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材料的表面与界面第一章 表面与界面的基础知识

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材料表面与界面-1PPT课件

材料表面与界面-1PPT课件

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。表面上会发生与体内结构和成分不同的变化。
最新课件
12
结构变化
驰豫
指表面层之间以及表面和体 内原子层之间的垂直间距ds 和体内原子层间距d0相比有 所膨胀和压缩的现象。可能 涉及几个原子层。
重构
指表面原子层在水平 方向上的周期性不同 于体内，但在垂直方 向上的层间间距d0与 体内相同。
按照“学科”，材料表面物理化学研究领域，比如：
1）信息学科：“半导体表面”；
2）能源和环境学科：“催化表面”和“电极表面”；
3）材料学科：“薄膜表面和界面”；
4）机械学科：“摩擦表面”；
5）航天技术：“真空表面”
国防工业：“特种军工技术表面”；
6）纳米科学和技术：“纳米表面”。
各种技术学科都对表面和界面现象有浓厚的兴趣，因为许多关键性的问
2.滕新荣，表面物理化学，北京，化学工业出版社，2009年；
3.朱步瑶，赵振国，界面化学基础，北京，化学工业出版社，1996年；
4.筏 羲人（日），高分子表面的基础和应用，北京，化学工业出版社，1990年；
5.金谷，表面活性剂化学，合肥，中国科学技术大学出版社，2008年；
6.近藤精一，吸附科学，2005年；
材料表面与界面
胡福增 主编
最新课件
1
课程安排
• 管 涌，危大福： 表界面基础知识、表面活性剂、高分子材料的表面改性 和表征，复合材料界面；
• 袁双龙： 无机非金属材料，8课时； • 朱以华： 纳米材料，8课时； • 张 琰： 生物材料，8课时。
最新课件
2
参考书：
1.顾惕人，朱步瑶，李外郎，等，表面化学，北京，科学出版社，2003年；

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

材料表面与界面（1）

材料表面与界面（1）

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。

材料表面与界面

材料表面与界面

表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。

若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。

表面：在真空状态下，物体内部和真空之间的过渡区域，是物体最外面的几层原子和覆盖其上的外来原子和分子所形成的表面层。

表面层有其独特的性质,和物体内部的性质完全不同。

几何概念：表面是具有二维因次的一块面积，无厚度、体积。

界面：两个物体的相态相接触时的过渡区域，由于分子间的相互作用，形成在组成、密度、性质上和两相有交错并有梯度变化的过渡区域。

几何概念：它不同于两边相态的实体，有独立的相、占有一定空间，有固定的位置，有相当的厚度和面积。

弛豫；指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距ds和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。

可能涉及几个原子层。

重构：指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。

这种不平衡作用力使表面有自动收缩的趋势，使系统能量降低的倾向，由此产生表面张力以σ表示，称为表面张力，即：6=f/2l，6=dw/da，σ也可以理解为表面自由能，简称表面能。

例题：20℃时汞的表面张力为4.85×10-1 Jm-2，求在此温度及101.325 kPa 的压力下，将半径1mm的汞滴分散成半径10-5 mm的微小汞滴，至少需要消耗多少功？解：已知：σ＝4.85×10-1 Jm-2，r1=1mm, r2=10－5 mm，界面张力的热力学定义。

在恒温、恒压下研究表面性能，故常用下式表示。

广义表面自由能的定义：保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积时，相应热力学函数的增值。

狭义表面自由能的定义：保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能，或简称表面自由能或表面能，用符号σ表示，单位为J·m-2。

表面张力与表面Gibbs自由能的异同：相同点：数值相同，量纲相同。

不同点：物理意义不同，单位不同。

例：试求25℃，质量m＝1g的水形成一个球形水滴时的表面自由能E1。

表面与界面知识点总结 -回复

表面与界面知识点总结 -回复

表面与界面知识点总结 -回复
以下是表面与界面的知识点总结：
1. 表面：物质外部与空气、液体、固体等相接触的部分。

通常有分子层之称。

2. 界面：两种不同状态的物质相接触的部分，如气液界面、固液界面等。

3. 表面张力：液体表面对外界的张力。

液体分子内部相互吸引，表面上的液体分子则受到邻居分子的吸引力只能向内收缩，形成一个比内部压力高的膜状物。

例如水滴在菜叶表面停留就是因为水滴表面的张力与菜叶表面的张力相等而凝聚在菜叶上。

4. 比表面积：单位质量内所含有的分子数和面积，即面密度。

比表面积可以反映物质粒子间的作用力。

5. 吸附：物质表面吸附分子或离子的现象。

吸附可分为化学吸附和物理吸附，化学吸附是指吸附过程中发生化学反应，物理吸附是指吸附过程中没有化学反应。

6. 原子层沉积(ALD)：是指以原子为单位，将一种气态化合物分子逐层沉积在衬底表面的过程。

这种技术可以制备高质量、均匀、复杂的薄膜，并广泛应用于微电子、光电、生物等领域。

总之，了解表面和界面的知识对于化学、材料学等领域非常重要，能够帮助我们更加深入理解物质的性质、结构和相互作用关系。

《材料表面与界面》PPT

《材料表面与界面》PPT

•贝尔比层形成与作用 •动抛性光(熔时化抛)光, 在剂凝磨固去前表，面由层于原面子表，面下张面力一的层作在用瞬使间表内面保变持得流平
滑。
•由于金属有高的热导率，表面层又迅速地凝固成20Å 左右
的非晶态层。
• 对于金属和合金来说，它们的抛光表面大都有一层贝尔比
层，其成分是金属和它的氧化物的混合物。贝尔比层可起到 耐蚀、强化的作用。。
会吸附水分子，并解离成羟基(OH-)，而使表面的物埋化表面：空气/表面组成/设计组成。 •表面组成：表面能小的氧化物易在玻璃表面富集,如PbO,
材料 铝
铁
加工方式与粗糙系数
加工条件 箔
板材抛光 阳极氧化层，厚20µm
2号金刚砂抛光，苯去脂 膜
粗糙系数 6 1.6
200~900
3.8 60
(3) 粗糙度对材料或应用的影响 材料表面受力的影响 由于固体的表面是不平整性，当两个表面相互接触时, 真实接 触面积与表观接触面积差别较大。
在实际应用中，表观面积与加工方式和负荷无关。 而真实接触面积会随受力负荷而改变：
几种调整的方式后形式清洁表面结构示意图
(1) 弛豫
•表面区原子(或离子)间的距离偏离体内的晶格常数，而晶胞
结构基本不变, 这种情况称弛豫。
• 离子晶体的表面容易发生弛豫，主要作用力是库仑静电力，
这是一种长程作用。
•弛豫产生原子位置偏移，主要在垂直表面方向。因此，一
般认为弛豫后表面原子排列的平移对称性不变，只是微观对 称性发生了变化。
贝尔比层 微晶区 明显变形区
磨料颗粒
•研磨时, 金属表面的温度可达500℃~1000℃，有时会产生熔
化。
•金属导热性好, 冷却迅速, 熔化的原子来不及回到平衡位置，

材料表面与界面-第一章


润湿性
指液体在固体表面上扩散 和附着的能力。
影响因素
表面吸附和润湿性受表面 张力、表面能、物质性质 等因素的影响。
表面形貌与结构
表面形貌
指固体表面的几何形状和 外观特征。
表面结构
指固体表面的化学组成和 分子排列结构。
影响因素
表面形貌和结构受物质性 质、制备方法和环境条件 等因素的影响。
03 材料界面的基本概念
材料表面与界面-第一章
目录
• 引言 • 材料表面的基本性质 • 材料界面的基本概念 • 材料表面与界面的应用 • 总结与展望
01 引言
表面与界面的定义与重要性
定义
表面是指物质的最外层，而界面 则是指两种不同物质之间的接触 面。
重要性
表面与界面在许多物理、化学和 生物过程中起着关键作用，如催 化反应、电子传输、生物分子相 互作用等。
04 材料表面与界面的应用
表面技术在材料制备中的应用
表面涂层技术
通过在材料表面涂覆一层具有特 殊性能ห้องสมุดไป่ตู้涂层，以提高材料的耐
腐蚀、耐磨、隔热等性能。
表面合金化技术
通过改变材料表面的元素组成和 相结构，使其具有优异的耐高温、
抗氧化、抗疲劳等性能。
表面微纳结构制备
利用微纳加工技术，在材料表面 制备出具有微纳尺度结构的表面， 以提高材料的表面能、润湿性、
摩擦学性能等。
界面技术在复合材料中的应用
界面设计
01
通过优化界面结构和性质，提高复合材料的力学性能、电性能、
热性能等。
界面增强
02
利用界面层对复合材料的增强作用，提高复合材料的强度、韧
性、耐疲劳等性能。
界面相容性

《复合材料原理》表面与界面基础 ppt课件


ppt课件 12
2. 表面与界面热力学
2.2 固体表面热力学

固体表面张力 =(1+2)/2 1 2表面应力 表面应力，单位长度力
力学定义 固体表面张力 1=2 各相同性 12 各向异性 对于某各向异性的固体，在二维方向上面积 各增加dA1和dA2 d(A1GS)= 1 dA1 d(A2GS)= 2 dA2
ZZdZ时：曲面面积变化为：
y
y+dy
A＝(x+dx)(y+dy)-xy=xdy+ydx

新增加的表面能为： A＝ (xdy+ydx)
P所做的膨胀功为 P.x.y.dz
平衡时有： （xdy+ydx）=Pxydz
ppt课件 29
3. 表面与界面效应
3.1 Young－Laplace 方程
3. 表面与界面效应
3.2 Kelvin方程
p M 1 1 ln( ) ( ) p0 RT r1 r2
当r1=r2
弯曲表面上的蒸汽压
r1=R1
r2=R2 Kelvin
p 2 M ln( ) p0 rRT
1 1 P ( ) r1 r2
当r1=r2
ppt课件
1 1 P ( ) R1 R2
ppt课件
y
y+dy
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3. 表面与界面效应
3.1 Young－Laplace 方程

弯曲表面下的附加压力
平表面：R1 R2 △P=0 毛细管：R1=R2=R/ △P根据曲面方向分为： 毛细上升 毛细下降 l 为液体的密度; s 为气体的密度 因l>>g所以：2/R'=lgh

第一章 表界面基础知识

令F=p-W环，R=R’+r，则可得
F 4 ( R' r ) 4R
经Harkins和Tordan校正
F f 4R
校正因子f 与两个无量纲量 有关，可从校正因子图查出
材料表面与界面
5、吊板法
p = W总 - W板 = 2(l + d)σ
l 和d 分别为吊板的宽度和厚度
气 相
液 相
材料表面与界面
表面张力（含义3-热力学含义)
根据热力学第一、第二定律，可以导出：
U H F G ( ) S ,V ( ) S , P ( )V ,T ( ) P ,T A A A A
表面张力为各种特定条件下，改变单位面积所引起的内能 U、焓H、自由能F、自由焓G的变化值，由于经常在恒温 恒压下研究表面能，故下式较常用

G A P,T
(1-3)
材料表面与界面
表面张力（含义3-热力学含义)
令GS为比表面自由焓，A为总表面积，则总表面自由焓为
G G A
S
代入式（1-3）得：
S G G S A( ) P ,T A
纯液体分子是可流动的， 表面改变并不引起表面结 构分子间平均距离及排列 情况变化，故：
材料表面与界面
理解
式(1-2)才是laplace方程的一般形式，是表面化学 的基本定律之一 当两个曲率半径相等时，R1=R2= r时，曲面成为 球面，式(1-2) 变成(1-1) 对于平液面，两个曲率半径均为无限大， Δp=0表 示跨过液面不存在压差
材料表面与界面
1.3 液体表面张力的测试
材料表面与界面
理解表明能
表面能是创造பைடு நூலகம்质表面时对破坏分子间化学键的度量。在 固体物理理论中，表面原子比物质内部的原子具有更多的 能量，因此，根据能量最低原理，原子会自发的趋于物质 内部而不是表面 表面能的另一种定义是，材料表面相对于材料内部所多出 的能量。把一个固体材料分解成小块需要破坏它内部的化 学键，所以需要消耗能量。如果这个分解的过程是可逆的 ，那么把材料分解成小块所需要的能量与小块材料表面所 增加的能量相等，即表面能增加 也可以这样理解，由于表面层原子朝向外面的键能没有得 到补偿，使得表面质点比体内质点具有额外的势能，称为 表面能

生物材料的表面与界面材料表界面ppt课件


3.3 生物相容性的研究意义
生物相容性是生物材料极其重要的性能，是区 别于其他材料的标志，是生物医用材料能否安 全使用的关键性能。
控制和改善生物材料的表面性质，是促进材料 表面与生物体间的有利相互作用、抑制不利相 互作用的关键途径。
如何提高材料的生物相容性
？
生物材料的表面工程是一种非常重要的方法！
国内从事生物材料表界面研究的课题组
生物材料的表面改性与功能化；
蛋白质、细胞与材料表面的相互作用；
苏州大学陈红教授课题组
➢Combining surface topography wi生 polymer chemistry: exploring new interfacial biological phenomena. Polym. Chem., 2013, DOI: 10.1039/C3PY00739A ➢Aptamer-Modified Micro/Nanostructured Surfaces: Efficient Capture of Ramos Cells in Serum Environment. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5, 3816.
第一部分：生物材料表界面学科的诞生
1. 生物材料的概念（Biomaterials):
与生物体相接触的、或移入生物体内起某种取代、 修复活组织，增进或恢复其功能的特殊材料。
2. 生物材料的发展阶段
➢最初：一些临床应用的生物材料并不专门针对医用设计 （实现基本临床功能，也带来了不良的生物反应)
➢20世纪60-70年代：第一代生物材料（惰性生物材料） （物理性能适宜、对宿主反应较小；寿命延长5-25年）
其他领域的表面工 程技术和材料引入 生物材料领域或基 于体内物质的初步 模仿
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表面张力和表面自由能是对同一表面现象从 力学和热力学角度所做的描述。
表面张力的力学概念直观、易应用，在分析 各种界面同时存在的各界面张力的平衡关 系时容易理解。
表面自由能的概念反映现象的本质，讨论表 面现象的各种热力学关系时应用表面自由 能概念更贴切和方便。
在采用适宜的单位时（如表面张力用mN.m-1, 表面自由能用mJ.m-2），同一体系的表面 张力和表面自由能数值相同。
的高度h服从washburn方程：h2=ctrcos/2η 和η为液体的表面张力和黏度；c为毛细管因子，r为与粉体
柱相当的毛细管平均半径，一般将cr作为仪器常数。
五. 浮选与接触角
测定接触角后可以用来计算固体的表面能， 润湿热，吸附量等有用的数据。
在工业上接触角的研究的最大应用在泡沫浮 选：在矿浆中加入起泡剂等后通入空气形 成泡沫，由于水对矿石粉不同组成的润湿 性质不同，有用矿粉体附着在泡沫上并上 浮分离，无用的矿粉体则沉入水底。每年 全世界用浮选法分离的矿石达到10亿吨以 上。
材料表面与界面研究的意义 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，这是因为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，因此产生了表面 能。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。即使是单组分的材料，由于内部 存在的缺陷，如位错等，或者晶态的不同形成晶界，也可能在内部产 生界面。材料的表界面对材料整体性能具有决定性的影响，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。因此研究材料的表界面现象具有重要的意义。
-GS=sg - lg - sl = S
S-铺展系数，自发进行时， -GS<0 浸湿：形成单位界面时的自由能改变
-GI=sg - sl =WI
WI称为浸润功，自发进行的条件：WI>0
2. 接触角与Young方程
（1）接触角：将一液体滴到平滑、均匀的固体表面上，若 不铺展，将形成一平衡液滴，其形状由固液气三相交界面 处，做气液界面切线，该切线与固液界面的夹角叫做接触 角，也叫润湿角。
p=2/r=（ρ1-ρ2）gh=ρgh， h—为液面上升或下降的长度；
—液体的表面张力。 这个公式常用来测定表面张力。
（2）亲液固体片、粉体间隙中形成的液体凹液面引 起的附加压力的作用
干净玻璃片之间夹有一层水时两片玻璃很难拉开；松软土壤 雨后常会发生塌陷现象。这些都是因为水在缝隙（可以看 成毛细管）中形成凹液面，如果缝隙足够小，则相当于凹 液面的曲率半径r很小，根据Laplace公式，p就非常大。
本课程的主要内容
表面与界面的基础知识 高分子材料的表面与界面 复合材料的表面与界面 先进材料的表面与界面
第一章 表面与界面的基础知识
第一节 概述
1. 表面与界面
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。表面和界面是由一个相到另一相的过渡区域。 根据物质的聚集态不同，表界面通常可以分为以下五类： 固—气 液—气 固—液 液—液 固—固。
（2）Young方程（润湿方程）
sg-sl=lgcos，其中 -三个界面张力。
固气和固液的界面张力很难实验测定，但是接触角是可以 测量的。所以
沽湿：WA=lg（cos+1） 浸湿：WI=lgcos 铺展：WS=lg（cos-1） 可知：越小，W越大，过程越容易进行。<900,为润湿，反
之为不润湿。1800，沽湿。900，浸湿。=00，铺展。
（2）过程自由能变化 沽湿：若恒温恒压下形成单位界面，自由能变化为 -GA= sg + lg - sl = WA WA称为黏附功，是将单位面积固液界面拉开外界需做的最小功，它表征
固液界面（即固体和液体分子间）作用力的大小。
WA>0,则-GA <0，沽湿过程自发进行。
铺展：液体自发在固体表面展开成一薄层。 形成单位界面时的自由能改变：
2. Laplace公式的应用
（1）毛细上升和下降
毛细作用是因为表界面张力存在而引起的现象。最明显的是其 决定流体运动达到平衡时的形态，如使液体成液滴状或形成 弯曲液面。
在毛细管或孔性固体中的液体受到额外的因有弯曲液面存在而 产生的作用力，此作用力就是由Laplace公式所决定的指向曲 率半径为正值一侧的附加压力，即毛细力。由于毛细力的作 用曲率半径为正一侧的压力比另一侧的压力大，为了达到里 的平衡，就会出现毛细管内的液面上升或下降的现象。
习题：已知两块间距为10-4cm的玻璃板之间夹有0.1g的水， （表面张力为73mN/m）求玻璃板受到的压力。
解： p=2/r=1.46×105N/m2 压力= p×面积=14 atm
四、润湿作用与接触角
1.润湿作用
（1）定义：物体表面一种流体被另一种流体取代的过程叫 润湿。如果如果液体取代固体表面的气体，形成新的固 液界面，叫做沽湿。 如果固体浸入液体，则叫做浸湿。
3.决定和影响接触角大小的因素
（1）物质的本性 对指定固体，液体表面张力越小，角也越小； 对同一液体，固体表面能越大，内聚能越大， 角就越小； （2）接触角的滞后现象 当固液界面扩展时形成的接触角叫前进角a；当固液界面回
缩时形成的接触角叫后退角r。前进角和后退角不相等的 现象叫接触角的滞后现象。
原因：
需要思考的问题：
1. 如果在其他体系如，液-液体系，就会涉及到界面张力和表面张力的问题，如果 从分子间作用力思考，其界面和表面张力实质上可以归结为3种力相互影响的结果 （1）外层电子云相互叠加而产生的排斥力（BORN力）； （2）范德华力：包括极性分子的永久偶极矩间的静电力（KEESON力），极性分子 的永久偶极矩和由它对非极性分子诱导产生的诱导力（DEBYE力）；以及非极性分子 的瞬间偶极矩之间的作用力— 色散力（LONDON力）。对极性分子而言，这3种力都 存在。而对非极性分子来说，则只有色散力。 （3）特殊吸引力：在特殊场合下才有的力，氢键力，金属键力，电子相互作用力， 离子相互作用力。
（2）对于弯曲液面，若将液相作为内侧，液面的曲率半径可能 是正的，也可能是负的。如水中的气泡，气液界面曲率半径为-r，
液面称为凹液面；若考虑空气中的小液滴，以液相为内侧，曲率 半径为r，这种液面称为凸液面。 （3）形成凸液面时, p>0,液相内压力大于另一侧气相的压力； 形成凹液面时， p<0，液相内压力小于另一侧气相的压力； 形成平液面时，r=∞， p=0，两侧压力相等。 （4）根据Laplace公式，r越小， p越大如水中小气泡的情况。
表面粗糙性——导致润湿性不同，从而导致接触角发生变化。 表面不均匀性——不同表面能的区域导致接触角变化。 （3）吸附及其他因素的影响
固体表面，特别是高能固体表面自发地从周围环境中吸附某 些组分而降低自身的表面能，同时也改变了表面性质，进 而影响接触角大小。另外温度和液滴形成时间也有影响。
4. 接触角的测定方法
在室温液态物质中以汞的表面张力最高； （2）有机液体的表面张力一般都小于50mN.m-1，其中非极性液体（如
烷烃）分子间仅有vander Waals力作用，表面张力比含极性基团的有 机液体（如醇、酸）等的要低。 （3）在同系有机物中分子量大的表面张力较高。
2.温度的影响
由于温度升高使分子热运动加剧，分子间作用力减弱，表面张力多随着温度升高 而减小。即，纯液体的表面张力系数均为负值。同时升高温度使液体的饱和 蒸汽压增大，气相中分子密度增加，也使气相分子对液体表面分子的作用力 增大，导致液体表面张力减小。当温度达到临界温度Tc时，液相和气相界线 消失，表面张力为零。
p2 /r 式中的是液体或水的表面张力，r是气泡的半径。
r/nm p/Pa
1
2
10
1000
1440×105 720×105 144×105 1.44×105
对于主曲率半径为R1和R2的任一曲面，可以得到Laplace公式的普遍形式：
p
1 1
R 1 R 2
（1）当p指弯曲液面的内外压力差： p=p内-p外， p内通常指曲 率半径为正值一侧压力，如气泡内的压力；曲率半径的正负号要 取正确。
为了保持弯曲液面的存在与平衡，弯曲液面内外两侧有压力差：弯曲液面 突向一侧的压力总是小于另一侧的。
或者说：液面两侧有压力差时，能够形成弯曲液面，液面突向的一侧压力 小，两侧压力差与液体表面张力和弯曲液面的曲率半径有关。
根据水中的气泡受到的内外压力差与体系自由能变化情况，得到球形界面 的Laplace公式：
气体和气体之间总是均相体系，因此不存在表面与界面。
固—气，液—气之间的过渡区域叫做表面； 固—液，液—液．固—固的过渡区域称为界面。
实际上两相之间并不存在截然的分界面。相与相之间是个逐步过渡的区域， 表面与界面区的结构、能量、组成等都呈现连续的梯度的变化。因此， 表面与界面不是几何学上的平面，而是一个结构复杂，厚度约为几个分 子长度的准三维区域，因此常把界面区域当作一个相或层来处理，称作 界面相或界面层。
2. 表面活性剂分子具有两亲性，既具有亲油的疏水基团 （hydrophobic group），也有疏油的亲水基团 （hydrophilic group），这类分子叫两亲分子 （amphiphilic molecules，amphiphiles）。
二、液体表面张力的影响因素
1. 物质的本质 液体表面张力是指将液体分子从体相中拉到表面上所做功的大小，因此
它与液体分子之间的相互作用力的性质与大小有关。相互作用强烈， 不易脱离体相，表面张力就大。如水分子间有氢键作用，并可形成结 构，因此水是常见液体中表面张力最大的。
一般情况下： （1）液态金属的表面张力大是由于金属键的强度大，使其相对移动困难，
高分子材料表面与界面研究的重要性 高分子材料是材料家族中的重要成员，高分子材料的重要性可与全