材料表面与界面-习题含答案
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。
材料表界面期末考试卷
材料表界面期末考试卷一、选择题（每题2分，共20分）1. 材料表界面的类型主要包括：A. 晶界B. 相界C. 界面D. 所有选项2. 晶界对材料性能的影响主要表现在：A. 强度B. 韧性C. 硬度D. 所有选项3. 相界是指：A. 两个晶体之间的界面B. 两个不同相之间的界面C. 晶体内部的界面D. 材料表面的界面4. 界面能是指：A. 界面处原子的化学能B. 界面处原子的表面能C. 界面处原子的结合能D. 界面处原子的内能5. 界面的稳定性与哪些因素有关：A. 界面能的大小B. 界面的几何形状C. 界面处的应力状态D. 所有选项6. 界面的微观结构包括：A. 晶粒大小B. 晶粒取向C. 晶界类型D. 所有选项7. 界面的宏观性能包括：A. 界面强度B. 界面韧性C. 界面硬度D. 所有选项8. 材料表界面的微观表征方法主要包括：A. 扫描电子显微镜（SEM）B. 透射电子显微镜（TEM）C. X射线衍射（XRD）D. 所有选项9. 材料表界面的宏观表征方法主要包括：A. 拉伸试验B. 硬度测试C. 冲击试验D. 所有选项10. 界面工程的目的在于：A. 提高材料的界面强度B. 改善材料的界面韧性C. 优化材料的界面性能D. 所有选项二、简答题（每题10分，共30分）1. 简述材料表界面的分类及其各自的特点。
2. 描述晶界强化机制，并举例说明其在实际材料中的应用。
3. 解释界面能对材料界面稳定性的影响。
三、计算题（每题15分，共30分）1. 假设一个立方体材料的晶粒尺寸为1mm，晶界面积与晶粒体积的比值为0.05。
计算该材料的晶界总长度。
2. 给定一个材料界面的界面能为50 mJ/m²，界面面积为100 m²，计算该界面的总界面能。
四、论述题（20分）论述材料表界面在材料科学中的重要性，并结合实例说明如何通过界面工程来改善材料的性能。
五、实验题（20分）设计一个实验来研究不同热处理工艺对材料晶界类型和界面能的影响，并简要说明实验步骤和预期结果。
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/m 3，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'2ln 0R RT M P P ργ=开始形成的雨滴半径为：0ln 2'p pRT MR ργ=将数据代入得：m R 101079.74ln 997293314.8018.007288.02'-⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=（2）每一雨滴中所含水的分子数为N=N A n ，n=m/M=ρV/M ，得个661002.6018.03997)1079.7(14.34)(34233103'=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯===-A A N M R N M V N ρπρ3、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A 1，小水滴的总表面积为A 2,则小水滴数位N ，大水滴半径为r 1，小水滴半径为r 2。
材料表面与界面复习题
1.液体原子构造的主要特征。
〔1〕液体构造中近邻原子数一般为5~11个〔呈统计分布〕，平均为6个，与固态晶体密排构造的12个最近邻原子数相比差异很大；〔2〕在液体原子的自由密堆构造中存在五种间隙，四面体间隙占了主要地位。
〔3〕液体原子构造在几个原子直径范围内是短程有序的，而长程是无序的。
2.液体外表能的产生原因。
液体外表层的分子，一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面受到液面外部气体分子的吸引，而且前者的作用要比后者大。
因此在液体外表层中，每个分子都受到一个垂直于液面并指向液体内部的不平衡力。
这种吸引力使外表上的分子趋向于挤入液体内部，促成液体的最小外表积。
要使液体的外表积增大就必须要对抗液体内局部子的吸引力而做功，从而增加分子的位能，这种位能就是液体的外表能。
3.液体外表张力的概念与影响因素。
液体外表层的原子或分子受到内部原子或分子的吸引，趋向于挤入液体内部，使液体外表积缩小，因此在液体外表的切线方向始终存在一种使液体外表积缩小的力，其合力指向液体内部的作用力，这种力称为液体外表张力。
液体的外表张力大小受很多因素的影响。
如果不考虑液体内部其它组元向液体外表的偏聚与液体外部组元在液体外表的吸附，液体外表张力大小主要受物质本身构造、所接触的介质与温度的影响。
〔1〕液体的外表张力来源于液体内部原子或分子间的吸引力，因此液体内部原子或分子间的结合能的大小直接影响到液体的外表张力的大小。
一般来说，液体中原子或分子间的结合能越大，外表张力越大。
具有金属键原子结合的物质的外表张力最大；其次由大到小依次为：离子键结合的物质、极性共价键结合的物质、非极性共价键结合的物质。
(2)液体的外表张力的产生是由于处于外表层的原子或分子一方面受到液体内部原子或分子的吸引，另一方面受到液体外部原子或分子的吸引。
当液体处在不同介质环境时，液体外表的原子或分子与不同物质接触所受的作用力不同，因此导致液体外表张力的不同。
一般来说，介质物质的原子或分子与液体外表的原子或分子结合能越高，液体的外表张力越小；反之，介质物质的原子或分子与液体外表的原子或分子结合能越低，液体的外表张力越大。
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。
材料表界面思考题答案汇总
考试
答案
第二章：液体表面 2. 试述表面张力（表面能）产生的原因。
P6 原因为液体表面层的分子所受的力不均匀而产生的。液体表面层即气液界面中的分子受到指向液体内 部的液体分子的吸引力，也受到指向气相的气体分子的吸引力，由于气相吸引力太小，这样，气液界面的分 子净受到指向液体内部并垂直于表面的引力作用，即为表面张力。这里的分子间作用力为范德华力。
17. 表面活性剂的浓度对溶液的表面张力有怎样的影响？为什么有这样的影响？ P41 (1)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。 （2）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。 18. 表面活性剂按亲水剂类型可怎样分类？ P43 表面活性剂溶于水能电离成离子的叫做离子型表面活性剂，R 基不能电离的叫做非离子型 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。
度降低,HLB 值下降,使得乳状液从原来的（Ｏ／Ｗ）型转变为油包水型（Ｗ／Ｏ）所对应的温度．又称为亲 水-亲油平衡温度．
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《材料表界面》复习思考题答案汇总
（２） ＰＩＴ与ＨＬＢ都可以反映出亲水亲油性，但是，ＰＩＴ可以反映出油的种类、水溶液性质、温度 和相体积等的影响。 同时 PIT 测定简单、精度高。
13. 比较物理吸附和化学吸附的区别。
项目 吸附力 吸附热 选择性 吸附层 吸附速度 可逆性 发生吸附速度 物理吸附 范德华力 小，接近液化热 无 单、多分子层 快，不需要活化能 可逆性 低于吸附质临界温度 化学吸附 化学键力 大，接近反应热 有 单分子层 慢，需要活化能 不可逆性 远高于吸附质沸点
材料表面与界面5-1
Si O Si O Si O Si O
OH
8.3.体相改性
只讨论聚合物表面结构的影响 8.3.1共混物表面 1）表面张力影响 PS /d-PS共混体系 66%/ 33% PS /d-PS成分完全一样
γ d − PS − γ PS = −7.8 ×102 mJ / m 2
184℃退火
d-PS 45天
功效： 1）材料表面分子键断裂 2）引入含氧基团 表面能增加，接触角减小 应用： 聚合物薄膜 特别是<1mm的薄膜
影响因素：
①电压
一般电压升高，处理效果增强 处理材料表面的厚度决定电压 薄膜一般在15kV
②电流 输出电流增加，处理效果增强。 当输出电流达到某临界值后,电晕处 理的效果增加不多
聚乙烯表面处理输出电流与聚乙烯表面张力的关系
磨性、生物相容性
2）气相沉积
贱射：离子束等轰击金属表面，使金 属原子蒸发，然后沉积到材料表 面上 物理蒸气沉积（PVD）： 加热或贱射使金属原子蒸发，然 后沉积到材料表面上 化学蒸气沉积（CVD）： 将金属氧化物还原成金属原子， 然后沉积到材料表面上
8.2.化学方法改性
8.2.1表面化学反应 1）固液界面反应 成熟技术：含氟化合物表面处理 方法：萘——Na 氨——Na 溶液浸泡
PVME MWps 517~127000 MWpvme 99000
MWps
3）成型条件影响 PVC /PMMA共混体系
γ PVC = 41.9
THF为溶剂 MEK为溶剂
γ PMMA = 41.2
非均相膜 均相膜 PMMA表面富集 PMMA表面微富集
8.3.2嵌段共聚物表面 嵌段共聚物形态 <20% 球状 20～40％ 圆柱状 40～60％ 层状 1）组分表面张力影响 PS －PDMS嵌段共聚物
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
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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。
答：(1）CMC 浓度是指随着表面活性剂浓度上升，溶液的表面张力逐渐下降,直至表面张力几乎不变时所发生转折时的浓度.
(2)疏水基的影响、亲水基、温度、添加剂（电解质、有机物）.
（3）测定方法：测定电导率、渗透压、冰点、增溶性、洗净力等物理量发生显著变化的转折点
2、温度对离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂溶解度的影响有什么不同？为什么离子型表面活性剂在K。
P点以上溶解度迅速增大，而非离子型表面活性剂溶液在C。
P点变成浑浊？
答：(1)离子型：在足够低的温度下，溶解度随温度升高而慢慢增大，当温度达到一定值后，溶解度会突然增大——Krafft 现象
非离子型:溶解度随温度升高而下降，当温度升高到一定温度时，溶液会突然变浑浊
（2）离子型：表面活性剂以胶束形式溶解
非离子型:温度上升时，氢键被削弱，达到C。
P.点时，氢键断裂，表面活性剂从溶液中析出，溶液变得浑浊.
3、试求表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的HLB值。
答：十二烷基苯磺酸钠HLB=ΣH−ΣL+7=38。
7−（12+6）×0.47+7=37.24
第三章
1、试讨论用液态氧化法处理聚合物的优缺点。
答：优点：（1）可润湿性大大增加（2）表面张力增大（3）与各种液体接触角明显减小，粘接性能大大增加。
缺点:氧化处理会有大量的酸废液产生，污染严重。
2、聚合物表面接枝有哪些方法？其原理各是什么？
答：（1)表面接枝聚合大分子偶合添加接枝共聚物
（2）表面接枝聚合:在光、辐射线、紫外线、等离子体使聚合物表面产生活性种，引发乙烯基单体自由基聚合，进行表面接枝.
大分子偶合: 聚合物表面产生反应性活性基团，使之与带有反应基团的大分子反应偶合，实现其表面接枝。
添加接枝共聚物在欲改性的高聚物中添加有界面活化性能的共聚物成型,共聚物亲基材段嵌入到基材内部，留下接枝段在基质聚合物的表面上，达到表面改性的目的。
3、分别用等张比容和内聚能密度法估算下列高分子化合物的表面张力。
1)聚苯乙烯
2）聚乙二醇（聚氧化乙烯)
第四章
1、什么是偶联剂？说明硅烷偶联剂对玻璃纤维增强塑料的作用机理。
用偶联剂进行表面处理有哪些方法？
答：（1）偶联剂是分子含有两种不同性质基团的化合物,其中一种基团可与增强
材料发生物理或化学作用,另一种基团可与基体发生物理或化学作用。
（2）①X 基团的水解，形成硅醇；②硅醇的羟基之间以及硅醇的羟基与玻璃纤维表面的羟基形成氢键;③硅羟基间脱水形成硅氧键。
2、高性能纤维的表面处理方法有哪些？
答：（1)表面清洁处理（2）表面氧化处理(3)表面涂层（4)化学气相沉积（5）电聚合处理(6）低温等离子处理（7）表面接枝
3、什么是化学键理论?化学键理论有什么缺陷？举例说明化学键理论在碳纤维表面处理中的应用。
答：（1）化学键理论认为两相之间实现有效的粘接，两相的表面应含有能相互发生化学反应的活性基团，通过官能团的反应以化学键合形成界面.若两相不能进行化学反应，也通过偶联剂的媒介作用以化学键相互结合。
（2）缺陷：不能解释以下现象①有些偶联剂不含有与基体树脂起反应的活性基团，却有很好的处理效果.②偶联剂在增强纤维表面有多层结构而并非由化学键理论推导的单层结构，③基体树脂固化，热应力松弛效应。
(3）应用：在表面氧化或等离子、辐射等处理过程中，纤维表面产生了羧基、羟基等含氧活性基团，提高了与环氧等基体树脂的反应能力，使界面形成了化学键，大大提高了粘接强度。
第五章
1、纤维对液体的接触角的测定的方法有哪些?
答:（1）单丝浸润法（2）单丝浸润力法（3)毛细浸润法
2、简述单丝抜脱实验
答：将单根纤维单丝的一部分垂直埋如基体之中，然后将单丝从集体中拔出，测定纤维抜脱的应力，从而求出纤维与基体间的界面剪切强度。
3、界面结合强度是否越强越好？为什么？
答：（1) 界面结合不是越强越好(2）原因：当界面结合强度大于基体强，应力不能沿界面缓解，直接作用到纤维断口的基体上，使基体首先在纤维的断点处破坏并形成裂缝.在持续外力的作用下，裂缝沿垂直于纤维轴方向向基体纵深进一步发展,这一裂缝还会引起附近纤维的连锁断裂，导致复合材料断裂。
所以界面结合不是越强越好。