材料表面与界面_习题含答案
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。
第四章 表面与界面
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
22
J/m 70.056cos 2/γJ/m 78.056cos 50
材料表面与界面知识复习资料题库
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。
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。若将该水滴分散成直径2nm的微小水滴，其总表面能E2又是多少？（已知25℃时水的比表面自由焓Gs为72×10-3 J*m-2) G=GsA.解：设1g水滴的体积为V，半径为r1，表面积为A1，密度为ρ,则：（2）若分散成r2＝1nm的水滴N个。由于液面是弯曲的，则沿AB的周界上的表面张力不是水平的，作用于边界的力将有一指向液体内部的合力。所有的点产生的合力和为Ps ，称为附加压力。由于液面是凹面，沿AB的周界上的表面张力不能抵消，作用于边界的力有一指向凹面中心的合力。所有的点产生的合力和为Ps ，称为附加压力。（1）凸液面，液滴的曲率半径r为正，△P为正，附加压力指向液体内部，r越小，△P越大；（2）平液面，r趋向无穷大，△P为零，跨越平液面不存在压力差；（3）凹液面，r为负，△P为负，附加压力指向空气。对指定液体，在一定温度下，σ为一定值，则：1）对球面r1 = r2 =r Δp = 2σ/r 2）对凸面r取正值对凹面r 取负值对平面 3）球形液膜（两面）如肥皂泡Δp = 4σ/R'
材料表面与界面考试资料整理
材料表⾯与界⾯考试资料整理
题型
⼀、名词解释（8个，24分）
⼆、简答（8个，48分，有画图题）
三、简述（2个，28分）
考试范围
⼀、名词解释
1.表界⾯：由⼀个相过渡到另⼀相的过渡区域。
2.表⾯：习惯上把固－⽓、液－⽓的过渡区域称为表⾯。
界⾯：把固－液、液－液、固－固的过渡区域称为界⾯。物体与物体之间的接触⾯。
界⾯－两种物质（同种或不同种）之间的接触⾯、连接层和分界层。
3.理想表⾯：理论上结构完整的⼆维点阵平⾯。
4.清洁表⾯：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。（表⾯的化
学组成与体内相同，但结构可以不同于体内）
5.驰豫表⾯：指表⾯层之间以及表⾯和体内原⼦层之间的垂直间距d s和体内原⼦层间距
d0相⽐有所膨胀和压缩的现象。
6.驰豫：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
种情况称为弛豫。
7.重构表⾯：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。
8.台阶表⾯：表⾯不是平⾯，由规则或不规则台阶组成。
9.表⾯偏析：杂质由体内偏析到表⾯，使多组分材料体系的表⾯组成与体内不同。
10.吸附表⾯：在清洁表⾯上有来⾃体内扩散到表⾯的杂质和来⾃表⾯周围空间吸附在表⾯
上的质点所构成的表⾯。
11.平移界⾯：在结构相同的晶体中，⼀部分相对于另⼀部分平滑移动⼀个位移⽮量。其间
的界⾯称为平移界⾯。
12.反演界⾯：当晶体结构由中⼼对称向⾮中⼼对称转变时，由反演操作联系起来的两个畴
之间形成反演界⾯IB。
13.表⾯能:可以理解为系统增加单位⾯积时所需做的可逆功，单位是J/m2。
表面与界面习题讲解
Chapter 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”。 、叙述表面与本体的不同点。 因此，表面具有特殊性，它的性质将直接影响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 、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。 、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，） 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 ) 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 、 这是因为位于材料本体的原子受到周围原子0；而处于表面的原子只有局,表面由此产生表面张力。 、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： 半径为r的球形颗粒，其比表面为： 质量为m，密度为ρ的球形颗粒的比表面： 边长为L的立方体的比表面为： 质量为m，密度为ρ的立方体的比表面为： 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 ，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？ rM2rV2PPlnRT0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-6cm，求水的过饱和度。 ， r=10-6cm=10-8m, R=8.314JmolK,M=18g/mol=18*10-3kg/mol 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℃，0.5 mol/L乙醇溶液的表面超量。 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？ ）PPT chapter 1 P11 第一张 PPT 推到出表面张力的公式即可 ）原因 （）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h。 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。 ρ苯=0.8785g/cm3, ρ空气=0.0014g/cm3 为毛细常数，它是液
材料表界面思考题答案汇总
17. 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？ P41 (1)随着表面活性剂浓度的增加，表面张力而下降，当达到临界浓度时，表面张力就不 再发生变化。 （2）表面活性剂其亲水端向水，亲油段相空气，其浓度的上升会使分子聚集在表面，这样， 空气和水的接触面减小，表面张力急剧下降，与此同时，水中的表面活性剂也聚集在一起，排 列成憎水基向里，亲水基向外的胶束。表面活性剂浓度进一步增加，水溶液表面聚集了足够多 的表面活性剂的分子，无间隙地布满在水溶液表面上，形成单分子膜。此时，空气和水完全处 于隔绝状态，表面张力趋于平缓。 18. 表面活性剂按亲水剂类型可怎样分类？ P43 表面活性剂溶于水能电离成离子的叫做离子型表面活性剂，R 基不能电离的叫做非离子型 表面活性剂。 其中离子型表面活性剂可分成阴离子、阳离子和两性表面活性剂。
3. 将 1kg 密度为 998.2kg/m 3 的水缓慢地等温喷雾成平均半径为 10 -6 m 的水滴， 试求此喷雾操作 所需最小功。设水的表面张力为 72.8 × 10 −3 N / m 。
1kg V 998.2kg/m 3 液滴数n = 总 = = 2.39 × 1014 个 V液滴 4 π (10−6 m)3 3 14 −3 −1 −6 2 P7 W=n × w1 = nσ A = 2.39 × 10 × 72.8 × 10 N • m × 4 × π × (10 ) = 218.79 J
材料表面与界面课后思考题
材料表⾯与界⾯课后思考题
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
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。
表面与界面习题
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Al 2O 3的表面张力约为0.9J/m 2，液态铁的表面张力为1.72J/m 2，同样
条件下的界面张力（液态铁-氧化铝）约为2.3J/m 2，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/m 2
cos θ＝＝＝－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/m 2，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
SV SL LV γγγ-72.130
.290.0-
2
2
J/m 70.056cos 2/γJ/m 78.056cos 50
材料表面与界面
二O 一四—二O 一五学年第一学期
材料表面与界面 家庭作业 （14级化研1班用 开卷）
题号
一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 题分
20 20 20 15 10 15 得分
注意：学号、姓名和所在年级班级不写、不写全或写在密封线外者，试卷作废。
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。
答：自然界的物质通常以气、液、固三相存在。任何两相或两相以上的物质共存时，分为
5大类，分别为气-液、气-固、液-液、液-固、固-固接触面。我们把气-液、气-固接触面称
为表面；把液-液、液-固、固-固接触面称为界面。
材料的表面界面对材料整体性能具有决定性的影响,材料的硬化、腐蚀、印刷、涂膜、
黏结、复合等都与材料的表界面密切有关。
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？
答：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。
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
三、简述陶瓷材料表面结构、晶界、相界的特点。
答：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。
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。
晶界：晶界可分为孪晶界、小角度晶界和大角度晶界三种。
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
材料表面与界面 第7章 固体表面能计算
(u) s,v
[ nibuib 2
nis uis ] 2
nib uib 2
[1
nis ] U 0 nib N
[1 nis ] nib
③ 金属固体表面的表面能计算
有多种计算模型
Skapski模型：
ES
( N0
2
)(ni
ns )
Ε-相互作用能，N0－avogadro常数，ni和ns－分别表示表面原子与 其内部最邻近的原子数和表面区最邻近的原子数，
平衡态的固体：
( dGs ) 0 dA
τ=Gs=γ
在表面非平衡态时 τ≠Gs
差值 ( dGs ) 与时间有关 dA
2 ）晶体表面自由能特征
晶体的不同晶面具有不同的自由能，原子最密 堆积的表面，其表面自由能最低。
下面为某晶体的二维晶面
（10）面
（11）面
（10）与（11）面的结合
最佳外形， 表面能最小
表面能系数级图 垂直于矢径的平面族 平衡多面体
习题1： 体心立方结构的共价键晶体，求以 {111}、{100}和{110}作表面的表面能大小
习题2：MgO的（100）面的表面能
晶体的平衡形状
晶体的平衡形状是总表面能最小的形状
乌尔夫表面能级图：用几何方法描述表面能的各向 异性，表示晶体的表面能与晶面取向的关系图。可 以确定晶体的平衡形状。
材料表面与界面_整理版
材料表面与界
面
姓名：***
学号：********
班级:有机研一
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。
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。
材料表界面 作业答案
材料表界面 作业
第一章：序言
1. 何谓表界面？为什么说表界面不是几何学上的平面？
P1 （1）表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域，由物质的具体聚集态表界面可以
分为：表面（固—气、液—气）；界面（固—液、液—液、固—固）
（2）表界面是相与相之间的过渡区域，其结构、能量、组成等都呈现出连续性变化，是一个结构复杂，厚度约为几个分子维度的准三维区域，因此，表界面并不是几何学上的平面。
第二章：液体表面
2. 试述表面张力（表面能）产生的原因。
P12 原因为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。
3. 在20℃及常压条件下，将半径为1.00cm 的水滴分散成半径为1.00μm(10-6
m)
的雾沫,需要做多少功?
在20℃及1.01*105Pa 条件下，将半径为r1=1.00mm 的水滴分散成半径为r2=10-3mm 的雾沫,需要做多少功?
解：
3912
()10r
N r ==
96232'0.0728*4*3.14*[10*(10)(10)]0.000913r W J --=--=-
4.弯曲面的附加压力ΔP 与液体表面张力和曲率半径之间存在怎样的关系？若弯曲面为球面，平面又怎样？
答：（1）关系为：Laplace 方程： （2）球面：2/ (2-15)p r σ∆=
12(1/1/) (2-18)
材料物理化学 表面与界面 习题
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 γ αβ 为 α-β 界面上的表面张力； γ αα 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 5-12-1 示，表面能为：
（γ
）
A晶
界
＝
2[
2
r
2 α
β
(1
6、陶瓷原料球磨时，湿磨的效率往往高于干磨，如果再加入表面活性剂，则可进一步 提高球磨效率，试分析这些效率的机理。
解：陶瓷原料球磨时，当加入水和表面活性剂时，表面活性剂在水中溶解，并且按 着一定的结构排列，会在陶瓷原料和球上进行吸附、润湿，减少了陶瓷原料和球的摩擦， 因此提高了球磨效率。
7、什麽是润湿？影响湿润的因素有那些？ 解：固体与液体接触后，体系（固体+液体）的吉布斯自由能降低时，称之。
图 5-12-1 第二相在晶界上
图 5-12-2 β 相在晶粒内部
材料物理化学
湖南工学院
（1）若球状 β 相体积与冠状体积相等。则有球状 β 相半径 R
1
3
2π
r
3 αβ
2
3 cos
60 3
cos
3
60
3
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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'-⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=
=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，溶液的表面力逐渐下降，直至表面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
非离子型：温度上升时，氢键被削弱，达到 C.P.点时，氢键断裂，表面活性剂从溶液中析出，溶液变得浑浊。
3、试求表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的HLB值。
答：十二烷基苯磺酸钠 HLB=ΣH−ΣL+7=38.7−(12+6)×0.47+7=37.24
第三章
1、试讨论用液态氧化法处理聚合物的优缺点。
答：优点：（1）可润湿性大大增加（2）表面力增大（3）与各种液体接触角明显减小，粘接性能大大增加。缺点：氧化处理会有大量的酸废液产生，污染严重。
2、聚合物表面接枝有哪些方法？其原理各是什么？
答：（1）表面接枝聚合大分子偶合添加接枝共聚物
（2）表面接枝聚合：在光、辐射线、紫外线、等离子体使聚合物表面产生活性种，引发乙烯基单体自由基聚合，进行表面接枝。
大分子偶合：聚合物表面产生反应性活性基团，使之与带有反应基团的大分子反应偶合，实现其表面接枝。
添加接枝共聚物在欲改性的高聚物中添加有界面活化性能的共聚物成型，共聚物亲基材段嵌入到基材部，留下接枝段在基质聚合物的表面上，达到表面改性的目的。
3、分别用等比容和聚能密度法估算下列高分子化合物的表面力。
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？
答：（1）偶联剂是分子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物理或化学作用，另一种基团可与基体发生物理或化学作用。（2）①X 基团的水解，形成硅醇；②硅醇的羟基之间以及硅醇的羟基与玻璃纤维表面的羟基形成氢键；③硅羟基间脱水形成硅氧键。
2、高性能纤维的表面处理方法有哪些？
答：（1）表面清洁处理（2）表面氧化处理（3）表面涂层（4）化学气相沉积（5）电聚合处理（6）低温等离子处理（7）表面接枝
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。
答：（1）化学键理论认为两相之间实现有效的粘接，两相的表面应含有能相互发生化学反应的活性基团，通过官能团的反应以化学键合形成界面。若两相不能