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表面技术概论复习思考题及答案-08级《表面技术概论》思考题第二章表面科学基本概念及理论基本概念：表面:固体表面一个或数个原子层的区域。
由于表面粒子没有邻居粒子，其物理性质和化学性质与固体内部明显不同。
界面:一般指两相交界处，严格讲固固、液夜、气液、固液交界处皆为界面。
晶界：结构相同而取向不同的晶体之间的界面。
相界：由结构不同或结构相同而点阵参数不同的两块晶体相交接而形成的界面。
理想表面：是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。
清洁表面：指没有被其他任何物质污染，也没有吸附任何不是表面组分的其他院子或分子的表面，是我们在预处理中想要得到的表面。
实际表面：存在缺陷、杂质等现象的表面。
机械加工表面：在磨削、研磨、抛光等机械作用下，金属表面能形成特殊结构的表面层。
表面驰豫：表面的原子周期性突然破坏，表面上的原子会发生相对于正常位置的上下位移以降低体系能量，表面上的这种原子的位移称为表面弛豫。
表面重构：平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整。
表面台阶结构：由于原子的热运动，晶体表面产生一定密度的单分子或原子高度的台阶。
表面粗糙度：加工表面上具有的较小间距的峰和谷所组成的微观几何形状误差，也称微观粗糙度。
贝尔比层：固体材料经切削加工后，在几个微米或十几个微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，使得在表面约10nm的深度内，形成晶格畸变薄层。
物理吸附：靠范德华力作用，对温度比较敏感，低温下的单层有序结构，吸附分子结构无变化。
化学吸附：形成化学键结合，存在电子转移，结合强度比物理吸附大许多。
固体的表面张力：是由于原子间的作用力以及在表面和内部的排列状态的差别而引起的。
表面自由能：表层原子的能量远大于内部原子，将高出的能量叠加后，平均在单位面积上的超额能量称之为比表面能，简称为表面能。
常用表面自由能来描述材料表面能的变化，其物理意义是指产生1平方厘米新表面需消耗的等温可逆功。
表面扩散：原子或分子沿表面的二维迁移。
第一章1.试述表面张力(表面能)产生的原因。
怎样测试液体的表面张力？（1）原因液体表面层的分子所受的力不均匀而产生的.液体表面层即气液界面中的分子受到指向液体内部的液体分子的吸引力,也受到指向气相的气体分子的吸引力，由于气相吸引力太小，这样,气液界面的分子净受到指向液体内部并垂直于表面的引力作用,即为表面张力。
这里的分子间作用力为范德华力。
(2）测试①毛细管上升法测定原理将一支毛细管插入液体中，液体将沿毛细管上升, 升到一定高度后，毛细管内外液体将达到平衡状态，液体就不再上升了。
此时, 液面对液体所施加的向上的拉力与液体总向下的力相等。
则γ=1 /2（ρl-ρg）ghrcosθ(1)（1)式中γ为表面张力, r为毛细管的半径, h为毛细管中液面上升的高度，ρl为测量液体的密度，ρg为气体的密度（空气和蒸气) ，g为当地的重力加速度, θ为液体与管壁的接触角。
若毛细管管径很小，而且θ=0 时，则上式(1）可简化为γ=1/2ρghr (2）②Wilhelmy 盘法测定原理用铂片、云母片或显微镜盖玻片挂在扭力天平或链式天平上，测定当片的底边平行面刚好接触液面时的压力，由此得表面张力，公式为：W总—W片=2γlcosφ式中，W总为薄片与液面拉脱时的最大拉力,W片为薄片的重力，l为薄片的宽度，薄片与液体的接触的周长近似为2l, φ为薄片与液体的接触角。
③悬滴法测定原理悬滴法是根据在水平面上自然形成的液滴形状计算表面张力。
在一定平面上，液滴形状与液体表面张力和密度有直接关系。
由Laplace 公式, 描述在任意的一点P 曲面内外压差为式中R1，R2 为液滴的主曲率半径；z 为以液滴顶点O为原点，液滴表面上P 的垂直坐标; P0 为顶点O处的静压力。
定义S= ds/de式中de为悬滴的最大直径, ds为离顶点距离为de处悬滴截面的直径再定义H=β(de/b)2 则得γ= （ρl—ρg）gde2/H 式中b为液滴顶点O处的曲率半径.若相对应与悬滴的S值得到的1/H为已知, 即可求出表(界) 面张力。
材料表⾯技术课后题修改版第⼀章1．固体材料的界⾯⼀般分为哪三种，各⾃的含义分别是什么？1）表⾯——固体材料与⽓体或液体的分界⾯。
2）晶界（或亚晶界）——多晶体内部成分、结构相同⽽取向不同晶粒（或亚晶）之间的界⾯。
3）相界⾯: 固体材料中成分、结构不同的两相之间的界⾯。
相界⾯有三类，如固相与固相的相界⾯（s／s）；固相与⽓相之间的相界⾯（s／V）；固相与液相之间的相界⾯（s／L）。
2.什么是表⾯改性？什么是表⾯加⼯？⼆者有什么区别？表⾯改性——⽤机械、物理和化学的⽅法，改变材料表⾯的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应⼒状态。
表⾯加⼯——通过物理化学⽅法使⾦属表⾯的形貌发⽣改变，但不改变⾦属表⾯的⾦相组织和化学成分，如：表⾯微细加⼯、抛光、蚀刻、整体包覆第⼆章1.什么是清洁表⾯，什么是实际表⾯，⼆者具有怎样的研究意义？清洁表⾯是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表⾯。
这种清洁表⾯的化学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。
在材料实际应⽤过程中，材料表⾯是要经过⼀定加⼯处理(切割、研磨、抛光等)，材料⼜在⼤⽓环境(也可能在低真空或⾼温)下使⽤。
材料可能是单晶、多晶、⾮晶体。
这类材料的表⾯称为实际表⾯。
2.什么是理想表⾯？特点是什么？对于没有杂质的单晶，作为零级近似可将其清洁表⾯理想为⼀个理想表⾯。
这是⼀种理论上的结构完整的⼆维点阵平⾯。
忽略了晶体内部周期性势场在晶体表⾯中断的影响，忽略了表⾯原⼦的热运动、热扩散和热缺陷等，忽略了外界对表⾯的物理化学作⽤等。
这种理想表⾯作为半⽆限的晶体，体内的原⼦的位置及其结构的周期性，与原来⽆限的晶体完全⼀样3.从⼆维结晶学的⾓度分析，单晶材料的清洁表⾯原⼦有什么特点，其趋于能量最低的稳定状态主要采取哪两种⽅式？对于没有杂质的单晶，作为零级近似可将其清洁表⾯理想为⼀个理想表⾯。
这是⼀种理论上的结构完整的⼆维点阵平⾯。
(1)⾃⾏调整，表⾯处原⼦排列与内部有明显不同；(2)靠外来因素，如吸附杂质、⽣成新相等。
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 pRT MR 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 ρπρ3、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。
表⾯与界⾯物理思考题答案邓⽼师部分 (2)1，原⼦间的键合⽅式及性能特点。
(2)2，原⼦的外层电⼦结构，晶体的能带结构。
(2)3，晶体（单晶体，多晶体）的基本概念，晶体与⾮晶体的区别。
(2)4，空间点阵与晶胞、晶⾯指数、晶⾯间距的概念，原⼦的堆积⽅式和典型的晶体结构。
(2)5，表⾯信息获取的主要⽅式及基本原理。
(3)6，为什么XPS可获得表⾯信息，⽽X射线衍射只能获得体信息？ (3)7，利⽤光电⼦能谱（XPS）和俄歇（A UGER）电⼦能谱（AES）进⾏表⾯分析的基本原理和应⽤范围。
(4)8，透射电⼦显微镜有哪⼏种⼯作模式，它们可获得材料的什么信息？ (4)9，扫描电⼦显微镜的⼆次电⼦像和背反射电⼦像的成像原理。
(4)10，说明电⼦束的基本特征，举出⼏种利⽤电⼦束的波动性和粒⼦性的分析技术。
(5)11，什么是电⼦结合能的位移？价带能态密度可采⽤什么⽅法测试，简述其原理。
(5)12，表⾯的定义，什么是清洁表⾯和实际表⾯？ (5)13，什么是表⾯的TLK模型？表⾯缺陷产⽣的原因是什么？ (5)14，什么是表⾯弛豫和表⾯重构？画出表⾯弛豫和表⾯重构的原⼦排列图。
(5)15，为什么表⾯原⼦排列与体内不同，请⽐较重构与弛豫的异同，并解释S I（111）2×1重构的成因。
(6)16，纳⽶材料有哪些效应？ (6)17，说明表⾯张⼒和表⾯⾃由能分别⽤于什么情况。
解释表⾯吸附对表⾯⾃由能的影响。
如何测试材料的表⾯⾃由能，简述其基本原理。
(6)18，什么是晶体材料的易⽣长晶⾯，它与什么因素有关？N A C L为简单⽴⽅晶体，它的易⽣长晶⾯是什么？ (7)陶⽼师部分 (8)1，表⾯态的产⽣原因和种类，它对材料性能有何影响？ (8)2，形成空间电荷区的原因和表⾯空间电荷区的类型。
(8)3，什么是准费⽶能级？ (8)4，有⼀半导体材料，其体费⽶能级在导带下1/3E G处，表⾯费⽶能级距导带2/3E G处，E G 为禁带宽度。
《材料表面工程基础》课后习题目录及答案11.材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展?2.表面工程技术的目的和作用是什么?3.为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科?4.为什么会造成表面原子的重组？5.什么是实际表面？什么是清洁表面？什么是理想表面？6.常用的材料表面处理预处理种类及方法有哪些？7.热喷涂技术有什么特点？8.热喷涂涂层的结构特点是什么？其形成过程中经历了哪几个阶段？9.简单分析热喷涂涂层的结合机理？10.热喷涂只要有哪几种喷涂工艺？各有什么特点？11.热喷涂材料有哪几大类？热喷涂技术在新型材料开发方面可以做什么工作？12.镀层如何分类？怎样选择使用？13.金属电镀包括哪些基本步骤？说明其物理意义。
14.电镀的基本原理？15.共沉积合金的相特点有几种类型？16.电刷镀的原理及特点是什么？17.什么叫化学镀？实现化学镀过程有什么方式。
18.与电镀相比，化学镀有何特点？19.热浸镀的基本过程是什么？控制步骤是什么？其实质是什么？20.形成热浸镀层应满足什么条件？21.简述钢材热镀铝时扩散层的形成过程。
22.热镀铝的优缺点怎样？23.表面淬火与常规淬火的区别：临界温度上移、奥氏体成分不均匀、晶粒细化、硬度高、耐磨性好、抗疲劳强度高。
24.表面淬火层组成：淬硬区、过渡区和心部区。
25.硬化层厚度的测定：金相法和硬度法。
26.喷丸强化技术原理、特点、应用范围。
27.感应加热淬火原理、涡流、集肤效应。
28.工件感应加热淬火的工艺流程。
29.各种表面淬火的特点和应用范围。
《表面技术概论》习题30.什么是表面工程？表面工程技术的作用是什么？31.金属离子电沉积的热力学条件是什么？金属离子从水溶液中沉积的可能性取决于什么？32.什么是热喷涂技术？试简述热喷涂的特点。
33.热喷涂的涂层结构特点是什么？其涂层与基体的结合机理是什么？一般的等离子喷涂层不可能形成太厚的涂层，为什么？而HVOF技术则可以获得10余毫米厚的超厚涂层，又是为什么？34.化学镀的基本原理是什么？有哪些特点？35.材料表面工程技术是我校材料科学的学科优势之一？你对于我校材料表面技术的发展有什么想法和建议？1■■■■■■■■■■■■■■■524宿舍整理■■■■■■■■■■■■勿删■■■■■■■■■■■■36.材料表面耐腐蚀的技术有哪些？我国规定煤矿系统的井筒井架、电力塔架、广播发射塔等必须要进行钢结构长效防腐处理。
第5章习题及答案_无机材料科学基础第五章固体表面与界面5-1名词解释驰豫表面重构表面定向促进作用诱导促进作用色散促进作用范德华力润湿角临界表面张力附着功阳离子互换容量聚沉值触变性滤水性可塑性5-2何谓表面张力和表面能？在固态和液态这两者有何差别？835-3在石英玻璃熔体之下20cm处为构成半径5×10m的气泡，熔体密度为2200kg/m，表面张力为0.29n/m，大气压力为1.01×105pa，谋构成此气泡所须要最高内压力就是多少？5-4（1）什么是弯曲表面的附加压力？其正负根据什么划分？（2）设表面张力为0.9j/m2，计算曲率半径为0.5μm、5μm的曲面附加压力？－5-5什么是吸附和粘附？当用焊锡来焊接铜丝时，用挫刀除去表面层，可使焊接更加牢固，请解释这种现象？5-6在高温将某金属熔于al2o3片上。
（1）若al2o3的表面能够估算为1j/m2，此熔融金属的表面能够也与之相近，界面能够估算约为0.3j/m2，问接触角就是多少？（2）若液相表面能够只有al2o3表面能够的一半，而界面能够就是al2o3表面张力的2倍，先行估算接触角的大小？5-7在20℃及常压下，将半径为10－3m的汞分散成半径为10－9m的小汞滴，求此过程所需作的功是多少？已知20℃时汞的表面张力0.470n/m。
5-8在2080℃的al2o3（l）内有一半径为10－8m的小气泡，求该气泡难以承受的额外压力就是多小？未知2080℃时al2o3（l）的表面张力为0.700n/m。
5-920℃时苯的表面张力为0.0289n/m，其饱和蒸气压为10013pa，若在20℃时将苯分散成半径为10－m的小滴，计算：（1）苯滴上的附加压力；（2）苯滴上的蒸气压与平面上苯液饱和蒸气压之比。
65-1020℃时，水的饱和蒸气压力为2338pa，密度为998.3kg/m3，表面张力为0.07275n/m，求半径为10－9m的水滴在20℃时的饱和蒸气压为多少？5-11若在101325pa，100℃的水中产生了一个半径为10－8m的小气泡，反问该小气泡若想存有并长大？此时水的密度为958kg/m3，表面张力为0.0589n/m。
材料表面与界面主要参考书：1、胡福增等编著，《材料表面与界面》，华东理工大学出版社，20012、李恒德，萧纪美编著，《材料表面与界面》，清华大学出版社, 19903、赵文轩主编，《材料表面工程导论》，西安交通大学出版社, 20014、Arthur W Adamson，Alice P Gast．《Physical Chemistry ofSurfaces》．Sixth Edition．New York John Wiley & Sons．Inc，1997.(A. W. 亚当森著，顾惕人译，《表面的物理化学》，科学出版社，1986)5、S. R. Morrison, 《The Chemical Physics of Surfaces》. Plenum Press,New York and London, 1977.(S. R. Morrison著，赵璧英等译，《表面化学物理》，北京大学出版社，1986)第一章绪论1-1 材料表界面的定义材料科学、信息科学和生命科学是当前新技术革命中的三大前沿科学，材料的表面与界面在材料科学中占有重要的地位。
材料内部原子受到周围原子的相互作用是相同的，而处在材料表面的原子所受到的力场却是不平衡的，因此材料的表面与其内部本体，无论在结构上还是在化学组成上都有明显的差别。
单组分的材料，由于内部存在的缺陷，如位错等，或者由于晶态的不同形成晶界，可能在内部产生界面。
对于有不同组分构成的材料，组分与组分之间可形成界面，某一组分也可能富集在材料的表界面上。
材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、复合等等，无不与材料的表界面密切有关。
研究材料的表界面现象具有重要的意义。
表界面的定义：表界面研究的对象是不均匀的体系，具有多相性，即该体系中存在两个或两个以上不同性能的相，表界面是由—个相过渡到另一相的过渡区域。
根据物质的聚集态，表界面通常可以分为以下五类：固—气；液—气；固—液；液—液；固—固习惯上把固—气、液—气的过渡区域称为表面，而把固—液、液—液、固—固的过渡区域称为界面。
