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材料的表面与界面 (2)

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材料的表面与界面

材料的表面与界面

区局部融化，然后又迅速冷却而结晶，会造成了表面层约1微米范围内晶粒尺寸不均匀.
（2）贝尔比层：材料经抛光后，表面形成厚度约5-100nm的光亮而致密层，称为· 金属和合金的贝尔比层往往存在非晶、微晶和金属氧化物.贝尔比层坚硬并且具有 良好的耐腐蚀性. 机械加工后金属表面组织：氧化物层（10-100nm）-贝尔比层（5-100nm）-严重 畸变区（1-2μ m）-强烈畸变区-轻微畸变区
通过晶格的收缩或扩张而形成特殊排列的位错作为两相的过渡区.过渡区的位错称为失配位错.
多晶材料中的界面；（1）多晶材料中的相平衡 两个非共格相界的平衡： ①120︒<ψ <180︒时，第二相在母相中呈圆形，对母相不润湿，呈柱状分布； ②60︒<ψ <120︒时，第二相在母相三晶粒交界处沿晶界部分渗入； ③0︒<ψ <60︒时，第二相在母相三晶粒交界处形成三角状，随二面角减小铺展的越开； ④ψ =0︒时，第二相在母相的晶界区铺开；
旋转对称：旋转角θ =2π /n,n为正整数，称为旋转对称的滑移群：对某一直线作镜像反应后，再沿此线平行方向滑移 半个平移基失.镜像滑移群+点群→17种对称群，称为二位空间群. 原子的表面密度：单胞中某一表面上原子的总面积与该表面积之比.ρ =Aa/As （2）清洁表面：在真空中分开晶体，或将已有表面在真空中经过离子轰击、高温 脱附后得到的表面，这种表面没有吸附其它异类原子，只存在表面原子的排列变化 ①表面重构：形成晶体表面的悬空键的存在，使其处于高能不稳定状态，为了降低 表面自由能，表面原子的位置必然发生变化，这种变化的结果，使得表面原子的 平移对称性与理想表面显著不同，这种表面变化称为表面重构. ②表面弛豫：为了降低体系能量，表面上的原子会发生相对正常位置的上或者下 位移，表面原子的这种位移称为表面弛豫.其显著特征是表面第一层原子和第二层 原子之间的距离改变，越深入体相，弛豫效应越弱，并迅速消失. ③表面台阶结构：存在各种各样的缺陷：TLK模型，T指平台，L表示单原子高度的 台阶，K表示单原子尺度的扭折. （3）吸附表面：除了表面原子几何位置发生变化外，还通过吸附外来原子来降低 表面自由能.包括物理吸附(弱、快、无选择性)和化学吸附（强、慢、选择性）. 表面热力学：①表面自由能：自由能极图 ②表面自由能的各向异性影响因素：a.键能Eb； b.单位面积键的数量 ③晶体的稳定形状：表面自由能趋向最小，所以对于各向同性的液体来说，形状 总是趋于球形.定义体积恒定情况下表面自由能最小的形状为平衡形状. 对于各向异性的晶体来说，晶体的平衡形状就是自由能极图的最大内接多边形 实际表面：①表面粗糙度（表面不平整程度小于1mm时）R=Ar/Ag Ag为几何表面积；Ar为包括内表面在内的实际表面积 ②表面杂质的偏析（表面杂质浓度比体内大时）与耗尽（表面浓度比体内小时） 如果杂质原子在表面能使表面自由能降低，则形成偏析，反之形成耗尽； 由热力学条件得出、且偏析尺度为原子尺度（纳米级），称为平衡偏析； 实际上表面的偏析主要发生在几十纳米到几个微米的范围，这种偏析为非平衡 偏析，原因：表面区内存在许多空位、晶格畸变等缺陷，它们形成了明显的应力 场，并引起相应的畸变能，与主成分原子半径不同的各种杂质，进入畸变区域后， 将有利于畸变能的减少，使表面自由能降低，故形成各种非平衡偏析. ③金属与合金的表面组织受环境温度、氧气分压、合金组分浓度等的影响； 表面组织： （1）表面层晶粒尺寸变化：在切磨、抛光等机械加工时，产生大量的热，使表面
材料科学基础_第8章_材料的表面与界面

材料科学基础_第8章_材料的表面与界面

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8.2.1 界面的空间自由度 ● 空间自由度是描述晶界两个相邻晶粒的相对取向。 ● 确定两个晶粒的相对取向最多需要5个自由度： --首先考虑坐标中初始位向一致的两个晶粒，沿坐标的某
一旋转轴u 互相旋转一个角度θ的情况，u 轴取向需要 2个变量（u 的3个方向余弦中的2个）。此时u 和θ三个
自由度决定了两晶粒的相对取向。 --对位向不一致的两个晶粒，晶界相对于其中一个晶体的
17
➢ 晶界特征 （1）晶界处点阵畸变大，存在晶界能。 （2）常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍运动，使塑
型变形抗力提高，使晶体（材料）的硬度和强度提高。 （3）晶界处原子具有较高的动能，且晶界处存在大量缺陷
。原子在晶界处扩散比晶内快得多。 （4）固态相变时易在晶界处形成新核。 （5）晶界上富集杂质原子多，熔点低 （6）晶界腐蚀速度比晶内快。 （7）晶界具有不同与晶内的物理性质。
忽略液体重力和粘度影响，则铺展是由固/气(SG)、固/液 (SL)和液/气(LG)三个界面张力所决定：
F LG cos SG SL SG SL LG cos
式中θ是润湿角；F 称润湿张力。 θ > 90°不润湿； θ < 90°润湿； θ = 0° 完全润湿。
（自由铺展）
润湿的先决条件是 S>G 。SL
4）固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。
9
8.1.4 固液界面与润湿 机械润滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、搪瓷坯釉、陶 瓷/金属的封接等工艺和理论都与润湿过程有关。 润湿的热力学定义：固体与液体接触后能使体系的吉布斯自 由能降低，称为润湿。
润湿形式： 附着润湿 铺展润湿 浸渍润湿
10
铺展润湿 概念：液滴落在清洁平滑固体表面的过程。
材料物理化学-第五章 表面与界面

材料物理化学-第五章 表面与界面

材料物理化学
湖南工学院
④n↑或↓ 三、吸附与表面改性 吸附：新鲜的固体表面能迅速地从空气中吸附气体或其它物质来降低其表面能。吸附是 一种物质的原子或分子附着在另一种物质表面现象。 表面改性：通过改变固体表面结构状态和官能团。 表面活性剂：降低体系的表面（或界面）张力的物质。
5.3 无机材料的晶界与相界
液体
开 the contact 两相的化学性能或
F 为润湿张力，θ为润湿角（接触角 angle），由于 所以，润湿先决条件是γSV>γS或γSL很小，当固液 化学结合方式很接近时，是可以满足这一要求。
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固
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改变γSV——减少氧化吸附膜； 改变γSL——两相组成相似； 改变γLV——液体中加入表面活性剂 ⑶浸渍润湿 浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。
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第五章
表面与界面
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。 表面：—个相和它本身蒸汽（或真空）接触面称之。 界面：—个相与另一个相（结构不同）接触的分界面称之。 相界：指具有不同组成或结构的两固相间的分界面。 晶界：是指同材料相同结构的两个晶粒之间的边界。 习惯上把液-气界面、固-气界面称为液体表面和固体表面。表面可以由一系列的物理化 学数据来描述（表面积、表面组成、表面张力、表面自由能、熵、焓等），表面与界面的组 成和结构对其性能有着重要的影响。 表面与界面起突出作用的新型材料，如薄膜、多层膜、超晶格、超细微粒与纳米材料等 发展如日中天。
第四章材料的表面与界面

第四章材料的表面与界面


6、表面力场 固体表面上的吸引作用，是固体的表 面力场和被吸引质点的力场相互作用所产 生的，这种相互作用力称为固体表面力。 依性质不同，表面力可分为： 1）化学力 2）分子引力
二、固体表面的特征 1. 固体表面的不均匀性，表现在： (1) 绝大多数晶体是各向异性，因而同一晶体可以有许多性能不 同的表面。
• 由于分散度的变化，可使细 粉石英表面能增加了106倍，
这些能量可以使650kg的水升
高1°C。 • 粉碎石英的机械能转化为表 面能贮存在石英粉内。
概述
• 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质（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。 • 界面是晶体中的面缺陷，具有高的能量，在化学介质中不稳 定，产生晶界腐蚀，影响材料的化学性能。 • 界面也影响材料的物理性能，如材料组织中晶粒增大，界面 减少，提高导磁率，降低矫顽力，
理想表面结构示意图
2、清洁表面
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。根据表面原子的
排列，清洁表面又可分为台阶表面、弛豫
表面、重构表面等。
（1）台阶表面
台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或 不规则的台阶的表面所组成
说明：
NaCl 晶 体
1. 离子晶体MX在表面 力作用下，处于表面层 的负离子X在外侧不饱 和，负离子极化率大，
通过电子云拉向内侧正
离子一方的极化变形来 降低表面能。这一过程
图3－1 离子晶体表面的电子云变形和离子重排
称为松弛，它是瞬间完
材料表面与界面的特性及其应用

材料表面与界面的特性及其应用

材料表面与界面的特性及其应用材料表面和界面性质是材料科学中的重要研究领域，因为这些性质决定了材料的性能和用途。

在本文中，我们将探讨材料表面和界面的特性及其应用。

一、表面和界面的概念表面是指材料外部与环境接触的部分，分为实际表面和几何表面两种。

实际表面是真实的材料表面，几何表面是理想情况下的平滑表面。

材料的表面特性主要包括表面形貌、表面化学组成、表面结构和表面能等。

界面是指两种不同的材料或相同材料的不同部分之间的分界面，它们之间的接触面积和界面能量影响着材料的特性。

材料的界面性质主要包括晶界、异质界面、相界面等，其中晶界是指晶粒之间的界面，异质界面是指不同材料之间的界面，相界面是指同一材料中不同相之间的界面。

二、表面和界面的特性1. 表面形貌表面形貌是指表面的几何形状和表面纹理。

这些形状和纹理决定了材料的摩擦、磨损、润滑性能等。

表面形貌通常通过光学显微镜、扫描电子显微镜等观察技术获得。

2. 表面化学组成表面化学组成是表面化学反应和表面吸附现象的结果，包括化学基团、氧化物、热处理物种等。

表面化学组成影响材料的电子结构、化学反应和材料与环境之间的相互作用。

3. 表面结构表面结构是指表面的晶体结构和缺陷结构。

它们决定了表面的力学强度、疲劳寿命等。

表面结构通常通过X射线衍射、中子衍射、TEM等实验手段获得。

4.表面能表面能是表面分子间相互作用的能量和表面吸附分子的能量。

表面能决定了表面与其他材料之间的亲疏性和黏附性。

表面能通常通过表面张力、接触角等实验技术测量。

5. 总界面能总界面能是指材料界面的总能量，包括界面张力和界面形变能等。

总界面能主要影响材料的界面稳定性，是材料界面优化的重要指标。

三、表面和界面的应用表面和界面的特性在材料科学中具有重要的应用，主要包括以下方面：1. 表面修饰利用表面化学组成和结构的差异，对材料表面进行化学、物理、生物修饰，以达到特定的表面性质。

例如，通过表面修饰可使金属表面耐蚀、增加光电转换效率等。

材料表面与界面-第二章-表面结晶学PPT课件

材料表面与界面-第二章-表面结晶学PPT课件

底点阵无相对旋转，其基矢两两平行，其长度关系满足：
as pa，bs qb
此处，p，q为整数，表示基矢倍数，即 pas/a， qbs/b
在这种情况下，再构表面的表述方式为 E{hk}lpq
其中E为衬底元素符号，{hkl}为再构表面的晶面指数。例如
Si{111}2×2表示Si的{111}晶面族表面再构基矢as，bs相对于衬 底a，b无偏转，只有长度变化 。
••••••••••••
a b 为二平移对称操作(平移群)来描述
T = n1a + n2b
n1, n2为整数
这个操作可将原点平移到点阵中任何一点，即可以形成整个
点阵。如此进行的全部平移即为该平面点阵的平移群。平移
群是点阵的数学表达式。它被用来定义结构的二维周期性。 由a b组成的平行四边形称为单位晶胞(Primitive cell)。
.
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as p1a q1b bs p2a q2b
较为复杂的情况是，再构表面点阵相对于衬底点阵有偏转， 其偏转角为
as,a bs,b
此时，再构表面点阵基矢与衬底点阵基矢之间已不是简单的 倍数关系，而有
as p1a q1b bs p2a q2b
对于这种再构表面，可表述为
E{h} kplq
清洁表面结构，以偏离理想解理面的程度来标志。研究方法 是实验与模型相结合的“自洽法”。根据表面原子的静电状 态、电子波函数等理论上的分析，提出初步模型，再经过微 观分析，证实模型并进一步作数据处理，从而修正模型得到 比较接近实际的模型再对照实验经过多次反复，力求得到比 较满意的结果，使其在定量研究方面的一些“近似解”逐步 趋于完善。
.
30
表中百分数表示表面层原子与衬底原子的原子间距与正常点 阵常数的偏离程度。其中1×1代表无再构情况，表中再构均 未列出点阵的相对旋转角。
材料表面与界面-习题含答案

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/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。

答:（1）根据Kelvin公式有开始形成的雨滴半径为：将数据代入得：（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1.0μm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A1，小水滴的总表面积为A2，则小水滴数位N，大水滴半径为r1,小水滴半径为r2.又因为将大水滴分散成N小水滴，则推出=故有即表面积是原来的1000倍。

（2）表面Gibbs自由能的增加量为=4*3。

142*0。

07288*[109*（10—6)2—（10-3)2］=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。

材料表面与界面(2-3)

材料表面与界面(2-3)


二维晶体平衡形状确定示意图(a)和确定结果 和确定结果(b) 二维晶体平衡形状确定示意图 和确定结果
第2章 材料表面与界面的基础知识 章
2.2 固体的表面 2.2.3 固体晶体的平衡形状
（3）固体晶体表面的小面化 ）
固体晶体断裂面是晶体的密排面时，表面能最低。 固体晶体断裂面是晶体的密排面时，表面能最低。如 果固体晶体受外力作用所形成的宏观断裂面不与晶体的密 排面平行时， 排面平行时，断裂表面的晶面组成可以由小面化理论给与 说明。 说明。 断裂的宏观表面可以被分解为平行于晶体密排面的若 干个小平面与连接这些小平面的连接面组成， 干个小平面与连接这些小平面的连接面组成，使形成的总 表面自由能最低。这就是固体晶体的小面化。 表面自由能最低。这就是固体晶体的小面化。
第2章 材料表面与界面的基础知识 章
2.2 固体的表面 2.2.2 固体不同晶面的表面能
（2）简单立方晶体固体表面能的计算 ）
a a a
(a)单胞结构 单胞结构
(b){001}晶面 晶面
(c){011}晶面 晶面
(d){111}晶面 晶面
简单立方晶体的单胞结构和其中的{001}，{011}和{111}晶面原子排列示意图 简单立方晶体的单胞结构和其中的 ， 和 晶面原子排列示意图 简单立方晶体{001}，{011}和{111}晶面的表面能计算结果 简单立方晶体 ， 和 晶面的表面能计算结果
体心立方晶体{001}，{011}和{111}晶面的表面能计算结果 ， 体心立方晶体 和 晶面的表面能计算结果
晶面{hkl} {001} N{hkl} Z 4 γS{hkl}
1 a2
2
2Ua a2
2 4 1（次表面） 1（再次表面）
a2
材料科学基础 第8章 材料的表面与界面

材料科学基础 第8章 材料的表面与界面


8.3 晶体中界面的偏聚与迁移 8.3.1 晶界平衡偏析
CB
C0
exp(
G ) kT
可见，溶质原子在静态晶界中偏析的程度和它在溶剂中的溶 解度有关。
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
晶界硬化 不锈钢的敏化 晶界腐蚀 粉末烧结过程 回火脆性
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
8.3.2 界面迁移驱动力 晶界迁移：晶界在其法线方向上的位移，是通过晶粒边缘上
8.2 晶体中的界面结构
三、相界 根据界面上的原子排列结构不同，可把固体中的相界分为
共格、半共格以及非共格三类。 （1）共格相界
8.2 晶体中的界面结构 有应变共格界面
8.2 晶体中的界面结构
（2）半共格相界
若aa和ab分别为无应力时的a和b的点阵常数，这两个点阵的
错配度定义为：
ab aa a
晶界迁移率B与扩散系数D之间的关系为： B＝D/kT ≈B0 e(-Q/kT)
当界面保持平衡时，界面两侧压力差值为P，
则：
gldq＝Plrdq
所以：
P＝g/r
而对任意曲面，则有： 恒温时：
P＝g(1/r1+1/r2) dm＝VdP
则：
m1－m2＝VP
通过以上分析可见，晶界曲率是晶界迁移的驱动力，界面总
是向凹侧推进。
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
8.3.3影响界面迁移的因素 (1) 温度
a
8.2 晶体中的界面结构
(3) 非共格界面
当两相在相界面处的原子排列相差很大时，即很大时，只能
形成非共格界面。
8.2 晶体中的界面结构 8.2.2界面能量 一、晶界能
由于晶界是一种缺陷，它的出现使体系的自由能增加，我们 定义形成单位面积的晶界而引起体系自由能增高称为晶界能。
材料科学基础---第四章 表面与界面

材料科学基础---第四章 表面与界面

单位面积上的能量和单位长度上的力是等因次的，
J/m2 Nm2mm N
液体的表面能和表面张力在数值上是相等的；固体 的表面能和表面张力在数值上往往是不相等的。
思考题
1、固体表面具有哪些特征？固体表面的不均一 性是如何产生的？
2、在表面力作用下，离子晶体表面会产生哪些 变化？
3、表面粗糙度和微裂纹对晶体表面会产生什么 影响？
1)—开尔文方程
r2
P—曲面上蒸汽压 P0—平面上蒸汽压 r —球形液滴的半径 R—气体常数
—液体密度 M—分子量 —表面张力
讨论： (1) 凸面蒸汽压>平面>凹面蒸汽压。 应用：解释蒸发凝聚传质。 (2)开尔文公式也可应用于毛细管内液体的蒸汽压变化。
如液体对管壁润湿，则
lnP2M1cos P0 RT r
材料科学基础---第四章 表面 与界面
பைடு நூலகம்
一、固体表面的特征
1、固体表面的不均一性 ●绝大多数晶体是各向异性。 ●同一种物质制备和加工条件不同也会有不同的表 面性质。 ●由于晶格缺陷、空位或位错而造成表面的不均一 性； ●由于外来物质污染，吸附外来原子占据表面位置 引起固体表面的不均一性。 ●固体表面无论怎么光滑，从原子尺寸衡量，实际 上也是凹凸不平的。
4、什么是晶界？相界面？晶界具有什么特点？ 5、什么是晶界构型？多晶材料中晶界相遇有哪
几种构型？
第二节 界面行为
一、弯曲表面效应 二、润湿与粘附
一、 弯曲表面效应
1、弯曲表面的附加压力 (1)定义：弯曲表面两边的压力差称为弯曲表面的附加压力。 符号：∆P。 (2)产生原因：由于表面张力的作用。方向：曲率中心。
图4－6 润湿的三种情况
（1）附着润湿
材料科学中的表面和界面现象

材料科学中的表面和界面现象

材料科学中的表面和界面现象表面和界面现象是材料科学领域中最重要的研究方向之一。

在材料工程、物理、化学等领域中，表面和界面现象的研究是其中的核心内容。

表面和界面现象涉及到材料表面和界面的结构、性质、热力学和动力学等方面的内容。

本文将介绍表面和界面现象的基本概念，探究其在材料科学中的重要性，并从多个角度阐述表面和界面现象在材料科学中的应用。

一、表面和界面现象的基本概念表面是指材料与周围环境相接触的部分，是材料的最外层。

表面现象是指固体表面的物理和化学性质与固体本身不同的性质，包括表面能、表面物理化学反应和表面反应动力学等。

界面是指两个物质相互接触的界面，由于接触必然引起界面区域的变化，所以界面现象与表面现象有许多相似之处。

界面现象包括表面张力、粘附力、润湿性等。

表面张力是指基于表面吸附机理，类似于薄膜的张力作用。

粘附力则是由表面间的物理吸附和化学反应产生的相互吸引力，常常涉及界面界面的剪切方面或接触角等方面。

表面和界面现象是由材料表面或界面上的分子作用产生的，其中动力学因素如扩散和迁移等也是相当重要的。

扩散是物质分子的自发移动，在固体表面和界面处的扩散通常比在体积中会大得多。

在材料科学中，表面和界面现象可以用于改良材料的性质和性能。

二、表面和界面现象在材料科学中的重要性表面和界面现象在许多材料科学领域中都有着广泛的应用。

例如，这些现象可以用来控制材料的力学性能、光学性能、热学性能，以及用作催化剂、杀菌剂等方面。

用于工程材料的粘附剂、涂层技术以及材料加工中的冶金技术通常都涉及到表面和界面现象的应用。

表面状态和化学特性对于颗粒物和纳米结构材料的制备和应用有着重要的影响。

表面和界面现象也成为创新材料设计的基础，包括涂层材料的设计、减小接触角的材料（如超疏水、超疏油材料）的制备、双氧水气泡杀菌、合金制备、新催化剂的研究等。

另外，表面和界面现象在电子器件中也起着重要的作用，像皮肤感应器、高分子材料、太阳能电池、传感器、LED材料等。

材料表面与界面课后思考题 (胡福增)

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。

材料表面与界面


可采用红外光谱法分析表面官能团的种类。
透射法――abrasion法； 表面反射法： ATR法（attenuated total internal reflection）衰减全反射法MIR法（multiple internal reflection）多重内 反射法
FT－IR法： FT－IR －ATR差谱、FT－IR高灵敏度反射法、 FT－IR－扩散反射法等。
③结晶性的评价 聚合物表面结晶情况如何将大大影响聚合物的表面性质。是什么样的结晶？结晶度如何？对结晶度定量化 目前很难，只能采取定性的方法。
1)由表面张力进行推测 通常，在结晶性高的表面上单位面积上的原子或分子的密度大。 分子密度大的表面分子间力大于内部分子间力之和，表面的分子间力通常用表面张力来表示。
材料表面与界面
第七章 聚合物表面与界面概述 （Polymer Surface and Interface） 7.1 概述 随着聚合物制品的品种不断的增多，人们不仅希望制品存在优异的内在性能，而且对其表面性质的要求也越来越高。 要求制品有精美的外观以提高制品的商品价值； 要求制品具有某些特殊的表面性能以满足制品的各种使用要求。 这除了需要开发新品种以满足要求外，主要靠材料的表面改性来实现。
α
A
A′
S
S′
B
B′
β
α与β为不同的两个物质，它们接触到一起就会产生界面。
SS′为两相接触的面（相界面），为了方便处理，通常将界面看作一个虚构的几何面。
AA′与BB′之间的部分为界面相，很薄，几个分子厚。
许多研究者已经证实：处于两相间的交界部分乃是一个具有一定厚度（厚度很小，一般只有零点几纳米到几纳 米，通常小于0.1μm）的区域，物质的组分和能量可以通过这个区域从一个相连续地变化到另一个相。这层的结构和 性质与相邻两相的结构和性质都不一样。在界面区域内压力是不均一的，在垂直于界面的方向上存在压力梯度。与此 相反，在本体相区域内压力是均一的，不存在着梯度，并且是各向同性的。在本体相区域内可逆地输送物质不会消耗 净能量。

材料表面与界面 2 图文


伍德标记法
• 当体内原子的排列，即衬底晶面晶格平移对称
性可表示为
T=n1a1+n2a2
•表面晶格平移对称性为
Ts=n1'as1+n2'as2
as2
as1 a2 a1
•表面原子的排列是由原子内部排列转化而来，
因此表面原子的排列与内部有一定关联。
•一般的关系为 as1 =pa1 as2 =qa2
第一节 清洁表面
1.1 描述清洁表面原子排列结构的符号
• 表面原子的排列方式虽然与体内有差别, 但表面原
子仍作对称和周期性的排列，常看成是二维格子。
• 结晶学上的概念和规则，二维格子中都适用。但由
于维数减少，相应的复杂性也减少，即空间群数(230 →16) 、点群(32→4) 和布拉维格子(14 →5)。
第一节 清洁表面
(1)自行调整, 表面处原子排列与内部有明显不同； (2)外来因素, 如吸附杂质, 生成新相等。
第一节 清洁表面
• 几种调整的方式后形式清洁表面结构示意图
•在清洁表面中，主要讨论弛豫和重构
思考题
• 哪些材料的性能取决于材料的表面特性？
第一节 清洁表面
(1) 弛豫
• 表面区原子(或离子)间距与体内相比有差别，但
情形。
L-台级，T-平台，K-台
台级
台级上的扭折
级处的扭折，Suv-表面 空位，SLv-台级处空位， SuA-表面自吸附原子， SLA-台级处自吸附原子
第一节 清洁表面
(2) 点缺陷
• 在平台上可能存在各种点缺陷，最为普遍的就
是吸附(或偏析)的外来杂质原子。表面上的正 负离子空位对、空位团簇。
• 由于有表面能，表面原子的的重建

材料表面与界面标答

2012研“材料表面与界面”期末考试标准答案一、表界面的定义是什么？举例说明研究材料表界面现象的重要意义。

1、表面定义界面定义分为5大类：固－气、液－气、固－液、液－液、固－固；其中前两者称为表面，后三者称为界面。

（10分）2、腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、复合等。

（10分）二、溶质加到溶剂中可引起其表面张力的变化，简述溶质浓度对溶剂表面张力影响的三种类型。

哪种类型的物质可以称为表面活性剂？表面活性剂如何分类？1、三种类型：1）表面张力随溶质浓度的增加几乎成直线关系上升；2）表面张力随溶质浓度的增加而下降；3）加入少量可显著降低溶液的表面张力。

第三种类型的物质可以称为表面活性剂。

（10分）2、按亲水基类型分类：阴离子、阳离子、两性、非离子按分子量分类：低分子量、中分子量、高分子量按工业用途分类（10分）三、简述陶瓷材料表面结构、晶界、相界的特点。

陶瓷为无机非金属粉末晶体在一定条件下形成的多晶聚集体。

（5分）表面：无论经过多么精细的研磨、抛光处理，其表面都是相当不平整的，除明显起伏外，还有裂纹和空洞。

（5分）晶界：晶界可分为孪晶界、小角度晶界和大角度晶界三种。

（5分）相界：相界并不是单纯的一个面而是一个过渡层，有多个分子层。

陶瓷经过严格研磨抛光后，在距表面1微米内，晶粒尺寸与体内明显不同；特别在距表面0.1微米的范围，晶粒尺寸很细，相界区有非晶态存在。

（5分）四、填空题(1) 33.2、41.5及42.0；66.4、83.0及84.0 （1分）聚氯乙烯的极性使得其表面焓较大（1分）大体积苯环的存在使其表面熵较小（1分）(2) 17.9；12.7；（1分）22.1；（1分）0.758 （1分）(3) ⎪⎭⎫⎝⎛--+-)1ln()1()ln(nnnrnk（1.5分）⎪⎭⎫⎝⎛--+-)1ln()1()ln(nnnrnk（1.5分）(4)⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛'-Ω222221dzdnbzznεε（1.5分）Ωzn2ε（1.5分）(5) ⎰∞∞-⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎭⎫⎝⎛'--+⎪⎭⎫⎝⎛--+Ω=dzdzdnbznnznnnrnkT222)1(2)1ln()1()ln(1εεγ（3分）五、判断题(1) ( √ ) （1分）(2) ( √ ) （1分）(3) (×) （1分）(4) ( √ ) （1分）(5) (×) （1分）(6) ( √ ) （1分）(7) ( √ ) （1分）(8) ( √ ) （1分）(9) (×) （1分）(10) ( √ ) （1分）六、简答题(1) a) 高能粒子轰击聚合物表面产生大量自由基，形成致密的交联结构；（1分）b) 若被处理聚合物结构中含氧，则轰击使大分子链断裂分解产生活性氧，其效果类似于氧等离子处理；（1分）c) 轰击产生的新生自由基半衰期长，能与空气中氧作用，导致氧结合到大分子链上。

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材料的表面与界面 (2)
di RTdlnai
设：
i
ni A
d 1 R T d ln a 1 2 R T d ln a 2
材料的表面与界面 (2)
Gibbs面
(1) 2
1 RT
d
dlna2
n1＝0
Gibbs吸附公式
溶剂表面上为0时，溶质的表面过剩
稀溶液
(1) 2
1 RT
d
dlna2
材料的表面与界面 (2)
3）HLB值测定
5%未知HLB值的乳化剂分散在15%已知HLB值 的油相中
油相制备：粗蒸松节油（HLB 16）和棉籽油 （HLB 6）复配得到不同HLB值的油相
加80%的水在Janke-Kunkel型KG分散器以最小 速度分散1分钟
制备后12，24小时后比较样品的稳定性，得乳 化剂的HLB
相互作用能
W（nm
吸引 W0
材料的表面与界面 (2)
W（D）/J
排斥 D/nm
聚沉 coagulation
材料的表面与界面 (2)
W（D）/J
D/nm 絮凝 flocculation
絮凝可以再分散
材料的表面与界面 (2)
3.1 Van der Waals力
3.1.1 Van der waals类型
U T S p V r A in i
d U T d S S d T p d V V d p d A A d i d n i n i d i
材料的表面与界面 (2)
S d T V d p A dn id i 0
恒温、恒压下：
A d nidi 0
d nAi di
总结
• 物质表面存在表面张力 • 表面张力和表面自由能概念不同，数值相
同
• 表面张力是由于物质表面上分子与本体 中分子所受的相互作用力不同，产生 表面收缩所致
• 水表面张力 72mN
材料的表面与界面 (2)
• Laplace方程
P 2 R
• Kelvin公式
M2 r
RTln(p1
p0)
p
p0
1 RT
按亲油（疏水）部分
1）C－H
2）C－F
疏水性：2）> 3）> 1） 按亲水部分
3）硅氧烷
1）离子型 2）非离子型 亲水性：1）>材3料）的表>面与2界）面 (2)
3）混合型
• 溶解性
离子型表面活性剂在温度高于一定值时，溶解 度急剧增加
S
Krafft点
T/材℃料的表面与界面 (2)
非离子表面活性剂，当温度上升到一定温度 时，溶解度下降，出现浑浊现象，该温度称 为浊点 Cloud Point
表面张力很快下
<1%
C 水溶液浓度
降到最低点
材料的表面与界面 (2)
溶质使溶剂表面张力快速下降的性质，称为表面活性
Surface activity
材料的表面与界面 (2)
2.7.2 表面活性剂（surfactant）
• 特点：高表面活性物质 • 结构特点：
亲油
亲水
材料的表面与界面 (2)
• 分类
取向力
偶极子间相互作用 Kesson力
色散力
瞬间偶极相互作用 London力
1）HLB值的标准
石蜡
0
油酸
1
油酸钾
20
十二烷基硫酸钠：40
材料的表面与界面 (2)
2）HLB值应用
• 表面活性剂分类
HLB 1 亲油性极强的表面活性剂 HLB 40 亲水性最强的表面活性剂 HLB 10 亲油性与亲水性的中点
• 表面活性剂应用
HLB 3～6 油包水乳液 HLB 7～8 润湿剂 HLB 9～16 水包油乳液
• CMC
critical micelle concentration
micelle
材料的表面与界面 (2)
γ
溶
液
性
质
CMC
CMC
C
表面张力 油溶性 渗透压 当量电导
材料的表面与界面 (2)
• HLB值
hydrophile-lipophile balance
表面活性剂分子中的亲水基团的亲水性和亲油基团的亲油性表达
1 d C2 d
RT d lnC2
RT dC2
材料的表面与界面 (2)
(1) 2
C2 RT
d
dC2
dγ/dC + dγ/dC -
低表面张力物质在表面上聚集
材料的表面与界面 (2)
第三章 界面相互作用
作用力：
Van der waals力 静电力 空间相互作用力
材料的表面与界面 (2)
作用类型
—O—
1.3
—OH（失水山梨醇环） 0.5
—CH2—CH2O—
0.33
亲油基数
>CH—
—CH2— —CH3 =CH—
0.475 0.475 0.475 0.475
—CF2— —CF3 苯环
0.870 0.870 1.662
— CH2 — CH2 — 0.15 CH2O— — CH(CH3) — 0.15 CH2O— —CH2—CH(CH3) 0.15 —O—
• Journal of American O材il料C的表he面m与界is面t’s(2)Society 60(4):862 (1983)
4）HLB值计算
• 非离子表面活性剂HLB计算
HLB711.7logM MW 0
Mw 亲水基团相对分子质量 Mo 秦油基团相对分子质量
Journal of American Oil Chemist’s Society 49(8):499 (1960)
M
2
r
材料的表面与界面 (2)
2.7 溶液表面
溶液表面张力取决于：1、溶液组成部分分子相互作用 2、溶液组成部分分子在表面上的分布
材料的表面与界面 (2)
2.7.1 溶液表面张力
I类：随C增加，溶液表
γ
面张力上升 I
溶质一般为盐类
II类：随C增加，溶液表 面张力下降
II
溶质一般为有机物
III
III类：随C增加，溶液
材料的表面与界面 (2)
• 非离子、阴离子表面活性剂HLB计算
H L B 7 亲 水 基 数 亲 油 基 数
亲水基数
—SO4Na
38.7
—COOK
21.1
—COONa
19.1
—SO3Na
11.0
—N（叔胺）
9.4
酯（失水山梨醇环） 6.8
酯（自由）
2.4
—COOH
2.1
—OH（自由）
1.9
材料的表面与界面 (2)
• 混合表面活性剂HLB计算
H L B H L B 1 w 1 % H L B 2 w 2 %
适用于非离子表面活性剂
材料的表面与界面 (2)
2.7.3 表面吸附
α
d U T d S p d V d A id n i
S
d U T d S p d V d A id n i β