2011年材料表面与界面化学复习资料
一、概念:
1、表界面的定义
表界面是由一个相过渡到另一相的过渡区域。
2、机械作用界面
受机械作用而形成的界面称为机械作用界面。喷沙、变形、磨损等。
3、化学作用界面
由于表面反应、粘结、氧化、腐蚀等化学作用而形成的界面称化学作用界面。
4、固体结合界面
出两个固体相直接接触，通过真空、加热、加压、界面扩散相反应等途径所形成的界面称为固态结合界面。
5、液相或气相沉积界面
物质以原子尺寸形态从液相或气相析出而在固态表面形成的膜层或块体称为液相或气相沉积界面。
6、凝固共生界面
两个固相同时从液相中凝固析出并且共同生长所形成的界面称为凝固共生界面。
7、粉末冶金界面
通过热压、热锻、热等静压、烧结、热喷涂等粉末工艺，将粉末材料转变为块体所形成的界面称为粉末冶金界面。
8、粘结界面
由无机或有机粘结剂使两个固体相结合而形成的界面称为粘结界面。
9、熔焊界面
在固体表面造成熔体相，然后两者在凝固过程中形成冶金结合的界面称为熔焊界面。
10、理想表面
理想表面是指除了假设确定的一套边界条件外，系统不发生任何变化的表面。
11、清洁表面
清洁表面指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等物理、化学效应的表面。
12、表面弛豫
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。
13、重构就是表面原子重新排列，形成不同于体内的晶面。
14、台阶化是指出现一种比较规律的非完全平面结构的现象。
吸附和偏析（指化学组分在表面区的变化），
15、表面吸附
固体表面存在大量的具有不饱和键的原子或离子，能吸引外来的原子、离子和分子，产生吸附。
16、偏析
偏析是指表面或界面附近薄层内化学组成偏离晶体内部的平均组成，某种原子、离子或化合物浓度明显高与内部。
17、表面张力
外力F与液膜边缘的长度成正比，比例常数与液体表面特性有关，以σ表
示，称为表面张力。
18、自动增疏效应
一般的液体在底能表面上形成的接触角比较大，平衡铺展压则变小。对高能表面，因液体的蒸汽分子有定向吸附效应，平衡铺展压则变大：这可使铺展停止。这种现象称为自
动增疏效应。
19、比表面积
定义单位质量的吸附剂具有的表面积为比表面积。
20、接触角：在三相交界处自固—液界面经过液体内部到气—液界面的夹角叫接触角，以
θ表示。
21、表面自由能
表面张力也可以理解为系统增加单位面积时所需作的可逆功，单位为J／m2，是功的单位或能的单位，所以σ也可以理解为表面自由能，简称表面能。
22、粘附功
Wa是将结合在一起的两相分离成独立的两相外界所做的功，称作粘附功。
23、接触角的滞后
前进接触角与后退接触角之差值，即θα－θγ，的值则称为接触角的滞后。
24、自铺展
动润湿过程大致分为两大类：一类是在无外力作用下(重力除外)液体在固体表向上自行铺展时接触角的变化，这类过程称为自铺展。
25、强制铺展
利用外力使液体在固体表面上以一定速度移动而铺展，这类过程称为强制铺展。26、表面活性剂
加入很少量就能大大降低溶剂的表面张力，使表面呈现活性状态的物质称为表面活性剂。
27、相转型温度PIT
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，溶解度减小，HLB值下降，最后达到某一温度，使得乳状液从原来的（O／W）型转变为油包水型(W／O)。这一温度称为相转型温度PIT，又称为亲水—亲油平衡温度(HLB温度)。
28、临界胶束浓度(CMC)
少量表面活性剂的加入可使水的表面张力迅速下降，但到其一浓度后，水溶液的表面张力几乎不变。这个表面张力转折点的浓度即为临界胶束浓度(CMC)。
29、Krafft温度
在足够低的温度下，溶解度随湿度升高而慢慢增大，当温度达到某一定值后，溶解度会突然增大：这种现象称为Krafft现象，溶解度开始突然增大的温度称为Krafft温度或是K.P点。
30、浊点
非离子型表面活性剂溶液的溶解度随温度升高而下降，当温度升到一定值时，溶液突然变成浑浊，此时的温度称为浊点，即C.P值。
31、正吸附、负吸附：
表面活性剂在表面层中的浓度高于本体溶液中浓度的现象叫做”正吸附”，反之若溶质在表面层中的浓度低于本体溶液中的浓度则称为“负吸附”。
32、吸附膜的铺展压（表面压）π
π＝γ０－γ
γ０－为纯液体的表面张力,其值等于液体的表面自由能。
γ－为吸附了高分子薄膜的液体表面张力,其值等于液体的表面自由能。
33、溶解度参数δ
内聚能密度的平方根称为溶解度参数δ，
34、加工应变层
加工应变层指在制备表面时所产生的应变区，其中位错等点阵缺陷密度很大，点阵畸变也增大，因而改变了金属的原有性能。
35、表面流动
金属表面超点阵的形成是吸附质粒子首先在金属表面某些活性最高的位点被吸附，然后沿金属表面发生迁移的结果。这种沿表面的原子(或离子)迁移，称为表面扩散或表面流动。
36、表面重构
在平行衬底的表面上，原子平移的对称性与体内显著不同，原子作了较大幅度调整，这种表面结构称为重构。
37、晶界
由于陶瓷多晶体中，晶粒的大小、形状是毫无规则的，因此，晶粒与晶粒之间由于取向不同就出现了边界，通常称为晶界。
38、相界
在热力学平衡条件下，不同相间的交界区称为相界。
39、热敏陶瓷
热敏陶瓷是一类电阻率随温度发生明显变化的材料，用于制作温度传感器，线路温度补偿及稳频等的元件——热敏电阻。
40、压敏陶瓷
压敏陶瓷主要用来制作压敏电阻．它是对电压变化敏感的非线性电阻，在某一临界电压下电阻值非常高．几乎没有电流通过，但当超过这一临界电压(压敏电压)时，电阻将急剧变化(减小)并有电流通过。
41、等离子体
等离子体可定义为一种气体状态物质，其中含有原子、分子、离子亚稳态和它们的激发态，还有电子。而正电荷类物质与负电荷类物质的含量大致相等。等离子态被称为“物质的第四态”。
42、偶联剂
所谓偶联剂是分子中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化学或物理的作用，另一种基闭可与基体发生化学或物理作用。
43、表面探针：通常将向固体表面引入微观粒子束(包括光子、电子、离于等)的方法称为表
面探针。
44、粗糙度
粗糙度可定义为：固体表面的微观不平度的定量尺度。用R表示=真实表面积/几何表面积。
45、临界表面张力：
临界表面张力的概念最早是由Zisman提出的。实验发现，一系列测试液在某固体表面
上cosθ与σ
LV 之间存在着线性关系。若测试液是同系物，则cosθ对σ
LV
呈直线，此
直线与cosθ的交点的横坐标即为临界表面张力σ
C
。
46、接触角
将一液滴滴在固体表面上，在三相交界处自固—液界面经过液体内部到气—液界面的夹角叫接触角，以θ表示。
47、前进角θa。
若表面是粗糙的或不均匀的，向液滴加入一点液体只会使液滴变高，周界不动，从而使接触角变大，此时的接触角称为前进角θa。
48、最大前进角
若加入足够多的液体，液滴的周界会突然向前蠕动。此突然运动刚要发生时的角度称为最大前进角。
49、后退角θr。
若从液滴中取出少量液体，液滴在周界不移动的情况下变得更平坦，接触角变小，此时的接触角称为后退角θr。
50、附加压强
如果一弯曲液膜周界在一平面内，则这一薄膜本身也有取平面形状的趋势。向上凸的薄膜变平时，对内部的液体会产生压力，向下凹的薄膜受表面张力作用变平时，对内部的液体会产生向上拉的力。这个压力或拉力产生的压强叫附加压强。
51、相互作用参数
相互作用参数是表征分子相互作用的热力学性质参数，可以表示粘合系统内粘合能和内聚能的状况。聚合表面能与内聚表面能的状况。系统内分子相互作用状况。粘合总内能和内聚总内能状况等。也可以估算聚合物/聚合物间的界面张力。
52、毛细现象
管径很细两端开口的管于插入液体内，则管内外液面会产生高度差的现象。如果液体能润湿管壁，则管内液面会升高；如果液体对管壁润湿不良．则管内液面会低于管外的液面。这种出现在细管壁内液面升高或降低的现象，叫做毛细现象。
53、玻璃表面的化学反应
玻璃表面的化学反应是指玻璃表面和近表面与气体和液体的反应。如反应仅涉及表面几个分子层直到深度10．0nm左右．为化学吸附。
二、填空
1、表面分析的特点
表面分析的对象是固体表面的几个原子层。其中，超高真空环境、样品清洁表面制备和高分辨率表面探针是表面分析的三个重要特点。
2、所谓超高真空水平是指1.33×10-7Pa以下的真空度。在此真空条件下，在表面形成一个覆盖气体分子层则需要大约8小时的时间。因此，在测量的时间范围内，残存的环境气体分子对于表面分析干扰极小，可以忽略。
３、表面结构分析方法
表面结构的研究有两个主要方面：表面原子的排列和二维对称性，以及原子间的相对分布位置或多原子原胞中原子的精细结构：许多研究表面的仪器都能在一定程度上获得有关结构的信息。
(1)低能电子衍射(LEED)
(2)场离子显微镜（FIM）
(3)扫描隧道显微镜(STM)
(4)表面增强拉曼光谱(SERS)
(5)原子束散射(ABS)
(6)X射线驻波(XRSW)
(7)电子显电势精细结构(EAPFS)、)、表面电子能量损失精细结构（SEELFS）
(8)电子或光子受激离子解吸角度分布(ESIDAD，PSIDAD)
(9)离子散射(IS)
离子散射分析技术基于经典的卢瑟夫(Rutherford) 散射原理。该实验方法是以一轻离子束以一定角度碰撞样品表面，然后对背散射离子的强度和能量进行分析：背散射离子的能量位移与靶原子的质量有关：此外，背散射离子在散射物下形成了一个特征的圆锥形阴影区，又称影锥．在此影锥内的原子不为入射离子所作用。离子散射分析技术可以得到影锥的相对位置，从而给出有关原子结构和靶材化学特性的信息。在入射离子能量较低时(1—20KeV)，由于大部分离子均被样品表面层的原子散射而成为背散射离子。因此所得到的信息仅限于表面结构。当入射离子能量增大(200KeV～20Mev)，则离子沿低指数方向入射，可穿透到晶体内层。这种现象称之为沟道效应(Channelling)。显然，如果表面发生弛豫或重构，则有些沟道将被堵塞。这一堵塞效应在离子散射实验中会得到明显的反映。
4、在多晶体中，三个晶粒间的夹角由晶界能的数值决定。
5、造成玻璃表面与主体组成上的差异，主要是由熔制、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。
6、陶瓷中的少量掺杂对晶粒尺寸和晶界性质起到决定性的作用。
7、经深入观察可发现．实际的金属表面其构造并非像清洁表面那样简单，包括几个薄层：加工应变层、氧化层和吸附层，在这三层下面才是真正意义的金属。
8、防止金属腐蚀的方法和途径有许多，主要分为以下四类：①提高金属材料内在的耐蚀性能；③涂、镀非金属和金属保护层；③处理腐蚀介质；④电化学保护。
9、高聚物表面因表面能低、化学惰性、表面污染及存在弱边界层等原因，往往难以润湿和粘合。因此，常常要对高聚物进行表面处理。表面处理的目的就是改变表面化学组成，增加表面能。改善结晶形态和表面的几何性质，清除杂质或脆弱的边界层等，以提高聚合物表面的润湿性和粘结性等。高聚物的表面改性方法有多种，如电晕、火焰、化学改性、等离子改性、辐照、光化学改性等。这些方法一般只引起10nm～100μm厚的表面层的物理或化学变化，对整体性质影响较小。
10、高聚物表面处理后的表面层化学、物理结构发生了变化。但是由于表面层很薄，对表面层变化的表征往往比较困难，表面物理性能一般通过接触角和表面能的测试进行表征，表面的形貌可用电镜进行观察，表面化学组成可由ESCA(光电子能谱)表征。表面处理的效果往往由材料使用的性能直接评估，例如粘接强度的提高，印刷性能的改进，染色性的改善等等。
11、等离子体共有三种：热等离子体，冷等离子体和混合等离子体。
12、等离子体处理对聚合物表面的改性效果
(1)表面交联（２）极性基因的引入(3)对润湿性的影响(4)对粘结性的影响(5)引起聚合物失重，(6)处理后聚合物表面变得粗糙了，(7)形成了小坑，对粘结性有利。 (8)玻璃化温度和粘度降低。
13、最常见的材料表界面类型可以按照其形成途径划分为如下几种。
(1)机械作用界面
(2)化学作用界面
(3)固体结合界面
(4)液相或气相沉积界面
(6)粉末冶金界面
(7)粘结界面
(8)熔焊界面
14、五种类型的吸附等温线，反映了吸附剂表面性质，孔分布及吸附剂和吸附质的相互作用有所不同。因此从吸附等温线的类型反过来可了解一些关于吸附剂的表面性质，孔的分布性质以及吸附剂与吸附质相互作用的有关知识。这就是研究吸附等温线及其类型的意义。15、润湿是一种流体被另一种流体从表面上取代下来的一种物理界面现象。这是涉及到三个相(多相)界面关系的问题。其中至少要有两个相是流体的。共有一气体和两个不互溶液体；一固体和两个不互溶液体；三个不互溶液体以及一液体、一气体和一固体等4种方式都可能构成润湿现象。
16、、液体和固体接触时，常常会发现有些液体能润湿固体，有些不能润湿。把水滴在玻璃板上，水会沿板面铺展开来，说明水是能润湿玻璃的。把水银滴在玻璃板上，水银会缩成珠滴，很容易在玻璃板上滚动，说明水银是不能润湿玻璃的。同一液体能润湿某些固体的表面，而不能润湿另外一些表面。例如，水能润湿清洁的玻璃表面，但不能润湿石蜡的表面。这不仅是和固体的表面性能有关，更重要的是和液体与固体两种分子的相互作用有关。所以，润湿本质上是由液体分子与固体分子之间的相互作用力(粘附力)大于或小于液体分子本身相作用力(内聚力)而决定的。原则上，液体与固体分子之间相互作用力大于液体本身分于相互作用力，则发生润湿；液体分子与固体分子之间相互作用力小于液体分子本身的相互作用力，则不发生润湿。
17、固体表面存在着几何不均一性。即使从宏观上看是很光滑的固体表面，而从原子的微观水平上看，不但不光滑而且还是凹凸不平的，这用扫描电子显微镜拍照观察，即可一目了然。固体不但有结晶趋势，而且还有不同程度的结晶，以金属材料和无机非金属材料的结晶最为明显，就是大部分高分子材料也有结晶结构。晶体表面因结晶不规整而有晶格缺陷、空位、位错等现象，这就导致固体表面的不均一性。固体表面普遍存在不同数量的表面能，说明表面能也具有不均一性，不同的表面位置，表面能可以相差很大，表面的吸附性能和催化活性也不尽相同。固体表面几乎总是被外来物质所污染，或总是吸附着外来物质，很难得到真正洁净的表面。这些吸附物质不仅影响着表面的化学性质，对表面摩擦、粘附、化学反应或机械加工等机械物理性能也有影响。这些被吸附的外来原子或分子，在表面不同的位置上有不同的聚集状态，形成有序的或大多数是无规则的排列，这些都成为影响表面均一性的因素。实际上，在地球大气下的固体表面只是和气相接触并紧贴于纯固体上的过渡层而已。此过渡层是化学成分和聚集结构逐渐变化的表层，在不同层次的表层里，包含着不同比例的固体与气体的组成结构，而且在整个过渡层的表面上也是不均匀的。所以，严格地说固体表面只是一层被污染了的过渡层而已。
18、固／气界面吸附的影响因素
(1)温度的影响
气体吸附是放热过程，要使吸附剂达到较高效率的吸附，控制温度偏低一点有利。无论是物理吸附还是化学吸附，温度升高因解析的趋势增加，会降低吸附量。在物理吸附中，温度最好控制在气体吸附质的沸点附近，才会有较明显的吸附作用。化学吸附的情况比较复杂，对吸附剂是有选择性的。
(2)压力的影响
无论是物理吸附还是化学吸附，吸附量和吸附速率都随压力的增加而增加。物理吸附类似于气体的液化，压力增加气体有被液化的倾向，压力减小液化的气体会气化。所以吸附与解吸随压力的变化而发生可逆性的变化。化学吸附是在固体表面上要发生电子交换的化学反
应。因此，化学吸附过程有不可逆性，即不可能单独靠降低压力发生解吸，必须给予足够的能量如加热，使化学吸附形成的化学键断裂，促其分解或解吸。但是．压力对化学吸附的平衡条件几乎无影响。
(3)吸附剂和吸附质性质的影响
吸附剂或催化剂和吸附质因品种很多，吸附的行为就显得很复杂，不易将其典型化或单—化进行全面的概括，仅能从经验积累的一般规律，作一些概括性的表述：
①极性吸附剂，如硅胶、硅铝催化剂和Al2O3等比较容易吸附极性的吸附质．如水、NH3、乙醇等。②非极性吸附剂，如活性炭、炭黑等比较容易吸附非极性吸附质，故能较好地吸附烃类和各种有机蒸汽。③吸附质的分子结构越复杂，分子量越大，沸点越高。则越容易被吸附。④酸性吸附剂易吸附碱性的吸附质；碱性吸附剂易吸附酸性吸附质。⑤吸附剂的孔隙大小会影响吸附速率和吸附量。
19、液体表面张力的测定
1）毛细管法
2）最大气泡压力法
3 ）滴重法
4）吊环法
5）吊板法
20、称为Langmuir吸附等温式，b称为吸附系数。定量描述了θ
/S表示表面已被吸附的面积分数。
与平衡压力p之间的关系。θ=S
1
21、θ= 00 完全润湿，液体在固体表面铺展。
900＜θ＜ 900液体可润湿固体，且θ越小，润湿性越好。
900＜θ＜1800液体不润湿固体。
θ= 1800完全不润湿，液体在固体表面凝聚成小球。
22、固—液之间多少总存在吸引力，接触角θ在00—1800之间。接触角越小，粘附功越大，
润湿性越好。
23、HLB值的大小表示表面活性剂亲水亲油性的相对大小，HLB值越大．表示该表面活性剂的
亲水性越强，HLB越低，则亲油性或疏水性越强。
24、液体聚合物和聚合物熔体的表面张力测定方法
（1）躺滴法（2）贴泡法(3）悬滴法(4)吊片法
25、高聚物的表面改性方法有多种，如电晕、火焰、化学改性、等离子改性、辐照、光化学
改性等。这些方法一般只引起10nm～100μm厚的表面层的物理或化学变化，对整体性质影响较小。
26、实际的金属表面(在表面科学中称之为“真实表面”)其构造并非像清洁表面那样简单，
而是如图8—1所示的那样，包括子个薄层：加工应变层、氧化层和吸附层，在这三层下面才是真正意义的金属。
27、表面分析的对象是固体表面的几个原子层。其中，超高真空环境、样品清洁表面制备和
高分辨率表面探针是表面分析的三个重要特点。
28、表面结构分析方法：
(1)低能电子衍射(LEED)(2)场离子显微镜（FIM）(3)扫描隧道显微镜(STM) (4)表面增强拉
曼光谱(SERS) (5)其他表面结构分析方法。
29、表面成分分析方法
(1)俄歇能谱法(AES)(2)二次离子质谱(SIMS)(3)其它表面成分分析方法
30、随分子量的增大，表面张力也增大。同系聚合物
的表面张力与分子量的M-2/3呈线性关系。
式中σ
∞
为分子量无穷大时的表面张力，Ke为常数。 Mn为高聚物的数均分子量。
31、Ｓ＝γ
13－γ
12
－γ
23
的数值来判断铺展情况,此值称为铺展系数S.
三、问答题及论述题
1、Langmuir用动力学的观点研究了吸附等温线。这个理论的基本观点是什么？
①固体表面存在一定数量的活化位置，当气体分子碰撞到固体表面时，就有一部分气体被吸附在活化位置上，并放出吸附热；②每个活化位置可吸附一个分子，吸附作用只能发生在固体的空白表面上，若固体表面已盖满一层吸附分子，则力场达到饱和，因此吸附是单分子层的；③固体表面是均匀的，表面各个位置发生吸附时吸附热都相等，被吸附分子间没有相互作用力；④巳吸附在固体表面上的气体分子，当其热运动足够大时，又可重新回到气相，即发生脱附。吸附和脱附形成动态平衡。
2、BET吸附模型假定条件是什么？
固体表面是均一的，吸附是定位的，并且吸附分子间没有相互作用。但他们认为(1)已吸附了单分子层的表面还可以通过分子间力再吸引第二层、第三层……即吸附是多分子层的。(2)各相邻吸附层之间存在着动态平衡，并不一定等一层完全吸附满后才开始吸附下一层。(3)第一层吸附是固体表面与气体分子之间的相互作用，其吸附热为q
1
。第二层以上的吸附都
是吸附质分子之间的相互作用，吸附热接近于被吸附分子的凝聚热q
L
。因此，第二层以上的吸附热是相同的，而第一层与其它各层的吸附热是不同的。
3、产生接触角滞后的原因？
⑴液膜的弹性
⑵固体表面粗糙不平
⑶表面组成不均匀
⑷表面受到污染
⑸表面的不流动性。
4、接触角测定时注意事项是什么？
⑴同一种固体，使用不干净的仪器或用手指触摸了试样，都会影响接触角测定的准确性。
⑵同一种固体，表面经不同的预处理或是结晶条件不同，也会影响接触角。
⑶在测定时，尽可能控制测定环境的温度、湿度、液体的蒸汽压。
⑷液体与固体的清洁度。
⑸试样表面的祖糙度等。
5、影响接触角的因素有哪些？
（1)、接触角滞后的影响
（2)、固体表面的粗遭度对接触角的影响
（3)、空气相对湿度的影响。
（4)、固体表面不均匀性对接触角的影响。
6、固体聚合物表面张力的测试方法
1)由熔融聚合物的表面张力—温度关系外推；
2)由表面张力与分子量关系，以σ-- M-2/3或σ1/4对M-1作图外推；
3)由等张比容法估算；
4)由表面张力与内聚能关系估算；
5)测定液体对聚合物的接触角．由方程式(6—31)求取σsV；
6)用两种已知σd和σp的液体测定其对高聚物的接触角，由几何平均法或调和平均法，由方程式(6—39)或方程式(6—43)求出高聚物的表面张力及其分量；
7)用同系列液体测出其对高聚物的接触角，以cosθ—σLV作图，求临界表面张力σc。
8)用一系列已知σLV的液体测定其对高聚物的接触角θ，由式(6—46)求出σcφ，以σcφ对σLV 作图，求σs的状态方程法。
原则上，上面用来测试高聚物表面张力的方法也可用来测定一般固体的表面张力及其分量。
7、高聚物的表面改性方法是什么？
1）电晕放电处理
2）火焰处理和热处理
3）化学改性
4）光化学改性
5）等离子体表面改性
.6）表面接枝
8、比较物理吸附和化学吸附的区别？
根据吸附力的本质，可将固体表面的吸附作用区分为物理吸附和化学吸附。物理吸附的作用力是Vanderwaals力。
（1)物理吸附层可看作是蒸汽冷凝形成的液膜，物理吸附热的数值与液化热相似，一股在40kJ／mol以下。在化学吸附中，作用力与化合物中形成化学键的力相似，这种力比 Vanderwaals力大得很多，化学吸附热也与化学反应热相似。一般在80kJ／mol—
400kJ／mol之间。
（2）Vanderwaals力存在于任何分子之间，因此物理吸附没有选择性，只要条件合适，任何固体皆可吸附任何气体，吸附多少因吸附剂和吸附质种类小同而异。反之，化学吸附只有在特定的固—气体系之间才能发生，有选择性。
（3)物理吸附的速度一般较快，而化学吸附像化学反应那样需要一定活化能，所以速度较漫。（4)化学吸附时，固体表面与吸附质之间要形成化学键，所以化学吸附总是单分子层的，而物理吸附可以是多分子层的。
（5）物理吸附往往容易脱附，是可逆的。
9、金属的表面改性方法有哪些？
1）激光表面改性
(1)激光相变硬化(LTH)
(3)激光表面合金化处理(LSM)
(4)激光熔覆(LSC)
2）离子束表面改性
离子注入是将某种元素的原于进行电离，并使其在电场中加速，在获得较高的速度后射入固体材料表面，以改变这种材料表面的物理、化学及力学性能的一种离子束技术。
3）金属表面涂塑
金属表面涂塑就是采用各种方法在金属表面涂覆上一层0.02mm—3.0mm厚的塑料薄膜。4）气相沉积硬涂层技术
气相沉积(PVD，CVD)硬涂层是最常采用的技术，它对要制取涂层的类型和结构具有良好的适应性，此外，由于许多难熔化合物对杂质敏感，要获得高质量的高熔点涂层，必须使薄膜的生长在高清洁度下进行，这种要求对于在气相中进行的原子沉积工艺来说最易于满足。
5）化学热处理表面改性
金属表面的化学热处理是指在一定条件下由周围介质向金属表面进行物质输送的过程。被输
送的物质称之为“渗入元素”。
10、碳纤维的表面处理
(1)表面清洁处理
碳纤维吸附性强，表面易吸附水分及有机污染物。有报导说，仅在情性气氛中将碳纤维加热到1000℃以上，作表面清洁处理，就可提高纤维对基体的粘接力。
(2)气相氧化法
在400℃—500℃用空气，氧气，CO2，臭氧等处理碳纤维．使表面产生羰基、羟基、羧基等含氧的极性基团．以利于碳纤维与基体树脂的界面结合；气相氧化法的优点是设备简单，反应时间短，易连续化，缺点是反应难控制，重复性差，而且会使纤维严重损伤。
(3)液相氧化法
液相氧化法是用浓HN03，HPO4，HCL0，KMnO4，NaCLO3等溶液或混合溶液为氧化剂，对碳纤维表面进行氧化。其户浓HN03法和混酸法使用较多。
硝酸氧化法初中酸浓度十分重要，硝酸浓度应在60％以上，浓度低效果不佳，但浓度太高可能损伤纤维。
(4)阳极氧化法
阳极氧化法是以碳纤维为阳极，石墨或其他电极为阴极．用电解产生的初生态氧对碳纤维进行表面处理。使用的电解液有HNO3，NaoH，CuCl，KNO3，NH4NO3；等溶液。该方法的优点是操作简便，易控制，可连续生产，已实现了工业化。
(5)表面涂层
将某种聚合物涂覆在碳纤维表面，以改变复合材料界面层的结构与性能。
(6)表面沉积无机物(CVD)
在高温还原气氛中，使烃类、金属卤化物等还原成碳或碳化物，硅化物等，在碳纤维表面形成沉积膜或成长出晶须，以改善纤维的表面形态结构。
(7)电聚合处理
电聚合处理是以碳纤维为阳极或阴极，在电解质溶液中使乙烯基单体聚合在碳纤维的表面上，从而改进复合材料的界面性能。
(8)冷等离子处理
冷等离子处理具有对纤维损伤小，处理效果好，无二废问题等优点，是很有前途的表面处理方法。
10、简述复合材料界面理论：
1）浸润性理论是1963年由Zisman提出的。该理论认为，浸润是形成界面的基本条件之一，两组分如能实现完全浸润，则树脂在高能表面的物理吸附所提供的粘接强度可超过基体的内聚能。
2）化学键理论
化学键理论认为要使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结合形成界面：若两相之间不能直接进行化学反应，也可通过偶联剂的媒介作用以化学键互相结合。
3）变形层理论
考虑到在复合材料成型时基体和增强剂的膨胀系数相差较大，成型时产生的内应力可能产生不利因素：为了消除这种内应力．基体和增强剂的界面区应存在着一个过渡层，过渡层起到了应力松弛的作用。对于过渡层的形态，变形层理论认为过渡层应是塑性层，塑性层的形变能起到松弛应力的作用。如果产生微裂纹也有白行消除的可能。因此表面处理剂应能在界面形成一个能松弛应力的过度层。
4）拘束层理论
该理论也认为在基体和增强之间存在一个松弛应力的过渡层。但是过渡区的结构不是柔性的变形层．而是模量介于基体和增强剂之间的界面层，起到了均匀传递应力的作用。
5）可逆水解理论
1970年Plueddmann提出了可逆水解理论，用来解释硅烷偶联剂的偶联作用机理，同时来说明松弛应力的效应以及抗水和保护界面的作用。
6）摩擦理论
摩擦理论认为．基体与增强材料界面的形成完全是由于摩擦作用。基体与增强材料间的摩擦系数决定了复合材料的强度：处理剂的作用在于增加了基体与增强材料间的摩擦系数，从而使复合材料的强度提高。
7）扩散理论
此理论是Borozncui等首先提出来的。该理论认为高聚物的相互间粘结是由表面上的大分子相先扩散，两相的分子链互相扩散，渗透，缠结，形成了界面层；扩散过程与分子链的分子量．柔性，温度，溶剂，增塑剂等因素有关。相互扩散实质上是界面中发生互溶，粘结的两相之间界面消失．变成了一个过渡区域，因此对粘接强度提高有利。
8）静电理论
该理论认为．两相表面若带有不同的电荷，则相互接触时会发生电子转移而互相粘结，有人认为这种静电力是粘接强度的主要贡献者。
9）酸碱作用理论
该理沦认为，酸性表面可与碱性表面通过酸碱相互作用结合。这里所说的酸碱是个广义的酸碱：物质的酸碱性可用酸性参数E和碱性参数C来表示。
11、简述清洁表面的制备方法
一般采用的方法如下：
1)在超高真空条件下获得清洁表面。例如在超高真空环境下，用简单的晶面劈开法即可得到清洁的云母、碱性岩盐的表面。
2)用简单的加热方法去除表面的沾污。例如氧、碳、硫等物质同表面形成化学吸附时，可采用加热法使表面的污染物形成易挥发的氧化物、碳化物、硫化物，自动地跑到真空中或扩散到体内。
3)在化学气氛中加热去除那些通过简单加热不能清除的化学吸附沾污，因为，沾污物在化学气氛中可以形成可挥发的化合物：例如，表面的氧化物可以在氢气中加热。
4)利用惰性气体离子(如Ar+、Ne+)轰击表面而有效地清除一些较顽固的沾污：该方法的缺点是有可能破坏表面上的原于正常排列。通常通过退火可以使破坏的原子排列得以恢复。5)沿一些晶体的特定晶面自然解理而获得清洁表面。该方法不仅简单直接，还可保留原来晶体的固有性质。例如，在液氮温度下通过自然解理可获得硅和铂的清洁表面。氟化钙的晶面也可利用该方法获得。
6)通过真空蒸发法在适当的基片上获得预想的单晶和多晶薄膜，以此作为研究对象的清洁表面。
12、怎样用表面张力与温度或相对分子质量的关系间接测定高分子材料的表面张力？
13、怎样测定固体材料的临界表面张力？临界表面张力是否等于固体的表面张力？为什么？
临界表面张力的概念最早是由Zisman提出的。实验发现，一系列测试液在某固体表面上cosθ与σLV之间存在着线性关系。若测试液是同系物，则cosθ对σLV呈直线，此直线与cosθ的交点的横坐标即为临界表面张力σC。若测试液不是同系物，则往往得到一条离散的直带或一条曲线．直带中最低的那根线与cosθ＝1的交点的横坐标定义为临界表面张力。临界表面张力是固体表面性能的一个重要参数。
由临界表面张力的定义可知，固体的临界表面张力等于该固体上接触角恰好为零的液体的表面张力，即
由此可见，临界表面张力比固体表面张力σS小（σS—πe)。由于界面张力σSL随不同测试液而变化。πe也随测试液而变，因此，临界表面张力σC可能随选用的测试液而变化，在选用时需特别小心。
14、怎样用几何平均法和调和平均法来测定聚合物的表面张力及其分量？
15、滴重法
这是一种既精确又方便的方法。它既可测定气/液表面张力，又可测液/液界面张力。如图所示，在恒温的条件下，使管端缓慢形成的液滴滴人杯中，在收集到适量的液体后即可称重，由此精确地测得每滴液重。早在1864年T ate就提出液滴质量mg与表面张力σ
的关系为
式中r是毛细管半径，液体能润湿管端平面时为外径．不能润湿时为内径。
16、毛细管法
更普遍的情况是液体与管壁之间的接触角θ介于00--1800之间，若弯月面仍为球面，则
从毛细升高或下降的高度h，即可求出液体的表面张力。
17、有哪些接触角的测定方法？
（1）停滴法。
在光滑、均匀、水平的固体表面上放一小液滴，因液滴很小，重力作用可忽略：将液滴视作球形的一部分，测出液滴高度h与底宽2r，由简单的几何分析可求出θ。
（2）吊片法。
将表面光滑、均匀的固体薄片垂直插入液体中，如果液体能够润湿此固体，则将沿薄片
平面上升(见图)。升高值h与接触角θ之间的关系为：
可求出θ。
在已知σ
LG
（3）电子天平法。
测定纤维对浸润液的接触角在纤维增强复合材料中非常重要，可用电子天平法进行测
定。
设一根纤维浸在某液体中，纤维的另一端挂在电子天平的测量臂上。用升降装置使液面逐渐下降。纤维经(b)状态脱离液面，在纤维脱离液面的瞬间，电子天平测出该变化过程
中力的变化⊿P。
当θ= 00
当θ= 00
（4）接触角的直接测量法。
如图所示，将液滴试样滴在固体试样平面上，令其自然形成已达到平衡的凸透镜形状液滴；或将空气泡压在固体下面的液体中，待气／液／固三相界面达到平衡后，把液滴或气泡的影像直接放大并投射到银幕上，就可直接用量角器或角度计测出接触角。也可以用感光相纸拍成照片，再测量。有一种接触测定仪，将要测的液滴试样放在恒温室的平台上，平台可上下、左右、前后三向调节，用平行光源水平照射液滴试样，从与光源相对的位置用专门设计的显微镜进行观察，调节显微镜目镜中的角度计和可动的切线尺，即可在恒温下准确地测出接触角θ值。这种方法又称为角度法，是最常用的方法。
（5）水平面法。
水平面法又称斜板法。如图所示，将很平滑的平板形固体表面，夹在可调节倾斜度和上下左右位置的夹具中，然后将平板浸入水槽。水槽的水面先用刮板撇去表面污染物，调节平板的角度，直到与平板接触处的水表面保持水平，夹角处不出现曲面，这时的水平面和平板形成的夹角即为接触角的θ值。
18、表面张力的测量方法有那些？各有什么特点？
⑴毛细管法：一般公认毛细管上升法是测量表面张力最准确的绝对方法之一。精度可达万分之几。
⑵滴重法：滴重法也可以用于测定液／液界面张力。精度可达0.1％，对一般液体或溶液皆能适用。对建立平衡表面张力缓慢的体系则不太适用。
⑶圆环法：精度可达0.25％。
⑷吊片法：精度可达正负0.2Ｎ／ｍ。测定范围为０～200ｍＮ／ｍ。适合高聚物表面张力的测量。
⑸最大气泡压力法：精度可达千分之几。并且此法不依赖接触角。方便、快捷。
⑹悬滴法：精度可达千分之几。应用很广，只需要很少的液体，对只有在高温才能成为液体的或具有反应活性的液体，也都能测量。对表面张力随时间有变化的液体，也可以测量。适合高聚物表面张力的测量。
⑺躺滴或贴泡法：适合高聚物表面张力的测量。
19、毛细管法测定液体表面张力，为什么要对毛细管法进行修正？
1)对凹月面看作为球面的近似处理。事实上凹月面不可能是一个绝对的球面，也即凹月面上每一点的曲率半径都不一定相等。
2)只有在凹月面的最低一点毛细上升高度才是h，在其他各点上，毛细上升高度都大于h。若今y表示凹月面上某点离开液面的距离，则有△P=△ρgy。只有在凹月面最低点上才有△P=△ρgh，对毛细上升现象作精确处理，必须考虑对以上两个偏差作修正。
20、防止金属腐蚀的方法和途径有哪几类？
①提高金属材料内在的耐蚀性能；③涂、镀非金属和金属保护层；③处理腐蚀介质；④电化学保护。
21、对CMC的影响因素是什么？
(1)疏水基的影响
在水溶液中，在C
8—C
16
范围，表面活性剂疏水基烃链长度增加会导致CMC下降。
(2)亲水基的影响
在水溶液中，离子表面活性剂比同烃链的非离子表面活性剂的CMC值高得多。亲水基的种类对CMC影响不大。
(3)温度的影响
开始时CMC随温度升高而下降。中间经过一最小值，然后随温度升高而增大，
(4)其它因素的影响
在水溶液中添加电解质会导致CMC下降。电解质对离子型表面活性剂CMC的影响较大，对两性表面活性剂影响次之，对非离子型表团活性剂影响较小。
22、综述难粘聚合物材料表面处理方法。
1 化学试剂处理法
采用化学试剂对聚烯烃材料进行表面处理是聚烯烃的表面预处理方法中应用较多的一
大类方法(简称化学法)。据不完全统计就有铬盐--硫酸法(Cr-H
2SO
4
)、过硫酸盐法、铬酸法、
氯磺化法、氯酸钾盐法、白磷法、高锰酸钾法等近十种之多。此类方法用于处理难粘材料表面的原理在于处理液的强氧化作用能使塑料表面的分子被氧化，从而在材料表面导入了羰基、羧基、乙炔基、羟基、磺酸基等极性基团。同时薄弱界面层因溶于处理液中而被破坏，甚至分子链断裂，形成密密麻麻凹穴、增加表面粗糙度，改善了材料的粘附性。
影响材料表面预处理效果的主要因素有处理液配方、处理时间和温度、材料的种类等。
化学处理法具有处理效果好、不需要特殊设备、用起来容易等特点，一度应用在中小型厂塑料制品的表面处理上，但是由于这种方法处理时间长、速度慢、制品容易着色，处理后还要中和、水洗及干燥，处理液污染性较大，目前已趋于淘汰。
2 气体热氧化法
聚烯烃材料表面经空气、氧气、臭氧之类气体氧化后，其粘接性，印刷性以及涂覆性能均可得到改善，其中臭氧法有较高的使用价值，它与空气或氧气氧化法不同，基本上不受聚烯烃材料中抗氧剂的影响。如含0.2%抗氧剂的PE在300℃下挤出时，若用臭氧同时处理，则XPS测得O∶C为6.2%，远远大于空气氧化时测得的1.5%的数值，基本上克服了抗氧剂的不良影响。
在热空气中添加某种促进剂，对聚烯烃的处理效果也不错，如添加某些含N络合物、二元羧酸以及有机过氧化物等，据报导其剥离强可提高到0.408～0.784 MPa。
气体氧化法工艺简单、处理效果明显，没有公害、特别适用于聚烯烃的表面处理。但此法要求与材料尺寸相当的鼓风烘箱或类似加热设备，故使它的应用受到一定的限制。
3 火焰处理法
所谓火焰处理就是采用一定配比的混合气体，在特别的灯头上烧，使其火焰与聚烯烃表面直接接触的一种表面处理方法。
同前述两种处理方法一样，火焰法也能将羟基、羰基、羧基等含氧极性基团和不饱和双键导入聚烯烃材料表面的污垢，消除薄弱界面层，因而明显改善其粘接效果。是目前较流行的表面处理方法。
火焰处理法成本低廉、对设备要求不高。影响火焰处理效果的主要因素有灯头型式，燃烧温度、处理时间、燃烧气体配比等，由于工艺影响因素较多，操作过程要求严格，稍有不慎就可能导致基材变形，甚至烧坏制品，所以目前主要用于软厚的聚烯烃制品的表面处理。
4 电晕处理
电晕处理(又称电火花处理)是将2～100千伏、2～10千赫的高频高压施加于放电电极上，以产生大量的等离子气体及臭氧，与聚烯烃表面分子直接或间接作用，使其表面分子链上产生羰基和含氮基团等极性基团，表面张力明显提高，加之糙化其表面去油污、水气和尘垢等的协同作用改善表面的粘附性，达到表面预处理的目的。
电晕处理具有处理时间短、速度快、操作简单、控制容易等优点，因此目前已广泛地应用于聚烯烃薄膜印刷、复合和粘接前的表面预处理。但是电晕处理后的效果不稳定，因此处理后最好当即印刷、复合、粘接。
影响电晕处理效果的因素有处理电压、频率、电极间距、处理时间及温度，印刷性和粘接力随时间的增加而提高随温度升高而提高，实际操作中，通过采取降低牵引速率、趁热处理等方法，以改善效果。
5 低温等离子体技术
低温等离子体是低气压放电(辉光、电晕、高频、微波)产生的电离气体。在电场作用下，气体中的自由电子从电场获得能量，成为高能量电子，这些高能量电子与气体中的分子、原子碰撞，如果电子的能量大于分子或原子的激发能，就会产生激发分子或激发原子、自由基、离子和具有不同能量的辐射线。低温等离子体中的活性粒子具有的能量一般都接近或超过碳碳或其它含碳键的键能，因此能与导入系统的气体或固体表面发生化学或物理的相互作用。如采用反应型的氧等离子体，可能与高分子表面发生化学反应，引入大量的含氧基团，改变其表面活性，既使是采用非反应型Ar等离子体，也可能通过表面交联和蚀刻作用引起的表面物理变化而明显地改善聚合物表面的接触角和表面能。
而日本岐阜大学的村知之和小秀一发现的微波等离子体法，则可利用家用微波炉在实验室中用日常使用的器具很容易地进行等离子体处理。
6 力化学处理
力化学处理、粘接是基于聚合物的力化学反应原理而进行的。聚合物在受到外力(如粉碎、振动研磨、塑炼等)作用时，会产生化学反应，称为聚合物的力化学反应。这种反应有两类，一类是在外力作用下的高分子健产生断裂而发生化学反应，包括力降解、力交联、力接枝等；另一类是应力活化聚合反应。力化学粘接主要是基于前一类反应。
在力化学粘接中对涂有胶的被粘物表面进行摩擦，通过力化学作用使聚合物表面产生力降解而形成大分子自由基，它与粘合剂分子可能形成一定数量的共价键，产生牢固的界面结合，从而大大提高了接头的粘接强度，这已为电子自旋共振谱(ESR)和内反射红外光谱(ATRIR)研究所证实。
影响力化学处理的因素主要有研磨的压力、转速、时间、磨料的种类和研磨的温度。对
于不同的粘合剂--被粘材料体系，其处理工艺参数是不尽相同，需通过实验来优化确定。
7 钠—萘法处理聚氟四乙烯
目前对PTFE的表面处理已有很多方法：
(1)在碱金属钠的氨溶液中浸蚀；(2)在钠—萘溶液中浸蚀；(3)用四烷基铵阴离子盐电化学还原；(4)在高温下用碱金属蒸气处理；(5)用碱金属齐或高温处理；(6)在325℃熔融的醋酸钾中处理；(7)电子束辐照；(8)PTFE表面金属溅射；(9)在氖或氦惰性气体中辉光放电等，其中钠—萘溶液处理的方法最简单、通用、有效、且快速、易行、廉价。
8 涂覆法处理聚丙烯
为了进一步改善聚丙烯薄膜的粘接性、印刷性及热焊(热封)性，国外开发一种新的技术，即在聚丙烯薄膜上涂上一层极薄(2～3 μm)的涂覆物质，它是一种结晶度较低、含极性基团的热塑性物质从而形成一个所谓的过滤层，来改善其薄膜表面的特性，这种薄膜称涂覆聚丙烯薄膜。
比较常用的涂覆材料是氯化等规聚丙烯(CPP)。将等规聚丙烯粉末溶解在四氯乙烯或四氯乙烷等氯化有机溶剂中，用氯气或磷酰氯等为氯化剂，在搅拌和热至100℃下进行氯化，反应终了，精制生成物，减压干燥即得氯化等规聚丙烯。
涂覆可根据加工机械和涂膜使用目的，选择溶液或熔融两种方式，涂层厚度以1～50 μ为宜。
涂覆的薄膜与印刷纸、铝箔、橡胶以及其它塑料薄膜等材料用热压的方法进行层合加工，其粘合牢度十分理想，用普通油墨施行印刷，能得到满意的印刷品。
9 聚烯烃材料表面改性剂
聚烯烃材料表面改性剂的研究是聚烯烃材料表面预处理方法中最新研究动向。其改性机理同上述其它使材料表面发生化学变化的处理方法明显不同。聚烯烃材料表面改性剂分子结构中含有两类基团，一类基团是亲油墨、粘合剂的亲水基团，如羟基、羧基、羰基、胺基等。另一类是亲聚烯烃类树脂的亲油基团(或憎水基团)，如长链烷基、聚氧乙烯基等。将聚烯烃材料表面改性剂同聚烯烃树脂用混炼机混合，在成型加工过程中，由于表面张力的作用大分子链上的极性基团向树脂表面迁移，并在制品表面富集，聚烯烃材料表面的极性、接触角、表面能发生很大的变化，有利用于油墨的粘附和材料之间的粘接。而长链烷基则可能同聚烯烃树脂形成共结晶(即物理交联点)，相当于将迁移至表面的极性基团“锚”在树脂结构当中，不会形成弱界层面随油墨、粘合剂脱落。可见这是一个具“永久”性的表面改性方法。
据此道理，人们有可能依靠适当的分子设计，使聚烯烃表面存在各种不同的功能基，从而服务于不同的表面改性目的如防污、抗静电、防电晕等。
综上所述，各种处理方法都是要改善表面极性、降低接触角、提高表面能，只要系统掌握、灵活运用，难粘材料不再难粘。
四、计算题
请复习书后的作业题。
（填空有些没有是上课时强调的）
简诉催化剂的表面结构与性能 材料学院材料化学10-2 郑笔志 201001130939 一﹑NH3 在V2O5/ AC催化剂表面的吸附与氧化 将V2O5 担载在活性焦( AC) 上制得V2O5/ AC 催化剂, 通过吸附脱附实验、程序升温脱附实验与原位质谱结合, 对200e 下NH3 在V2O5/ AC 催化剂表面的吸附和氧化行为进行了研究。 NH3 在载体AC 上的吸附和氧化行为如图1 所示. 图中第1 阶段为只通Ar 未通NH3+ O2/ Ar 时尾气的质谱信号, 第2 阶段为连续通入NH3 + O2/Ar 后反应器出口各气体浓度的变化, 第3 阶段是切断NH3+ O2/Ar 后, 用Ar 吹扫时尾气浓度的变化.在NH3+ O2/ Ar 通入反应器初期的200 s 内, 出口NH3 和NO 的浓度与未通NH3+ O2/ Ar 时的信号相同, 200 s 后NH3 和NO 同时开始逸出, 且两者的浓度都逐渐升高并接近平衡, 表现出相同的规律. 在第3 阶段的Ar 吹扫过程中有NH3 和NO 放出, 表明第2 阶段发生了NH3 和NO 吸附, 且吸附的NH3和NO 能够在吹扫过程中同一温度脱附. 整个过程中出口N2O 和N2 的浓度一直与未通NH3+ O2/ Ar前相同, 表明无N2O 和N2 释放.第2 阶段的前200 s 内没有检测到NH3 和其他气体, 说明AC 表面存在NH3 的吸附位, 吸附了NH3 但不产生不能被吸附的气体产物. 在200~270 s 内, NH3 的出口浓度逐步上升并接近平衡,说明.
AC 表面的NH3 吸附位被逐渐覆盖, 残余的空吸附位越来越少, 不能被吸附的NH3 越来越多. 出口NO 的浓度表现出与NH3 同样的行为, 在逸出NH3 的浓度接近最大值时NO 的浓度也接近最大值. 这表明AC 表面存在不能被吸附的NH3 所覆盖, 并且可以连续不断地将NH3 转化为NO 的氧化位. 而这些氧化位在第2 阶段初期必定会将NH3转化为NO, 所以第2 阶段初期没有NO 逸出的现象表明生成的NO 会被AC 所吸附, 而NH3 和NO相同的逸出规律表明二者的吸附位可能相同。 一般认为, NH3 可发生如下三种氧化反应:
第 1 章绪论 物理表面：三维的规整点阵到体外空间之间的过渡区域, 这个过渡区的厚度随材料的种类不同而异, 可以是一个原子层或多个原子层。是不同于两相的第三相。 理想表面：是指除了假设确定的一套边界条件外, 系统不发生任何变化的表面。 清洁表面：指不存在任何污染的化学纯表面, 即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等物理、化学效应的表面。 谓弛豫：表面附近的点阵常数发生明显的变化。 重构：表面原子重新排列, 形成不同于体内的晶面。 台阶化：指出现一种比较规律的非完全平面结构的现象。 吸附：指气相中的原子或分子在气固或液固界面上的聚集。 偏析：指溶液或溶质在相界、晶界或缺陷上的聚集。吸附和偏析是化学组分在表面区的变化。吸附表面：吸附有外来原子的表面。 第2章液体表面 系统的能量越低越稳定, 故液体表面具有自动收缩的能力。 表面张力：是单位长度上的作用力, 单位是N/ m。它是反抗表面扩大的一种收缩力, 它的作用是使一定体积的系统具有最小的表面积。 也可以理解为系统增加单位面积时所需作的可逆功, 单位为J/ m2, 是功的单位或能的单位, 所以σ也可以理解为表面自由能, 简称表面能。 单组分液体的表面张力等于比表面自由能。 附加压力的方向总是指向曲率中心一边, 且与曲率大小有关, Laplace 方程： 球面：Δp = 2?/ r任意曲面：Δp = ?( 1/ r1 + 1/ r2 )当曲率半径r1 = r2= r, 曲面成为一个球面, 对于平液面，两个曲率半径都为无限大，Δp = 0，表示跨过平液面不存在压差。 液体表面张力的测定： 1 毛细管法 当毛细管浸在液体中, 若液体能完全浸润管壁, 则会发生毛细上升现象, 液面呈凹月形。反之, 若液体完全不浸润管壁, 则液面下降呈凸液面。 毛细升高现象可用Laplace 方程处理。假定毛细管截面是圆周形, 且管径不太大, 并假定凹月面可近似看作半球形, 此时不仅两个曲率半径相等, 而且都等于毛细管半径r。 由Laplace 公式可得Δp = 2σ/ r则压差Δp应等于毛细管内液柱的静压强Δρgh，即Δρgh = 2σ/ r (1) Δρ为液气两相密度差, g为重力加速度。 也可以改写成:a2= 2σ/ Δρg = rh (2) a为毛细常数, 它是液体的特性常数。 当液体完全不浸润管壁时, 式(2 -21)仍适用, 毛细上升改为毛细下降, h 表示下降深度。 更普遍的情况是液体与管壁之间的接触角θ介于0°～180°之间, 若弯月面仍为球面, 则有:Δρgh =2σcosθ/r(3) 由式(1)或式(3) , 从毛细升高或下降的高度h , 即可求出液体的表面张力。 2 最大气泡压力法 将一根毛细管插入待测液体中，缓缓通入惰性气体，使其在管端形成气泡逸出,当毛细管很细时，可假设气泡在生成过程中始终是球体的一部分。但气泡在发展过程中半径由大变小，当气泡形状恰为半球时，气泡的半径最小，正好等于毛细管半径,Δp也相应达到最大值。实验过程中用连接在毛细管上的U形压力计测出最大气泡压力，则Δp max =Δρgh = 2σ/ r，若测试中，毛细管下端在液面下的深度为t，则Δpmax =Δρgh - p t 。 3 滴重法 是一种既精确又方便的方法。它既可测定气液表面张力, 又可测液液界面张力。
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'-?=?????=
名词解释 1、电极极化 将两块不同金属放在电解质溶液中，两个电极的电势差就会引起腐蚀，当腐蚀的原电池短接，电极上有电流通过时，会引起电极电势的变化，这种变化称为电极的极化。 通过电流引起电极电位差减少称为原电池极化。通阳极电流时，阳极电位向正的方向移动，叫阳极极化；通阴极电流时，阳极电位向负的方向移动，叫阴极极化； 2、电池循环寿命 在一定的放电制度下，电池容量降至规定值之前，电池所经历的充、放电的循环次数 3、激发态猝灭 激发态分子也可以通过分子与分子之间的碰撞或与溶剂杂质分子之间的碰撞，放出能量（热）而导致失活，这种过程称为猝灭 4、固相反应的特点（P147）： 固相反应是固体参与直接化学反应并引起化学变化，同时至少在固体内部或外部的一个反应中起控制作用的反应。 特点：（1）固体质点间具有很大的作用键力，故固态物质的反应活性通常较低，速度较慢；在多数情况下，固相反应是发生在两种组分界面上的非均相反应， （2）在低温时固相在化学上一般是不活泼的，因而固相反应通常需在高温下进行 5、挥发精炼（P10） 液相和气相之间的分配比例随成分不同而不同，利用这一特性，可以去除杂质，完成精炼。考虑两种成分构成的二元系，如果杂质成分B和用成分A的蒸汽压不同。则xB^g
表面化学学科发展概述 （东北大学） 摘要表面化学对于化学工业很重要, 它可以帮助我们了解不同的过程, 例如铁为什么生锈、燃料电池如何工作、汽车内催化剂如何起作用等; 此外, 表面化学反应对于许多工业生产起着重要作用, 如人工肥料的生产; 表面化学甚至能解释臭氧层破坏;半导体工业也是与表面化学相关联的领域；表面化学与许多学科有关，且发展历史悠久，将来也一定会有更广阔的发展空间。 关键词表面化学化工工业其他学科发展概述 一、表面化学简介 表面化学是物理化学的一个分支, 是在胶体化学基础上发展起来的一门古老而又年轻的学科。它主要研究在物质两相之间的界面上发生的物理化学过程。通常将气- 固、气- 液界面上发生的物理化学过程称为表面化学, 而在固- 液、液- 液界面上发生的物理化学过程称为界面化学。但也有些学者将所有的界面过程化学问题都称作表面化学或界面化学, 并不是分得很严格。可以说在自然界和工农业生产及日常生活中, 到处都存在着在与表面化学有关的问题, 如: 水珠滴在干净的玻璃板上, 就会自动铺展; 但如果水珠滴在荷叶上, 情况则完全相反, 此种现象都与表面化性质有关。 表面化学与许多学科, 如: 电器及通讯器材学科、材料科学、医学、生物及分子生物学、土壤学、地质学、环境科学等都有密切联系。它在工农业生产与人们日常生活中都有广泛应用。如石油的开采、油漆涂料的生产、各种轻化工、日用化学品的制造、信息材料的制造、采矿中的浮选、环境污染
的处理与防治。同时, 食品、纺织、军工、体育用品、农药、建材等众多领域都与胶体和表面化学有关。因此, 可以夸张地说, 表面化学已经渗透到国民经济及人民生活的各个方面。 二、表面化学的重要性 密切接触的两相之间的过渡区（约几个分子的厚度）称为界面,如果其中一相为气体,这种界面通常称为表面。在相的界面上所发生的一切物理化学现象,统称为界面现象,通常将气一液、气一固界面现象称为表面现象。表面化学是研究表面上所发生的化学反应过程的科学,主要研究对象是表面的形成、表面组成结构和表面上进行的吸附、扩散以及化学反应的能力等。 表面化学过程的研究对工农业生产和日常生活有着重要作用。石油炼制工业中的催化重整、加氢精制工艺过程同催化剂的表面性质和分子同催化剂表面的反应性能密切相关。表面化学家对哈伯一博施（Haber Bosch）过程的透彻研究促进了合成氨工业的飞速发展。在环保方面,人们对一氧化碳在金属表面氧化过程的研究促进了汽车尾气净化装置的研制,极大地减少了汽车尾气对环境的污染；对氟氯烃以催化方式破坏臭氧层过程的研究有助于帮助人们找到更好的保护臭氧层的方法。在微电子领域,人们不仅用化学气象沉积法生成了大量的很薄的半导体,而且对半导体表面物理化学性质进行了深人研究,为开发新的高效半导体器件提供了理论依据。在工业生产领域,纺织、造纸、矿山都离不开高效工业表面活性剂,就连实现强化采掘石油也需加入表面活性剂以有效地降低岩芯与石油混合物之间的表面张力以及粘度。在能源行业,水在半导体表面光解制氢的研究成果可为实现利用水中氢资源开辟途径；人们正试图找到效率更高的燃料电池,以使车用氢气燃料电池替
表面化学改性 粉体工业是一个重要的基础原料工业，在一些高分子材料工业及高聚物复合材料领域中，粉体常常用作无机矿物填料，不仅降低了材料的生产成本，而且还能提高复合材料的力学性能以及稳定性，甚至可以赋予材料某些特殊的物理化学性能，如耐腐蚀性、绝缘性和阻燃性等。但由于这些无机矿物材料与有机高聚物基质(如塑料、橡胶、树脂等)的界面性质不同，因此当以无机矿物填料作为填充物时，除了需要相关的粒度和粒度分布要求之外，还必须对其表面进行改性，以改善其表面的物理化学特性，使其趋近基体的表面特性，提高其在基体中的分散性，从而提高材料的力学性能及综合性能。 表面改性就是指在保持材料或制品原性能的前提下，赋予其表面新的性能，如亲水性、生物相容性、抗静电性能、染色性能等。表面改性的特点是：1）不必整体改善材料，只需进行表面改性或强化，可以节约材料； 2）可以获得特殊的表面层，如果超细晶粒、非晶态、过饱和固溶体，多层结构层等，其性能远非一般整体材料可比； 3）表面层很薄，涂层用料少，为了保证涂层的性能、质量，可以采用贵重稀缺元素而不会显著增加成本； 4）不但可以制造性能优异的零部件产品，而且可以用于修复已经损坏、失效的零件。 表面改性的方法有很多，大体上可以归结为：表面化学反应法、表面接枝法、表面复合化法等。下面本文对表面化学反应法改性做简单介绍，并举例说明几种表面化学改性方法。 所谓无机粉体表面化学改性[1]是指通过无机粉体粒子表面和表面改性剂之间的化学吸附作用或化学反应，改变粒子的表面结构和状态，从而达到表面改性的目的。表面化学改性法是目前最常用的表面改性方法，在无机粉体粒子表面改性技术中占有极其重要的地位。超细无机粉体颗粒比表面积大，表面键态、电子态与粒子内部不同，配位不全等都为用化学方法对无机粉体粒子进行表面改性提供了有利条件。通常，表面改性剂一端为极性基团，能与粉体表面发生化学反应而连接在一起，另一端的非极性基团能与基体形成物理缠绕或是发生化学反应，从而改变无机粉体的分散性，改善制品的性能。表面化学改性方法包括表面沉积
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
第二章晶体学 终极重点：1、晶体特征，晶体与非晶体区别 2、晶向与晶面指数确定步骤 1.晶体的性能特征：均一性，各向异性，自限性，对称性，最小内能性； 2.对称操作与对称要素：对称轴，对称面，对称中心，倒转轴； 3.晶向指数与晶面指数：确定步骤； 4.球体的堆积：六方，面心立方，体心立方 5.鲍林规则； 6.各种典型晶体构型； 7.硅酸盐晶体结构与实例：岛状，链状，层状，架状； 8.同质多晶现象：可逆转变，不可逆转变，重建型转变，位移型转变。 1.晶体的性能特征：均一性，各向异性，自限性，对称性，最小内能性 (1)晶体的基本特征 晶体的性能特征结晶均一性：在晶体内部任意部位上具有相同的性质； 各向异性：在晶体不同方向上表现出的性质差异； 自限性：能够自发形成封闭的凸几何多面体外形的特性； 对称性：晶体中的相同部分（晶面，晶棱，等等）以及晶体的性质能够在不同方向或位置上有规律地重复； 最小内能性：在相同的热力学条件下，晶体与同组成的气体、液体及非晶态固体相比具有最小内能，即最为稳定。 (2)对称操作与对称要素： 对称操作：使晶体的点阵结构和性质经过一定程序后能够完全复原的几何操作；对称要素：实施对称操作所依赖的几何要素（点，线，面等）； 1.旋转操作与对称轴：一个晶体如能沿着某一轴线旋转360 / n（n = 1, 2, 3, 4, 6）后使晶体位置完全回复原状，则该晶体具有n 重对称轴； 2.反映操作和对称面：一个晶体中如果存在某一个平面，使平面两边进行反映操作，而令晶体复原，则这个平面称为对称面； 3.反演操作和对称中心：一个晶体中央在某一个几何点，使晶体外形所有晶面上各点通过该几何点延伸到相反方向相等距离时，能够使晶体复原的操作。该几何点称为对称中心。 4.旋转反演操作和对称反轴：旋转之后进行反演使晶体复原的操作；只有4ˉ是新的独立对称要素。 (3)晶向指数与晶面指数：确定步骤
化学清洗 对于一些高温或不断浓缩的系统如锅炉、冷却水系统等，不论采用何种水处理措施，都只能把结垢速度控制在允许范围内，而不能彻底杜绝结垢隐患。而系统一旦结了水垢、污垢，不但降低了热效率，给系统的安全、正常运行带来隐患，并且使得水处理剂无法及时到达金属表面而失效，加速了金属腐蚀的速度。因此及时地去除水系统中的各类污垢，不仅仅是节能、安全的需要，也是延长设备使用寿命的需要。去除污垢主要有机械除垢、电子除垢和化学清洗三种方式。机械除垢有使用手锤、扁铲、钢丝刷和机械刮管器等进行人工除垢，这种方式劳动强度大，除垢效果差，且容易损伤金属表面，只用于小型锅炉或小型的其它设备，对于大型系统，特别是复杂的管路系统，机械除垢就无法发挥作用。电子除垢主要用于温度不是很高的循环水系统，对水垢去除效果较好，但对微生物垢、泥垢等去除效果差。并且脱落的水垢呈块状，容易堵塞管径较细的管道。化学清洗是一种最有效的除垢手段，只要清洗剂选择得当，清洗方式得当，对各类污垢都有极强的去除能力，且不论何种组成的系统，都能找到一种合适的化学清洗方式。至于对金属的腐蚀，只要清洗剂、缓蚀剂选用得当，可以控制到很小的程度，远远小于机械除垢对金属的损伤。下面对化学清洗作一简要介绍。 第一节酸性清洗 酸性清洗是利用清洗剂在水中离解出H+，使锈垢、水垢与H+反应而溶解。主要的化学溶解反应如下： MeO＋2H+=Me2+＋H2O MeCO3＋2H+=Me2+＋H2O＋CO2↑ 式中Me2+泛指金属离子。在上述垢层的溶解过程中，H+离子起主要的作用。但除此之外，酸根的存在对水垢和锈垢的溶解也有一定的影响，有时还是关键性的。比如F-离子的存在可使水垢中的SiO2发生化学溶解，而别的酸根则不行，某些有机酸根的络合作用，可提高水垢的溶解度，减少块状水垢脱落的量。不同种类的酸H+离子的离解度也不同，一般来说，无机酸离解度较大，酸性强，能在低温、常温下清洗，但腐蚀性也强；有机酸离解度较小，酸性弱，常须加温清洗，但腐蚀也较弱。所以说，不同种类的酸具有不同的溶解特性，不同成分的垢层就要考虑选择不同的酸作清洗液，以趋更加合理。酸性清洗由于溶垢速度快，溶垢能力强，而得到广泛应用，特别在清洗一些垢层较厚的锅炉、热交换器时，具有其它清洗方法不可取代的优越性。 1.1、常用酸洗剂 1、盐酸盐酸是一种强酸，由于大多数金属的盐酸盐易溶于水，因此盐酸的溶垢能力较强，能快速溶解铁锈、铜锈、铝锈、碳酸盐水垢，但盐酸对不少金属材料有极强的腐蚀性，必须添加合适的缓蚀剂。盐酸中氯离子的存在，既有促进金属腐蚀产物快速活性溶解的有利一面，又有导致钝性材料钝化膜局部破坏诱发小孔腐蚀的不利一面。普通不锈钢和铝及合金材料属于靠表面产生的氧化物钝化膜的保护才稳定的钝化材料，一旦钝化膜破坏，材料就会遭到严重腐蚀。对于普通不锈钢和铝材来说，Cl-离子是能局部破坏钝化膜的活性离子，是造成小孔腐蚀的主要因素。因而不宜选用盐酸作为清洗不锈钢和铝材表面污垢的清洗液。
第一章 1、材料的基本概念 材料是人类赖以生存的基础，材料的发展和进步伴随着人类文明发展和进步的全过程。材料是国民经济建设，国防建设和人民生活不可缺少的重要组成部分，是社会现代化的物质基础与先导。 材料，尤其是新材料的研究、开发与应用反映着一个国家的科学技术与工业水平。 材料特别是新材料与社会现代化及现代文明的关系十分密切，新材料对提高人民生活，增加国家安全，提高工业生产率与经济增长提供了物质基础，因此新材料的发展十分重要。 材料是一切科学技术的物质基础，而各种材料的起点主要来源于材料的化学制备和化学改性。 2、什么是材料科学工程 具有物理学、化学、冶金学、金属学、陶瓷学、计算数学等多学科交叉与结合的特点，并且具有鲜明的工程性。 3、什么是材料化学 材料化学在研究开发新材料中的作用，就是用化学理论和方法来研究功能分子以及由功能分子构筑的材料的结构与功能关系，使人们能够设计新型材料，提供的各种化学合成反应和方法使人们可以获得具有所设计结构的材料。 采用新技术和新工艺方法，合成新物质和新材料，通过化学反应实现各组分在原子或分子水平上的相互转换过程。涉及材料的制备、组成、结构、性质及其应用的一门科学。 材料化学既是材料科学的一个重要分支，也是材料科学的核心内容。同时又是化学学科的一个组成部分，具有明显的交叉学科、边缘学科的性质。是材料学专业学生的一门重要的专业基础知识课程。 4、材料的分类 （1）按照材料的使用性能：可分为结构材料与功能材料两类 结构材料的使用性能主要是力学性能； 功能材料的使用性能主要是光、电、磁、热、声等功能性能。 （2）以材料所含的化学物质的不同将材料分为四类：金属材料、非金属材料、高分子材料及由此三类材料相互组合而成的复合材料。 第二章 1、原子结合---键合 两种主要类型的原子键：一次键和二次键。 （1）一次键的三个主要类型：离子键、共价键和金属键。（一次键都涉及电子的转移，或者是电子的共用。）一次键通常比二次键强一个数量级以上。 ①金属键：自由电子和正离子组成的晶体格子之间的相互作用就是金属键。没有方向性和饱和性的。 ②离子键：包含正电性和负电性两种元素的化合物最通常的键类型为离子键。阴阳离子的电子云通常都是球形对称的，故离子键没有方向性和饱和性。 ③共价键：由两个原子共有最外层电子的键合，使每个原子都达到稳定的饱和电子层。共价键具有方向性和饱和性。 （2）二次键：范德华键（二次键既不涉及电子的转移，也不涉及电子的共用。） 以弱静电吸引的方式使分子或原子团连接在一起的，比前3种键合力要弱得多。包含色散效应、分子极化、氢键。 ①色散效应：对称的分子和惰性气体原子，由于电子运动的结果，有时分子或原子的内部会发生电子的偏离而引起瞬时的极化，形成诱导瞬间电偶极子，就会产生很弱的吸引力，这样的吸引力在其它力不存在时能使分子间产生结合。 ②分子极化：原子、离子及分子的电荷并不是固定在一定部位上，它们在相互靠近时，电荷会发生偏移，形成
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]
复习内容： 一液体表面 1研究液体结构的基本假设。 （1）组成液体的原子（或分子）分布均匀、连贯、无规则；(2)液体中没有晶态区域和能容纳其他原子或分子的孔洞；（3）液体的结构主要由原子间形成的排斥力决定。 2间隙多面体，径向分布函数。 液体结构的刚性球自由密堆可以用间隙多面体来表示，其中原子处在多面体间隙的顶点。液体自由密堆结构的5种理想间隙：(a)四面体间隙；(b) 八面体间隙；(c)三棱柱的侧表面被覆盖3个半八面体间隙；(d)阿基米德反棱柱被覆盖2个半八面体间隙；(e)正方十二面体 四面体间隙占了主要地位，所以四面体间隙配位是液体结构的另一特征，四面体配位中的各相邻原子的间距就成为液体结构的最近邻原子间距。 随着温度升高（低于材料熔点Tm），原子间距增加，原子震动幅度提高，但仍然保持有序结构。这时的原子数量的变化不再是一系列离散的线，所以再用原子数量（N(r)）来表示不同径向距离（r）处原子的分布就显得不太合适，而通常采用的方法是用在不同径向距离（r）处原子出现的密度来表示。用密度分布函数ρ(r)来代替离散的数量值N(r)时，分布函数的峰值就代表了在距离中心原子r处原子出现的概率。 3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，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。 4 液体表面张力的概念及影响因素。 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。 5液体表面偏聚。 液体中溶质原子向液体表面偏聚可以降低液体的表面能，因此是自发进行的过程。表面能随组成液体的比例变化越大，产生表面偏聚倾向性越大。
《材料化学》复习 一、名词解释 1)晶体：是一种内部粒子（原子、分子、离子）或粒子集团在空间按一定规律周期性重复 排列而成的固体。 2)周期性：一定数量和种类的粒子（或粒子集团）在空间排列时，在一定的方向上，相隔 一定的距离重复出现的现象。 3)晶胞：空间格子将晶体结构截成的一个个大小、形状相等，包含等同内容的基本单位 4)同质多晶：同一化合物存在两种或两种以上不同的结构型式的现象。 5)类质同晶：在两个或多个化合物（或单质）中，如果化学式相似，晶体结构型式相同。 并能互相置换。 6)晶体衍射：晶体中各原子散射的电磁波相互干涉互相叠加，从而在某一方向得到加强的 现象。 7)系统消光：由于晶胞中某些特定位置上的原子散射的x射线相互干涉，使得许多衍射点 有规律的，系统的不出现现象。 8)液晶是先熔化失去平移对称性，进一步升高温度后产生转动。 9)非整比化合物：化合物中某一原子短缺或过多和层状结构的夹层之间嵌入某些中性分子 或金属原子。 10)玻璃：是高温下熔融，冷却过程中黏度不断增大、不析晶，室温下保持熔体结构的非晶 固体。 11)陶瓷：通过烧结包含有玻璃相和结晶相的特征的无机材料，一般由陶土或瓷土等硅酸盐， 经过成型烧结，部分熔融成玻璃态，通过玻璃态物质将微小的石英和其他氧化物晶体包裹结合而成。 12)金属固溶体：2种或多种金属或金属化合物相互溶解组成的均匀扮相，其中组成可以改 变而不破坏均匀性。 13)间隙固溶体：原子半径较小的非金属统计地渗入过渡金属结构的小球。 14)金属化合物：各种元素发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质。 15)离子晶体：正负离子结合在一起形成的晶体，它一般由电负性较小的金属元素与电负性 较大的非金属元素组成。 16)离子键是离子静电吸引力与电子短程排斥力平衡的结果。离子键的强弱可用晶格能表示 17)晶格能：0K时，1mol离子化合物中的离子从相互远离的气态结合成离子晶体所释放的 能量。 18)有效离子半径：用goldschmidt方法将离子间距划分为离子半径，后经多次修正，提出 一套较完整的离子半径数据（有效指数据是由实验测定的数据推得的）。 19)正离子配位数：与正离子连接的最邻近的负离子数。 20)配位多面体：若将与正离子相配位的各负离子中心相连可得一多面体。 21)离子极化现象：离子在相互电场作用下，使电子分布的中心偏离原子核而发生电子云变 形的现象。 22)三种分子间作用力：静电力（永久偶极距与永久偶极距间的相互作用）、诱导力（永久 偶极距与诱导偶极距间的相互作用）、色散力（瞬时偶极距间的相互作用）。 23)范德华半径：相邻分子中原子之间最小接触距离的平均值。 24)超分子化学：研究凭借分子间作用力组装的分子聚集体、聚集体的组装过程及其结构与 性能的关联学科。
第四章 表面与界面 内容提要：本章讨论了固体表面张力场与表面能。离子晶体在表面力场作用下，离子的极化与重排过程。多相体系中的界面化学：如弯曲表面效应、润湿与粘附，表面的改性。概述了多晶材料中的晶界分类，多晶体的组织，晶界应力与电荷。介绍了粘土胶粒带电与水化等一系列有表面效应而引起的胶体化学性质如泥浆的流动性和触变性、泥团的可塑性等。 固体的表面能是用晶体中一个原子（离子）移到晶体表面时，自由焓的变化来计算的。 界面化学是研究在相界面发生的各种物理化学过程的一门科学。在弯曲表面上由于表面张力的存在而产生一个附加压力P ?。 r P γ2=? )11(2 1 r r P +=?γ 式中γ——表面张力； 21r r 、——曲面主曲率半径。 由上式可见，附加压力P ?与曲率半径成反比。 润湿是固-液界面上的重要行为，润湿定义为：固体与液体接触后，体系（固+液）的吉布斯自由能降低时称为润湿。 SL SV LV F γγθγ-==cos 式中 F ——润湿张力； SL SV LV γγγ、、——分别为液-气、固-气、固-液界面张力； θ——润湿角。θ>900因润湿张力F 小，固-液不润湿；θ<900固-液润湿； θ=0润湿张力最大，液体在固相表面上自由铺展。
改善润湿的方法：（1）降低SL γ。（2）去除固体表面吸附膜，提高SV γ。（3）改变粗糙度。当真实接触角θ<900，粗糙度愈大表观接触角愈小，愈易润湿。当θ>900时粗糙度愈大愈不利润湿。 凡结构相同而取向不同的晶体相互接触，其接触界面称为晶界。晶界上两晶粒质点排列取向有差异，晶界上原子形成某种过渡排列，因而晶界结构疏松，在多晶体中晶界是原子快速扩散通道，并容易引起杂质原子偏聚。晶界上有许多空位、位错和键变形等缺陷使之处于应力畸变状态，故能阶较高，使晶界成为固态相变时优先形核区域。 晶界可以按两晶粒之间夹角大小而分为小角度晶界和大角度晶界。也可以根据晶界两边原子排列的连贯性分为共格晶界、半共格晶界和非共格晶界三种。 固-固-气界面张力平衡关系：SV SS γγ? 212 cos = 固-固-液界面张力平衡关系：SL SS γγ? 212 cos = 式中SL SV SS γγγ、、分别为固-固、固-气、固-液界面张力。?为二面角。 粘土（蒙脱、伊利和高岭）矿物粒度很细，一般在m μ10~1.0范围内，因而它们表现出一系列表面化学的性质。 粘土荷电主要是由于（1）粘土晶格内离子的同晶置换（蒙脱由铝氧八面体中Al 3+ 被Mg 2+等二价离子取代，伊利石中硅氧四面体中Si 4+被Al 3+取代），（2）粘土边面断裂，活性边表面上破健而产生两性电荷（高岭土带电主要原因），（3）粘土内腐殖质离解等原因而带负电。因此，它必然要吸附介质中的阳离子来中和其所带来的负电荷，被吸附的阳离子又能被溶液中其它浓度大、价数高的阳离子所交换，这就是粘土的阳离子交换性质。 粘土的阳离子交换容量用100g 干粘土所吸附阳离子的毫克当量数来表示。影响
试卷总结材料化学 一、选择（每题2分） 1. 晶体的特性是（B ） （A）有确定的熔点，无各向异性；（B）有确定的熔点，有各向异性； （C）无确定的熔点，有各向异性；（D）无确定的熔点，无各向异性； 2. 在一般情况下，若金属的晶粒细，则（A ）。 （A）金属的强度高，塑性好，韧性好。（B）金属的强度高，塑性好，韧性差。（C）金属的强度高，塑性差，韧性好。（D）金属的强度低，塑性好，韧性好。 3. 高温下从熔融的盐溶剂中生长晶体的方法称为（ C ）。 A、溶液法 B、水热法 C、溶剂法 D、熔体法 4. 根据晶体对称度的不同，可把晶体分成（D ）大晶系。 A、32 B、14 C、11 D、7 5. 晶胞一定是一个：（C ）。 A、八面体 B、六方柱体 C、平行六面体 D、正方体 6. 某晶体外型为正三棱柱，问该晶体属于( D )晶系 A. 立方 B. 三方 C. 四方 D.六方 7、从我国河南商遗址出土的司母戊鼎重8750N，是世界上最古老的大型（C ）。 （A）石器（B）瓷器（C）青铜器（D）铁器 8、晶体中的位错是一种（B ）。 （A）点缺陷（B）线缺陷（C）面缺陷（D）间隙原子 9. 工程材料一般可分为（D）等四大类。 （A）金属、陶瓷、塑料、复合材料（B）金属、陶瓷、塑料、非金属材料（C）钢、陶瓷、塑料、复合材料（D）金属、陶瓷、高分子材料、复合材料10.用特殊方法把固体物质加工到纳米级（1－100nm）的超细粉末粒子，然后制得纳米材料。下列分散系中的分散质的微粒直径和这种粒子具有相同数量级的是（ C ） A.溶液 B.悬浊液 C.胶体 D.乳浊液 11.美国《科学》杂志评出了2001年十大科技成就，名列榜首的是纳米电子学，其中美国的IBM公司科学家制造了第一批纳米碳管晶体管，发明了利用电子的波性来传递信息的“导线”，已知纳米材料是指微粒直径在1 nm～100 nm的材料。下列叙述正确的是（B）A．纳米碳管是一种新型的高分子化合物 B．纳米碳管的化学性质稳定 C．纳米碳管导电属于化学变化 D．纳米碳管的结构和性质与金刚石相同 12. 晶行沉淀陈化的目的是（C ） A沉淀完全
Fig.2 An adsorbed structure on an fcc (100) surface Fig.3 adsorption isotherms At 77K a 1.5g sample of a porous solid showed the following results for the adsorption of nitrogen:
武汉理工大学教务处 试题标准答案及评分标准用纸 课程名称—表面与界面化学—— （ A 卷） 1. ① surface tension: Surface tension is defined as the force acting at right angles to any line of unit length on the liquid surface or surface tension is the work required to increase the area of a surface isothermally and reversibly by unit amount. (3 points) ②CMC: CMC is the concentration above which micelle formation becomes appreciable. (3 points) ③solubilisation: Surfactant solutions above the CMC can solubilise otherwise insoluble organic material by incorporating it into the interior of the micelles. This is known as micellar solubilisation. (3 points) ④ interface: The point, area, or surface along which two substances or other qualitatively different things meet. (3 points) ⑤coverage: a measure of the extent of adsorption of a species onto a surface. Usually defined as , Where N ads is the number of adsorbate atoms per unit area and N m is the number of atoms adsorbated per unit area to produce one complete layer on the surface. (3 points) ⑥unit mesh: the unit cell of a two-dimensional surface structure. (3 points) ⑦surface atom density: the number of atoms per unit surface area 。 (3 points) ⑧ surface activity: The strong adsorption of such materials at surfaces or interfaces in m ads N N /=θ