材料表面与界面复习题
实用文档 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。 ④滴体积法 测定原理 当一滴液体从毛细管滴头滴下时, 液滴的重力与液滴的表面张力以及滴头的大小有关。表示液滴重力(mg) 的简单关系式:mg=2πrγ 实验结果表明, 实际体积小得多。因此就引入了校正因子f(r/V1/3), 则更精确的表面张力可以表示为:γ= mg/{2πrf(r/v1/3)}其中m为液滴的质量, V 为液滴体积, f 为校正因子。只要测出数滴液体的体积, 就可计算出该液体的表面张力。 ⑤最大气泡压力法 实用文档
测定原理 若在密度为ρ的液体中, 插入一个半径为r的毛细管, 深度为t, 经毛细管吹入一极小的气泡, 其半径恰好与毛细管半径相等。此刻, 气泡内压力最大。根据拉普拉斯公式, 气泡最大压力为
⑥差分最大气泡压力法 测定原理气泡从毛细管, 差分最大气泡压力法原理是:两个同质异径的毛细管插入被测液体中, 表面张力是压差的函数和p2, , 中通过后到达液体中测量两个毛细管中气泡的最大压力p1 计算公式为
t 为两管插入液面的高度差。p 为两毛细管的压差, Δ式中Δ 与液体表面张力和曲率半径之间存在怎样的关系？若弯曲面为球p2.弯曲面的附加压力△ 面、平面又怎样？
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？根据3.什么是Young -液界面黏附功的方法。方程，请设计测定固Young-Dupre，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γsvYoungθ。γsv-γSL=LvCOS与接触角θ之间的关系式，亦称润湿方程，表达式为：γγSL，γLv 该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。，液体完θ=1=0.cos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°，液体可润湿固体，且θ越小，润90全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；若0＜θ＜°，完全不润湿固体，液体在固体°，液体不润湿固体；θ=18018090湿性越好；°＜θ＜ 表面凝集成小球。 方法： 实用文档 4.比较Langmuir单分子层吸附理论和BET多分子层吸附理论的异同，怎样测定材料的比表面积？ （1）异同 Langmuir单分子层吸附理论：P21；BET多分子层吸附理论：P23 （2）测定：气体吸附法。书P25
第二章 1.什么是表面活性剂？表面活性剂的分子结构有什么特点？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？ （1）表面活性剂是指能使溶剂表面张力降低，且使表面呈现活性状态的物质。 （2）分子结构是由两种不同性质的基团所组成。一种为非极性亲油基团，另外一种为极性亲水基团，即表面活性剂既具有亲水性又有疏水性，形成一种所谓的“两亲结构”的分子。（3）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。 （4）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。
2.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.
3.什么是相转移温度？用PIT表示表面活性剂的亲水、亲油性较HLB值有什么优点？ （１）相转型温度是指非离子型表面活性剂在低温下可形成水包油(O/W)型乳状液,随着温度升高,溶解度降低,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． （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。 4.什么是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。 （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 实用文档
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
5.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？ （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。
第三章 1.有人将二甲基硅氧烷低聚物接枝到聚苯乙烯大分子链上，发现接枝聚合物的表面张力随接枝率的增高而下降，当接枝率达到一定值后，高聚物的表面张力接近于聚二甲基硅氧烷，试分析其原因。
2.总结固体聚合物表面张力的测试方法。 ①温度与表面张力的关系。 ②分子量与表面的关系。 ③等张比容估算。 ④内聚能估算。 ⑤测定液体对聚合物的接触角θ
⑥几何平均法、调和平均法计算。σ σθθ求临界表面张力?作图，cos以⑦用同系物液体测出其对高聚物的接触角LV 。c
，求出⑧用一系列测试液测定其对高聚物的接触角θ由式 的状态方程法。对，用作图，求 嵌段、接枝、共混对聚合物合金的表面张力有怎样的影响？3.
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4.为什么聚合物与聚合物的相容性较差？如何提高聚合物与聚合物的相容性？ （1）书P86-89 （2）①用接枝、嵌段共聚物作增容剂②在共混组分之间引入特殊相互作用③加入低分子量化合物作增容剂④其它
5.对聚合物进行表面处理的目的是什么？聚烯烃薄膜经电晕处理后表面性能可能发生怎样的变化？ （1）①改变表面化学组成，增加表面能②改善结晶形态和表面的几何性质③清除杂质或脆弱的边界层。 （2）经过电晕处理后，聚合物表面可形成各种的极性基团，改善聚合物的粘接性和润湿性，对油墨的附着力显著改善，表面张力、剥离力明显提高。
6.低温等离子处理对聚合物的表面改性能产生哪些效果？ （1）表面交联：等离子体中高能粒子轰击聚合物表面，产生了大量的自由基，自由基间的相互作用，在表面形成致密的交联结构，同时也形成了大量的不饱和键。（2）极性基团的引入 ：等离子体表面氧化反应为自由基链反应，氧的介入，可以引入大量的含氧基团，如羧基、羰基、羟基。（3）对润湿性的影响 改善表面的润湿性，使聚合物表面张力增大，接触角变小。（4）对粘接性的影响 极性基团的引入使其与其它的材料的粘结强度大大增强。（5）其它作用 引起聚合物失重、表面形成小坑。裂解产物中分子量较大的降解聚合物，与未降解的相比，分子量较低，其玻璃化温度和粘度较低，因此可以通过界面的流动性和相互的扩散改善可粘结性。
7.聚合物表面接枝有哪些方法？其原理各是什么？ （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。
第四章
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。
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-考题答案
小角度倾斜晶界两个晶粒交界处晶向之间的夹角称为晶界角。
晶界角小于10度的晶界角称小角度倾斜晶表面自扩散原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散。
不依赖浓度梯度，仅由热振动而产生的扩散。
表面热缺陷热激发导致，可以由晶体体内热缺陷的存在而相伴产生，也可以由晶体表面原子的迁移、脱位或吸附等产生的缺陷。
接触角：在固、液、气三相交界处，气液相界面与固液相界面之间的夹角。
肖特基势垒若忽略金属和半导体的间隙和界面态的影响，可以得到表面势垒这种势垒称之为肖特基势垒。
式中X为半导体导带底电子到真空能级的亲和势。
表面探针。
由光子、电子、离子、声、热、电场和磁场等可以与表面作用，来获取表面的各种信息。
它们通常被称为“探针”（Probe）表面原子弛豫表面原子的受力情况和体内不同造成的的表面原子层相对于体内原子层下的整体移动以降低体系的能量，而表面原子的近邻数和旋转对称性均不改变的现象，这种现象称为表面弛豫。
外延生长在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段，故称外延生长。
表面振动模固体表面层原子和分子的振动。
由于表面原子只在平行表面方向上的排列有周期性，在垂直表面方向原子的分布失去严格周期性。
表面原子的近邻配位原子同体内的不一样。
因而表面原子具有的对称性和它受力的分布同体内原子差异显著，致使表面振动形成特殊的模式。
表面量子化简答：XPS & AES XPS即X射线光电子能谱结合能Eb是把一个电子从束缚态激发到真空自由态所需的能量。
对于不同的电子壳层，其Eb也不相同，原子所处的化学环境对结合能的影响非常大，可以利用电子能谱仪测出电子的动能，于是得到结合能Eb，这就是光电子能谱分析表面电子结构的基本原理。
XPS分析是采用X射线照射样品，检测样品表面发射出来的光电子的能量分布。
在入射光子能量确定的情况下，光电子能量与原子轨道结合能量一一对应。
当原子与所处的化学环境不同时，光电子谱峰发生化学位移，因而可以从光电子谱峰的峰位与峰形，分析样品表面的元素组成以及原子所处的化学环境。
材料科学基础：第七章 表 面 与 界 面
大角晶界模型：
晶界力求与重合点阵 密排面重合，即使有偏 离，晶界会台阶化，使 大部分面积分段与密排 面重合，中间以小台阶 相连。
如图，AB、CD与重合 点阵密排面重合，中间 BC小台阶相连。
3． 小角度晶界：
对称倾侧晶界、不对称倾侧晶界、扭转晶界
3．小角度晶界—
对称倾侧晶界
由相隔一定距离刃 型位置垂直排列组成
如Cu-1Sn%合金，：Sn的偏析，Sn的原子半径比Cu大9%，发生严重点阵畸变。 当Sn处于晶界时畸变能明显降低
7.晶界偏聚---平衡偏聚：
B. 平衡偏聚公式 Cg=Co exp（dEs/RT）
Cg：晶界上溶质原子浓度，Co晶内溶质原子浓度， dEs晶界、晶内能量差
C. 平衡偏聚特点
a. 由公式可见一定溶质浓度在一定温度下对应一 定偏聚量
EC为位错中心能量,金属晶界能与晶粒位向差θ的 关系
晶界能---实线测量值、虚线计算值 小于15-
200 两者符合很好。EB在小角时与位向敏感，大 角度时为常数
晶界能---三个晶界平衡时有 E1/sinφ1=E2/sinφ2=E3/sinφ3
6.晶界能应用---少量第二相形状
A. A、第二相基体晶粒内
持……
化学工业：胶水，涂料，油漆，洗涤剂….. 写字，作画：纸张与墨水…. 食物消化：消化液与食物…… 建筑：砌砖，混疑土….. 烹调：灰面炸鸡……
7.晶界偏聚---平衡偏聚及非平衡偏聚
A. 平衡偏聚
平衡条件下由于溶质与溶剂原子尺寸相差很大，溶质原子在晶内、晶界的畸变能差很界--- 每个晶粒中直径10-100μm的晶块（亚晶粒）
之的界面
亚晶界---溶质原子优先聚集和第二相优先析
出的地方可阻碍位错运动，影响材料力学性能
表面工程复习题及答案-
“材料表面工程”复习题一、名词解释表面工程技术：为满足特定的工程需求，使材料或零部件表面具有特殊的成分、结构和性能(或功能)的化学、物理方法与工艺。
表面能：严格意义上指材料表面的内能，包括原子的动能、原子间的势能以及原子中原子核和电子的动能和势能等。
洁净表面：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分仍与体内相同的表面。
清洁表面：一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等)以后的表面。
区别：洁净表面允许有吸附物，但其覆盖的几率应该非常低。
洁净表面只有用特殊的方法才能得到。
清洁表面易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。
洁净表面的“清洁程度”比清洁表面高。
吸附作用：物体表面上的原子或分子力场不饱和，有吸引周围其它物质(主要是气体、液体)分子的能力。
磨损：相对运动的物质摩擦过程中不断产生损失或残余变形的现象。
腐蚀：材料与环境介质作用而引起的恶化变质或破坏。
极化：腐蚀电池工作时，阴、阳极之间有电流通过，使阴、阳极之间的电位差(实际电极电位)比初始电位差要小得多的现象。
钝化：由于金属表面状态的改变引起金属表面活性的突然变化，使表面反应速度急剧降低的现象。
(阳极反应受阻的现象)表面淬火：用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3(对亚共析钢)或者Ac1(对过共析钢)之上(奥氏体化)，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺过程。
喷丸强化：利用高速喷射的细小弹丸在室温下撞击受喷工件的表面，使表层材料在再结晶温度之下产生弹、塑性变形，并呈现较大的残余压应力，从而提高工件表面强度、疲劳强度和抗应力腐蚀能力的表面工程技术。
(喷丸强化技术)热扩渗：将工件放在特殊介质中加热，使介质中某一种或几种元素渗入工件表面，形成合金层(或掺杂层)的工艺。
(化学热处理技术)热喷涂：采用各种热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。
热喷焊：采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙的表面处理技术。
材料表界面 作业答案
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ຫໍສະໝຸດ 律 Laplace 方程 Kelvin 公式
p (1/ r1 1/ r2 )
P 2 V 2 M P0 r r
求出表面张力σ，即：
(2)修正的原因：①把凹凸月面当作球面近似处理。②只有在凹月面的最低点毛细上升的高 度才是h ，凸月面的最高下降才为h ，其余各点均大于h 。
6.试用Kelvin公式解释空气中水蒸汽过饱和的原因。在20℃下水的密度ρ =998.2kg/M3,表面张力为72.8*10（-3）N/m，若水滴半径为10（-6）cm，求水的 过饱和度。 答：（1）由Kelvin公式： P 2 V 2 M RT ln (2-40) P0 r r P0 为平液面的蒸汽压，P 为弯液面的蒸汽压，V 为液体摩尔体积，r 为弯液面的 曲率半径。 由上式可知，液滴的半径越小，其蒸气压越大。下面图示为根据 Kelvin 公式得 出的正常液体（平面）与小液滴的饱和蒸气压曲线。
5. 毛细管法测定液体表面张力的原理是什么？为什么要对毛细管法进行修正？ 答：原理：液体在毛细管中易产生毛细现象。由Laplace方程推广到一般情况:
gh=2 /r (2-20) 其中△ρ 为气液两相密度之差, θ 为液体与管壁之间的接触角
，r为毛细管的半径，由上式，从毛细管上升或下降高度h可以
v a3 a v1/ 3 0.00951/ 3
其表面积为： A=6a =6*0.0095 =
2 2/3
比表面积=
表面积 6*0.00952/3 = （cm 2/g) 质量 0.1
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-07
Young方程
s g s l cos q lg
（1）完全润湿 sg sl l g时 cosq 1,q 0
s g sl l g 时，Young方程不成立，
但液体仍然可以在固体表面完全铺展开来；
（2）润湿 0 sg sl l g时， 1>cosq 0,q 90
如何提高材料的强度而不损失其塑性？这是众多材料科学 家面临的一个重大挑战。 中科院沈阳金属卢柯等与美国麻省理工学院S. Suresh教 授合作，在过去大量研究工作的基础上提出，为了使材料 强化后获得良好的综合强韧性能，强化界面应具备三个关 键结构特征： (1)界面与基体之间具有晶体学共格关系；
能的变化为
G SV SL LV
L-g界面可忽略
S－g界面
L－g界面
S－L界面
S
S
铺展过程
s 液体在固体表面的铺展示意图
铺展系数(spreading coefficient) 对于铺展润湿，常用铺展系数SL/S来表示体系自由能 的变化，如
S L / S G SV SL LV
2.1 晶界分类
(1) 按两个晶粒之间夹角的大小来分： 小角度晶界： θ＝0°→3～10° 中角度晶界： θ＝3°→10～15° 大角度晶界： θ＞15° (2) 根据晶界两边原子排列的连贯性来分：
共格晶界: 两种相的原子在界面处完全匹配，形成完整格界面。
半共格晶界：晶面间距相差较大，在界面上将产生一些位错，以 降低界面的弹性应变能，这时界面上两相原子部分地保持匹配 。 非共格晶界: 界面上两相原子无任何匹配关系。
V
材料表面与界面 第四章 复合材料的界面及界面优化
4.2 界面的效应（1）
界面是复合材料的特征，可将界面的机能归纳为以下几种 效应：
(1)传递效应：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起 到基体和增强物之间的桥梁作用。
(2)阻断效应：结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料 破坏、减缓应力集中的作用。
阻止裂纹的扩展
4.2 界面的效应（2）
(3)不连续效应：在界面上产生物理性能的不 连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、 电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要 承载组分，其增强效果主要取决于纤维的
特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的
体积分数、尺寸和分布。
碳 纤 维
弹性模量及强度 外力方向与纤维轴向相同时，c= f = m (f-纤维、 m-基体、 c-复合材料)，则
c f V f mVm , Ec E f V f EmVm
许多因素影响着界面结合强度，如表面几何形状、 分布状况、纹理结构、表面杂质、吸附气体程度、吸 水情况、表面形态、在界面的溶解、扩散和化学反应、
表面层的力学特性、润湿速度等。
4.3 复合材料组分的相容性
物理相容性：
1.
是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载 荷均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续 现象。 由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不 应在增强剂上形成高的局部应力。 基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界面 结合产生重要的影响，从而影响材料的各类性能。
ZnO晶须
自增韧Si3N4陶瓷
二、叠层复合材料
叠层复合材料是指在基 体中含有多重层片状高 强高模量增强物的复合 材料。
三明治复合 层状陶瓷复合材料断口形貌
材料表界面1-5复习
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2. Kelvin公式
弯曲表面上的蒸汽压
P 2V 2M
RTln()
P0 R r
Kelvin公式表明： 液滴的半径越小，其蒸汽压越大。 气泡的半径越小，其蒸汽压越小。
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2. Kelvin公式
弯曲表面上的蒸汽压
P 2V 2M
RTln()
P0 R r
涉及计算时特别注意： 液滴：凸面，r>0。 气泡：凹面，r<0。
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4. BET多分子层吸附理论
由BET理论可导出BET吸附公式:
V Vm(1p/p*c)(1 {p /(pc* )1)p/p*}
V—p下的吸附量; Vm—p下单分子层的饱和吸附量; p*—吸附质在温度T时作为液体的饱和蒸气压; c—与吸附热有关的吸附常数.
kelvin公式：
RTlnP ( )2V2M P0 R r
对于初始形成的液核，半径非常小，其对应的饱和蒸汽压远远大
于平液面水的饱和蒸汽压，所以液核很难形成，从而发生了空气中
水蒸气过饱和现象。
若在空中存在凝结中心， 比如灰尘， 会使水滴初始凝结曲率半 径变大， 当相应的饱和蒸气压小于高空中有的水蒸气压力时， 蒸 气会凝结成水。人工降雨正是利用种原理， 通过向云层 中的过饱 和水气提供凝聚中心( 例如Ag I 微粒) 以达到人工增雨的目的。
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表面活性剂的概念 表面活性剂分类 表面活性剂的物理化学性能 表面活性剂的重要作用
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4. Young方程
在气、液、固三相交界点，自固-液界面经过液体内
q 部到气-液界面的夹角称为接触角，通常用q表示。
固气 固 液液c气 os
固气 固 固 θ 气 液 固 液c 液 气 oq液 sc气 oqs