
Langmuir膜天平
47
A
a A
W •C M
N0
a AM WCN0
a 成膜分子平均占有面积 A 膜面积 W 成膜液体的重量 C 成膜液体的浓度 N0 Avogadro常数
48
② 表面电势
成膜前后两相间的电势变化， 称为表面电势
V Vm V0
Vm 有膜时的两相间电势差 V0 无膜时的两相间电势差
a0 成膜分子所占面积 κ Boltzman常数
Le－G 气体液化，气－液平衡状态
Le 液态扩张膜
( 0 )(a a0 ) T
I 转变膜 Lc 液态凝聚膜
S 固态膜
52
1）不同单分子膜在不同温度下只能以一种形式存在 2）单分子膜以何种状态取决于分子结构 3）基底的性质也影响单分子膜的分子存在状态
H2O－油－表面活性剂－助表面活性剂
醇类
H2O－油－非离子表面活性剂
41
微乳形成理论
① 微小乳液理论 微乳是乳液的一种，只是乳液滴较小。
能解释微乳的透明性，不能解释自发性
② 肿胀胶团理论 表面活性剂加溶作用。不溶于水的物质在表
面活性剂存在下，形成溶于水的胶团。
油自发加入到胶束中
42
微乳应用
① 燃油掺水 掺水～20％，清澈透明
Ψδ＝32mV Ψδ＝25.6mV Ψδ＝19.2mV
D/nm Ψδ＝12.8mV Ψδ＝0mV
12
②K影响（电介质浓度）
固定体系：
Ψδ＝25.6mV
A＝10－19J（Hamaker constant）
R＝100nm （球半径）
W(D) /10-19J
1.0
K增加（K－1减少），排斥能减小。 达到一定值时，能垒消失。
γ12mN/m
10－2 10－3 10－4
0.09%
C
39
③盐浓度对超低表面张力的影响
γ12mN/m
石油磺酸盐
TRS10~80 0.2% Heptane H2O
10－2 10－3
0.8%
C
40
4.6 微乳状液
特点：
①、制备时无需搅拌，自动形成；热力学稳定体系 ②、外观透明或半透明 ③、粘度非常小，与溶液相近 ④、胶粒尺寸8～80nm ⑤、配方中需要加助表面活性剂
短程作用力包括： 化学键 氢键 酸碱作用
0.1~0.2nm
短程作用力决定第一极小值大小，作 用力越强，极值越小，结合越稳定
20
界面相互作用力的一般表示
W12 W1d2 W12p W1h2
色
极
氢
散
性
键
力
力
贡
贡
贡
献
献
献
W12
W1d2
W ab 12
ab表示酸碱相互作用
21
第四章 液－液界面与不溶物表面膜
低电势下：
WR (D)
1 2
R 02eKD
7
应用范围： 球半径比较大，大小均匀，低电势
8
3.3 DLVO理论
平板间Van der Waals力
Wvdw
A
12
D2
平板间静电力
吸引力
WR (64n0Tr02 / K )eKD
排斥力 9
W (D)
(64n0T Rr02
/
K )eKD
A
12
D2
DLVO表达式
(1) 3
1 RT
d 12
d ln a3
13
2
满足条件：条件一、1，2互不溶， 条件二、3在2中不溶， 条件三、非电解质
Gibbs面
36
4.5 超低界面张力
界面张力 10－1～10－3mN/m 称为低界面张力 界面张力 <10－3mN/m 称为超低界面张力
H2O-油界面张力 ～10－4mN/m 驱油～100％
单位面积自 由能变化
ΔGc ＝ －2γA
A 内聚cohesion
A A
B B
粘附adhesion
ΔGA＝ γAB- γA- γB
定义
内聚功 Wc＝－ΔＧｃ
＝ 2γA
发生条件 Wc > 0
粘附功
WA＝ －ΔＧA ＝γA＋ γB－ γAB
WA>0
24
A
B
B
铺展spread
ΔGS＝ γAB＋ γA- γB
苯在水上开始时铺展，饱和后收缩
27
4.3 液－液界面张力的理论计算
无A时，将B从本体中提到表面上 表面能增加，做功γB
有A时，A对B有吸引力，B到表面上 所做的功<γB γB－A对B做的功
无B时，将A从本体中提到表面上 表面能增加，做功γA
有B时，B对A有吸引力，A到表面上 所做的功<γA γA－B对A做的功
1 1
K－1双电层厚度
5
应用范围： 与K-1相比较，表面距离大，表面电势较大的情况
对于1:1电介质
K
n1/ 2 0
(
ni0 Zi 2e2 )1/ 2
T
WR (D)
A
•
n1/2 0
• eBn10/2D
电介质浓度增大，排斥力减小
6
3.2.4 球形粒子间在溶液中的相互作用
球间最小距离 D
R
WR (D) (64n0T Rr02 / K 2 )eKD
WaAB A B AB
AB A B WaAB
Good－Girifalco理论 假设： WaAB 为A、B各自内聚功的几何平均
WaAB Wc (A)Wc (B) 2 A 2 B 2 A B
30
AB A B 2 A B
实验验证，对C、F液体烃较吻合，对其他有机液体不适应
SBenzene/H2O >0 苯可以在水上铺展
苯在水中有溶解性
H2O(Benzene) 62.1 Benzene(H2O) 28.2
S Benzene(H2O)/H2O(Benzene) H2O(Benzene) Benzene(H2O) BenzeneH2O
＝62.1 －28.2－35.0＝－1.1
总结：
1、Gibbs吸附公式
(1) 2
1 RT
d
d ln a2
低表面张力物质在表面上聚集
(1) 2
1 RT
d
d
ln a2
1 d
RT d ln C2
C2 d
RT dC2
1
2、宏观物体的Van der Waals力
球与平面间的作用力
W（D）＝ AR／6D
平面与平面间的作用力
W（D）＝ －A／12πD2
② 液体上光剂 ③ 清洗剂
43
4.7 不溶物表面膜
一种液体在另一种不相溶的液体上铺展，所 形成的膜叫不溶物表面膜 也称：不溶膜
4.7.1 形成条件
3 、静电力 Gouy-Champman模型 Stern模型
3
3.2.3 两平面界面在溶液中的相互作用
D
4
两平面间的静电排斥力（能）来自WR (D) (64n0Tr02 / K )eKD
κBoltzman常数
n0 单位体积中离子个数 D 平板间距离
r0
exp(Ze 0 exp(Ze 0
/ /
2T ) 2T )
液体A 界面
液体B
28
1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的开关按键来实现功 能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图：
按键
PCBA
开关键
传统机械按键设计要点：
1.合理的选择按键的类型，尽量选择 平头类的按键，以防按键下陷。
2.开关按键和塑胶按键设计间隙建议 留0.05~0.1mm，以防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计算累积公 差，以防按键手感不良。
超低界面体系： H2O－油/表面活性剂/盐类
除H2O外，其他三类相互匹配才可达到超低界面张力
37
①油对超低表面张力的影响
石油磺酸盐
TRS10~80 0.2%
NaCl
1%
H2O
γ12mN/m
10－2 10－3 10－4
7
C数
38
②表面活性剂浓度浓度对超低表面张力的影响
Heptane
NaCl
1%
H2O
Fowkes理论
d sp
d 色散力对表面张力的贡献 sp 其他相互作用对表面张力的贡献31
非极性液体只有色散力 极性液体
d
d sp
假设只有色散力在界面上起作用
AB A B 2
Ad
d B
32
2 A(B)alkane
A(B) alkane
d A( B) alkane
4.1 液－液界面张力
22
常见水－液界面张力(20℃)
H2O n-hex n-oct benz n-octanol Hg
γ0 72.8 18.4 21.8 28.9 27.5 484
mN/m
γH2O-S - 51.1 50.8 35.0
8.5
375
mN/m
23
4.2 液－液界面铺展
界面变化 A
A
18
3.4.2空间稳定作用特点(Ws(D))
两界面间总相互作用能 W(D)=Wvdw(D)+WR(D)+Ws(D)
1）阻止距离达到第一极小值，防止聚沉 2）受电介质影响小 3）水和非水中都可使用 4）可以稳定很浓的分散体系
19
3.5 短程相互作用
在0.1~0.2nm范围内起作用
短程作用力也称为接触力
/ m2
100atm
46
Langmuir膜天平
47
A
a A
W •C M
N0
a AM WCN0
a 成膜分子平均占有面积 A 膜面积 W 成膜液体的重量 C 成膜液体的浓度 N0 Avogadro常数
48
② 表面电势
成膜前后两相间的电势变化， 称为表面电势
V Vm V0
Vm 有膜时的两相间电势差 V0 无膜时的两相间电势差
a0 成膜分子所占面积 κ Boltzman常数
Le－G 气体液化，气－液平衡状态
Le 液态扩张膜
( 0 )(a a0 ) T
I 转变膜 Lc 液态凝聚膜
S 固态膜
52
1）不同单分子膜在不同温度下只能以一种形式存在 2）单分子膜以何种状态取决于分子结构 3）基底的性质也影响单分子膜的分子存在状态
H2O－油－表面活性剂－助表面活性剂
醇类
H2O－油－非离子表面活性剂
41
微乳形成理论
① 微小乳液理论 微乳是乳液的一种，只是乳液滴较小。
能解释微乳的透明性，不能解释自发性
② 肿胀胶团理论 表面活性剂加溶作用。不溶于水的物质在表
面活性剂存在下，形成溶于水的胶团。
油自发加入到胶束中
42
微乳应用
① 燃油掺水 掺水～20％，清澈透明
Ψδ＝32mV Ψδ＝25.6mV Ψδ＝19.2mV
D/nm Ψδ＝12.8mV Ψδ＝0mV
12
②K影响（电介质浓度）
固定体系：
Ψδ＝25.6mV
A＝10－19J（Hamaker constant）
R＝100nm （球半径）
W(D) /10-19J
1.0
K增加（K－1减少），排斥能减小。 达到一定值时，能垒消失。
γ12mN/m
10－2 10－3 10－4
0.09%
C
39
③盐浓度对超低表面张力的影响
γ12mN/m
石油磺酸盐
TRS10~80 0.2% Heptane H2O
10－2 10－3
0.8%
C
40
4.6 微乳状液
特点：
①、制备时无需搅拌，自动形成；热力学稳定体系 ②、外观透明或半透明 ③、粘度非常小，与溶液相近 ④、胶粒尺寸8～80nm ⑤、配方中需要加助表面活性剂
短程作用力包括： 化学键 氢键 酸碱作用
0.1~0.2nm
短程作用力决定第一极小值大小，作 用力越强，极值越小，结合越稳定
20
界面相互作用力的一般表示
W12 W1d2 W12p W1h2
色
极
氢
散
性
键
力
力
贡
贡
贡
献
献
献
W12
W1d2
W ab 12
ab表示酸碱相互作用
21
第四章 液－液界面与不溶物表面膜
低电势下：
WR (D)
1 2
R 02eKD
7
应用范围： 球半径比较大，大小均匀，低电势
8
3.3 DLVO理论
平板间Van der Waals力
Wvdw
A
12
D2
平板间静电力
吸引力
WR (64n0Tr02 / K )eKD
排斥力 9
W (D)
(64n0T Rr02
/
K )eKD
A
12
D2
DLVO表达式
(1) 3
1 RT
d 12
d ln a3
13
2
满足条件：条件一、1，2互不溶， 条件二、3在2中不溶， 条件三、非电解质
Gibbs面
36
4.5 超低界面张力
界面张力 10－1～10－3mN/m 称为低界面张力 界面张力 <10－3mN/m 称为超低界面张力
H2O-油界面张力 ～10－4mN/m 驱油～100％
单位面积自 由能变化
ΔGc ＝ －2γA
A 内聚cohesion
A A
B B
粘附adhesion
ΔGA＝ γAB- γA- γB
定义
内聚功 Wc＝－ΔＧｃ
＝ 2γA
发生条件 Wc > 0
粘附功
WA＝ －ΔＧA ＝γA＋ γB－ γAB
WA>0
24
A
B
B
铺展spread
ΔGS＝ γAB＋ γA- γB
苯在水上开始时铺展，饱和后收缩
27
4.3 液－液界面张力的理论计算
无A时，将B从本体中提到表面上 表面能增加，做功γB
有A时，A对B有吸引力，B到表面上 所做的功<γB γB－A对B做的功
无B时，将A从本体中提到表面上 表面能增加，做功γA
有B时，B对A有吸引力，A到表面上 所做的功<γA γA－B对A做的功
1 1
K－1双电层厚度
5
应用范围： 与K-1相比较，表面距离大，表面电势较大的情况
对于1:1电介质
K
n1/ 2 0
(
ni0 Zi 2e2 )1/ 2
T
WR (D)
A
•
n1/2 0
• eBn10/2D
电介质浓度增大，排斥力减小
6
3.2.4 球形粒子间在溶液中的相互作用
球间最小距离 D
R
WR (D) (64n0T Rr02 / K 2 )eKD
WaAB A B AB
AB A B WaAB
Good－Girifalco理论 假设： WaAB 为A、B各自内聚功的几何平均
WaAB Wc (A)Wc (B) 2 A 2 B 2 A B
30
AB A B 2 A B
实验验证，对C、F液体烃较吻合，对其他有机液体不适应
SBenzene/H2O >0 苯可以在水上铺展
苯在水中有溶解性
H2O(Benzene) 62.1 Benzene(H2O) 28.2
S Benzene(H2O)/H2O(Benzene) H2O(Benzene) Benzene(H2O) BenzeneH2O
＝62.1 －28.2－35.0＝－1.1
总结：
1、Gibbs吸附公式
(1) 2
1 RT
d
d ln a2
低表面张力物质在表面上聚集
(1) 2
1 RT
d
d
ln a2
1 d
RT d ln C2
C2 d
RT dC2
1
2、宏观物体的Van der Waals力
球与平面间的作用力
W（D）＝ AR／6D
平面与平面间的作用力
W（D）＝ －A／12πD2
② 液体上光剂 ③ 清洗剂
43
4.7 不溶物表面膜
一种液体在另一种不相溶的液体上铺展，所 形成的膜叫不溶物表面膜 也称：不溶膜
4.7.1 形成条件