重点总结 材料表界面课件
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材料表界面_第十章ppt课件
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二、聚合物基复合材料
2. 环氧树脂
常用的脂肪胺固化剂
• H2NCH2CH2NHCH2CH2NH2 二乙烯三胺
• H2NCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NH2 三乙烯四胺
• H2NCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NH2 四乙烯五胺
• H2N(CH2CH2NH)nCH2CH2NH2 多乙烯多胺
界面对复合材料的性能起着至关重要的作用。复合材料的性 能不是组成材料性能的简单加和，而产生了 1＋1>2 的作用， 称为协同效应。
断裂能大幅提高的原因？
玻璃纤维的断裂能约为10 J／m2， 聚酯的断裂能约为 100 J／m2， 而复合后的玻璃纤维增强塑料的断裂能达105J／m2
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一、复合材料概述
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一、复合材料概述
复合材料的界面：
图10-3复合材料界面模型
1 纤维本体区 2 纤维表面区 3 界面吸附层 4 基体表面区 5 基体本体区
界面相内的化学组分，分子排列，热性
能，力学性能呈现连续的梯度性变化。
界面相很薄，是亚微观的，却有极其复杂的结构。在两相复合过程中，会出现 热应力（导热系数，膨胀系数的不同），界面化学效应（官能团之间的作用或 反应）和界面结晶效应（成核诱发结晶，横晶），这些效应引起的界面微观结 构和性能特征，对复合材料的宏观性能产生直接的影响。
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二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ⑥界面结合性差，层间剪切强度低
由于复合材料是由性能遽然不同的两种材料构成，因而界面的相容性和结 合力差，使得复合材料的层间剪切强度、横向强度都不够理想。因此，常常要 对复合材料进行界面改性来提高复合材料的性能。
《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，
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
材料表界面知识点总结
材料表界面知识点总结第九章玻璃表界面4 玻璃的表面反应玻璃成型后一段时间就容易被周围环境介质所侵蚀，侵蚀情况主要取决于玻璃的本质（组成）和介质的种类。
4.1 水对玻璃的侵蚀开始于水中的H+和玻璃中的Na+进行离子交换：离子交换反应停止的真正原因：Na+含量的降低；R n+（n>1)抑制效应4.2酸对玻璃的侵蚀除氢氟酸外，一般酸并不直接与玻璃起反应，而是通过水的作用侵蚀玻璃。
浓酸对玻璃的侵蚀能力低于稀酸。
酸对玻璃的作用与水对玻璃作用又有所不同。
高碱玻璃的耐酸性小于耐水性，高硅玻璃的耐酸性大于耐水性。
4.3 碱对玻璃的侵蚀硅酸盐玻璃一般不耐碱。
碱对玻璃的侵蚀是通过OH-破坏硅氧骨架（≡Si-O-Si ≡），使Si-O键断裂，SiO2溶解在碱液中。
碱的大量存在使得中和反应能够不断进行，所以，侵蚀不是形成硅酸凝胶薄膜，而是玻璃表面层不断脱落。
碱对玻璃的侵蚀程度与下列因素有关：侵蚀时间OH-离子的浓度阳离子的种类侵蚀后玻璃表面的硅酸盐在碱溶液中的溶解度玻璃受碱侵蚀分为以下三个阶段：第一阶段，碱溶液中的阳离子首先吸附在玻璃表面；第二阶段，阳离子束缚周围的OH-离子，OH-离子攻击玻璃表面的硅氧键。
第三阶段，硅氧骨架破坏后变成硅酸离子，和吸附在玻璃表面的阳离子形成硅酸盐，并逐渐溶解在碱溶液中。
碱性溶液对玻璃的侵蚀机理与水或酸不同水或酸（包括中性盐或酸性盐）对玻璃的侵蚀只是改变、破坏或溶解（沥滤）玻璃结构组成中R2O、RO等网络外体物质。
碱性溶液不仅对网络外体氧化物起作用，而且也对玻璃结构中的硅氧骨架起溶蚀作用。
大气对玻璃的侵蚀先是以离子交换为主的释碱过程后逐步过渡到以破坏网络为主的溶蚀过程。
4.4 影响玻璃表面反应性的因素1) 化学组成的影响硅酸盐玻璃的耐水性和耐酸性主要取决于硅氧和碱金属氧化物的含量。
玻璃中同时存在两种碱金属氧化物时，由于“混合碱效应”使玻璃的化学稳定性出现极值。
2) 热处理的影响一般来说，退火玻璃比淬火玻璃化学稳定性高。
生物材料的表面与界面-材料表界面的表征方法 材料表界面课件
X射线光电子能谱仪结构示意图
XPS的基本原理是光电效应。如果以光电子的动能分布为横坐 标，相对强度为纵坐标，那么所记录的谱峰为光电子能谱图。 图1.4聚四氟乙烯(PTFE)XPS谱。
聚四氟乙烯（PTFE）的XPS
扫描电子显微镜
扫描电子显微镜，简称SEM，它的成像过程不是利用电磁透 镜的会聚放大功能一次成像，其图像是按一定时间空间顺序 逐点扫描形成，并在镜体外的显像管上显示出来。二次电子 成像是用扫描电镜所获得的各种图像中应用最广泛、分辨率 最高的一种图像，成像过程如图所示。
生物材料的表面与界面
四、 材料表界面的表征方法
材料-界面结合形式
1、暂时附着界面
失败的界面附着形式
材料植入体内后，机体组织立即产生强烈的异物
反应或毒性反应，只是暂时性的附着。
2、纤维结合界面
不良的界面附着形式
植入体内后，在材料表面形成很厚的结缔组织包
裹层，且随时间加长，包裹层不变薄不消失，逐渐变
※ 微量元素分析 对材料与组织细胞界面及周围的微量元素及其变化进
行测定，从而对细胞生长发育状态以及界面结合的动态变化 进行判定。
几种常用的仪器
◆ 红外光谱
◆ X射线光电子能谱 ◆ 扫描电子显微镜 ◆ 激光共聚焦显微镜 ◆ 透射电子显微镜 ◆ 原子力显微镜 。。。。。。。
红外光谱
◆通过红外光照射到物质分子只能激发分子内原子核之间的
7 and (e) 14
透射电子显微镜
透射电子显微镜基本原理
透射电子显微镜(transmmion electronmicroscope)简称TEM。TEM既可 以观察试样的显微图像，又可以观察电子衍射花纹。
TEM的分辨本领按下式计算： d＝Vλ／nsinα
XPS的基本原理是光电效应。如果以光电子的动能分布为横坐 标，相对强度为纵坐标，那么所记录的谱峰为光电子能谱图。 图1.4聚四氟乙烯(PTFE)XPS谱。
聚四氟乙烯（PTFE）的XPS
扫描电子显微镜
扫描电子显微镜，简称SEM，它的成像过程不是利用电磁透 镜的会聚放大功能一次成像，其图像是按一定时间空间顺序 逐点扫描形成，并在镜体外的显像管上显示出来。二次电子 成像是用扫描电镜所获得的各种图像中应用最广泛、分辨率 最高的一种图像，成像过程如图所示。
生物材料的表面与界面
四、 材料表界面的表征方法
材料-界面结合形式
1、暂时附着界面
失败的界面附着形式
材料植入体内后，机体组织立即产生强烈的异物
反应或毒性反应，只是暂时性的附着。
2、纤维结合界面
不良的界面附着形式
植入体内后，在材料表面形成很厚的结缔组织包
裹层，且随时间加长，包裹层不变薄不消失，逐渐变
※ 微量元素分析 对材料与组织细胞界面及周围的微量元素及其变化进
行测定，从而对细胞生长发育状态以及界面结合的动态变化 进行判定。
几种常用的仪器
◆ 红外光谱
◆ X射线光电子能谱 ◆ 扫描电子显微镜 ◆ 激光共聚焦显微镜 ◆ 透射电子显微镜 ◆ 原子力显微镜 。。。。。。。
红外光谱
◆通过红外光照射到物质分子只能激发分子内原子核之间的
7 and (e) 14
透射电子显微镜
透射电子显微镜基本原理
透射电子显微镜(transmmion electronmicroscope)简称TEM。TEM既可 以观察试样的显微图像，又可以观察电子衍射花纹。
TEM的分辨本领按下式计算： d＝Vλ／nsinα
材料表界面第三章精品PPT课件
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L
(6-47)
● 假如用两种已知σL ， σLd和σLp的液体，分别测出 其对固体的接触角，则由（6-47）式解联立方程可以 求出固体的表面张力σS及其分量σSd ,σSp。
例：估算PVC的σs，已知水对PVC的接触角θ=87º，二碘甲 烷对PVC的接触角θ=36º。
PS/PEA的动态力学谱
a）PS/PEA体系
b）PSSA/PEAVP体系，离子摩尔含量2％；
c）PSSA/PEAVP体系，离子摩尔含量5％。
未经改性的PS/PEA体系的曲线，呈现两个玻璃化 转变温度，中间有一个跨幅约100℃的平台区，其 模量几乎不变；经2％摩尔的磺酸基及吡碇基改性 的共混体系的曲线为（b），虽仍有两个玻璃化转 变区，但转变温度已相互接近，两转变区之间的模 量平台区变小，模量逐渐变化，显示了两聚合物间 有强烈的相容倾向。当磺酸基及吡碇基的摩尔浓度 达到5％时的曲线（c），共混物只有一个玻璃化转 变区，表明两种聚合物在动态力学的观察标尺上已 经完全相容了.
例如，对聚乙烯这样的非极性材料进行表面改性，在其表 面引进极性基团，知道聚乙烯改性前后表面张力的变化就 显得非常重要。经改性以后，聚乙烯的表面张力是否增大？ 其中极性分量所占的比例是否有增加？能够测定改性前后 聚乙烯的表面张力极其分量的变化，对于判断聚乙烯的表 面的结构和形貌，探明表面改性的机理是有帮助的。
d 1
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(6-46)
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(a)
a
2）当c/a>>1时，1+c/a≈c/a,(a)式简化为：
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1 2
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RT
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nm2
cm2
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0.308 nm2
分子
第三章 固体表面
3.3.2 langmuir 等温式
P/po 0.07603 0.09687 0.1567 2.2213 0.2497
V(cm3) 0.8984 0.9228 1.076 1.166 1.58
? 例：77K时N2在硅胶上的吸附数据如下，其
中吸附量已折算成S.T.P。已知硅胶的质量 为0.5978g，用BET法求此硅胶的比表面积。
问题：为什么选择77K？
粘附功 内聚功或内聚能
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)
2.3 Laplace 方程
? P4? r2dr ? 8? r? dr ? p ? 2? / r (2-15)
dm -3*kg -1 。试计算CHCl3的分压为为 6.67kPa时的平衡吸附量。
ＢＥＴ二常数吸附等温式：
P ? 1 ? C?1 P V (P0 ? P) VmC VmC P0
?? V ?
Cx
Vm (1 ? x)(1 ? Cx ? x)
（3-21） （3-22）
? 例：77K时N2在硅胶上的吸附数据如下， 其中吸附量已折算成S.T.P。已知硅胶 的质量为0.5978g，用BET法求此硅胶的 比表面积。
σ（10-3 N/m) 53.94 57.94 61.甲酚分子数以及甲酚分子的横截面
积。
例：19℃时丁酸水溶液的表面张力可表示为： σ =σ 0-σ bln(1+c/a)
σ 0为纯水表面张力，a,b为常数，各为 5.097*10-2mol/L与0.180，c为浓度。
氮气的沸点为零下196度（77K），其饱和 蒸气压即为一个大气压；易于控温。
第四章 固-液界面
本节内容
? Young方程 ? 接触角测试方法 ? 前进角、后退角 ? 三种润湿方式
2. Young方程—力学方法推导
? SG ? ? SL ? ? LG cos? (5-1)
4.2 粘附功和内聚能
材料表界面
主讲教师:
考核方式
? 平时成绩： 20％ （包括考勤10％和课堂 练习、作业等10％）
? 期末考试： 80％ ? 附加分：5%
第二章 液体表面
2.1 表面张力和表面自由能
2.1.1、表面张力产生的原因
σ? F 2L
(2 ? 1)
温度升高表面张力如何变化？
表面张力与表面能
? 表面张力也可以理解为系统增加单位面积时所需做 的可逆功，单位为J/m2，是功的单位或能的单位。 所以σ 也可以理解为表面自由能，简称表面能。
? p ? ? (1/ r1 ? 1/ r2 ) (2-18)
2.4液体表面张力的测定
2.4.1毛细管法
2.4.3 滴重法
2.5 Kelvin 公 式
RT ln P ? 2? V ? 2? M
P0
r
?r
(2-40)
2.5 Kelvin 公 式
? 例：25℃时，水的饱和蒸气压为3.168kPa， 求该温度下比表面积为106 m2 *kg-1时球形 水滴的蒸气压（水在25℃时的表面张力为 71.97×10-3 N*m-1).
表面功：温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加dA所 需要对体系作的功，称为表面功。用公式表示为：
σ=dW/dA
(2-4)
表面能与表面张力在量纲上等效，不严格区分
表面张力
例：20℃时汞的表面张力为4.85×10-1 Jm -2， 求在此温度及101.335 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？
? = bp
1+bp
(3-10)
此式称为 Langmiur 吸附等温式， b称 为吸附系数。
4. Langmuir吸附等温式的另一种写法
p1 p ??
V Vmb Vm
(3-11)
以p/V~p作图，可得一直线，从直线的斜率和截距可以求 出Vm和b。
? 例：用活性炭吸附CHCl3，符合 Langmuir 吸附等温式，在0 ℃时的饱和 吸附量为93.8 dm-3*kg -1。已知CHCl3的 分压为13.4kPa时的平衡吸附量为82.5
求：1）c=0.200mol/L时的Г 12； 2）c/a>>1时的Г 12值，并计算丁酸分子
所占面积。
解：因为σ =σ 0- σ 0 bln(1+c/a)
所以：
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? 0b a RT 1? c
2.6.2 Gibbs吸附等温式
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c2 RT
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??
?c2
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1 RT
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ln c2
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(2-47)
? 例：294K下测定甲酚水溶液的表面张力随甲酚浓度的 变化关系如下： C (mol/l) 0.2301 0.1793 0.1194 0.0816
σ（10-3 N/m) 40.92 42.81 47.81 52.27 C (mol/l) 0.0726 0.0475 0.0323
2.5 Kelvin 公 式
? 应用Kelvin公式可以解释一些现象 ? 1、人工降雨 ? 2、过热液体 ? 3、过冷水 ? 4、过饱和液体
2.6 Gibbs吸附等温式
溶液的表面张力
溶液的表面张力不仅与温度和压力有关，还 与其组成有关
在水溶液中,表面张力随溶液组成的变化规律 一般有三种比较典型的类型。
(a)
a
以a,b,c值代入
注意单位，厘米克 秒制
0.200
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1 2
?
8.37124?.81?007 .?128902.2?
1
5.097? 10? 2
?
0.200 5.097? 10?2
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4.30?10?10mol/ cm2
c
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