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
a 静态吸附法（BET ）（测量准确度和精度都很好，但达到吸附平衡慢，仪器装置较复杂，需要高真空系统，并且要使用大量的汞，逐步被动态吸附法所取代）
b 动态吸附法：常压流动法，气相色谱法（操作简单而快速 ）
2）表面张力
a 高聚物熔体表面张力外推法(γ∝T 成直线关系，测定不同温度下高聚物熔体的表面张力，外推到20℃时的表面张力)
b Zisman 的浸润临界表面张力法(测定固体在已知表面张力的液体中的接触角 )
C 还有几何平均方程求解法、状态方程测求法等等
d 理论计算：等张比容法、内聚能密度法、Tg 参数计算法
5、试述表面张力产生的原因。
材料的表面结构和性质与其本体有明显的差别，这是因为位于材料本体的原子受到周围原子的相互作用是相同的，处于对称力场之中，总的作用之和等于0；而处于表面的原子只有局部受到与本体相同的相互作用，而其余的部分则完全不同,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？
r M 2r V 2P P ln RT 0ρσ=σ=
8.在20℃下，若水的密度为ρ＝998.2kg/m3,表面张力为72.8Х10-3N/m，若水滴半径为10-6cm，求水的过饱和度。
T=293K， r=10-6cm=10-8m, R=8.314JmolK,M=18g/mol=18*10-3kg/mol
9.乙醇的表面张力符合公式σ＝72－0.5c+0.2c2,c是乙醇的浓度（mol/L），温度为25℃，计算0.5 mol/L乙醇溶液的表面超量。
10.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？
1）PPT chapter 1 P11 第一张 PPT 推到出表面张力的公式即可
2）原因
（1）对凹月面看作为球面的近似处理
（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。
11.在20 ℃时用毛细管法测定苯的表面张力，得到下列数据，求苯的表面张力。r=0.0550cm, h=1.201cm,ρ苯=0.8785g/cm3, ρ空气=0.0014g/cm3
a为毛细常数，它是液体的特性常数
12.19 ℃时丁酸水溶液的表面张力可表示为：
为纯水表面张力；a、b为常数，各为5.097×10－2 mol/L与0.180;c为浓度
求：（1）c=0.200 mol/L时的；
（2）c/a》1时的值，并计算丁酸分子所占面积
13.比较物理吸附和化学吸附的区别。
14.什么是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？
15.润湿过程有哪些类型？
可分为附着润湿，铺展润湿，浸渍润湿3中类型
（三种润湿的共同点是液体将气体从固体表面排挤开，使原有的固－气或液－气界面消失，而代之以固－液界面。）
16.为什么说铺展是润湿的最高形式？
铺展张力
17.如何求润湿过程中的黏附功、浸润功、铺展系数？
18.掌握气体吸附法测定固体的比表面积的方法。（用BET 模型来测定固体的比表面积。）
Chapter 2
1、叙述高聚物的粘结及衡量粘结好坏的物理量。
1）粘结就其实质来说是一种界面现象，粘结过程是界面物理和化学发生变化的过程。高聚物的粘结行为与高聚物的表面能直接有关。
2）衡量粘结好坏的物理量为粘结强度，粘结强度与粘结界面的作用力有关。
2、简述粘结界面的三类作用力。
1）机械力：如抛锚作用和摩擦作用所产生的力
2）界面分子间作用力（范德华力）
3）化学键力：两者分子相互接近至1-3a 时，发生化学反应而形成的力。
3、简述表面状况对粘结的影响和表面改性的方法。
1）粘结强度是界面粘结好坏的量度，如果界面得到理想的粘结。那么界面粘结强度是十分可观的，事实上粘结强度只有理论值的极少一部分，这是因为：粘结过程分子间接触不良造成粘结界面上留有微孔缺陷，减少粘结界面积。并引起应力集中，促使早期破坏。另外，由于界面存在有残余热应力和收缩应力也促使粘结强度损失。
2）表面改性的方法：
化学处理法（氧化法）；
表面涂成改性法：化学涂层改性，硅烷偶联剂涂层改性；
等离子体表面改性
4、简述材料界面的粘结理论。
1）粘结键理论2）界面浸润理论 3）变形层理论 4）束缚层理论 5）可逆水解理论 6）扩散层理论7）弱边界层理论
Chapter 3
1、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? 高聚物熔体表面张力外推法：
（γ∝T 成直线关系，测定不同温度下高聚物熔体的表面张力，外推到20℃时的表面张力）
2.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)聚乙二醉(聚氧化乙烯) )
(LG SL SG SC γγγ+-=
3、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?平均法的例题，请用调和平均法进行计算。（不考）
表面张力可由组成界面两相的表面张力的几何平均值来估算
4、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?
1）固体的临界表面张力等于与该固体上接触角恰好为零的液体的表面张力；
2）不相等，临界表面张力比固体表面张力σS小。
5、总结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σ 1/4对Mn-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（3-40）求取σ SL；
（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，按式（3-47）或（3-51）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 - σ LV作图，求临界表面张力σ C。（8）用一系列测试液体测定其对高聚物的接触角θ，由式（3-58）求出σ C,φ，以σ C,φ对σ LV作图，求σ S的状态方程法.
6。求甲基丙烯酸甲酯
(PMMA)的表面张力
7.计算聚四氟乙烯的表面张力，已知V=45.5cm3/mol。
7、计算PVC的固体浸润表面张力，已知水对 PVC的表面接触角为87度，二碘甲烷对PVC 的接触角为36度。
Chapter 4
1、什么是表面活性剂?表面活性剂的分子结构有什么特点?
1) 像第三类物质那样，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。
2）表面活性剂分子有两种不同性质的基团所组成，一种是非极性的亲油基团，另一种是极性的亲水基团。
2、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?
原因：
1）物质的加入会使溶剂表面张力略微升高，属于此类物质的强电解质有无机盐、酸、碱等；
2）物质的加入会使溶剂的表面张力逐渐下降，如低碳醇、羧酸等有机化合物；
3）物质少量加入就会使溶剂表面张力急剧下降，但降到一定程度后，就变得很慢或几乎不下降。
3、表面活性剂按亲水剂类型可怎样分类?
可分为阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、两性表面活性剂、非离子型表面活性剂4、何谓HLB值? HLB值对表面活性剂的选用有何指导意义？
1）亲水-疏水平衡值HLB；
2）HLB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。
5、试求表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的HLB值。
（不考）
6、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）非离子型表面活性剂乳状液随着温度升高,从原来O/W型转变为W/O型的温度,称为相转型温度(PIT), 也叫做亲水-亲油平衡温度(HLB温度).
2）HLB的三个缺点：（1）它没有考虑到油相与水相本身的性能（2）它没有考虑表面活性剂浓度的影响（3）它没有考虑到温度及各相体积的影响
7、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）少量活性剂的加入可使水的表面张力迅速下降，但到某一浓度后，水溶液的表面张力几乎不变。这个表面张力转折点的浓度称为临界胶束浓度（CMC)
2）影响因素：疏水基，亲水基，温度，其他因素（如加入电解质）
3）方法：貌似不考
8、怎样根据Gibbs方程，通过溶液表面张力随表面活性剂浓度变化曲线的测定，求得
表面活性剂溶液的饱和表面吸附量以及表面活性剂分子在溶液表面上的占有面积?
（不考）
9、温度对离于型表面活性剂和非离于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，而非离于型表面活性剂在C.P 点变成浑浊?
1)离子型表面活性剂的溶解度随温度变化的特点是在足够低的温度下，溶解度随温度升高而慢慢增大，当温度达到某一定值后，溶解度会突然增大.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，溶液突然变成混浊.
2)
3)当温度上升时，氢键被削弱，升到一定温度，氢键断裂，表面活性剂从溶液中析出，使溶液突然变浊。
Chapter 5
1、对聚合物进行表面处理的目的是什么?
表面处理的目的就是改变表面化学组成，引进带有反应性的功能团；清除杂质或弱边界层等，改变界面的物理形态，增加表面能，以提高聚合物表面的润湿性和粘合性等，通过表面接枝反应，设计界面过渡层。
2、聚烯烃薄膜经电晕处理后表面性能可能发生怎样的变化?
这些高能粒子与聚合物表面作用，使聚合表面产生自由基和离子，在空气中氧的作用下，聚合物表面可形成各种极性基团，因而改善了聚合物的粘接性和润湿性。电晕处理可使薄膜的润湿性提高，对印刷油墨的附着力显著改善。
3、为什么抗氧剂对聚合物的高温热处理有较大影响而对火焰材料没有影响?
因为火焰材料的表面本身就含有含氧基团，所以抗氧剂对其不会有影响。而聚合物表面本身不含含氧基团，受到高温热处理容易引进含氧基团，因此有较大影响。
4、低温等离子处理对聚合物的表面改性能产生些什么效果？
低温等离子体对聚合物的表面改性在反应气体的或非反应性气体的气氛中进行反应。
在氧气氛中,聚合物表面等离子氧化反应是自由基连锁反应,可生成含氧基团,如羧基, 羟基,羰基,过氧基等.
5、聚合物表面接枝有哪些方法？其原理各是什么？
1)表面接枝的方法可归类为三类：表面接枝聚合，大分子偶合反应，以及添加接枝共聚物。
2)表面接枝聚合:通过某种特殊技术，使聚合物表面产生活性种，用该表面大分子活性种引发乙烯基单体在聚合物表面接枝聚合。通过表面接枝，聚合物表面生长出一层新的具有特殊性能的接枝聚合物层，从而达到显著的表面改性效果，而基质聚合物的本体性能不受影响.
大分子偶合反应:偶合接枝法是利用高聚物表面的官能团与接枝聚合物反应而实现聚合物的表面改性。
添加接枝共聚物:顾名思义
Chapter 6
1、什么称谓高聚物的变形摩擦和粘着摩擦。
为位于界面或靠近界面很薄的界面区，与刚性物体和高聚物之间真实接触面积相关，其厚度大约100Χ10-9m——粘着摩擦
为位于界面以下的内聚区，与刚性物体和高聚物之间宏观接触面积相关，其厚度与接触长度相仿——变形摩擦
2、高聚物的磨损过程涉及哪几种机理？
高聚物的磨损过程涉及多种机理，以下述三种为主：
（1）磨粒磨损：对摩面上硬的粗糙面或对摩面间的硬颗粒的切割或刨犁作用使软质高聚物变形与断裂，
（2）粘着磨损：对摩面间的粘着作用使高聚物从一个摩擦面转移到另一摩擦面，
（3）疲劳磨损：局部范围内周期性应力作用造成高聚物的开裂与劈除。
3、摩擦与磨损的定义。
摩擦：抵抗两物体接触表面发生切向相对运动的现象称为摩擦。
磨损：物体相对运动表面的物质不断损失或产生残余变形称为磨损。
Chapter 7
1、何谓复合材料？
用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。
2、简述纤维增强复合材料的原则。
a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处；
b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中；
3、何谓复合材料的界面？通常包含哪些部分？界面会产生哪些效应？
1)复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。
2)基体和增强物的部分原始接触面；基体与增强物相互作用生成的反应产物，此产物与基体及增强物的接触面；基体和增强物的互扩散层；增强物上的表面涂层；基体和增强物上的氧化物及它们的反应产物之间的接触面等。
3)传递效应，阻断效应，不连续效应，散射和吸收效应，诱导效应
4、影响界面结合强度的因素有哪些？
表面的几何形状、分布状况、纹理结构；表面吸附气体和蒸气程度；表面吸水情况，杂质存在；表面形态在界面的溶解、浸透、扩散和化学反应；表面层的力学特性，润湿速度等。
5、如何改善增强材料与基体间的浸润性？
为了提高复合材料组分间的浸润性，常常通过对增强材料进行表面处理的方法来改善润湿条件，有时也可通过改变基体成分来实现。
6、为什么说界面对复合材料的性能起着重要的作用？
界面的粘结强度直接影响着复合材料的力学性能以及其它物理、化学性能，如耐热性、耐蚀性、耐磨性等。
7.什么是偶联剂?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）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。另一种基团可与基体发生化学或物理作用。通过偶联剂的偶联作用，使基体与增强材料实现良好的界面结合。
2）作用机理：硅烷偶联剂与玻纤表面以Si－O－Si化学键结合，同时在玻纤表面缩聚成膜，形成了有机R基团朝外的的结构
3）电晕和接枝
7、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?
1）表面清洁处理在惰性气氛中加热到一定温度保温，清除纤维表面吸附的水分和杂质。 2）表面氧化处理 A 气相氧化 B 液相氧化法
3）表面涂层法
( 加热下用空气、氧气、臭氧、二氧化碳等处理碳纤维，使纤维表面产生含氧基团。
优点：设备简单，反应时间短，易连续化；
缺点：反应难控制，重复性差，纤维损伤大。
加入少量金属杂质，如铜、铅等，可控制催化氧化，防止过度刻蚀纤维。
用液态氧化剂进行氧化；
优点：氧化效果好，对纤维损伤小；
缺点：处理时间长，难连续化，有废酸处理问题。)
Chapter 8
1、纤维表面处理的作用？
表面处理的作用：
1）消除表面杂质。增大比表面积；
2）增大表面能，提高对基体树脂的润湿性；
3）引进反应性官能团，与基体形成化学键；
4）形成界面过渡区。
2、什么叫碳纤维？
碳纤维是由90%以上的碳元素组成的纤维。碳原子结构最规整排列的物质是金刚石，碳纤维结构近乎石墨结构，比金刚石结构规整性稍差，具有很高的抗拉强度，它的强度约为钢的四倍，密度为钢的四分之一。同时具有耐高温、尺寸稳定、导电性好等其他优良性能。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。
1)化学键理论的主要论点是处理增强剂表面的偶联剂应既含有能与增强剂起化学作用的官能团，又含有与树脂基体起化学作用的官能团。由此在界面上形成共价键结合，如能满足这一要求则在理论上可获得最强的界面粘结能（210～220J/mol）。
2)对经表面处理的碳纤维，由于表面有羧基，酚羟基和氨基的存在，而提出了纤维与基体树脂发生反应生成共价键。这种说法已由表面基团与模型化合物相互作用得到证明。
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=
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
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 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 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
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 【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
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
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？
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]
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 a 静态吸附法（BET ）（测量准确度和精度都很好，但达到吸附平衡慢，仪器装置较复杂，需要高真空系统，并且要使用大量的汞，逐步被动态吸附法所取代） b 动态吸附法：常压流动法，气相色谱法（操作简单而快速 ） 2）表面张力 a 高聚物熔体表面张力外推法(γ∝T 成直线关系，测定不同温度下高聚物熔体的表面张 力，外推到20℃时的表面张力) b Zisman 的浸润临界表面张力法 (测定固体在已知表面张力的液体中的接触角 ) C 还有几何平均方程求解法、状态方程测求法等等d 理论计算：等张比容法、内聚能密度法、 Tg 参数计算法 5、试述表面张力产生的原因。 材料的表面结构和性质与其本体有明显的差别， 这是因为位于材料本体的原子受到周围原子 的相互作用是相同的，处于对称力场之中，总的作用之和等于0；而处于表面的原子只有局部受到与本体相同的相互作用，而其余的部分则完全不同,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？ r M 2r V 2P P ln RT 0
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 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
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。