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
材料科学中的表面和界面研究
材料科学中的表面和界面研究材料科学的发展水平已经到了让人瞠目的地步，这离不开表面和界面这两个重要的研究方向。
表面和界面科学早已成为材料科学研究的重要部分。
无论是材料的性能还是材料的组织结构，其都与材料表面和界面有着密不可分的联系。
本文将从表面和界面科学的基本概念到理论研究和实践应用等方面给大家进行介绍，并就其在实际应用中进行一些探讨。
一、表面和界面科学的基本概念表面和界面科学主要关注的是物质的表面和界面所具有的性质、结构和功能等。
其研究的主要对象是具有表面和界面的材料，如液体、气体、固体等。
材料的表面是指物质和外界的接触面，它是材料表征和性能调控的重要途径。
而界面则是指两相材料之间的分界面，如液体-气体、液体-固体、固体-气体等。
材料的界面位置不同，其表现出的性质也不同，因此表面和界面科学可以对这一方面进行探讨。
二、表面和界面科学的理论研究表面和界面科学的理论研究探讨的是在材料表面和界面上发生的一系列物理和化学过程，其目的是为了揭示表面和界面上的基本规律和特性。
主要分为表面物理学和表面化学两个方向。
表面物理学研究的是表面的物理性质，如最大吸附量、表面结构、电子结构等，通过研究表面物理性质，可以揭示表面吸附和反应的本质，从而解决许多实际问题。
表面化学则是揭示表面化学反应的机理和动力学规律，以及表面吸附和反应行为的影响因素，如温度、压力和化学势等。
三、表面和界面在实际应用中的作用表面和界面在实际应用中有着广泛的应用，如催化剂、电子器件、涂料等。
在催化剂方面，表面和界面通常可以调节催化剂的活性和选择性，提高催化反应的效率。
在电子器件方面，表面和界面技术目前已经成为了制造先进微电子器件的重要手段。
在涂料领域，表面和界面对于材料抗腐蚀、抗磨损、增强粘附等方面有着显著的影响。
以上便是表面和界面科学的基本概念、理论研究和实际应用方面的简单介绍。
表面和界面科学是材料科学研究的重要组成部分，其在材料性能、结构和功能的探讨和改进方面所发挥的作用不可小觑。
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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陶瓷—离子键、共价键 金属—金属键
陶瓷与金属界面基本性质的比较： 类似： 可用热力学方法处理界面能和界面张力； 迁移率受杂质的制约影响； 晶界扩散大于晶格扩散； 晶界滑移产生形变； 具有溶质偏析现象； 晶界是空位、填隙缺陷的产生源和消失阱； 位错行为类似，小角晶界可由位错阵列描述
不同： 陶瓷晶界形成静电势和空间电荷区； 陶瓷点阵缺陷的形成能高（～6ev）； 金属本征缺陷浓度高于杂质缺陷浓度（～2个 量级） 陶瓷本征缺陷浓度低于杂质缺陷浓度（～3个 量级） 金属异质固溶度受溶质原子形变能影响突出 陶瓷异质固溶度受空位能大小的影响突出
得到：
A ij d ij Ad Af ij d ij
fij
ij
ij
f xx
d d xy
上式表明，若界面面积变化不改变界面状
态，则（如液体）：
r0, fij ij,
对各向同性材料，上式可写为：
f
2．固体表面 2.1 表面结构的驰豫与重构 －表面力使系统表面处于高能态。 液体以降低表面积来降低系统的表面能； 固体以离子重排、变形、极化、晶格畸变来降 低表面能。
分为化学力和分子力： －化学力：表面质点不饱和键产生的静电力，
有电子转移的性质。
范德华力：
—定向力: 极性物质间极化电矩的相互作用力。
—诱导力: 极性物质极化诱导非极性物质产生暂 态极化电矩，随后发生定向作用。
—色散力: 非极性物质间瞬时极化电矩间的作用。
1.3 表面能和表面张力
液体表面张力
用恒温恒容或恒温恒压下形成单位面积表面
在 吸h表>P面吸p层，范(因围上内部，气因体P斥或h真=P空斥p存；在但之吸故力）为。P
d)表面张力的解释 表面层的作用力: P = P斥－P吸 垂直方向：大气压力P0 = P斥p－P吸p
得：P斥h＝P0 + P吸p 平行方向：P h = P斥h－P吸h = P0 + P吸p－P吸h 结合c）结论并忽略P0项:
的可逆功表示（或微分式）：
wσ
d dwσ
A
dA
U形液膜模型有：
dw fdxldx
f l f
l
由热力学知:
dFSdTPdVdA(F A)T,V dGSdTVdP dA(G A)T,P
由以上得出液体表面张力： ①恒温恒容或恒温恒压下形成单位表面的自
由能变化（J/m2） ②界面所具有的单位长度上的收缩力 （N/m）
－理想表面：体内结构不变地延续到表面层， 是理论完整的二维点阵平面。
－真实清洁表面：有表面结构的弛豫和重构。
－表面结构弛豫： 在几个原子层范围上点阵参数与体内有差异， 特别表现在垂直于表面原子层方向上的变化， 即法向弛豫。
驰豫表面示意图
－表面重构：表面层的晶体结构和体内不 同。
重构表面示意图
－极化重排:离子晶体在表面力作用下，离子 发生极化与重排形成表面双电层。导致表面 层离子键性消弱，共价键性增强，组成上倾 向于非化学计量，使晶体表面能更为稳定。
Ph=P吸p－P吸h < 0
即平行表面的作用力表现为张应力—正向引 力和侧向引力相比明显被削弱所致。
固体表面自由能和表面张力 Gibbs首先指出，与液体不同，当固体已
有表面弹性拉伸时，增加单位面积所需之
可逆功一般不等于表面张力γ，其表面形
变参与功耗过程。 （液体不承受剪应力，固体承受剪应力）
若固体表面弹性变形用表面弹性应变张量
表面电子云变形和离子重排
－离子键性氧化物表面，大部分由氧离子 组成，正离子被氧离子所屏蔽。
－双电层效应的作用距离与阴阳离子的半 径差有关，一般为2-5个离子层。其程度还 取决于离子极化性能，如Pb2+和I－都有强 的极化性能，双电层厚。氧化钠晶体形成 厚度为0.02nm的表面双电层。
2.2 固体表面能 －固体表面能与表面张力在数值上一般不 相等。
表面张力的物理说明(52年黄昆)： a）质点间即存在引力又存在斥力，引力作 用范围大，斥力作用范围小。
b) 作用力P =P斥-P吸 当P斥>P吸表现为＋压力。如液体内压力各
向同性，压强P=ρgh为斥力。斥力是短程
力，远程不存在，故可近似视为各向同性。 c)液体表面各向异性 垂直方向与平行方向受力不同。
－确定固体表面能可以通过实验测定或理 论计算。
实验测定：将固体熔化测定液态表面张力 与温度的关系，作图外推到凝固点以下来 估算。
共价晶体表面能
－简单键合模型：表面能(us)即是破坏单位面
积上的全部键能的一半
us
1 2 ub
式中：ub为化学键能量。
－金刚石例：(111)解理面，可算出每m2有 1.83×10 19个键，取键能为376.6kJ/mol，则 可算出表面能：
课程教学方式：课堂重点介绍与自学。
主要参考文献： 材料科学基础 天津大学出版社 表面与界面物理 恽正中 表面与界面物理 朱履冰 材料表面与界面 李恒德
引言
—陶瓷材料有典型的多晶多相结构特征。
—表面与界面问题涉及整个材料制备科学与 工程中，含有丰富的研究内容。
—直接相关：熔点、沸点、蒸汽压、溶解 度、吸附、润湿、化学活性、固相反应、 烧结、界面物理、化学及生物性质等。
表面与界面类型： Gas/Liquid Gas/Solid Liquid/Liquid liquid/Solid Solid/Solid（异相） Solid/Solid（同相）
表面与界面具有利弊二重性
利用方面: 纳米晶界效应、超塑性、多晶半 导体晶界效应。
不利方面：破坏结构均匀性、周期性，强度 降低，物理化学性能恶化。
εi,j（i，j=1，2）表示，与之对应的表面
张力张量以f i,j表示。 当一可逆过程，f i,j作用于无限小的弹性应
变dεi,j引起面积A发生微小变化，则表面自 由能之增量d（γA）和dεi,j间关系为：
d(A)Aijfdij
又：
d(A)dA Ad
dAAijdij
式中：δ 为克罗内克符号。
ij
（实际上剪切应变不改变面积）
§1．固体表面的基本特征 －表面：固体与真空或其蒸气接触的分界面。
1.1表面不均一性 －表面受力不对称且表面原子(离子)有定位性。 －晶态固体的各向异性在表面性质上表现突出。
1.2 表面力 －晶体内部质点力场是有心、对称的。 －表面质点力场的对称性被破坏，产生有指向 的剩余力场，表现出对其他物质有吸引作用 （如吸附、润湿等），称为表面力。