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？
（b）设表面张力为900尔格／厘米2，计算曲率半径为0.5的曲面附加压力？
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相似，界面能估计约为300尔格/厘米2，问接触角是多少？
（b）若液相表面能只有Al2O3表面能的一半，而界面能是Al2O3表面张力的两倍，试估计接触角的大小？
（c）在（a）所述条件下，混合30％金属粉末与Al2O3成为金属陶瓷，并加热到此金属熔点以上。试描述并作图示出金属与Al2O3之间的显徽结构。
4-13 在0℃时冰－水体系的固－液界面能为28尔格/厘米2，晶界能为70尔格/厘米2，液相表面能为76尔格/厘米2，并且液态水能完全润湿冰的表面。
（a）估计冰在空气中及冰在水下的晶界腐蚀角。
（b）酒精加入液相中，则观察到固－液界面能降低。若要使晶界腐蚀角降低到零度，需使界面能降低到什么程度？
（c）怎样比较冰与（a）SiO2（固相）－硅酸盐液及（b）MgO（固相）－硅酸盐液体系的晶界腐蚀？解释如何和为什么后面两个体系相异或相同。
4-14 一个B在A中的稀溶液析晶时给出四方晶体。在能发生气相传质条件下久后，晶体形成平行六面体，其晶面分别垂直于C轴和a轴。当B的摩尔分数为0.05时，C轴方向与a 轴方向的轴比为1.76，而当摩尔分数为0.07时，轴比为1.78。试计算a面和C面的表面张力之比，并指出那一个晶面B原子密度相对地较高。
4-15 1克石英当它粉碎（在湿空气中）成每颗粒直径为1的粉末时重量增加至1.02克，它的吸附水膜厚度为多少？（石英密度是2.65g/cm3）。
4-16 具有面心立方晶格的晶体，其(110)、(100)、(111)面上表面密度分别为0.555；0.785；
0.907，试回答那一个晶面上固－气表面能将是最低的，为什么？
4-17 常见的流动类型有哪儿种，各有何特点。
4-18 试述粘土带电原因及粘土电荷对粘土－水系统工艺性质的影响。
4-19 扩试解释粘卫结构水、结合水（牢固结合水、松结合水）、自由永的区别，分析后两种水在胶团中的作用范围及其对工艺性能的影响。
4-20假如高岭石薄片的四面体上，每个裸露的氧上吸附着一个水分了，试问高岭石将增加多少重量？
4-21假定边长为0.0001cm的NaCl正六面体上，每个表面钠离子有一个（OH-）的吸附位置，试问每克NaCl能吸附多乡个（OH-）离子?
4-22 粘土的很多性能与吸附阳离子种类有关，指出粘土吸附下列不同阳离子后的性能变化大小规律（以箭头表示）
H+ Al3+ Ba2+ Sr2＋Ca2＋Mg2＋NH3+ K+ Na+ Li+
（1）离子置换能力；
（2）粘土的ζ-电位；
（3）粘土的结合水；
（4）泥浆的流动性；
（5）泥浆的稳定性；
（6）泥浆的触变性；
（7）泥团的可塑性；
（8）泥浆的滤水性；
（9）泥浆的浇注时间；
4-23 若粘土粒子是片状的方形粒子，长度分别是10、1、0.1，长度是其厚度的10倍。试求粘土颗粒平均距离是在吸力范围20?时，粘土的体积浓度。
4-24 若粘土颗粒尺寸为（a）1：（b）0.1；（c）0.01，每个颗粒的吸附层厚度为100?，试求粘土颗粒在悬浮液中最大的体积分数是多少？（假定粘土视作立方体）。
4-25 有两种矿物组成均为高岭石的粘土，一种呈紫褐色，可塑性强，C、E、C约为30毫克当量/百克土；另一种色洁白、塑性差、C、E、C约为5毫克当量/百克土。如分别用它们配制泥浆，为获得流动性好的稳定泥浆，用单一电解质还是用复合电解质稀释效果好？两种泥浆如获得相同的粘度，电解质加入量何者多，为什么？
4-26 用Na2CO3和Na2SiO3分别稀释同一种粘土泥浆，试比较电解质加入量相同时，两种泥浆的流动性、注浆速率、触变性和坯体致密度？
4-27 在注浆成型的泥浆中常搭配一些回坯泥（回坯泥中含少量石膏屑），结果使泥浆变稠，欲降低泥浆粘度应采取什么措施？
4-28 高岭薄片的平均直径为0.9,厚度为0.1、在其板面上吸附层厚度为30?，在边面上是200?。试求由于吸附而使颗粒增加的有效体积百分数是多少？
4-29 一个均匀的悬浮液，粘土浓度为30体积％，一薄片状粘上颗粒尺寸是平均直径0.1，厚度0.01,求颗粒间平均距离是多少？
4-30 粘土薄片平均“直径”为0.5,厚度是100?，已知真比重为2.6克/厘米3，求粘土的表面积（以厘米2/克表示）。
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
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 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。
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。
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
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=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。 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*3.142*0.07288*[109*（10-6）2-（10-3）2]
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
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=
=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》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
材料表面与界面调研报告题目:航空用铝合金表面研究 班级:材料化学12-2 学号:1209020208 姓名:宫宝昌 教师:李丽波 哈尔滨理工大学化学与环境工程学院 2014年10月8日
摘要 全面介绍了国内外铝合金在建筑"汽车"航空航天等行业的应用及研究进展，主要阐述了航空航天领域结构胶接在国内外的发展状况"胶接用铝合金表面处理方法的目的"表面处理的机理及分类"影响表面处理质量的工艺参数"现代表面分析技术等#并对近年来国内外应用最广"技术最成熟的磷酸阳极化表面处理技术的应用及优缺点进行了分析，并展望了该领域研究的发展趋势
目录 摘要...................................................................................................................... I 目录............................................................................................................ IV 第1章绪论.. (1) 1.1 意义目的 (1) 1.1.1 铝合金特性简介 (1) 1.1.2 铝合金表面常用的处理方法 (1) 1.1.3 铝基复合材料 (2) 1.1.4 超塑性成型铝合金 (2) 1.1.5 铝锂合金 (3) 第2章铝合金表面氧化现象研究 (5) 2.1.1 表面预处理 (5) 2.1.2阳极化处理 (6) 2.1.3阳极氧化膜生成一般原理 (7) 2.2阳极氧化的种类 (7) 2.3阳极氧化膜结构、性质 (8) 第3章铝合金阳极氧化缺陷 (9) 3.1铝合金阳极氧化缺陷 (9) 3.1.1酸或碱浸蚀 (9) 3.1.2 大气腐蚀 (9) 3.1.3 纸腐蚀(水斑) (10) 3.1.4氧化烧损(烧焦) (10) 3.1.5 粉化 (10) 3.1.6 黑斑(又称热斑或软斑) (10) 总结 (12)
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, Y v与接触角B之间的关系式，亦称润湿方程，表达式为：丫S Y SL= Y v COS。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B的大小是判定润湿性好坏的依据，若0 =0.cos 0=1 液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；若0v 0V 90°液体可润湿固体，且0越小，润湿性越好；90°V 0< 180°,液体不润湿固体；0 =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 ,P 2 M ln --- ------------ 答：（1）根据Kelvin公式有P°RT R' 开始形成的雨滴半径为: R' RT ln — 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 pm 的小水滴，试计算 （已知293K 时水的表面Gibbs 自由为0.07288Jm -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「2。 又因为将大水滴分散成N 小水滴，则 4 3 4 3 N 3 3 1.0mm 9 d fl 「 N r 2 10 3 3 推出 「2 = 1.0um A 2 109 4 1.0um 2 2 1000 故有 A 4 1.0mm 即表面积是原来的 1000 倍。 ）表面Gibbs 自由能的增加量为 A 2 2 G dAs A A 4 r N 「2 「1 A 1 =4*3.142*0.07288*[109* (10-6) 2- (10-3) 2] -4 =9.15 10 -4 J 7.79 10 10m M V N A M 4 ' 3 3 (R) N A 4 3.14 (7.79 10 10)3 997 3 0.018 6.02 1023 66个 A 2 A 1 N4 r 22 4『
第四章 材料的表面与界面 表面与界面的概念：固体的表面现象与液体相似，通常把一个相和它本身蒸气（或真空）接触的分界面称为表面。一个相与另一相（结构不同）接触的分界面称为界面。 固体的表面力：晶体中每个质点周围都存在着一个力场，在晶体内部，质点力场是对称的。但在固体表面，质点排列的周期性重复中断，使处于表面边界上的质点力场对称性被破坏，表现出剩余的键力，这就是固体的表面力。表面力的存在使固体表面处于较高的能量状态。 表面的结构：晶体由于质点不能自由流动，只能借助离子极化、变形、重排并引起晶格畸变来降低表面能，这样就造成表面层与内部结构的差异。离子晶体(MX 型)在表面力作用下，处于表面层的负离子(X －)只受到上下和内侧正离子(M +)的作用，而外侧是不饱和的，该负离子通过极化变形来降低表面能，这一过程称为松驰，松驰在瞬间即可完成，其结果改变了表面层的键性。接着是发生离子重排过程。从晶格点阵排列的稳定性考虑，作用力较大、极化率小的正离子应处于稳定的晶格位置。为降低表面能，各离子周围作用能应尽量趋于对称，从而形成表面双电层。而产生这种变化的程度主要取决于离子极化性能，对于PbI2、PbF2、BaSO4、SrSO4、CaF2，PbI 2表面能最小，CaF 2最大。这是因为Pb 2+和I －都具有最大的极化性能，双电层厚导致表面能和硬度都降低。 固体的表面能：表面能的含义是每增加单位表面积时，体系自由能的增量。固体的表面能可以通过实验测定或理论计算法来确定。 1. 共价键晶体表面能 共价键晶体不必考虑长程力的作用，表面能(u s )即是破坏单位面积上的全部键所需能量之一半。 b s u u 2 1= 式中：u b 为破坏化学键所需能量。 2. 离子晶体的表面能 每一个晶体的自由能都是由两部分组成：体积自由能和一个附加的过剩界面自由能。为了计算固体的表面自由能，我们取真空中绝对零度下一个晶体的表面模型，并计算晶体中一个原子(或离子)移到晶体表面时自由能的变化。如果L S 表示l m 2表面上的原子数： ()001γ=??=???? ??-S SV ib is S L U n n N U L γ0是OK 时的表面能(单位面积的附加自由能)。 弯曲表面效应： 1.附加压力 由于表面张力的存在，使弯曲表面上产生一个附加压力： △P = 2γ/R 对于非球面的曲面可以导出： ???? ??+=?2111r r P γ