材料表界面-第八章-1
第八章_功能复合材料（可编辑）
第八章_功能复合材料
功能复合材料 多种材料按照性能优势互补的原则组合在一起而产生了一种新型的材料
就称之为复合材料。功能复合材料是复合材料的重要组成部分。
功能复合材料概述 功能复合材料是指除机械性能外提供其它物理性能的复合材料,如超导、
磁性、阻尼、吸音、吸波、吸声、屏蔽、导电。阻燃、隔热等等的复合材料。其主要结构包括基体和功能体或两种以上功能体组成。基体用于粘接和赋形,对整
体性能也有影响。功能体提供功能性。
功能复合材料的分类 复合材料可以分为结构复合材料和功能复合材料。结构复合材料如纤维
复合材料主要用于军工产品;功能复合材料则在激光、隐身材料以及其它声、光、电、磁等方面占有重要地位。按照复合材料的基体分类又可分为有机复合材料和
无机复合材料,有机复合材料主要是指聚合物基复合材料,包括热固性复合材料
和热塑性复合材料;无机复合材料主要包括金属基复合材料、陶瓷基复合材料、玻璃基复合材料、水泥基复合材料以及碳基复合材料。也有的将复合材料分为常
用复合材料和先进复合材料。多数功能复合材料属于先进复合材料。 功能复合材料的复合效应
多种材料复合起来,通过改变结构的复合度、对称性以及联结类型等参数可
以大副度地、定向地改变材料的物性参数,因此可以按照不同用途通过优化组合实现最佳配合,而获得材料的性能最佳值,因此,对于类似的用途可以通过对复合
材料的结构调整可以达到满意的结果,而不必要开发新的材料。对功能材料进行复合,可以通过交叉耦合,产生新的功能效应,甚至可以出现新的二者都不具备的
新的功能。多种功能复合材料是今后复合材料的发展方向。 功能复合材料的复合效应包括非线性效应和线性效应。
线性效应包括平均效应、平行效应、互补效应和相抵效应。电导、密度、
热度等服从这一规律,可用PcViPi 来计算, P为功能指标,V为体积分数。 非线性效应包括共振效应、诱导效应、乘积效应等。两种性能可以相互
转换的功能材料X/Y与另一种Y/Z转换的材料复合起来,可以得到X/YY/ZX/Z的新材料,这就是具有乘积效应的功能复合材料。例如压磁-磁阻效应复合可以得到
表界面复习
一.名词解释
1.表面界面:界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区,若其中一相为气相
则通常称为表面,无凝聚相则为界面。
2.清洁表面:不存在任何污染的化学纯表面,经离子轰击加退火热处理等特殊处
理后的单晶表面。
3.表面张力:在两相(特别是气-液)界面上,处处存在着一种张力,它垂直于表
面的边界,指向液体方向并与表面相切把作用于单位边界线上的这种
称为表面张力
4.探针:可以由光子、电子,离子、声、热、电场、磁场等与表面作用,来获得
表面的种种信息。这些作用物一般称为“探针”。
5.粘附功:在等温等压条件下,单位面积的液面与固体表面粘附时对外所作的最
大功称为粘附功
6.浸湿功:等温等压条件下,将具有单位表面积的固体可逆地浸入液体中所作的
最大功称为浸湿功
7.内聚功:等温等压条件下,两个单位液面可逆聚合为液柱所作的最大功称为内
聚功
8.铺展系数:等温等压条件下,单位面积的液固界面取代了单位面积的气固界面
并产生了单位面积的气液界面,这过程表面自由能变化值的负值称
为铺展系数
9.接触角:在气、液、固三相交界点,气-液与气-固界面张力之间的夹角称为接
触角
10.胶束:表面活性剂是两亲分子。溶解在水中达一定浓度时,其非极性部分会
自相结合,形成聚集体,使憎水基向里、亲水基向外,这种多分子聚
集体称为胶束。
11.表面活性剂:加入少量就能使溶液的表面张力明显降低的第三类物质称为表
面活性物质
12.临界胶束浓度:表面活性剂在水中随着浓度增大,表面上聚集的活性剂分子
形成定向排列的紧密单分子层,多余的分子在体相内部也三三
两两的以憎水基互相靠拢,聚集在一起形成胶束,这开始形成
胶束的最低浓度称为临界胶束浓度
13.分散度:把物质分散成细小微粒的程度称为分散度
14.比表面:一种是单位质量的固体所具有的表面积;另一种是单位体积固体所
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=γLvCOSθ。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=NAn ，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。
材料表面与界面论文
复合材料中的界面问题及对其性能的影响
古天权
贵州大学化学与化工学院无机092班
引言
复合材料一般是由增强相、基体相和它们的中间相（界面相）组成，各自都有其独特的结构、性能与作用。增强相主要起承载作用；基体相主要起连接增强相和传载作用；界面是增强相和基体相连接的桥梁，同时是应力的传递者。复合材料的界面问题的研究引起了许多研究者的注意和兴趣。
复合材料的界面
复合材料是由几相材料（至少有两相）复合而成，一般有一相以溶液或熔融流动状态与另一相或其它相接触，然后进行物化（固化）反应使相与相之间结合在一起。而两相互相作用的结果即生成复合材料的界面。因此界面并不是单纯的一个几何面，而是一个过渡区域。一般来说，这个区域是从与增强物内部性质不同的那一点开始到基体内与基体性质相一致的某点终止。该区域材料的结构与性能不同于两相组分材料中的任一相，该区域即为界面相或界面层。
界面的微观结构包括界面的组成和结构，界面区的成分及其分布，近界面基体一侧的位错密度及其分布等，复合材料的界面会受到温度、与基体和增强剂结构性能匹配度等各种因素的影响，而且这些因素的影响作用几乎是决定性的。而界面对复合材料的性能具有很大的影响，如刚度、疲劳、裂纹及韧性等重要性质参数。
影响机制
界面上一般都存在着一定的应力，可分为本征应力与热应力界面两侧晶粒由于结构差异(原子间距差异)而带来的应力称为本征应力；当温度发生改变时，由于热膨胀系数差所带来的应力称为热应力。 如多晶材料如果由两种不同热膨胀系数的晶相组成 单相材料，如石英、氧化铝等，不同结晶学方向热膨胀系数不同 高温烧结时，两相处于完全密合接触无应力状态 冷却至室温，晶界应力→裂纹/晶体破裂 晶界应力：(双层复合体模型）
其中α为热膨胀系数，d为材料厚度，L为材料长度，K为与材料E、 V有关/KTdL的常数。温度上升时，α大的材料受压应力，α小的材料受张应力； 温度下降时反之界面存在热应力，其根本原因是温度差ΔT及线膨胀系数差Δα 界面热应力与线膨胀系数差Δα及温度差ΔT成正比应力正比于厚度，故材料越厚，界面剪切应力越大。
材料的表面与界面
通常将气相（或真空）与凝聚相之间的分界面称为表面（surface）,凝聚相与
凝聚相之间的分界面称为界面（interface）.
（1）理想表面:一种理论结构完整的二位点阵平面，忽略缺陷和环境影响.
二维晶格的周期性与对称性，元格：二位周期性排列的最小单元
对称操作：①平移群T=na+mb，a、b是两个不重合的单位基失
②点群：旋转对称+镜面反映→10个二位点群，5种二位布拉菲格子
旋转对称：旋转角θ=2π/n,n为正整数，称为旋转对称的度数，只能取1、2、3、4、6； ③镜像滑移群：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
材料表面与界面课后思考题 (胡福增)
第一章
1。试述表面张力（表面能）产生的原因。怎样测试液体的表面张力?
（1）原因
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。
（2）测试
①毛细管上升法
测定原理
将一支毛细管插入液体中， 液体将沿毛细管上升, 升到一定高度后, 毛细管内外液体将达到平衡状态, 液体就不再上升了。此时， 液面对液体所施加的向上的拉力与液体总向下的力相等。则γ=1 /2（ρl—ρg）ghrcosθ （1）
(1）式中γ为表面张力， r为毛细管的半径， h为毛细管中液面上升的高度，ρl为测量液体的密度，ρg为气体的密度（ 空气和蒸气） ， g为当地的重力加速度， θ为液体与管壁的接触角。若毛细管管径很小， 而且θ=0 时， 则上式(1)可简化为γ=1/2ρghr （2）
②Wilhelmy 盘法
测定原理
用铂片、云母片或显微镜盖玻片挂在扭力天平或链式天平上， 测定当片的底边平行面刚好接触液面时的压力, 由此得表面张力, 公式为：
W总—W片=2γlcosφ
式中,W总为薄片与液面拉脱时的最大拉力，W片为薄片的重力， l为薄片的宽度， 薄片与液体的接触的周长近似为2l, φ为薄片与液体的接触角。
③悬滴法
测定原理
悬滴法是根据在水平面上自然形成的液滴形状计算表面张力。在一定平面上， 液滴形状与液体表面张力和密度有直接关系.由Laplace 公式， 描述在任意的一点P 曲面内外压差为
式中R1， R2 为液滴的主曲率半径; z 为以液滴顶点O为原点, 液滴表面上P 的垂直坐标； P0 为顶点O处的静压力.
定义S= ds/de式中de为悬滴的最大直径， ds为离顶点距离为de处悬滴截面的直径再定义H=β（de/b)2 则得γ= （ρl-ρg)gde2/H 式中b为液滴顶点O处的曲率半径.若相对应与悬滴的S值得到的1/H为已知, 即可求出表（界） 面张力。即可算出作为S的函数的1/H值。因为可采用定期摄影或测量ds/de 数值随时间的变化， 悬滴法可方便地用于测定表（界)面张力。
材料表界面知识点总结
第九章 玻璃表界面
4 玻璃的表面反应
玻璃成型后一段时间就容易被周围环境介质所侵蚀，侵蚀情况主要取决于玻璃的本质（组成）和介质的种类。
4.1 水对玻璃的侵蚀
开始于水中的H+和玻璃中的Na+进行离子交换：
离子交换反应停止的真正原因：
• Na+含量的降低；
Rn+（n>1)抑制效应
4.2酸对玻璃的侵蚀
除氢氟酸外，一般酸并不直接与玻璃起反应，而是通过水的作用侵蚀玻璃。
浓酸对玻璃的侵蚀能力低于稀酸。
酸对玻璃的作用与水对玻璃作用又有所不同。
高碱玻璃的耐酸性小于耐水性，高硅玻璃的耐酸性大于耐水性。
4.3 碱对玻璃的侵蚀
硅酸盐玻璃一般不耐碱。
碱对玻璃的侵蚀是通过OH-破坏硅氧骨架（≡Si-O-Si ≡ ），使Si-O键断裂，SiO2溶解在碱液中。
碱的大量存在使得中和反应能够不断进行，所以，侵蚀不是形成硅酸凝胶薄膜，而是玻璃表面层不断脱落。 碱对玻璃的侵蚀程度与下列因素有关：
侵蚀时间
OH-离子的浓度
阳离子的种类
侵蚀后玻璃表面的硅酸盐在碱溶液中的溶解度
玻璃受碱侵蚀分为以下三个阶段：
第一阶段，碱溶液中的阳离子首先吸附在玻璃表面；
第二阶段，阳离子束缚周围的OH-离子， OH-离子攻击玻璃表面的硅氧键。
第三阶段，硅氧骨架破坏后变成硅酸离子，和吸附在玻璃表面的阳离子形成硅酸盐，并逐渐溶解在碱溶液中。
碱性溶液对玻璃的侵蚀机理与水或酸不同
水或酸（包括中性盐或酸性盐）对玻璃的侵蚀只是改变、破坏或溶解（沥滤）玻璃结构组成中R2O、RO等网络外体物质。
碱性溶液不仅对网络外体氧化物起作用，而且也对玻璃结构中的硅氧骨架起溶蚀作用。
大气对玻璃的侵蚀
先是以离子交换为主的释碱过程后逐步过渡到以破坏网络为主的溶蚀过程。
水汽比水溶液具有更大的侵蚀性
4.4 影响玻璃表面反应性的因素
1) 化学组成的影响
硅酸盐玻璃的耐水性和耐酸性主要取决于硅氧和碱金属氧化物的含量。
固体表面与界面第八章浆体的胶体化学原理
第七章 表面与界面
第一节 固体的表面
一、固体表面的类型：
（1）表面：一个物相和它本身蒸气（或真空）接触的分界面,即物体对真空或与本身蒸气接触的面。如固相与气相、液相与气相的分界面等---如固体表面、液体表面。
（2）相界：一个物相与另一个物相（结构不同）接触的分界面，即结构不同的两块晶体或结构相同而点阵参数不同的两块晶体接合所形成的交界面。
(3) 晶界:不论结构是否相同而取向不同的晶体相互接触的分界面。
注意界面是一个总的名称，即两个独立体系的相交处，它包括了表面、相界和晶界。
二、固体表面的特征：（P107）
1、固体表面的特点：固体表面与固体内部的结构和性质是不相同的，原因是
（1）固体表面的缺陷要多得多，且复杂得多---有自身的，也有外来的。
（2）现在的材料都是高分散的粉体，其从粉碎时消耗的机械能获得的表面能十分巨大。从块状粉磨成粉体，其表面能一般都增加上百万倍。
2、固体表面力场（P107两个力）
处于内部的质点，受力是均衡的，而处在表面的质点，由于力场不平衡，因此有剩余键力，使表面有吸附作用。这种固体表面和被吸附质点之间的作用力称为表面力。分为：
1、化学力：固体表面和被吸附质点之间发生了电子转移，形成不饱和价键产生的力。
2、物理力：即范德华力---分子引力，因固体表面形成物理吸附或表面水蒸气凝聚而产生。又分为三种力：（P107）
三、固体（晶体）表面的结构（P108）
表面是指晶体与真空（或与本身蒸汽）之间的界面。由于表面的能量较高，所以液体表面总是力图形成球形表面来降低系统的表面能；而晶体由于质点不能自由流动，只能借助离子极化、变形、重排其结构引起表面处晶格畸变来降低表面能，从而引起表面层与内部结构差异。其差异体现在微观质点的排列状态（原子尺寸大小范围）和表面几何状态（一般显微结构范围）两个方面。
1、表面微观质点的排列状态
（1）．表面对键强分布的影响：
表面的存在会影响晶体内部键强的分布。表面的键强两极分化，最强键、最弱键都分布在表面，总的结果是引起表面的表面能降低。随离开表面距离的增大，键增强、减弱的程度减小，表面的影响程度越来越弱，到离开表面足够远的地方，键强已经不受表面影响了。
材料表界面
一、答：表、界面是指由一个相到另一相的过渡区域，通常把凝固相和气相之间的分界面称为表面，把凝固相之间的分界面称为界面。分为两大类：物理表面和材料表面。物理表面又分为：理想表面、清洁表面、吸附表面；材料表面有如下几类：机械作用界面、化学作用界面、固态结合界面、液相或气相沉积界面、凝固共生界面、粉末冶金界面、粘结界面、熔焊界面等。
在国民经济建设各领域，表、界面科学亦显示出愈来愈重要的作用。主要应用在食品、土壤化学、造纸、涂料、橡胶、建材、冶金、能源、电子工业和航天技术等领域。
二、答：溶质的浓度对溶剂表面张力的影响有三种类型，第一类物质的加入会使溶剂的表面张力略为升高，属于此类物质有强电解质（如无机盐、酸、碱）；第二类物质的加入会使溶剂的表面张力逐渐降低（如低碳醇、羧酸等有机物）；第三类物质少量加入就会使溶剂表面张力急剧下降，但到一定浓度后，表面张力变化很缓慢或几乎不下降，趋于一个稳定值。
我们把能使溶剂（通常为水）表面张力降低的物质称为具有表面活性的物质，如第二类和第三类物质都能使溶剂表面张力降低，它们都具有表面活性。
表面活性剂的种类很多，按亲水基类型分类是表面活性剂分类的主要方法，表面活性剂溶于水能电离生成离子的叫做离子型表面活性剂；不能电离的叫非离子型表面活性剂。离子型表面活性剂按生成离子的性质可分成阴离子、阳离子和两性表面活性剂。按相对分子质量分类：低分子表面活性剂，相对分子质量200-1000；中分子表面活性剂，相对分子质量1000-10000；高分子表面活性剂，相对分子质量10000以上。按工业用途分类:表面活性剂可分为渗透剂、润湿剂、乳化剂、分散剂、起泡剂、消泡剂、净洗剂、杀菌剂、匀染剂、缓染剂、柔软剂、平滑剂、抗静电剂防锈剂等。有的表面活性剂可同时具有几种功能。
三、答：陶瓷材料为无机非金属粉末晶体在一定条件下形成的多晶聚集体。表面结构:由于表面处原子周期性排列突然中断，形成了附加表面能，表面原子的排列与内部有明显的差别。晶界:晶界是多晶体中由于晶粒取向不同而形成的，可以分为孪晶界、小角度晶界和大角度晶界。相界有较高的压电、介电性，可由结晶相和玻璃相、气相共同构成，在亚微米和微米级范围内，无法明确区分三类界面厚度。
材料表面与界面知识复习资料题库
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1. 液体原子结构的主要特征。
（1）液体结构中近邻原子数一般为5~11个（呈统计分布），平均为6个，与固态晶体密排结构的12个最近邻原子数相比差别很大；
（2）在液体原子的自由密堆结构中存在五种间隙，四面体间隙占了主要地位。
（3）液体原子结构在几个原子直径范围内是短程有序的，而长程是无序的。
2. 液体表面能的产生原因。
液体表面层的分子，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。因此在液体表面层中，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。这种吸引力使表面上的分子趋向于挤入液体内部，促成液体的最小表面积。要使液体的表面积增大就必须要反抗液体内部分子的吸引力而做功，从而增加分子的位能，这种位能就是液体的表面能。
3. 液体表面张力的概念和影响因素。
液体表面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，使液体表面积缩小，因此在液体表面的切线方向始终存在一种使液体表面积缩小的力，其合力指向液体内部的作用力，这种力称为液体表面张力。
液体的表面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表面的偏聚和液体外部组元在液体表面的吸附，液体表面张力大小主要受物质本身结构、所接触的介质和温度的影响。
（1）液体的表面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表面张力的大小。一般来说，液体中原子或分子间的结合能越大，表面张力越大。具有金属键原子结合的物质的表面张力最大；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)液体的表面张力的产生是由于处于表面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，液体表面的原子或分子与不同物质接触所受的作用力不同，因此导致液体表面张力的不同。一般来说，介质物质的原子或分子与液体表面的原子或分子结合能越高，液体的表面张力越小；反之，介质物质的原子或分子与液体表面的原子或分子结合能越低，液体的表面张力越大。