材料表面与界面【精选】
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。
材料表面与界面科学
材料表面与界面科学是物理学、化学、材料科学等多个学科领域的交叉学科，重点研究材料表面和界面的结构、性质、化学反应等方面的问题，以期得到新材料研发、工程应用、环境保护等领域的一系列创新和解决方案。
I. 材料表面和界面的定义材料表面是指在宏观尺寸下，材料的外表面或裸露的区域。
而材料界面是指在宏观尺寸下两种或两种以上物质相遇的交界面。
材料的性质主要是由其表面和界面的特性所决定的。
II. 材料表面与界面的性质1. 表面能表面能是材料表面性质的一个基本参数。
它与表面张力、接触角等相关。
表面能高低的不同往往决定了材料如何在不同液体之间选择性地相互作用，进而影响材料表面的粘附力、润湿性等一系列特性。
2. 活性位点活性位点是指在材料表面上比其他部分更活跃的原子、分子，它们负责引发化学反应，配合反应剂对物质进行活性加工。
因此，表面上的活性位点特性直接影响材料的化学反应性，进而决定了材料的结构和性质。
3. 晶界材料界面中最特殊的一种是晶界，它是由于同一材料的不同晶粒之间形成的交界处。
晶界充斥着大量的缺陷和杂质，有着比材料内部更为复杂的锻造、热处理过程。
因此，晶界是表征材料的应力、强度、晶粒尺寸等重要参数。
III. 材料界面与纳米材料由于材料的表面和界面所起到的重要作用，使研究和设计纳米材料成为表面和界面科学中的重要组成部分。
纳米材料，因为其大小在10纳米以下而具有异于常规大尺寸材料的特性。
在材料表面科学中，研究纳米尺寸范围内间距、结构、化学反应等方面的问题至关重要，以期为新型纳米材料的设计合成、利用开辟新方向。
IV. 材料界面科学在新材料研发中的应用1. 陶瓷材料材料表面科学的研究对于较为致密的器件材料比如陶瓷材料的研发而言，是尤为重要的。
通过表面材料内部化学成分和结构的调控，在提升硬度、抗磨损、耐氧化和抗侵蚀性能之间取得平衡，将会是材料科技的新发展方向。
2. 超薄膜材料超薄膜材料是一种利用表面材料化学成分和结构调节的方法来制备的材料。
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。
材料表面与界面-第一章
润湿性
指液体在固体表面上扩散 和附着的能力。
影响因素
表面吸附和润湿性受表面 张力、表面能、物质性质 等因素的影响。
表面形貌与结构
表面形貌
指固体表面的几何形状和 外观特征。
表面结构
指固体表面的化学组成和 分子排列结构。
影响因素
表面形貌和结构受物质性 质、制备方法和环境条件 等因素的影响。
03 材料界面的基本概念
材料表面与界面-第一章
目录
• 引言 • 材料表面的基本性质 • 材料界面的基本概念 • 材料表面与界面的应用 • 总结与展望
01 引言
表面与界面的定义与重要性
定义
表面是指物质的最外层，而界面 则是指两种不同物质之间的接触 面。
重要性
表面与界面在许多物理、化学和 生物过程中起着关键作用，如催 化反应、电子传输、生物分子相 互作用等。
04 材料表面与界面的应用
表面技术在材料制备中的应用
表面涂层技术
通过在材料表面涂覆一层具有特 殊性能ห้องสมุดไป่ตู้涂层，以提高材料的耐
腐蚀、耐磨、隔热等性能。
表面合金化技术
通过改变材料表面的元素组成和 相结构，使其具有优异的耐高温、
抗氧化、抗疲劳等性能。
表面微纳结构制备
利用微纳加工技术，在材料表面 制备出具有微纳尺度结构的表面， 以提高材料的表面能、润湿性、
摩擦学性能等。
界面技术在复合材料中的应用
界面设计
01
通过优化界面结构和性质，提高复合材料的力学性能、电性能、
热性能等。
界面增强
02
利用界面层对复合材料的增强作用，提高复合材料的强度、韧
性、耐疲劳等性能。
界面相容性
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/m3,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公式有开始形成的雨滴半径为：将数据代入得：（2）每一雨滴中所含水的分子数为N=N A n ，n=m/M= V/M，得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A1，小水滴的总表面积为A2，则小水滴数位N，大水滴半径为r1,小水滴半径为r2.又因为将大水滴分散成N小水滴，则推出=故有即表面积是原来的1000倍。
（2）表面Gibbs自由能的增加量为=4*3。
142*0。
07288*[109*（10—6)2—（10-3)2］=第二章1、什么是CMC浓度？试讨论影响CMC的因素。
请设计一种实验测定CMC的方法。
材料表面与界面
材料表面与界面
材料的表面和界面性质对其性能具有重要影响，因此对材料表面与界面的研究一直是材料科学领域的热点之一。
材料的表面是指材料与外界相接触的部分，而界面则是指材料内部不同相或不同材料之间的接触面。
材料的表面与界面性质的研究不仅有助于深入理解材料的性能和行为，还对材料的设计、合成和应用具有重要意义。
首先，材料的表面性质对其与外界的相互作用具有重要影响。
例如，材料的表面能影响其与其他材料的粘附性能，直接影响材料的耐磨性、耐腐蚀性等。
此外，材料的表面性质还会影响其光学、电子、热学等性能，因此对材料表面的研究具有重要意义。
其次，材料的界面性质对材料的力学性能和耐久性能具有重要影响。
例如，多相复合材料中不同相之间的界面性质直接影响材料的强度、韧性和断裂行为。
在材料的界面处往往会出现应力集中、裂纹扩展等现象，因此对材料界面的研究对提高材料的力学性能具有重要意义。
此外，材料的表面与界面性质还对材料的加工、成型和应用具有重要影响。
例如，在材料的表面处理过程中，可以通过改变表面的化学成分、形貌和结构来改善材料的表面性能，从而提高材料的耐磨性、耐腐蚀性等。
在材料的界面设计中，可以通过界面改性、界面结构设计等手段来改善材料的力学性能和耐久性能，从而拓展材料的应用领域。
综上所述，材料的表面与界面性质对材料的性能和应用具有重要影响，因此对材料表面与界面的研究具有重要意义。
随着材料科学的不断发展，对材料表面与界面的研究也将不断深入，为材料的设计、合成和应用提供重要支撑。
希望通过对材料表面与界面的研究，能够开发出更加性能优越的新型材料，推动材料科学领域的发展。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
关瑞芳 陈娟
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
参考文献：
主要内容
第1章 表界面基础知识 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
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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
F
2L
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。
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）
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：
a2 = 2σ/（Δρg）= r h
（1-19）
式中，a为毛细常数，也是液体的特性常数。
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。
当液体完全不浸润管壁时，公式(1-19)仍适用， 毛细上升改为毛细下降，h表示下降深度。
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。
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：
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。
Δp 4πr2 dr = 8πrσ dr
Δp = 2σ/r
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。