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材料表面与界面经典练习题

材料表面与界面经典练习题
材料表面与界面经典练习题

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

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

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, 气泡从毛细管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和p2, 表面张力是压差的函数, 计算公式为

式中Δp 为两毛细管的压差, Δt 为两管插入液面的高度差。

2.弯曲面的附加压力△p与液体表面张力和曲率半径之间存在怎样的关系?若弯曲面为球面、平面又怎样?

3.什么是Y oung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Y oung-Dupre方程,请设计测定固-液界面黏附功的方法。

Y oung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。

方法:

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。

⑦用同系物液体测出其对高聚物的接触角θ以cosθ?σLV作图,求临界表面张力σc。

⑧用一系列测试液测定其对高聚物的接触角θ由式,求出

,用对作图,求的状态方程法。

3.嵌段、接枝、共混对聚合物合金的表面张力有怎样的影响?

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

1.简述无机固体的理想表面、清洁表面和真实表面。

理想表面是将一块晶体沿某晶面切开,而不改变切开面附近原子的位置和电子的密度分开,所形成的表面称为“理想表面”,理想表面在自然界是不存在的。假设除了确定一套边界条件外,系统不发生任何变化,即半无限晶体中的原子位置和电子密度都和原来的无限晶体一样,这种理想的表面实际上不可能存在。

清洁表面是指表面经过特殊处理后,保持在10-9~10-10 超高真空下的状态。特殊处理的方法很多,有离子轰击和退火热处理,解理,热蚀,外延,场效应蒸发等,其中离子轰击加退火热处理是目前最普遍采用的方法。

实际表面是指经过研磨,抛光处理后的状态。在电子显微镜下观察,其表面都是相当不

平整的,表面除出现明显的起伏,还可能伴有裂纹和空洞。表面的不平整性,对光刻,细微加工,磁记录,电位器噪声都有很大的影响,而且与材料的润湿,摩擦,抗蚀等也密切相关。

2.叙述固体表面的弛豫现象、表面弛豫与无极超细粉体性能之间的关系。

弛豫是指表面区原子或离子间的距离偏离体内的晶格常数,但晶胞结构基本不变。离子晶体的主要作用力是库仑静电力,是一种长程作用,因此表面容易发生弛豫,弛豫的结果产生表面电矩。例如NaCl 晶体的弛豫,在表面处离子排列发生中断,体积大的负离子间的排斥作用,使Cl-向外移动,体积小的Na+则被拉向内部,同时负离子易被极化,屏蔽正离子电场外露外移,结果原处于同一层Na+和Cl-分成相距为0.026nm的两个亚层,但晶胞结构基本没有变化,形成了弛豫。弛豫主要发生在垂直表面方向,又称为纵向弛豫,弛豫时的晶格常数变化将取决于材料的特征和晶向。弛豫不仅于表面一层,而且会延伸到一定范围,例如NaCl(100)面的离子极化是发生在距表面5 层的范围。许多金属氧化物的表面都容易发生弛豫,并使表面带负电,产生表面电矩。

当金属氧化物以粉体形式存在时,颗粒尺寸为亚微米极超细粉,则表面非常大,弛豫产生的表面电矩使粉体难以紧密接触,给成型工艺带来困难。对于大多数粉体来说,表面原子都有不同程度的弛豫,V 族元素原子向外移动,Ⅲ族元素原子向内移动,弛豫使键能发生旋转,并对表面态产生影响。

3.何谓多晶的晶界?晶界的结构特征如何?

(1)晶界是晶粒之间界面的简称,亦称晶粒间界,是固体材料界面的一种特殊情况。由于实际应用的材料多数为多晶体,境界问题对于材料研究便具有了极大的普遍性。就其本意而言,晶界是同材质同结构不同取向的晶粒之间的界面,这就使得其处理比相界面大大简化。在这种简化处理得到的模型的基础上,再推广到一般的相界上,就容易多了。而实际的晶界远比上述设想复杂。材料本身经常就是多相的,而且在晶界上还会有各种杂质相析出,这就使得晶界不再是同种材料之间的界面,而成为多相界面。

(2)有二种不同的分类方法,一种简单地按两个晶粒之间夹角的大小来分类。分成小角度晶界和大角度晶界。小角度晶界是相邻两个晶粒的原子排列铝合的角度很小,约2`~3`。两个晶粒间晶界由完全配合部分与失配部分组成。界面处质点排列着一系列棱位。当一颗晶粒绕垂直晶粒界面的轴旋转微小角度,也能形成由螺旋位错构成的扭转小角度晶界。大角度晶界在多晶体中占多数,这时晶界上质点的排列已接近无序状态。另一种分类是根据晶界两边原子排列的连贯性来划分的。当界面两侧的晶体具有非常相似的结构和类似的取向,越过界面原子面是连续的。这样的界面称为共格晶界。

4.影响晶界电荷的因素有哪些?

书P122-123

5.讨论晶界应力与材料的物理性能的关系。

书P120-122

6.何谓晶界偏析?举例说明晶界偏析对PTC陶瓷性能的影响。

(1)晶界附近的组分与晶粒内部不同。产生的原因:第一是晶粒内部总是存在或多或少的杂质离予,但是环绕杂质的弹性应变场较强,而晶界区由于开放结构及弱弹性应变场,因此在适当的高温下下杂质将从晶粒内向晶界扩散而导效偏析以降低应变能。第二是晶界上电荷随温度下降而增加,因此在降温过程中也会引起杂质的偏析。例如MgO 饱和的A1203 中,晶界电荷符号为正,引起化合价比Al3+低的Mg2+的偏析,以降低静电势。第三是固溶界限,当温度降低时,溶质在晶格中的固溶度降低,偏析量也随之增加,一般氧化物固溶体中的固溶热(固溶时所需能量)都较大,固溶界限就较低,易引起溶质偏析。

(2)BaTiO3 陶瓷是否具有PTC 效应,完全是由其晶粒和晶界的电性能决定,没有晶界的单晶是不具有PTC 效应。晶粒和晶界都充分半导化及晶粒半导化而晶界或边界层充分绝缘化的BaTiO3 陶瓷都不具有PTC 效应,而只有晶粒充分半导化,晶界适当绝缘化的BaTiO3 陶瓷才具有显著的PTC 效应。一般是通过掺杂制备PTC 陶瓷,Mn 对PTC 效应的影响最为显著。Mn 离子提高PTC 效应是在晶界层的偏析。对Mn,Nb 共掺杂的BaTiO3 陶瓷进行观察,发现Mn 在晶界处的偏析行为。

7.试叙述表面组成与实际组成(内部)组成差异的原因。

玻璃表面的化学组成与玻璃主体的化学组成有一定的差异,即沿着玻璃表面的垂直方向的个组成含量不是恒值,也就是说组成随深度变化而变化。

造成玻璃表面与主体组成上的差异,主要有熔制、成形、热加工以及玻璃表面受大气、水和其他溶液侵蚀等不同原因造成的。在熔制、成形和热加工过程中,由于高温时一些组成的挥发,或各组分对表面能的贡献大小不同,而造成表面中某些成分的富集,某些成分的减少。当玻璃处在粘滞状态下,使表面能减少的组分,就会富集到玻璃表面,以使玻璃表面能尽可能低;相反,赋予表面能高的组分,就会迁离玻璃表面内部移动,所以这些组分在表面比较少。常用的玻璃成分中的Na+、B3+是容易挥发的。Lyon 认为Na+在成形温度范围内,Na+自表面向周围介质挥发的速度大于Na+从玻璃内部向表面迁移的速度。故用拉制法或吹制法成形玻璃的表面还是少碱的。他认为只有在退火温度下,Na+从内部迁移到表面的速度大于Na+从表面挥发的速度。但实际生产中,退火时对迁移到表面的高Na+层与炉气中的SO2 结合生成Na2SO4 白霜。而这层白霜和容易洗去,结果表面层还是少碱。

8.试叙述玻璃表面结构与玻璃力学性质的关系。

玻璃的实际强度要比理论强度低几个数量级,这是因为实际玻璃存在着微观和宏观缺陷,特别是表面微裂纹,使实际强度大大降低。

Weyl 的玻璃亚表面理论解释了玻璃理论强度大大小于实际强度。假设了玻璃表面亚表面层厚度为胶体粒子大小,不完全对称,配位不全,有缺陷。特点为:几何表面熵值最高,向内部成梯度降低;原子或质点表面不对称,缺陷多,空隙大,成为微多孔性;表面的无序高于内部;表面易析晶。

9.试叙述玻璃表面结构和组成与化学稳定性之间的关系。

书P128-133

第五章

1.为什么说界面对复合材料的性能起着重要的作用?

(1)复合材料界面包含着两相之间的过渡区域的三维界面相,界面相内的化学组分、分子排列、热性能、力学性能等呈连续性变化。

(2)复合材料的性能并非组分材料的性能简单加和,而是产生了1+1〉2的协同效应。(3)两相复合过程中,会出现热应力(导热系数、膨胀系数的不同)、界面化学效应(官能团之间的作用或反应)和界面结晶效应(成核诱发结晶、横晶)。这些效应引起的界面微观结构和性能特征,对复合材料的性能产生直接的影响。

2.什么是偶联剂?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?

(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。

3.举例说明高性能纤维的表面处理方法,怎样表征纤维处理后表面结构与性能的变化?

书P186

4.什么是化学键理论?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。

(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。

第六章

1.聚丙烯经马来酸酐接枝前后其表面对水的侵润性发生怎样的变化?如何证明其侵润性的变化?

2.甲基丙烯酸缩水甘油醚(GMA)是一种含有碳碳双键和环氧基的双官能团化合物,如何将其接枝到聚丙烯的分子侧链上?请设计一种证明GMA是否接枝到聚丙烯上的方法。

3.增强纤维经低温等离子或辐照处理表面会产生自由基,处理后纤维在放置过程中表面活性会逐渐衰减。如何实验证明自由基的产生和衰减?

4.界面结合强度是否越强越好?为什么?

5.复合材料界面力学性能表征有哪些方法?用单丝模型和宏观力学性能测试复合材料的界

面力学性能各有什么优缺点?

(1)复合材料界面力学性能标准可归纳为两大类:一是常规材料力学实验法如短梁弯曲、层间剪切。二是单丝模型法如单丝拔脱实验法断片实验法界面粘接能测试。

(2)单丝模型法:即用单纤维埋在基体中制样,考察外力作用下的界面破坏过程。

优点:排除了其它非主要的因素的干扰,直接研究纤维与基体的界面。

缺点:试验材料与实际材料性能相差较远。

宏观力学性能测试:

优点:方法简单易行,试验材料性能与实际材料性能很接近。

缺点:材料在常规宏观力学性能测试中的破坏不完全是界面破坏过程,而是多种破坏因素综合结果,不利于研究界面的微观破坏过程。

第七章

1.简述生物材料的定义及其发展现状。

(1)生物材料也称为生物医用材料,是一种能对机体的细胞、组织和器官进行诊断、治疗、替代、修复、诱导再生或增进其功能的材料。狭义上讲,生物材料只包括长期与生物体相接触的或植入生物体内起某种生物功能的天然或人工合成材料;广义上讲,生物材料还包括用于医学治疗方面的生物材料,如医学诊断试剂、药物释放材料、一次性临床使用材料及其与之相关的各种原材料等。

(2)①惰性生物材料阶段:惰性生物材料是指对人体组织化学惰性,其物理机械和功能特性与组织匹配,使材料在应用过程中不致产生不利于功能发挥和对其它组织影响的反应,特别是与组织接触或短时间不产生炎症或凝血现象,无急性毒性或刺激反应,一般无补体激活产生的免疫反应的一类功能材料。这类材料的应用基于对材料本身性能的全面了解,是人类最早、最广泛应用的生物材料。

②生物材料生物化阶段:随着材料科学、医学的发展,以及先进仪器设备的发明,带动了生物材料的发展。集中表现在发现新型生物材料,以及更多关注惰性生物材料所制成的人工器官和医疗器械在使用过程中与组织或血液产生的界面反应,也即材料在使用过程中逐渐生物化。

③组织工程支架材料阶段:材料生物化毕竟不能改变材料的基本结构,这为材料的长期使用留下隐患,同时器官(尤其是组织)是一个复杂的系统,不可能用单一无活性的材料来模仿其全部或大部分功能。因此在器官(或组织)供体来源非常有限的情况下,如何在体外培养出正常的组织供手术使用,是医学界和生物医学工程学界追求的目标之一。组织工程的出现和发展为这一目标的实现提供了可能。

2.简述材料的生物相容性及其主要影响因素。

(1)定义

材料在特定的环境中引起恰当的宿主反应的能力。

(2)影响因素

①材料因素:本体化学、表面化学、表面粗糙度、表面能、表面电荷、化学稳定性、降解产物的化学特性、降解产物的物理特性;

②装置因素:大小、形状、弹性模量/刚性;

③宿主因素:种类、组织类型及位置、年龄、性别、健康状况、给药状态;

④系统因素:操作技术、植入组织附件、感染。

3.什么是组织工程和细胞外基质?

(1)组织工程是近十年发展起来的一门新兴学科,它是应用生命科学和工程的原理与方法,研究、开发用于修复、增进或改善人体各种组织或器官损伤后功能和形态的新学科,作为生物医学工程的一个重要分支,是继细胞生物学和分子生物学之后,生命科学发展史上又一个新的里程碑。

(2)细胞外基质(extracellular matrixc,ECM),是由动物细胞合成并分泌到胞外、分布在细胞表面或细胞之间的大分子, 主要是一些多糖和蛋白, 或蛋白聚糖。这些物质构成复杂的网架结构,支持并连接组织结构、调节组织的发生和细胞的生理活动。细胞外基质是动物组织的一部分, 不属于任何细胞。它决定结缔组织的特性,对于一些动物组织的细胞具有重要作用。

4.蛋白质在材料表面的吸附取决于哪些影响因素?

材料的表面性能、蛋白质性能及蛋白质与表面作用的效率。

5.为何细胞在材料表面的黏附对组织再生以及植入物的修复效果起着关键作用?

细胞外基质ECM是细胞发挥功能的环境,细胞指导ECM的合成,ECM提供细胞所需的力学和化学信息,但细胞必须与ECM黏附,才能进行迁移、分化的增殖。细胞和ECM之间的黏附以各种方式影响着细胞的功能发挥。细胞一旦与ECM黏附就会产生应答,其应答反应取决于细胞类型、ECM的组成结构及瞬时状态。其应答方式有改变细胞自身形状、迁移、增殖、分化甚至修正活性等。粘附细胞的ECM不仅保持组成结构,还利用细胞表面受体将结构化配体、信号肽、蛋白酶及其抑制剂的信息传导至所黏附细胞的内部。ECM还充当生长因子和细胞因子的储存库,在适当的时候释放出来,向邻近的细胞提供这些因子。

6.生物材料表界面的表征主要有哪些方法?简述之。

接触角分析、福利叶变换红外光谱(FTIR)、X射线电子谱、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)等。具体见书P256-260

7.细胞与材料表面之间的相互作用主要有哪些?简述之。

(1)细胞黏附:细胞在生物材料表面的黏附是材料生物医学应用的关键,也是诱发组织整合及组织重建的基础。细胞的增殖直接跟与之接触的材料表面的生物特异性密切相关,基材的表面能量是影响哺乳动物细胞黏附的重要因素。

(2)蛋白质吸附:是细胞与生物材料表面相互作用的中介,细胞在材料表面黏附受材料表面吸附的蛋白质控制。

(3)细胞识别:是生物体的一种自我保护,也是机体产生移植排斥的根本原因。

8.细胞与材料表面之间相互作用的影响因素主要有哪些?

(1)表面化学性能

(2)表面蛋白吸附能力

(3)表面自由能

(4)表面亲疏水能力

(5)表面电荷性能

(6)表面生物活性

(7)表面拓扑结构

具体见书P262-264

9.生物材料的表面修饰主要有哪些方法?简述之。

(1)表面固定蛋白对生物材料进行表面修饰

(2)表面固定氨基酸及其衍生物对生物材料进行表面修饰

(3)表面固定多肽对生物材料进行表面修饰

(4)表面固定细胞生长因子对生物材料进行表面修饰

(5)表面固定酶类对生物材料进行表面修饰

(6)利用微模型技术对生物材料进行表面修饰

(7)人工骨和人工关节表面修饰

具体见书P265-270

10.生物材料表面的拓扑结构对细胞黏附有何影响?

人工ECM的拓扑结构会改变细胞表面的应力分布,从而改变细胞的形态。研究表明,不管是材料表面吸附蛋白质还是整联蛋白调节细胞的黏连,细胞的形态都是控制细胞生长和凋亡的重要因素。同时,人工ECM的拓扑结构还能影响细胞的定向、迁移及细胞骨架的排列能力。进一步研究显示,细胞在细微构型或特意设计的拓扑结构上的生长良好,从而更加证明了人工ECM表面拓扑结构对细胞生长的作用。而细胞的表型在一定程度上也依赖于人工ECM 与细胞核结构间的相互作用。

第八章

1.纳米材料的表界面有哪些基本特征?试举例说明与普通材料相比的不同之处。

2.纳米粒子的成核生成过程有什么特征?如何用表面化学手段控制纳米粒子的形态?

3.纳米粒子的稳定性取决于哪些因素?谈谈提高纳米粒子稳定性的主要方法。

(1)①纳米粒子周围的双电层②胶体粒子电子转移动力学③胶体成核和纳米离子稳定性(不确定)

(2)书P285-289

4.什么是粒子表面的纳米工程?主要有哪些方面?

(1)书P289

(2)a.聚合物涂层

①通过聚合过程表面修饰②自组装的聚合物层

b.无机和复合物的涂层

①沉淀和表面反应②纳米粒子的控制组装

c.生物大分子层

5.简述如何用粒子表面的纳米工程技术构筑有机/有机、有机/无机和无机/无机核壳粒子。试述它们在材料领域中的应用。

6.简述自组装的定义。

所谓自组装(self-assembly),是指基本结构单元(分子,纳米材料,微米或更大尺度的物质)自发形成有序结构的一种技术。在自组装的过程中,基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。自组装过程并不是大量原子、离子、分子之间弱作用力的简单叠加,而是若干个体之间同时自发的发生关

联并集合在一起形成一个紧密而又有序的整体,是一种整体的复杂的协同作用。

7.纳米结构的半导体薄膜有哪些制备方法?试比较各自的优、缺点。

(1)由胶态悬浮体制备薄膜

(2)化学溶液沉积方法

(3)电化学沉积方法

(4)自组装层

优缺点见书301-305

8.什么是电致变色和光致变色效应?从材料结构角度,讨论提高电致变色和光致变色效应的措施。

(1)①电致变色:电致变色是指材料的光学属性(反射率、透过率、吸收率等)在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象,在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。具有电致变色性能的材料称为电致变色材料,用电致变色材料做成的器件称为电致变色器件。②光致变色:光致变色是指一个化合物A,在适当波长的光辐照下,可进行特定的化学反应或物理效应,获得产物B,由于结构的改变导致其吸收光谱(颜色)发生明显的变化, 而在另一波长的光照射或热的作用下,产物B又能恢复到原来的形式。如下式所示:

(2)书P305-308

9.简述光电流产生的原理和光催化机理,结合实例阐述选用纳米结构材料的优势和作用机理。

(1)①光电流:金属物体在光的照射下发射电子,使金属带正电的现象叫光电效应。发射出的电子叫光电子。很多光电子形成的电流叫光电流。要金属发射电子的条件是:入射光的频率必须大于金属的极限频率。当有光电子发出后,光电流的强度跟入射光强度成正比。②光催化机理:光催化是通过光触媒起作用的反应。光触媒是一种在光的照射下,自身不起变化,却可以促进化学反应的物质,利用自然界存在的光能转换成为化学反应所需的能量,来产生催化作用。

使用TiO

作为光催化剂,完成光催化过程共含7个可能的步骤:由光子形成荷电体;荷

2

电体重新结合释放热;由一个夹带空穴引起的氧化途径的发生;由一个导带电子引起的还原途径的发生;进一步的热和光催化反应,产生矿物化产品;在悬挂的表面间捕捉一个导带电子产生Ti3+;在表面的钛团簇上捕捉一个价带空穴。

(2)书P311-312

10.什么是光敏化?光敏化半导体薄膜有何潜在的应用价值?

(1)有些物质不能直接吸收某种波长的光,即对光不敏感,但若在体系中加入另外一种物质,该物质能吸收这种光辐射,并把光的能量传递给反应物,使反应物能够发生化学反应。所加入的这种物质就称为光敏剂,这样的反应称为光敏化反应。利用光敏化,即将光活性化合物化学吸附或物理吸附于纳米半导体表面,可扩大激发波长范围,达到在可见光区的光谱响应范围,从而能增加光催化反应的效率。

(2)书P313-315

第四章 表面与界面

第四章表面与界面 例题 4-1何谓表面张力和表面能?在固态和液态这两者有何差别? 解:表面张力是将物体表面最大一个单位面积所需作的功。也可理解为作用在单位长度上的力。表面能是在恒温恒压及组成不变的条件下,每增加一个单位的表面积时,体系自由焓的增值。 液体因不能承受剪应力,外力所做的功表现为表面积的扩展。因而表面能与表面张力的单位及数量是相同的。其单位为J?m-2。固溶体因能承受剪切力,外力的作用除了表现为表面积的增加外,有一部分变成塑性形变。因此,固体的表面能与表面张力不等。 4-2在真空条件下Al2O3的表面张力约为0.9J/m2,液态铁的表面张力为1.72J/m2,同样条件下的界面张力(液态铁-氧化铝)约为2.3J/m2,问接触角有多大?液态铁能否润湿氧化铝? 解:已知γSV=0.90J/m2,γLV=0.72J/m2,γSL=2.3J/m2 cosθ= SV SL LV γγ γ - =72 .1 30 .2 90 .0- =-0.8139 θ=144.48 因为θ>90 ,所以液态铁不能润湿氧化铝。 4-3测定了含有一个固态氧化物、一个固态硫化物和一个液态硅酸盐的显微结构,有以下的两面角:(a)两个硫化物颗粒之间的氧化物是112°;(b)两个硫化物颗粒之间的液体是60°;(c)两个氧化物颗粒之间的硫化物是100°;(d)一个氧化物和一个硫化物之间的液体是70°。假如氧化物和氧化物之间界面能是0.9J/m2,求其它界面能是多少? 解:按题意绘图如下: 图4-1例题4-3附图

2 2 J/m 70.056 cos 2/γJ/m 78.056 cos 50 cos 2 100cos /2112cos /) 2/100 cos(2) () 2/112 cos(2)(==== ===? SS SO OO SS OO SS SO OO SO SS γγγγγγγc γγa 由题意 2 2 J/m 41.0J/m 45.030 cos 2)2/60cos(2)()2/70cos()2/70cos()(=== =+=OL SS SL SL SS OL SL SO γγγγγb γγγd 由题意 题中γSS 是硫化物之间界面张力;γOO 为氧化物之间界面张力;γOL 是氧化物与液体间界面张力。 4-4 在石英玻璃熔体下20cm 处形成半径为5×10-8 m 的气泡,熔体密度ρ=2200Kg/m 3 ,表面张力γ=0.29N/m ,大气压力为1.01×105Pa ,求形成此气泡所需最低内压力是多少? 解:P 1(熔体柱静压力)=h ρg =0.2×2200×9.81=4316.4kg/m ·s 2 =4316.4N/m 2 =4316.4Pa 附加压力△P =2γ/r =2×0.29/5×10-8=1.16×107Pa ,故形成此气泡所需压力至少为 P =P 1+△P+P 大气=4.16+1.16×10 7 +1.01×105=117.04×105 从以上计算可见,产生微小气泡时主要阻力来自附加压力。在石英玻璃熔体中,初生微小气泡压力要大于117.04×105Pa ,气泡才能存在,这是很困难的。实际上玻璃熔体中由于配合料在熔化过程中,一系列化学反应放出大量气泡,玻璃液与耐火材料间物理化学作用也会产生气泡。新析出的气相一次为核心,一开始就形成较大的气泡,这样△P 就大为降低。例如若生成气泡半径为0.1cm ,则ΔP =2×0.29/1×10-3=580Pa 。此时附加压力与大气压相比已减少到可忽略的程度,一次通体中气泡就能够形成。 4-5 假如在母相α晶粒内由一个球状的第二相β,当β相移动到两个α晶粒的晶界上时,它所具有的形状是双球冠形,如图4-2示。 双冠的体 积= 3 3αβ 23cos cos 2[( )] 3 r θθ π-+;双球冠的面积=2 αβ2[2(1cos )]r πθ- (a )当β相为双球冠形,β在α相中的二面角为120°时,试分析β在α晶粒内呈球状较稳定,还是在境界上呈双球冠形较为稳定? (b )如果β在晶界上呈薄膜状,情况又将如何? 解:(a )若设 γαβ 为α-β界面上的表面张力;γαα为α -α界面上的表面张力。 当β相为球冠状存在于晶界上时,如图4-2示,表面能为: 22αβαβA αβαβ 22(1cos 60)]2γγγr r ππ?- 晶界()=[= 当β相呈球状存在于晶粒内部时如图4-3示,总表面能A γ晶界 ()晶内将由两部分组成:一种示α -β界 面上的表面能 αβ ()γA ;二是由于晶界上步存在β相和存在β相对比,增加了一块α -α界面,其界面能为

表面与界面习题

表面与界面习题

Chapter 1 1、表面与界面的定义。 1)表面:固体与真空的界面; 2)界面:相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。 2、叙述表面与本体的不同点。 表面与本体:结构、化学组成、性质都存在不同。材料与外界的相互作用是通过表面来进行的。因此,表面具有特殊性,它的性质将直接影响材料的整体性质。材料的性质虽然与组成的本体有关,但其表面对性能的影响却占很大的比重。因为,不少性能是通过表面来实现的,如表面硬度、表面电导,同时,材料某些性能将通过表面受到外界环境的影响。 3、什么叫相界面?有哪几类? 1)相界面:相邻相之间的交界面成为相界面。 2)分为3类:固相与固相的界面,固相与气相的界面,固相与液相的界面。 4、材料表面与界面的表征手段有哪些? 材料表面与界面的表征主要通过对比表面积、表面张力(表面能)等测定来实现 1)比表面积

同,表面由此产生表面张力。 6、单位体积的物体所具有的表面积称为比表面,请得 出下列结果: (1)半径为r 的球形颗粒,其比表面为: (2)质量为m ,密度为ρ的球形颗粒的比表面: (3) 边长为L 的立方体的比表面为: (4) 质量为m ,密度为ρ的立方体的比表面为: 7.水蒸气迅速冷却至25℃会发生过饱和现象。已知25℃时水的表面张力为71.49×10-3 N/m ,当过饱和水的蒸气压为正常平衡蒸气压的4倍时,求: (1)在此过饱和情况下,开始形成液滴的半径; (2)一滴此种水滴中含有多少个水分子? 8.在20℃下,若水的密度为ρ=998.2kg/m 3,表面张力为72.8Х10-3N/m ,若水滴半径为10-6cm ,求水的过饱和度。 r M 2r V 2P P ln RT 0ρσ=σ=

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 开始形成的雨滴半径为: 将数据代入得: '2ln 0R RT M P P ργ=0ln 2'p p RT M R ργ=

(2)每一雨滴中所含水的分子数为N=N A n ,n=m/M=rV/M ,得 个661002.6018.03997)1079.7(14.34)(34233103'=???????===-A A N M R N M V N ρπρ 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。 212 21244r r N A A ππ= 又因为将大水滴分散成N 小水滴,则 32313434r N r ππ= 推出 321???? ??=r r N =93100.1mm 0.1=??? ??um 故有 ()()10000.140.141022 912=???=mm um A A ππ 即表面积是原来的1000倍。 (2)表面Gibbs 自由能的增加量为 ()()212212421r Nr r A A dAs G A A -=-==??πγγ =4*3.142*0.07288*[109*(10-6)2-(10-3)2] m R 101079.74ln 997293314.8018.007288.02'-?=?????=

表面与界面-电子教案

第四章表面与界面 1.表面与界面的意义 表面的质点由于受力不均衡而处于较高的能阶。这就使物体表面呈现一系列特殊的性质。高分散度物系比低分散度物系能量高得多,必然使物系由于分散度的变化而使两者在物理性能(如熔点、沸点、蒸气压、溶解度、吸附、润湿和烧结等)和化学性质(化学活性、催化、固相反应)方面有很大的差别。随着材料科学的发展,固体表面的结构和性能日益受到科学界的重视。随着近年来表面微区分析、超高真空技术以及低能电子衍射等研究手段的发展,使固体表面的组态、构型、能量和特性等方面的研究逐渐发展和深入,并逐渐形成一门独立学科——表面化学和表面物理。 表面与界面的结构、性质,在无机非金属固体材料领域中,起着非常重要的作用。例如固相反应、烧结、晶体生长、玻璃的强化、陶瓷的显微结构、复合材料都与它密切相关。 2.固体的表面 表面——一个相和它本身蒸汽(或真空)接触面~; 界面——一个与另一个相(结构不同)接触的分界面~; 固体表面力——固体表面质点排列的周期重复性中断质点的对称性破坏,表现出剩余的键力~。 2.1表面力场 1.长程力:作用范围较范德华力大得多,两相分子间的分子引力,实质是范德华力。2.范德华力:A-静电力(极性分子之间);B诱导力(极性与非极性分子);C色散力(非极性分子之间) 2.2晶体表面结构 2.2.1晶体表面的微观排列状态(维尔威结构学说) A.松弛过程:如图(图4-1)表面层负电子外侧不饱和,电子云将被拉向内侧正离子一方,极化变形,通过电子云极化变形来降低表面能过程~(瞬间完成改变表面层键性)B.重排过程:晶格必须稳定,作用力大,极化率小的正离子应处于稳定位置,正离子向内负离子排斥向外——重排。 C.离子键逐渐过渡为共价键,表面为一层负离子所屏蔽——表面双电层。 D.表面等负性:易吸附正离子

材料表面与界面复习题

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 测定原理

材料表面与界面名词解释和简

材料表面与界面 1、材料表界面对材料整体性能具有决定性影响,材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、化学反应、复合等等,无不与材料的表界面密切有关。 2、应用领域:a. 航空和航天器件; b.民用;c.特种表面与界面功能材料; d.界面是复合材料的重要特征。 3、隐形涂料:这种涂料含有大量的铁氧体粉末材料,依靠其自身自由电子的重 排来消耗雷达波的能量。 4、表面与界面概念:常把从凝聚相(固相、液体)过渡到真空的区域称为表面; 从一个相到另一个相之间的区域称为界面. 5、表界面尺寸:可以是一个原子层或多个原子层,其厚度随材料的种类不同而 不同。 6、在物质的气、液、固三态中,除了两种气体混合能完全分散均匀而不能形成 界面外,三种相态的组合可构成五种界面:液-气,液-液,固-气,固-液,固-固。 7、物质的分类。从形态上:固体,液体,气体,胶体,等离子体。从结构上: 晶体,无定形。 8、固体表面的分类:理想表面;清洁表面(高温热处理,离子轰击加退火,真 空解理。真空沉积。场致蒸发等)。吸附表面。 9、清洁表面发生的常见重要物理化学现象:(a)表面弛豫;(b)重构;(c) 偏析又称偏聚或分凝;(d)台阶化;(e) 形成化合物;(f)吸附 10、表面处离子排列发生中断,体积大的负离子间的排斥作用,使C1-向外移动,体积小的Na+则被拉向内部,同时负离子易被极化,屏蔽正离子电场外露外移, 结果原处于同一层的Na+和C1-分成相距为0.020 nm的两个亚层,但晶胞结构基本没有变化,形成了弛豫。 11、重构:表面原子重新排列,形成不同于体相内部的晶面。 12、偏析又称偏聚或分凝指化学组成在表面区域的变化但结构不变。 13、台阶化表面附近的点阵常数不变,晶体结构也不变,而形成相梯度表面。 14、形成化合物:指表面化学组成和结构都发生改变,在表面有新相生成。 15、吸附指表面存在周围环境中的物种。分类:物理吸,附和化学吸附。 16、物理吸附:外来原子在固体表面上形成吸附层,由范德华力作用力引起,则此吸附称为物理吸附。特点:物理吸附过程中没有没有电子转移、没有化学键的生成和破坏,没有原子重排等等,产生吸附的只是范德华力。物理吸附的作用力是范德华力,包括:定向力/偶极力、诱导力、色散力;作用力。 17、化学吸附:外来原子在固体表面上形成吸附层由化学键作用力引起,则此吸附称为化学吸附。特点:表面形成化学键;有选择性;需要激活能;吸附热高(21- 42 KJ/mol)。吸附的物种可以是有序=也可以是无序=吸附在表面,也可以是单层=,也可以是多层=吸附。因表面的性质和被吸附的物种而定。 18、表面产生吸附的根本原因:(1)电荷在凝聚相表面发生迁移,包括负电荷的电子迁移和正电荷的离子迁移。(2)表面存在可以构成共价键的基团:A、过渡金属原子空的d轨道如Pt(5d96s1);B、化学反应成键。 19、固体的表面特性:①表面粗糙度r : 实际表面积与光滑表面积之比值。表面粗糙度测定方法:1)干涉法:适合测量精密表面;2)光学轮廓法;3)探针法;4)比较法;5)感触法。

材料表面与界面复习题

第一章 1.试述表面力(表面能)产生的原因。怎样测试液体的表面力? (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部并垂直于表面的引力作用,即为表面力。这里的分子间作用力为德华力。 (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力。在一定平面上, 液滴形状与液体表面力和密度有直接关系。由Laplace 公式, 描述在任意的一点P 曲面外压差为 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力。 ⑤最大气泡压力法 测定原理

第四章 固体的表面与界面

第四章 固体的表面与界面 【教学目的】了解固体的表面及结构与液体的不同界面及界面行为。基本掌握晶界理论、表面吸附、粘土-水系统性质。 【教学内容】固体表面结构、固体界面结构、界面吸附效应、粘土-水系统性质。 【教学重点】表面结构、界面效应中的吸附和改性、泥浆的各种性质。 【教学方法及手段】多媒体课件展示图、表 第一节 晶界类型 一.根据相邻晶粒的位向差分: 位向差大——大角度晶界 位向差小——小角度晶界 1.小角度晶界:亚晶界 单晶体中“镶嵌结构”产生小角度晶界。小角度晶界位向差小,晶界很薄。小角度晶界形成原因是单晶体在成长过程中受热或机械应力或表面张力作用产生的。 同号位错在同一滑移面上相互排斥

异号位错在同一滑移面上相互吸引。 同号位错不在同一滑移面上相互吸引。 2.大角度晶界:多晶材料之间的晶界,其结构为无定型结构,厚度较大。 二.根据晶面两侧晶格的吻合程度分: 1.共格界面:界面两侧具有相近的原子排列和原子间距,越过晶面原子排列是连续的,即界面上的原子同时处于相邻的晶列的晶格结点上。 共格界面,其上结点属于界面两侧两个晶粒,但两侧的晶粒晶格常数略有差别,通过弹性变形来协调。 孪晶(双晶)间界面为共格晶界,可通过堆垛层错产生。 A B C A 孪晶 2.半共格晶界 晶格间距失配度太大,弹性变形不能协调,插入刃型位错,在界面上插入附加的半平面(引入刃型位错)形成半共格界面。

3.非共格晶界面: 晶界两侧结构相差太大,此时晶界结构为无定形的,为非共格晶面。 二.晶界能 晶界比晶体内部具有过剩的能量。 晶界能:大角度晶界 > 小角度晶界 非共格晶界 > 半共格晶界 > 共格晶界 三.晶界应力 晶体各向异性,晶界两侧位向不同,两侧晶体沿晶界同一方向上弹性模量、热膨胀系数不同,会产生晶界应力,若应力过大,晶界开裂,有裂纹出现。 第二节 晶体的表面结构 表面是指晶体与真空(或与本身蒸汽)之间的界面。 一.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,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。

材料表面与界面-习题含答案培训资料

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 p RT M R 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 ρπρ 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。 212 21244r r N A A ππ= 又因为将大水滴分散成N 小水滴,则 32313434r N r ππ= 推出 3 21???? ??=r r N =93100.1mm 0.1=??? ??um 故有 ()()10000.140.141022 912=???=mm um A A ππ 即表面积是原来的1000倍。 (2)表面Gibbs 自由能的增加量为

材料表面与界面-习题

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? 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。 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) 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。 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? 3、试求表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的HLB值。

1、试讨论用液态氧化法处理聚合物的优缺点。 2、聚合物表面接枝有哪些方法?其原理各是什么? 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? 2、高性能纤维的表面处理方法有哪些? 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。

第五章 1、纤维对液体的接触角的测定的方法有哪些? 2、简述单丝抜脱实验 3、界面结合强度是否越强越好?为什么?

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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。 (3)液体的表面张力还与温度有关。温度升高,液体的密度降低,液体内部原子或分子间的作用力降低,因此液体内部原子或分子对表面层的原子或分子吸引力减弱,导致液体的表面张力下降。预测液体表面张力与温度关系的半经验表达式为: γ = γ0(1-T/T c)n 式中T c为液体的气化温度,γ0为0K时液体的表面张力。 ( 举例:水的表面张力随温度的升高而下降的趋势。这一变化规律可以从两个方面进行解释:一方面,随温度升高,水的体积膨胀,内部分子间距离增大,导致水中内部分子对表面分子的吸引力降低;另一方面,随温度升高,蒸汽压提高,气相中的分子对水表面分子的吸引力增大。) 4.固体表面能的影响因素。 影响固体表面能的主要因素有:固体原子间的结合能、固体表面原子的晶面取向和温度。 (1)由于表面能的大小主要取决于形成固体新表面所消耗的断键功,因此原子间的结合能越高,断开相同结合键需要消耗的能量越高,所形成的固体表面能越高。 (2)由于固体晶体结构是各向异性的,不同晶面的原子面密度不同,所以形成单位面积的新表面需要断开原子键的数量不同,导致所形成的表面能不同。一般来说,固体表面原子面密度越高,形成单位面积的新表面需要断开原子键的数量越小,表面能越低。

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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=θ=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 p RT M R 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= V/M ,得 个661002.6018.03997)1079.7(14.34)(34233103'=???????===-A A N M R N M V N ρπρ 3、在293k 时,把半径为的水滴分散成半径为μm 的小水滴,试计算(已知293K 时水的表面Gibbs 自由为 .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。 21221244r r N A A ππ= 又因为将大水滴分散成N 小水滴,则 32313434r N r ππ= 推出 3 21???? ??=r r N =93100.1mm 0.1=??? ??um 故有 ()()10000.140.141022 912=???=mm um A A ππ 即表面积是原来的1000倍。 (2)表面Gibbs 自由能的增加量为 ()()212212421r Nr r A A dAs G A A -=-==??πγγ =4***[109*(10-6)2-(10-3)2]

材料表面与界面复习题

1.液体的原子结构的主要特征。 液体的原子结构存在以下三个主要特征: (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,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.液体表面张力的概念和影响因素。 液体表面分子或原子受到内部分子或原子的吸引,趋向于挤入液体内部,使液体表面积缩小,因而在液体表面切向方向始终存在一种使液体表面积缩小的力,液体表面这种沿着切向方向,合力指向液体内部的作用力,就称为液体表面张力。 液体表面张力影响因素很多,如果不考虑液体内部分子或原子向液体表面的偏聚和外部原子或分子对液体表面的吸引,影响液体表面张力的因素主要有: (1)液体自身结构: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,液体中原子或分子的结合能越大,液体表面张力越大,一般液体表面张力随结构不同变化趋势是:金属键结合物质>离子键结合物质>极性共价键结合物质>非极性共价键结合物质 (2)表面所接触的介质: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原子或分子结合能越大,液体表面能越小,反之越大 (3)温度:随着温度的升高,液体密度下降,液体内部原子或分子间的作用力降低,液体内部原子或分子对表面原子或分子的吸引力减弱,液体表面张力下降。最早给出的预测液体表面张力与温度关系的半经验表达式为: γ= γ0(1-T/T c)n 式中T c为液体的气化温度,γ0为0K时液体的表面张力。 3.固体表面能的影响因素。 影响固体表面能的主要因素有:固体原子间的结合能、固体表面原子的晶面取向和温度。由于表面能的大小主要取决于形成固体新表面所消耗的断键功,因此原子间的结合能越高,断开相同结合键需要消耗的能量越高,所形成的固体表面能越高。由于固体晶体结构是各向异性的,不同晶面的原子面密度不同,所以形成单位面积的新表面需要断开原子键的数量不同,导致所形成的表面能不同。一般来说,固体表面原子面密度越高,形成单位面积的新表面需要断开原子键的数量越小,表面能越低。与液体一样,固体的表面能随温度的升高而下降,并且固体表面能随温度升高而下降的速度大于液体。 4.计算并讨论立方晶系(100)、(110)和(111)面的表面能大小。 采用“近邻断键模型”(Nearest-neighbor broken-bond model)来计算固体晶体的表面能,两点假设: 第一,每个原子只与其最近邻的原子成键(最近邻原子数即为该晶体结构的配位数),并且只考虑最近邻原子间的结合能; 第二,原子间的结合能(-Ua)不随温度变化。 对于具有任意晶体结构的固态晶体,某一晶面{hkl}的表面能(γS{hkl})可以用下式计算: γS{hkl} = N{hkl}Z(Ua /2) 式中,N{hkl}为{hkl}晶面单位面积的原子数,Z为晶体沿{hkl}晶面断开形成新表面时{hkl}晶面上每个原子需要断裂的键数。

第四章 材料的表面与界面

第四章材料的表面与界面 4-1 什么叫表面张力和表面能?在固态下和液态下这两者有何差别? 4-2 在晶体中,不同的结晶面上,表面上原子的密度住往是不一样的(见无机材料物理化学表6-1)。你认为原子密度大的晶面的表面能大呢?还是密度小的大?试解释之。 4-3 一般说来,同一种物质,其固体的表面能要比液体的表面能大,试说明原因。 4-4 什么叫吸附、粘附?当用焊锡来焊接铜丝时,手用挫刀除去表面层,可使焊接更加牢固,请解释这种现象。 4-5 为什么在实际晶体中,不存在理想晶体所设想的完整平面?至少也会有相当于螺形位错的柏氏矢量大小的台阶。 4-6 试说明晶界能总小于两个相邻晶粒的表面能之和的原因。 4-7 (a)什么叫弯曲表面的附加压力:其正负根据什么划分? 的曲面附加压力?(b)设表面张力为900尔格/厘米2,计算曲率半径为0.5m 4-8 真空中Al2O3的表面张力约为900尔格/厘米2,液态铁的表面张力为1720尔格/厘米2,同样条件下,界面张力(液态铁-氧化铝)约为2300尔格/厘米2。问接触角有多大?液态铁能否润湿氧化铝? 4-9 表面张力为500尔格/厘米2的某液态硅酸盐与某种多晶氧化物表面相接触,接触角θ=450;若与此氧化物混合,则在三晶粒交界处,形成液态小球,二面角ψ平均为900,假如没有液态硅酸盐时,氧化物-氧化物界面的界面张力为1000达因/厘米,试计算氧化物的表面张力。 4-10 MgO-Al2O3-SiO2系统的低共熔物,放在Si3N4脚瓷片上,在低共熔温度下,液相的表面张力为900尔格/厘米2,液体与固体的界面能为600尔格/厘米2,测得接触角为70.520。 (1)求Si3N4的表面张力。 (2)把Si3N4在低共熔温度下进行热处理,测得其腐蚀的槽角为123.750,求Si3N4晶界能。 (3)如果把20%的低共熔物与Si3N4粉末混合,加热到低共熔温度下,试画出低共熔物与Si3N4混合组成的陶瓷显徽结构示意图。 4-11 氟化锂晶体经多边形化、抛光和腐蚀后,观察到沿某一直线的位错腐蚀坑的间距为10微米,在外加剪应力作用下观察到小角度晶界垂直于晶界平面移动,为什么会发生这种现象?若柏氏矢量为2.83?,穿过晶界的倾斜角是多少? 4-12 在高温将某金属熔于Al2O3片上。 (a)若Al2O3的表面能估计为1000尔格/厘米2,此熔融金属的表面能也与之

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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/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 开始形成的雨滴半径为: 将数据代入得: '2ln 0R RT M P P ργ=0ln 2'p p RT M R ργ=

=J 4-1015.9 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

材料表面与界面

《材料表面与界面》课程简介 课程编号:02024915 课程名称:材料表面与界面/Material surface and interface 学分:2 学时:32 (实验:上机:课外实践:) 适用专业:无机非金属材料工程 建议修读学期:第6学期 开课单位:材料科学与工程学院无机非金属材料系 课程负责人:张毅 先修课程:物理化学、材料科学基础 考核方式与成绩评定标准:闭卷考试, 期末考试成绩70%,平时成绩30% 教材与主要参考书目: 教材:胡福增主编.材料表面与界面[M]. 上海:华东理工大学出版社, 2008. 参考书目 [1] 王兆华主编. 材料表面工程[M]. 北京:化学工业出版社, 2011. [2] 赵亚溥主编. 表面与界面物理力学[M]. 北京:科学出版社, 2012. [3] 腾新荣主编. 表面物理化学[M]. 北京:化学工业出版社, 2009. [4] 赵振国主编. 应用胶体与界面化学[M]. 北京:化学工业出版社, 2008. 内容概述: 材料的表界面在材料科学中占有重要的地位。材料表面与界面无机非金属材料工程专业的专业选修课。通过本课程的学习,使学生掌握材料表面与界面的基本概念、基本理论和基本研究方法,为今后在工作中打下有关材料研究和材料表面改性的理论基础。 The surface interface of materials plays an important role in material science. “Material surface and interface”is a specialized optional course of inorganic non-metallic materials specialty. The course mainly introduces the material surface basic concepts, basic theory and basic research methods of the interface. The study of this course is to lay the theoretical foundation for the study of materials and surface modification of materials in the future. 1

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第一章 1、什么是You ng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:You ng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 能丫sv, Y L,YL V与接触角B之间的关系式,亦称润湿方程,表达式为:丫SV;SL= Y LV COS9O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9的大小是判定润湿性好坏的依据,若9 =0.cos 9液体完全润湿固体表面,液体在固体表面铺展;若0 V9V 90 液体可润湿固体,且9越小,润湿性越好;90°v9v 180°液体不润湿固体; 9 =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。 ,P 2 M In — 答:(1)根据Kelvin公式有P°RT R' 开始形成的雨滴半径为: 2 M RTJn — p o

将数据代入得:

2 0.07288 0.018 8.314 29 3 997 In 4 (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1.0卩曲勺小水滴,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「1,小水滴半径为匕。 2 A _ N 4 二 r 2 A 4甬2 又因为将大水滴分散成N 小水滴,则 A 2 109 疋 4兀 x(1.0um 2 故有A 4兀汉(1.0mm 2 即表面积是原来的1000倍 (2)表面Gibbs 自由能的增加量为 G = A 2 dAs 二逬A , —人;=4二r Nr 22 A =4*3.142*0.07288*[10 9* (10-6) 2- (10-3) 2] = 9.15 10-4J R'= = 7.79 10J0m PV N 市"A N A 4 3.14 (7.79 10J0)3 997 6.02 1023 =66个 3 0.018 推出 = 1000 =N 4 二r 23 3 3 1.0mm ' “ --------- | =10 <1.0um 丿

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