材料表面与界面
材料表面与界面工程
材料表面与界面工程是一个繁荣的领域，在材料科学中扮演着至关重要的角色。
表面与界面工程的目的是改善材料表面的特性以及相邻物质之间的相互作用，可以通过多种方法来实现。
一、表面修饰表面修饰是一种改善材料表面特性的方法，通过特定的表面修饰技术，材料的表面性质可以被改善，例如表面粗糙度、化学反应活性、涂层均匀性、粘附性等。
其中，表面粗糙度是表面修饰中最常见的一种方法。
表面粗糙度能够影响材料表面的湿润性、化学反应活性和粘附性等特性，因此表面微纳结构化和表面粗糙度的控制被广泛应用于诸如生物医学、化学传感、机械制造等领域。
二、表面涂层表面涂层是一种表面修饰的方法，它是将一层材料沉积到另一层材料表面上的过程，通常是通过化学气相沉积、磁控溅射等方法实现。
涂层可以改善材料表面的电学、热学、化学和生物性能，并且对于增强材料的机械性能及耐磨性也有很大的帮助。
涂层材料的选择取决于特定应用的需求，例如生物医学、能量储存和环保材料等领域。
三、界面工程在材料科学中，所有的材料都可以被看作是由不同材料的层叠组合而成的复合材料。
因此，界面的性质变化与材料性能息息相关，界面工程就是通过调节相邻物质之间的相互作用来改善界面特性。
这通常需要对多种方面进行调节，包括界面结构、化学反应、电介质、热膨胀等。
界面工程具有许多潜在的应用领域，其中最显著的包括能源和环保材料。
在环保领域中，提高材料间的拉伸、切割和剪切强度非常重要，例如土壤稳定、土地复垦等。
在能源领域中，界面工程可以用于生产能量存储器件，例如锂离子电池、氢燃料电池等，也可以用于制备太阳能电池和光电转换材料。
综上所述，表面与界面工程在材料科学中扮演着至关重要的角色，通过改善材料表面的特性以及相邻物质之间的相互作用来提高材料的性能和应用。
考虑到不同应用领域的需求和材料特性，科学家们将继续发现新的表面及界面工程技术，以进一步改善现有材料的性能和开发新的材料。
材料的表面与界面
（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
材料表面与界面
材料表面与界面材料的表面与界面性质对于材料的性能具有重要的影响。
材料的表面和界面性质是指材料的表面和与其它物质接触的界面上的性质，这些性质直接影响材料的力学、热学、光学等性能。
因此，研究材料的表面与界面性质对于材料科学和工程具有重要的意义。
首先，材料的表面性质对于材料的耐磨性和耐腐蚀性具有重要的影响。
材料的表面硬度、粗糙度、化学成分等都会直接影响材料的耐磨性和耐腐蚀性。
例如，通过表面处理可以提高材料的硬度和耐腐蚀性，从而延长材料的使用寿命。
因此，研究材料的表面性质对于提高材料的耐磨性和耐腐蚀性具有重要的意义。
其次，材料的界面性质对于材料的粘接性和界面传输性能具有重要的影响。
材料的界面粘接性和界面传输性能直接影响材料的结构强度和功能性能。
例如，在复合材料中，界面的结合强度和传输性能直接影响复合材料的力学性能和热学性能。
因此，研究材料的界面性质对于提高材料的粘接性和界面传输性能具有重要的意义。
此外，材料的表面与界面性质对于材料的光学性能也具有重要的影响。
材料的表面和界面对于光的反射、透射和散射等过程有重要的影响，这直接影响材料的光学性能。
例如，在光学器件中，材料的表面和界面质量直接影响器件的光学性能。
因此，研究材料的表面与界面性质对于提高材料的光学性能具有重要的意义。
综上所述，材料的表面与界面性质对于材料的性能具有重要的影响，包括耐磨性、耐腐蚀性、粘接性、界面传输性能和光学性能等方面。
因此，研究材料的表面与界面性质对于提高材料的性能具有重要的意义，这也是材料科学和工程领域的重要研究方向之一。
希望通过对材料的表面与界面性质的研究，可以为材料的设计、制备和应用提供重要的理论和实验基础，从而推动材料科学和工程的发展。
材料物理与化学材料表面与界面物理与化学概念梳理
材料物理与化学材料表面与界面物理与化学概念梳理材料物理与化学—材料表面与界面物理与化学概念梳理在材料科学与工程领域中，表面与界面物理与化学是一个重要的研究方向。
了解材料表面与界面的性质对于改良材料性能、开发新型材料以及提高材料的应用性具有重要意义。
本文将对材料表面与界面物理与化学的相关概念进行梳理。
一、表面与界面的定义与特点1. 表面的定义与特点表面是指材料内部与外部环境之间的界面，是材料与外界相互作用的主要区域。
表面具有以下特点：（1）表面具有较高的表面自由能，导致表面能量较高；（2）表面具有不规则的形貌特征，如微观粗糙度和凹凸不平等；（3）表面具有较低的占有体积，而占据材料总体积很少。
2. 界面的定义与特点界面是指两个不同相的材料之间的边界，不同相可以是不同的材料，或者同一材料的不同相。
界面具有以下特点：（1）界面能量通常高于体相能量；（2）界面存在着各种缺陷，如孪晶、晶粒边界、位错等；（3）界面对材料的力学、电学、光学等性质具有重要影响。
二、表面与界面物理的研究内容1. 表面物理的研究内容表面物理主要研究材料表面的结构、形貌以及物理性质等。
具体研究内容包括：（1）表面结构的分析与表征，如表面晶胞结构、表面晶格畸变等；（2）表面形貌的研究，如表面粗糙度、表面平整度等；（3）表面态的研究，如表面态密度、表面电子结构等。
2. 界面物理的研究内容界面物理主要研究不同相之间的界面结构、界面缺陷以及物理性质等。
具体研究内容包括：（1）界面结构的分析与表征，如界面原子排列、界面层间结合等；（2）界面缺陷的研究，如界面晶格错配、界面位错等；（3）界面电子结构的研究，如界面态密度、界面电子传输等。
三、表面与界面化学的研究内容1. 表面化学的研究内容表面化学主要研究材料表面的化学成分、表面反应以及表面吸附等。
具体研究内容包括：（1）表面成分的分析与表征，如表面含有的原子、分子及其吸附态等；（2）表面反应的研究，如表面催化反应、表面氧化还原反应等；（3）表面吸附的研究，如表面吸附物的类型、吸附等温线等。
材料表面与界面的性质与应用
材料表面与界面的性质与应用材料科学是一个与人们生活密切相关的学科，它不仅与工业生产有着千丝万缕的联系，更是对我们现代生活的多种需求提供了原材料和基础支撑。
而材料的物理学和化学特性则是决定着材料能否成为优秀的材料的决定性因素之一。
表面和界面的性质是重要的研究方向之一。
表面和界面的特性对于材料性能的影响非常重要，因此我们需要了解表面与界面的性质，以更好地应用材料。
一、表面与界面的概念材料的表面是指物质与外界接触的界面，可以是物质相互接触的表面，也可以是物质与外界介质接触的表面。
以金属为例，其表面可以指表面结构、表面形貌和表面组成等方面的特征。
而界面则是指不同相之间接触的界面。
材料在自然界和工业生产中都常常存在不同相之间的接触，因此界面特性的研究显得尤为重要。
二、表面与界面的性质表面与界面的性质会受到表面成分、表面结构、表面形貌、浸润性等多种因素的影响。
具体来说，它会影响类似能量、化学反应、电荷效应、力学特性等多种物理、化学和力学等性质。
材料表面是材料与外界相接触的部分，所以表面化学和表面能量是表面特性的核心点。
通常情况下，表面的化学反应比体积更容易发生，因为表面原子没有被周围原子包围，所以在反应物分子到达表面时，其距离更近，进而导致表面原子与反应物相互作用，进行反应。
表面能量是指物质表面的自由能和内部的化学键能之和。
表面能量对于表面化学和物理性质有着决定性影响。
三、表面与界面的应用1. 表面涂层技术表面涂层技术不仅能实现对材料表面化学反应和表面能量的调控，还能使材料具有出色的耐磨性、耐腐蚀性和耐高温特性等。
经常用于工业生产的有自清洁防水表面涂层、生物医用涂层和磁性涂层等。
通过表面涂层技术，我们不仅能够增强材料的本身性能，还能降低材料配件之间的磨损，从而延长其使用寿命。
2. 纳米材料制备表面和界面影响着纳米材料的物理、化学特性以及材料的自组装行为等因素。
因此，纳米材料的制备不仅需要对材料的体内结构进行研究，也需要考虑其表面和界面特性。
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。
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1.4 液体表面张力的测定
1.4.1 毛细管法 如图1-4所示，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。
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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，井假定凹月面可 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。由Laplace公式可得：
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由于气体方面的吸引力比液体方面小得多，因此 气液界面的分子净受到指向液体内部并垂直于界 面的引力。这种分子间的引力主要是范德华力， 它与分子间距离的7次方成反比。所以表面层分子 所受临近分子的引力只限于第一、二层分子，离 开表面几个分子直径的距离，分子受到的力基本 上就是对称的了。
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为什么液体表面具有自动收缩的能力？
从液相内部将一个分子一道表面层要克服这种分 子间引力做功，从而使系统的自由焓增加；反之， 表面层分子移入液体内部，系统自由焓下降，因 为系统的能量越低越稳定，故液体表面具有自动 收缩的能力。
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设在一边可自由活动的金属丝框中有一层浓膜。 如果不在右边施加一个如图所示方向的外力F，液 膜就会收缩。这就表明，在沿液膜的切线方向上 存在一个与外力方向相反，大小相等且垂直于液 膜边缘的力作用着。实验表明，外力F与液膜边缘 的长度成正比，比例常数与液体表面特性有关， 以σ表示，称为表面张力，即
第1章 表界面基础知识
材料科学、信息科学和生命科学是当前新技术革 命中的三大前沿科学，材料的表界面在材料科学 中占有重要的地位。
何谓表界面?
表界面是多相体系中相与相之间的过渡区域。 根据物质的聚集态不同，表界面通常可以分为以下五
类： 固-气 液-气 固-液 液-液 固-固。 气体和气体之间总是均相体系，因此不存在界面。习
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Laplace 方程
表面弯曲的液体在表面张力的作用下，界面上承 受着一定的附加压力，在两根玻璃毛细管中，(a) 中储汞，呈凸面，在凸面与毛细管壁的交界线上 作用的表面张力指向液体内部；(b)中储水，呈凹 面，在交界线上作用的表面张力指向液体上方。 对平面液体来说，表面张力是沿平面切线方向作 用的，所以附加压力为零。由图可知，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方程阐明了这种关系。
Δp = 2σ/r
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1.3.2 任意曲面
需用两个曲率半径R1、R2来描述任意曲面。任意 曲面的Lapalace方程一般形式为：
Δp = σ (1/R1 +1/R2)
当两个曲率半径相等时，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。
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1.1 表面张力和表面自由能
处在液体表面层的分子与处在液体内部的分子所 受的力场是不同的。
分子之间存在短程的相互作用力，称为范德华力。 处在液体内部的分子受到周围同种分子的相互作 用力，从统计平均来说分子间力是对称的，相互 抵消。但是处在液体表面的分子没有被同种分子 完全包围，在气液界面上的分子受到指向掖体内 部的液体分子的吸引力，同时也受到指向气相的 气体分子的吸引力。
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1.3.1 球面 总表面能为4πr2σ。假如在附
加压力Δp的作用下，半径减 小了dr，表面能的变化为 8πrdr。当半径收缩dr时，压 差所做的功： 弯曲面为球面时的Laplace 方程。在推W导=Δ过p 程4π中r2 d未r 考虑 重力场的作用。 达到平衡时，W一可定知等Δ于p与表表面面自张由力能成的正减比少，，即： 与曲率半径成反比。 Δp 4πr2 dr = 8πrσ dr
Δp = 2σ/r
定义h为凹月面底部距平液面的高度，则压差 应等于毛细管内液柱的静压强Δρgh，即：
Δρgh = 2σ/r
（1-18）
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式中Δp为液气两相密度差，g为重力加速度。 （1-18）式也可以改写成：
惯上把固—气为表面，而把固—液，液—液．固—固 的过渡区域称为界面。
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实际上两相之间并不存在截然的分界面, 相 与相之间是个逐步过渡的区域，界面区域 结构、能量、组成等都呈现连续性梯度的 变化。因此，表界面不是几何学上的平面， 而是一个结构复杂，厚度约为几个分子线 度的准三维区域，因此常把界面区域当作 一个相或层来处理，称作界面相或界面层。
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研究材料的表界面现象的重要意义
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。
F
2L
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在图1-1中，设在F力的作用下金属丝移动了dx的 距离，则所作的功为：
dW Fdx 2L dx
dW dA
dW / dA
可以看出，表面张力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／m 2，是功或 能的单位，所以也可以理解为表面自由能，简称 表面能。 单位J／m2和N／m在因次上是等效的。
教材
材料表面与界面
胡福增主编， 华东理工大学出版社 2008.1出版界面基础知识 第2章 表面活性剂 策3章 高分子材料的表界面 第4章 聚合物合金的界面 第5章 复合材料界面理论 第7章 偶联剂 第8章 玻璃纤维增强塑料界面
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