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-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。
材料表界面
材料表界面在目前的社会发展中，人们的生活水平不断提高，材料的需求也随之增加。
为了满足人们对材料的需求，越来越多的企业投入到材料行业中。
在这样的背景下，材料表界面的设计成为了提高企业竞争力的一项重要工作。
首先，材料表界面的设计应该具有直观性和方便性。
在这个界面上，应该能够清晰地显示出不同种类的材料以及相应的参数和特性。
用户可以通过一个简单的操作来查找和浏览所需的材料，节省时间和精力。
其次，材料表界面应该提供多样化的功能和操作。
除了提供基本的浏览功能，界面还应该具有搜索、排序和筛选等功能，从而满足用户不同的需求。
例如，用户可以通过输入关键词来搜索所需的材料，或者按照价格、用途等进行排序和筛选。
此外，材料表界面还应该提供详细的材料信息和实时更新的功能。
用户可以通过点击材料名称或者相应的图片等来获取更详细的信息，如材料的用途、参数、价格等。
同时，界面还应该能够及时更新最新的材料信息，以便用户可以及时了解到最新的材料产品和价格变动。
另外，材料表界面还应该具有美观的设计和良好的用户体验。
通过合理的界面布局、适当的色彩搭配和直观的操作流程，可以提高用户的满意度和使用效果。
同时，界面还应该具有响应速度快、加载速度快的特点，以提供快速、流畅的使用体验。
最后，材料表界面还应该具有一定的可定制性和扩展性。
例如，用户可以根据自己的需要设置显示的列或者添加新的列；企业也可以根据自己的需要添加新的功能或者模块。
这样，可以满足不同用户和企业的需求，提高界面的适用性和灵活性。
总之，材料表界面的设计是一个十分重要的工作。
只有设计出直观方便、多功能操作、提供详细实时信息、具有良好用户体验、具有扩展性等特点的界面，才能提高企业竞争力，满足用户的需求，实现材料行业的快速发展。
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7.5 低温等离子体处理
低温等离子体中基本粒子的能量范围为：
电子
0～20 eV
离子
0～2 eV
亚稳态粒子
0～20 eV
紫外光/可见光 3～40 eV
一些化学键的键能为：（eV）
C-H 4.3
C=0 8.0
C-C 3.4
C-Cl 3.4
C-F 4.4
第七章 聚合物的表面改性
为什么要进行表面改性？
接触角
润湿能力差 难以粘合
气相
θ
液相
固相
是非极性高分子：它们的表面只能形成较弱的色散
力，而缺少取向力和诱导力
表面能低 化学惰性
存在弱的边界层：来自聚合加工过程中带来的杂质，聚
合物本身的低分子成分、助剂，及储 运过程中的污染等
为什么要进行表面改性？
改变表面组成 及结晶形态
相同点
二Hale Waihona Puke 均通过在高聚物表面引入含氧基团进行表面改 性，氧化过程均按照自由基机理进行。
不同点
引入自由基的途径不同，火焰处理的自由基生成于火 焰中，不受基体的影响；热处理的自由基来自于热活 化后的高聚物，产生速率慢，受基体以及抗氧化剂的 影响，自由基产生速率是整个过程的控制步骤。
7.2 火焰处理和热处理 缺点
20
36.7～520
1000～1255 （进一步用溶剂处理）
7.4 臭氧氧化 缺点
7.5 低温等离子体处理
等离子体---被称为是物质的第四态，其实质是 电离的气体。
电子
原子 分子
自由基
光子
离子
等离子体
7.5 低温等离子体处理
等离子体的产生：
电晕放电
高频电磁 振荡
激光
射频或 微波
高能辐射
等离子体
7.7
44.3
60s
33.8
13.4
47.2
90s
34.9
14.5
49.4
120s
34.4
15.9
50.3
500s
34.2
15.7
49.9
1000s
35.4
15.1
50.5
粘附功 （×10-7J/cm2)
48.4
68.0 70.2 69.8 71.1 71.1 72.2 71.8
7.3 化学处理
FEP经Na/NH3溶液处理:
7.3 化学处理
化学处理是使用化学试剂浸渍聚合物，使其表 面发生化学的和物理的变化。
碱洗含氟聚合物 钠氨、钠萘溶液
酸洗聚烯烃 重铬酸盐/硫酸
7.3 化学处理
FEP经钠/萘溶液处理
表面张力/(mN/m)
σd
σp
σ
FEP（未处理） 19.6
0.4
20.0
处理后
10S
35.4
5.3
40.7
20s
36.6
极性基团的产生 润湿性的提高 弱边界层的强化 界面间的相互作用 相互扩散增加 表面刻蚀的锚合作用
7.5 低温等离子体处理
7.4 臭氧氧化
臭氧氧化前后聚丙烯表面性能的变化
性能 ATR-IR
3400cm-1羟基峰 1710cm-1羰基峰 1648cm-1 -C＝C- 峰 与水接触角 （度） 临界表面张力（×10-3N/m） 剥 离 强 度 （N/m）
未处理
臭氧处理后
无
有
无
有
无
有，臭氧浓度高时消失
97
67
29.5
36.0
氩、氦、氮、 O2、CO2、NH3
7.5 低温等离子体处理
地球电离层外的整个宇宙中，绝大部分物质以天然等离子体态 存在，如太阳和所有恒星、星云都是等离子体。
人造等离子体：霓虹灯、电弧。
7.5 低温等离子体处理
等离子体的分类：
由大气电弧、电火花、 热等离子体 火焰等产生
在减压下(1.33-1333Pa) 冷等离子体 由辉光放电产生
7.3 化学处理
酸洗聚烯烃--聚烯烃的液态氧化处理
氧化液体系： 铬酸液：（重铬酸钾/钠＋蒸馏水＋浓硫酸） 硫酸铵－硫酸银溶液，双氧水，高锰酸钾－硝 酸，氯磺酸，王水等
铬酸酸蚀聚烯烃后： 表面检测出羟基、羧基和磺酸基等极性基团
7.3 化学处理
支链聚乙烯经铬酸溶液处理:
7.3 化学处理
酸洗聚烯烃的不足：
增加表面能
清除杂质或 弱的边界层
目的 提高表面的润湿性和粘结性
高聚物表面改性的表征方法
表面性能
接触角 表面张力
表面组成
XPS X射线光电子能谱
表征
表面形貌
电子显微镜
改性效果
使用性能评估
高聚物表面改性的主要方法
表面接枝
电晕
等离子体
表面处理
火焰处理 热处理
臭氧氧化
化学处理
7.1 电晕放电处理
电晕原理：高能粒子与聚合物表面作用，产生自由 基和离子，在空气中氧的作用下，聚合物表面可形 成各种极性基团。
等离子体处理在聚合物表面引入各种官能团后，再通过 有机化学方法引入其它官能团
7.5 低温等离子体处理
等离子体处理的表面改性效果： (3) 对润湿性能的影响
由于等离子处理引入极性 基团结合到聚合物表面上， 使聚合物的表面张力增大， 接触角变小。
7.5 低温等离子体处理
等离子体处理的表面改性效果：
(4) 对粘结性的影响
大量酸废液产生，污染环境。
7.3 化学处理 缺点
7.4 臭氧氧化
通过臭氧的强氧化能力来处理聚合物的表面。
（1）叔碳原子上的H被臭氧氧化，生成大分子自由基：
（2）大分子自由基与氧反应，生成过氧化自由基：
7.4 臭氧氧化
（3）大分子自由基与OH反应，生成羟基或碳碳双键：
（4）双键被臭氧氧化，生成羰基、羧基、醛基或酯键等 含氧极性基团：
7.5 低温等离子体处理
等离子体处理的表面改性效果： (1) 表面交联
7.5 低温等离子体处理
等离子体处理的表面改性效果： (2) 极性基团的引入
7.5 低温等离子体处理
等离子体处理的表面改性效果： (2) 极性基团的引入
红外光谱检测 羰基
7.5 低温等离子体处理
等离子体处理的表面改性效果： (2) 极性基团的引入
C≡C 8.4
C-N 2.9 C=C 6.1
7.5 低温等离子体处理
等离子体表面改性反应原理：
O2 E 2O O R H R HO O R R R R O R1 R2 hv R1 R2 R O2 ROO ROO RH ROOH R ROOH RO HO
在氧气氛中,聚合物表面等离子氧化反应是自由基连锁反应, 可生成含氧基团,如羧基,羟基,羰基,过氧基等.
7.1 电晕放电处理
7.1 电晕放电处理 缺点
7.2 火焰处理和热处理
火焰处理：火焰中处于激发 态的O, NO, OH, NH等能从高 聚物表面把氢抽取出来，随 后按自由基机理进行表面氧 化。
热 处 理：将聚合物暴露在 热空气中（~500℃）处理。
表面引入了：
羟基 羰基 羧基 胺基
7.2 火焰处理和热处理