第一章 表界面基础知识资料

• Griffith断裂理论：
Tf (2Ec)1/2
Tf为材料的抗拉强度；E为 弹性模量；σ为表面自由 能；c为裂纹尺寸。
孔的结构特性是比总空隙率更为重要的影响因素。
英国科学家Brichal进一步提出：材料中大孔所占的比例越小， 最大尺寸孔的孔径越小，则材料的强度越高。
用MDF水泥制得的水泥材料总空隙率达15%，空隙尺寸一 般在几十微米，对材料的强度并无大碍，相反却使材料的脆性 得到了根本的改变，满足了轻质，高强，多功能的要求。
为研究这个反应过程，埃特尔使用了一个理想系统：在真空中铺 上一层清洁和光滑的铁粉，再控制性地输入不同的气体 。
埃特尔发现： （1）当氮气分子到达铁粉表面时，它首先是以分子的形成吸附，完
全吸附后，两个氮原子之间的键可能断裂，以氮原子的形式与铁 粉吸附。 （2）增加氢气的同时测量了铁粉表面氮原子的浓度，发现氢增加得 越多，铁表面氮原子的浓度就越低，这表明氮是以原子而不是分 子的形式与氢反应。 （3）氮分子分裂成氮原子这一过程限制了整个反应过程的速度 。 一旦两个氮原子从彼此的束缚中解放出来，它们立刻与周围的氢 原子结合生成氨。
表面张力的物理真实性：空位理论
设有一新分割、尚未达到平衡的表面，由于表面 分子受到指向液体内部的引力，则它离开表面进入液 体内部的趋势大于它从内部迁移到表面的趋势。结果 有较少的分子占据表面层，使表面层内的分子间距离 变大，当距离大于平衡之值时，分之间引力大于斥力， 于是表面分子处于张力状态，有抑制表面分子离开的 趋势，直到张力足够大，使单位时间内从表面进入内 部的分子数与从内部迁移到表面的分子数相等，体系 便在某一定表面张力下达到平衡。
dH TdS VdP σdA (2 7) dF SdT pdV σdA (2 8) dG SdT VdP σdA (2 9)

第四章 固-液界面 固气 固液 液气cos

4.1 Young方程和接触角


4.2 接触角的测定方法
4.3 接触角的滞后现象
接触角与润 湿性的关系 • 润湿过程的三种类型； • 为什么铺展是润湿的最 高形式；
黏附润湿： Wa = σ固气- σ 固液 + σ液气 浸湿： A = σ固气- σ 固液
台阶化
表面不是平面， 由规则或不规则 台阶组成。
表面
ds
表面
d0
表面
d0
内部
内部
d0
化学组成变化
偏析
指溶液或溶质在相界、 晶界或缺陷上的聚集。
吸附
气相原子或分子在气 －固界面上的聚集。

表面吸附
吸附现象
吸附——气相中的原子 或分子聚集到气-固或液固界面上，而又不生成 稳定的凝固相； 发生在表面。
① 聚合物基复合材料增强体类型，会举例； ② 常用的三种树脂基体
第七章 复合材料的界面
7.3
玻璃纤维增强塑料界面
偶联剂
(1) 有机硅烷类偶联剂：结构通式；作用机理； (2) 有机铬偶联剂； (3) 钛酸酯偶联剂。
用偶联
7.4 先进复合材料的界面 7.5 复合材料界面理论 7.6 复合材料界面性能表征
2. Kelvin公式 3. Gibbs 吸附等温式
P 2V 2M RT ln( ) P0 R r
c 1 1 2 2 c ln c RT 2 RT 2 T T
第三章
• • •
固体表面
3.1 固体的表面特性
偏析——指溶液或固溶 体溶质在相界、晶界或 缺陷上的聚集；

材料表⾯与界⾯（1）材料表⾯与界⾯第⼀章绪论§1-1表⾯与界⾯的概念表⾯：通常把⼀个相和它本⾝的蒸汽（或在真空中)相接触为界⾯。

界⾯：两个不同的相或取向不同的材料相接触的分界⾯。

§1-2表⾯科学及其应⽤理想晶体（⽆限连续体）：晶胞（能反映晶体特征的最⼩单元）在三维空间上的周期性重复。

实际晶体：有边界⼀、表⾯与体内的差别1、组成上的差别―表⾯偏析(表⾯富集、表⾯偏析、晶界偏析）2、表⾯质点排列与体内的差别（表⾯结构分析）3、表⾯原⼦的电⼦结构与体内的不同表⾯上的原⼦的电⼦云空间分布变化表⾯物理化学性质变化表⾯原⼦的电⼦结构与能级变化能量和空间分布状态XPS测内层电⼦UPS测价电⼦⼆、表⾯科学的实际应⽤光学性质：增透膜、减反膜催化作⽤：1、改善材料的机械性能、腐蚀性能SiN4-SiN2O预氧化2、催化问题3、界⾯的研究固-固界⾯、固-液界⾯（润湿）4、能源的利⽤§1-3表⾯研究⽅法⼀、常⽤表⾯分析技术AES 俄歇电⼦谱AEAPS 俄歇电⼦出现电势谱SEM 扫描电⼦显微镜EPMA 电⼦探针微区分析（微探针）EELS 电⼦能量损失谱ESCA 化学分析电⼦谱（XPS）EXAFS 扩展X射线吸收精细结构HREELS ⾼分辨电⼦能量损失谱IMMA 离⼦微探针质量分析器IRRAS 红外反射吸收谱LEED 低能电⼦衍射MEED 中能电⼦衍射RHEED 反射⾼能电⼦衍射SIMS ⼆次离⼦质谱STM 扫描隧道显微镜UPS 紫外光电⼦谱XPS X射线光电⼦谱⼆、表⾯分析分类1、根据测量物理基础分类a、以电学、光学技术为基础b、表⾯电⼦谱⽅法2、表⾯电⼦谱优点：a)电⼦容易产⽣⽽且价廉b) 电⼦的荷质⽐很⼤，很容易被聚束或偏转c) 电⼦有合适的⾮弹性散射平均⾃由程（能够带回来⾮常丰富的近表⾯层的信息） d) 电⼦和原⼦、分⼦、离⼦不同，它在使⽤过程中不会影响系统的真空度，不会存在“记忆”效应 e) 电⼦能有效地加以检测缺点：a) 电⼦对样品不是完全⽆损的b) 电⼦谱探测的深度依赖于电⼦的能量和材料的特性c) 电⼦携带的信息⼀般来⾃近表⾯约1nm 的深度，所以电⼦谱包含有某些体内的性质d) 电⼦不像光束那么容易做到“偏振化”和单⾊化，并且容易受外界磁场的影响。

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图2 固体表面的润湿示意图
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润湿作用是一种流体置换表面上另一种流体的过 程。 (wettability)
此过程涉及三个方面的交替：1）液-液铺展，多 层膜的涂布过程等为一气体相和两个不相溶的液 体相； 2）搅拌器使油水的分散或者乳化过程为两个液 相和一个固相； 3）有机液体在汞-水界面铺展等为三个互不相溶 的液体相； 4）在固体表面的吸附、粘结等为气、液、固三 相最常见，即是润湿作用主要是指液体取代固体 表面上的空气。
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1.3.2 固体表面润湿过程的热力学 (重点、难点）
s-g L-g
L-g
s-g s-g L-g
（a） (b) (c) 固体表面三种润湿过程（a）粘附润湿(b)铺展润湿(c) 浸渍润湿
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L
1.常见的润湿过程
a.沾湿过程（adhensional wettability） 特点：1）失去一个“液-气”界面和一个
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b.浸湿过程(immersional wettability)
将固体浸入到液体中谓之浸湿。 特点：1)“气-固”界面为“液-固”界面所
取代。
2)在恒温恒压下，体系达到平衡时，其自 由能变化为 ΔG = SL-SG 3.3
3) 体系的自由能降低可用侵蚀功Wi来表 示 Wi = -ΔG = SG - SL 3.4 若 Wi≥0，则ΔG≤0，浸湿过程可自发进 行，当Wi≤0时不能漫湿．
1)三类润湿能的大小依次为Wa>Wi>S
2)各种界面自由能对三类润湿的贡献是不同的。 SG和SL主要对粘附润湿起作用, SG愈大或SL愈小，则两者差值 愈大，愈有利于粘附润醒和铺展润湿． 3)流体的表面张力LG对三种润湿的贡献表现为： LG增大，有利于粘附润湿，相反，LG减小，有利于铺展润湿 ，但LG的变化对浸湿不起作用．