材料表界面
材料表界面复习资料
第 1 章绪论物理表面：三维的规整点阵到体外空间之间的过渡区域, 这个过渡区的厚度随材料的种类不同而异, 可以是一个原子层或多个原子层。
是不同于两相的第三相。
理想表面：是指除了假设确定的一套边界条件外, 系统不发生任何变化的表面。
清洁表面：指不存在任何污染的化学纯表面, 即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等物理、化学效应的表面。
谓弛豫：表面附近的点阵常数发生明显的变化。
重构：表面原子重新排列, 形成不同于体内的晶面。
台阶化：指出现一种比较规律的非完全平面结构的现象。
吸附：指气相中的原子或分子在气固或液固界面上的聚集。
偏析：指溶液或溶质在相界、晶界或缺陷上的聚集。
吸附和偏析是化学组分在表面区的变化。
吸附表面：吸附有外来原子的表面。
第2章液体表面系统的能量越低越稳定, 故液体表面具有自动收缩的能力。
表面张力：是单位长度上的作用力, 单位是N/ m。
它是反抗表面扩大的一种收缩力, 它的作用是使一定体积的系统具有最小的表面积。
也可以理解为系统增加单位面积时所需作的可逆功, 单位为J/ m2, 是功的单位或能的单位, 所以σ也可以理解为表面自由能, 简称表面能。
单组分液体的表面张力等于比表面自由能。
附加压力的方向总是指向曲率中心一边, 且与曲率大小有关,Laplace 方程：球面：Δp = 2ς/ r任意曲面：Δp = ς( 1/ r1 + 1/ r2 )当曲率半径r1 = r2= r, 曲面成为一个球面, 对于平液面，两个曲率半径都为无限大，Δp = 0，表示跨过平液面不存在压差。
液体表面张力的测定：1 毛细管法当毛细管浸在液体中, 若液体能完全浸润管壁, 则会发生毛细上升现象, 液面呈凹月形。
反之, 若液体完全不浸润管壁, 则液面下降呈凸液面。
毛细升高现象可用Laplace 方程处理。
假定毛细管截面是圆周形, 且管径不太大, 并假定凹月面可近似看作半球形, 此时不仅两个曲率半径相等, 而且都等于毛细管半径r。
材料表界面 习题答案
材料表界面习题答案材料表界面习题答案近年来，随着科技的不断发展，材料表界面的研究成为了材料科学领域的热点之一。
材料表界面是指两个或多个不同材料之间的交界面，它们的性质和结构对材料的性能起着至关重要的作用。
因此，研究材料表界面的性质和行为对于开发新材料、改善材料性能以及解决材料失效问题具有重要意义。
一、材料表界面的定义和分类材料表界面是指材料中两个或多个不同相之间的交界面，它们的性质和结构往往与材料本身的性质有很大的差异。
根据不同的分类标准，材料表界面可以分为物理界面和化学界面。
物理界面是指两个相之间仅有形态和结构上的差异，而化学界面则是指两个相之间发生了化学反应，形成了新的化学物质。
二、材料表界面的性质和行为材料表界面的性质和行为受到多种因素的影响，包括界面能量、界面结构、界面化学反应等。
界面能量是指两个相之间的能量差异，它决定了界面的稳定性和相互作用力的大小。
界面结构则指的是界面上原子或分子的排列方式，它对界面的力学性能和电子结构具有重要影响。
界面化学反应是指两个相之间发生的化学反应，它可以导致界面的变化和材料性能的改变。
三、材料表界面的研究方法为了研究材料表界面的性质和行为，科学家们发展了多种研究方法。
其中，最常用的方法包括电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱等。
电子显微镜可以观察到材料表界面的形貌和结构，X射线衍射可以分析界面的晶体结构，而拉曼光谱则可以研究界面的振动和光学性质。
四、材料表界面的应用材料表界面的性质和行为在材料科学和工程中具有广泛的应用。
例如，在材料加工过程中，控制材料表界面的性质可以改善材料的加工性能和机械性能。
在材料设计中，通过调控材料表界面的结构和化学反应，可以开发出新的材料，如纳米材料和复合材料。
此外，材料表界面的研究还有助于解决材料失效问题，如腐蚀、疲劳和断裂等。
综上所述，材料表界面是材料科学领域的一个重要研究方向。
通过研究材料表界面的性质和行为，可以为开发新材料、改善材料性能以及解决材料失效问题提供理论指导和技术支持。
材料表面与界面
表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。
若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。
表面：在真空状态下，物体内部和真空之间的过渡区域，是物体最外面的几层原子和覆盖其上的外来原子和分子所形成的表面层。
表面层有其独特的性质,和物体内部的性质完全不同。
几何概念：表面是具有二维因次的一块面积，无厚度、体积。
界面：两个物体的相态相接触时的过渡区域，由于分子间的相互作用，形成在组成、密度、性质上和两相有交错并有梯度变化的过渡区域。
几何概念：它不同于两边相态的实体，有独立的相、占有一定空间，有固定的位置，有相当的厚度和面积。
弛豫；指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距ds和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。
可能涉及几个原子层。
重构：指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。
这种不平衡作用力使表面有自动收缩的趋势，使系统能量降低的倾向，由此产生表面张力以σ表示，称为表面张力，即：6=f/2l，6=dw/da，σ也可以理解为表面自由能，简称表面能。
例题：20℃时汞的表面张力为4.85×10-1 Jm-2，求在此温度及101.325 kPa 的压力下，将半径1mm的汞滴分散成半径10-5 mm的微小汞滴，至少需要消耗多少功？解：已知：σ＝4.85×10-1 Jm-2，r1=1mm, r2=10－5 mm，界面张力的热力学定义。
在恒温、恒压下研究表面性能，故常用下式表示。
广义表面自由能的定义：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。
狭义表面自由能的定义：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，用符号σ表示，单位为J·m-2。
表面张力与表面Gibbs自由能的异同：相同点：数值相同，量纲相同。
不同点：物理意义不同，单位不同。
例：试求25℃，质量m＝1g的水形成一个球形水滴时的表面自由能E1。
材料表界面-第十章
二、聚合物基复合材料
2. 环氧树脂
特点： 在加热条件下即能固化，无须添加固化剂。酸、碱对固
化反应起促进作用；
已固化的树脂有良好的压缩性能，良好的耐水、耐化学
介质和耐烧蚀性能；
树脂固化过程中有小分子析出，故需在高压下进行； 固化时体积收缩率大，树脂对纤维的粘附性不够好，但
断裂延伸率低，脆性大。
二、聚合物基复合材料
主链含有双键的不饱和聚酯：
O CO
HC=CH
O CO
HC=CH
调节饱和二元酸和不饱和二元酸的比例，可以控制不饱和聚酯中双键的含量
然后，在引发剂的存在下，不饱和聚酯中的双键与苯乙烯发生
自由基共聚反应，交联成三元网状结构
O
O
CO
HC-CH
CO
HC-CH
CH-Ph
CH-Ph
CH
O
n
O
CH n
CO
HC-CH
二、聚合物基复合材料
1. 不饱和聚酯树脂
不饱和聚酯树脂是由饱和二元酸（或酸酐）、不饱和 二元酸（或酸酐）与多元醇缩聚而成的聚酯在乙烯基 单体（如苯乙烯）中形成的溶液。是制造玻璃纤维复 合材料的一种重要树脂。在国外，聚酯树脂占玻璃纤 维复合材料用树脂总量的80%以上。
二、聚合物基复合材料
1. 不饱和聚酯树脂
饱和二元酸或酸酐
不饱和二元酸或酸酐
O C CO O
COOH COOH
O HC C
HC COOH
HC C O HOOC CH
O
• 多元醇
CH 3CH-CH 2 HOCH2CH2OH
OH OH
• 交联剂
CH=CH2
二、聚合物基复合材料
1. 不饱和聚酯树脂
材料表面和界面的表征简介
Raman效应产生于入射光旳电场与介质表面上振动旳感生 偶极子旳相互作用，造成分子旳旋转或振动模式旳 跃 迁变化。
Raman光谱仪器
石墨旳Raman光谱图
Raman光谱旳特点
（1） Raman光谱研究分子构造时与红外光 谱互补
（2） Raman光谱研究旳构造必需要有构造 在转动或者振动过程中旳极化率变化
SPM扫描探针显微镜
AFM线性剖面图
AFM立体显示图
Average roughness Ra
特点 （1）针尖与样品之间旳排斥作用力；来反应
样品旳形貌 (2)辨别率可达： 0.1 nm (3) 能够在真空、大气、溶液条件下进行表面
分析，图象旳质量与针尖非常亲密有关 （4） 样品形貌起伏不能太大
三种观察原子旳措施比较
红外光谱研究旳构造必需要有有构造在转动 或者振动过程中偶极矩差别
（3）能够测定物质旳晶体构造和晶相判断， 但只能是研究光能到达旳表面区域
（4）样品能够是固态、液体或者气体
2.4 XPS光电子谱
1. 光电发射定律
原子由核和绕核运动旳电子所构成，电子具有拟定旳能量并在一定 轨道上运动(EB(i), )。当能量为hv旳光激发原子或者分子时，只要 hv >EB(i),,便可激发出i轨道上电子，并取得一定动能Ek，留下一种离子： M + hv = M+* + e-1
5. Bruggle 方程
2dhklsinhkl=n
A
hkl
m N
B
hkl
= n = mB+ BN = 2dhklsinhkl
2.3 拉曼光谱（Raman spectra）
• 光经过样品时产生散射
hv
材料表界面 作业答案
(cm3 )
边长为0.04μm银的立方体个数： n
0.1 1.488*1014 (个） 16 6.72*10
m v 10.5*6.4*1017 6.72*1016
0.1g银可得到上述大小的银胶体粒子数目： n
2
0.1 1.488*1014 (个） 16 6.72*10
7
非离子型表面活性剂。 其中离子型表面活性剂可分成阴离子、阳离子和两性表 面活性剂。 4. 何谓 HLB 值？HLB 值对表面活性剂的选用有何指导意义？
（1） HLB 值是指表面活性剂的亲水性与亲油性的相对大小。 （2）HLB 越大表示该表面活性剂的亲水性越强,HLB 值越低,则亲油性越强.由此,可根据表 面活性剂的HLB 值的大小,初步选择我们所需要的活性剂类型.
二维理想气体定律 理想气体状态方程
πA=RT
表面压较小的情况下成立
pv=RT
忽略了分子间互相作用力，利用理想化模型推导公式 低压、高温条件下成立
总结： 界面化学四大定律(1/ r1 1/ r2 )
P 2 V 2 M P0 r r
11
（2）单个粒子的表面积： A 6a 6*(4*10 ) 9.6*10 所有这些粒子的总表面积：n*A=1.428*10 (cm )
4 2
6 2
cm2
比表面积=
表面积 1.428*104 5 = =1.428*10（ cm 2/g) 质量 0.1
(3) 0.1g银的体积： v
m 0.1g 0.0095cm3 3 10.5 g / cm
2hr 2hr WSL LG (1 cos ) , tan 2 2 h r r h2
材料表界面-第一篇章
在能源、环境、医疗等领域，材料表界面的研究 成果具有广泛的应用前景，能够推动相关领域的 技术进步和创新发展。
02 材料表界面基础
CHAPTER
表界面定义
总结词
表界面是材料中两个相的交界面，具有独特的结构和性能。
详细描述
表界面是指两种不同的材料在接触时形成的交界面，这个交界面通常具有独特的结构和性能，与材料 的其他部分存在明显的差异。表界面在材料中的作用至关重要，它可以影响材料的物理、化学和机械 性能。
研究领域
涵盖了物理、化学、材料 科学等多个学科领域，对 于材料的应用和发展具有 重要意义。
研究方向
包括表面改性、界面反应、 表面增强等方向，旨在提 高材料的性能和功能。
研究背景与意义
1 2 3
研究背景
随着科技的发展，对材料性能的要求越来越高， 材料表界面研究的重要性逐渐凸显。
研究意义
通过研究材料表界面，可以深入了解材料的性质 和行为，为新材料的研发和应用提供理论支持和 实践指导。
模拟法
模拟法是通过计算机模拟来研究材料表界面的方法。它利用分子动力学、蒙特卡洛方法等计算方法， 模拟材料表界面的结构和性质，从而获得关于材料表界面的信息。
模拟法具有高效性和可重复性，可以在短时间内对大量材料进行表界面研究。此外，模拟法还可以预 测实验难以观测的现象和性质。然而，模拟法的结果受到模型和参数选择的限制，需要谨慎验证和校 准。
生物材料
利用材料表界面调控细胞行为， 促进组织再生和修复，为生物医 学工程和再生医学提供关键材料。
药物传递
通过材料表界面改善药物释放的 效率和靶向性，提高药物治疗效 果和降低副作用。
医学诊断
利用材料表界面提高生物标志物 的检测灵敏度和特异性，推动医 学诊断技术的发展。
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。
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一、答：表、界面是指由一个相到另一相的过渡区域，通常把凝固相和气相之间的分界面称为表面，把凝固相之间的分界面称为界面。
分为两大类：物理表面和材料表面。
物理表面又分为：理想表面、清洁表面、吸附表面；材料表面有如下几类：机械作用界面、化学作用界面、固态结合界面、液相或气相沉积界面、凝固共生界面、粉末冶金界面、粘结界面、熔焊界面等。
在国民经济建设各领域，表、界面科学亦显示出愈来愈重要的作用。
主要应用在食品、土壤化学、造纸、涂料、橡胶、建材、冶金、能源、电子工业和航天技术等领域。
二、答：溶质的浓度对溶剂表面张力的影响有三种类型，第一类物质的加入会使溶剂的表面张力略为升高，属于此类物质有强电解质（如无机盐、酸、碱）；第二类物质的加入会使溶剂的表面张力逐渐降低（如低碳醇、羧酸等有机物）；第三类物质少量加入就会使溶剂表面张力急剧下降，但到一定浓度后，表面张力变化很缓慢或几乎不下降，趋于一个稳定值。
我们把能使溶剂（通常为水）表面张力降低的物质称为具有表面活性的物质，如第二类和第三类物质都能使溶剂表面张力降低，它们都具有表面活性。
表面活性剂的种类很多，按亲水基类型分类是表面活性剂分类的主要方法，表面活性剂溶于水能电离生成离子的叫做离子型表面活性剂；不能电离的叫非离子型表面活性剂。
离子型表面活性剂按生成离子的性质可分成阴离子、阳离子和两性表面活性剂。
按相对分子质量分类：低分子表面活性剂，相对分子质量200-1000；中分子表面活性剂，相对分子质量1000-10000；高分子表面活性剂，相对分子质量10000以上。
按工业用途分类:表面活性剂可分为渗透剂、润湿剂、乳化剂、分散剂、起泡剂、消泡剂、净洗剂、杀菌剂、匀染剂、缓染剂、柔软剂、平滑剂、抗静电剂防锈剂等。
有的表面活性剂可同时具有几种功能。
三、答：陶瓷材料为无机非金属粉末晶体在一定条件下形成的多晶聚集体。
表面结构:由于表面处原子周期性排列突然中断，形成了附加表面能，表面原子的排
列与内部有明显的差别。
晶界:晶界是多晶体中由于晶粒取向不同而形成的，可以分为孪晶界、小角度晶界和大角度晶界。
相界有较高的压电、介电性，可由结晶相和玻璃相、气相共同构成，在亚微米和微米级范围内，无法明确区分三类界面厚度。
四、填空题
（1）33.2、41.5、42.0 ；66.4、83.0、84.0 ； 因为聚乙烯结构单元的摩尔体积V 和等张比容P 分别为32.9、78.0，则 P/V=2.37，聚氯乙烯结构单元的摩尔体积V 和等张比容P 分别为45.2、115.2，则P/V=2.55，由公式σ=(P/V)4可知聚氯乙烯的表面张力比聚乙烯大；而聚苯乙烯结构单元的摩尔体积V 和等张比容P 分别为98.0、250.9，则P/V=2.56，由公式σ=(P/V)4可知聚苯乙烯的表面张力比聚氯乙烯大；
（2） 17.9 、12.7、12.7、1.07；
（3）S = -k[
r n ㏑﹙n ﹚+﹙1-n ﹚㏑﹙1-n ﹚]； S = -k[
r n ㏑﹙n ﹚+﹙1-n ﹚㏑﹙1-n ﹚] ； （4）])(22[1
222dz dn
b z n z εε'-Ω；n z 2
1ε
Ω ； （5）)(2)]1ln()1()ln([)1(2{1
dz dn
b z n n n r n
KT n n z r εε
'---++-Ω=⎰+∞∞
-2}dz ；
五、判断题
（1）√（2）√（3）×（4）√（5）×
（6）√（7）×（8）√（9）√（10）×
六、简答题
（1）答:因为这些惰性气体的原子不直接与聚合物表面反应，结合到大分子链中，但是这些非反应性气体等离子体中的高能粒子轰击聚合物表面，可使材料表面产
生大量自由基，使表面形成致密的交联结构。
此外，若被处理的聚合物中含有氧，则等离子体轰击大分子链断裂分解产生活性氧，其效果可类似于氧等离子处理。
如果材料本身不含氧，则惰性等离子处理后的新生自由基，其半衰期可达2-3天，因此能与空气中的氧作用，导致氧结合到大分子链上。
因此，非活性等离子体处理也对聚合物表面有明显的改性效果。
（2）答:作用机理：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；这样，硅烷偶联剂与玻璃纤维表面以-Si-O-Si-化学键结合，同时在玻璃纤维表面缩聚成膜，形成了有机基团R朝外的结构；有机基团R中可含有-C=C-，-NH2，-SH 等反应性基团；通过基团R中的活性官能团与基体树脂的反应，偶联剂与基体以化学键结合起来。
（3）①当接触角很大时，接近或等于1800时，液体在固体表面形成球形与固体
相切。
而液体有重力，并且σ
LG 的垂直分子σ
LG
Sinθ的作用不能使其与固体表面
相切。
②根据接触角公式，θ为1800时，W
sc
为0，液固体分子之间没有吸引力，分开固-液界面不需要做功。
此时，固体完全不为液体湿润。
由于重力、吸引力的作用，故简单流体在完美底物上也不可能形成球形。
（4）答:自由能密度分为焓密度和熵密度两个影响因素，焓密度与温度无关，对于熵密度，当温度升高，其熵能量为负值且是线性函数关系，故表面能随温度升高而线性下降。
分子量增加，则参数r增加，导致熵能量减小，则表面能增加；焓项不变，但当达临界值时，熵密度已趋于0，则表面能基本不变，故表面能随分子量的增加而增加、待分子量增加到一临界值后其值基本不变。
极性增加时，由于能量ε为负值，则它相应减小，焓项增加；同时，参数r增加，熵能量减小，则表面能增加，故表面能随极性增加而增加。
（5）表面能可有焓项和熵能量项两部分表示，当T=0 K时，熵能量为零，我们只需讨论焓项的影响。
故（见下一页）
H S =01v 23102)(22
[dz dn v z n z εε'-⎰∞+∞-z n z ]2ε- =01v 32023102])(22[v z dz dz dn v z z εεε'-=-⎰∞+∞-。