材料表面与界面-习题含答案
材料表界面-考题答案
名词解释：小角度倾斜晶界两个晶粒交界处晶向之间的夹角称为晶界角。
晶界角小于10度的晶界称为小角度倾斜晶界。
表面自扩散原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散。
不依赖浓度梯度，仅由热振动而产生的扩散。
表面热缺陷热激发导致，可以由晶体体内热缺陷的存在而相伴产生，也可以由晶体表面原子的迁移、脱位或吸附等产生的缺陷。
接触角：在固、液、气三相交界处，气液相界面与固液相界面之间的夹角。
肖特基势垒若忽略金属和半导体的间隙和界面态的影响，可以得到表面势垒这种势垒称之为肖特基势垒。
式中X为半导体导带底电子到真空能级的亲和势。
表面探针。
由光子、电子、离子、声、热、电场和磁场等可以与表面作用，来获取表面的各种信息。
它们通常被称为“探针”（Probe）表面原子弛豫表面原子的受力情况和体内不同造成的的表面原子层相对于体内原子层下的整体移动以降低体系的能量，而表面原子的近邻数和旋转对称性均不改变的现象，这种现象称为表面弛豫。
外延生长在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段，故称外延生长。
表面振动模固体表面层原子和分子的振动。
由于表面原子只在平行表面方向上的排列有周期性，在垂直表面方向原子的分布失去严格周期性。
表面原子的近邻配位原子同体内的不一样。
因而表面原子具有的对称性和它受力的分布同体内原子差异显著，致使表面振动形成特殊的模式。
表面量子化简答：XPS & AES XPS即X射线光电子能谱结合能Eb是把一个电子从束缚态激发到真空自由态所需的能量。
对于不同的电子壳层，其Eb也不相同，原子所处的化学环境对结合能的影响非常大，可以利用电子能谱仪测出电子的动能，于是得到结合能Eb，这就是光电子能谱分析表面电子结构的基本原理。
XPS 分析是采用X 射线照射样品，检测样品表面发射出来的光电子的能量分布。
在入射光子能量确定的情况下，光电子能量与原子轨道结合能量一一对应。
当原子与所处的化学环境不同时，光电子谱峰发生化学位移，因而可以从光电子谱峰的峰位与峰形，分析样品表面的元素组成以及原子所处的化学环境。
材料的表面与界面
（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 表面与界面-相界
两相邻晶体在相界面上不可能做到完全的 -一对应。 在界面上产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，界面 上两相原子部分地保持匹配。
�
相界上位错间距取决于错配度。
aβ b D= ≈ δ δ
aβ + aα b= 2
3．非共格相界 在相界面处两 相原子排列相 差很大,基本上 没有匹配。
δ > 0.25
4．复杂半共格相界 引入结构台阶+错配位错
界பைடு நூலகம் θ
材料科学基础
第七章
表面与界面
第三节 相界结构和界面能
一、相界面结构 两相晶体点阵原子在界面上的 错配度 δ定义为
aβ − aα δ= aα aβ , aα
aβ > aα
为两相点阵常数
1．共格相界 两相晶体点阵在相界面上完全一一对应。 δ < 0.05
2．半共格相界（部分共格界面）
� �
0.05 < δ < 0.25
材料表界面 作业答案
πA=RT
表面压较小的情况下成立
pv=RT
忽略了分子间互相作用力，利用理想化模型推导公式 低压、高温条件下成立
总结： 界面化学四大ຫໍສະໝຸດ 律 Laplace 方程 Kelvin 公式
p (1/ r1 1/ r2 )
P 2 V 2 M P0 r r
求出表面张力σ，即：
(2)修正的原因：①把凹凸月面当作球面近似处理。②只有在凹月面的最低点毛细上升的高 度才是h ，凸月面的最高下降才为h ，其余各点均大于h 。
6.试用Kelvin公式解释空气中水蒸汽过饱和的原因。在20℃下水的密度ρ =998.2kg/M3,表面张力为72.8*10（-3）N/m，若水滴半径为10（-6）cm，求水的 过饱和度。 答：（1）由Kelvin公式： P 2 V 2 M RT ln (2-40) P0 r r P0 为平液面的蒸汽压，P 为弯液面的蒸汽压，V 为液体摩尔体积，r 为弯液面的 曲率半径。 由上式可知，液滴的半径越小，其蒸气压越大。下面图示为根据 Kelvin 公式得 出的正常液体（平面）与小液滴的饱和蒸气压曲线。
5. 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？ 答：原理：液体在毛细管中易产生毛细现象。由Laplace方程推广到一般情况:
gh=2 /r (2-20) 其中△ρ 为气液两相密度之差, θ 为液体与管壁之间的接触角
，r为毛细管的半径，由上式，从毛细管上升或下降高度h可以
v a3 a v1/ 3 0.00951/ 3
其表面积为： A=6a =6*0.0095 =
2 2/3
比表面积=
表面积 6*0.00952/3 = （cm 2/g) 质量 0.1
材料表面与界面复习题
1.液体原子构造的主要特征。
〔1〕液体构造中近邻原子数一般为5~11个〔呈统计分布〕，平均为6个，与固态晶体密排构造的12个最近邻原子数相比差异很大；〔2〕在液体原子的自由密堆构造中存在五种间隙，四面体间隙占了主要地位。
〔3〕液体原子构造在几个原子直径范围内是短程有序的，而长程是无序的。
2.液体外表能的产生原因。
液体外表层的分子，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。
因此在液体外表层中，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。
这种吸引力使外表上的分子趋向于挤入液体内部，促成液体的最小外表积。
要使液体的外表积增大就必须要对抗液体内局部子的吸引力而做功，从而增加分子的位能，这种位能就是液体的外表能。
3.液体外表张力的概念与影响因素。
液体外表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，使液体外表积缩小，因此在液体外表的切线方向始终存在一种使液体外表积缩小的力，其合力指向液体内部的作用力，这种力称为液体外表张力。
液体的外表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外表的偏聚与液体外部组元在液体外表的吸附，液体外表张力大小主要受物质本身构造、所接触的介质与温度的影响。
〔1〕液体的外表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外表张力的大小。
一般来说，液体中原子或分子间的结合能越大，外表张力越大。
具有金属键原子结合的物质的外表张力最大；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。
(2)液体的外表张力的产生是由于处于外表层的原子或分子一方面受到液体内部原子或分子的吸引，另一方面受到液体外部原子或分子的吸引。
当液体处在不同介质环境时，液体外表的原子或分子与不同物质接触所受的作用力不同，因此导致液体外表张力的不同。
一般来说，介质物质的原子或分子与液体外表的原子或分子结合能越高，液体的外表张力越小；反之，介质物质的原子或分子与液体外表的原子或分子结合能越低，液体的外表张力越大。
材料表面与界面5-1
Si O Si O Si O Si O
OH
8.3.体相改性
只讨论聚合物表面结构的影响 8.3.1共混物表面 1）表面张力影响 PS /d-PS共混体系 66%/ 33% PS /d-PS成分完全一样
γ d − PS − γ PS = −7.8 ×102 mJ / m 2
184℃退火
d-PS 45天
功效： 1）材料表面分子键断裂 2）引入含氧基团 表面能增加，接触角减小 应用： 聚合物薄膜 特别是<1mm的薄膜
影响因素：
①电压
一般电压升高，处理效果增强 处理材料表面的厚度决定电压 薄膜一般在15kV
②电流 输出电流增加，处理效果增强。 当输出电流达到某临界值后,电晕处 理的效果增加不多
聚乙烯表面处理输出电流与聚乙烯表面张力的关系
磨性、生物相容性
2）气相沉积
贱射：离子束等轰击金属表面，使金 属原子蒸发，然后沉积到材料表 面上 物理蒸气沉积（PVD）： 加热或贱射使金属原子蒸发，然 后沉积到材料表面上 化学蒸气沉积（CVD）： 将金属氧化物还原成金属原子， 然后沉积到材料表面上
8.2.化学方法改性
8.2.1表面化学反应 1）固液界面反应 成熟技术：含氟化合物表面处理 方法：萘——Na 氨——Na 溶液浸泡
PVME MWps 517~127000 MWpvme 99000
MWps
3）成型条件影响 PVC /PMMA共混体系
γ PVC = 41.9
THF为溶剂 MEK为溶剂
γ PMMA = 41.2
非均相膜 均相膜 PMMA表面富集 PMMA表面微富集
8.3.2嵌段共聚物表面 嵌段共聚物形态 <20% 球状 20～40％ 圆柱状 40～60％ 层状 1）组分表面张力影响 PS －PDMS嵌段共聚物
材料表面与界面分析复习题
1表面、界面的定义与理解：表界面是由一个相过渡到另一相的过渡区域。
习惯上把固－气、液－气的过渡区域称为表面，而把固－液、液－液、固－固的过渡区域称为界面。
根据物质的聚集态，表界面通常可以分为以下五类：固－气；液－气；固－液；液－液；固－固；物理表面包括：理想表面、清洁表面、吸附表面表面是一个抽象的概念，实际常把无厚度的抽象表面叫数学表面，把厚度在几个原子层内的表面叫作物理表面，而把我们常说实际的固体表面叫工程表面。
2 理想表面理论前提：①不考虑晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响；②不考虑表面原子的热运动、热扩散、热缺陷等；③不考虑外界对表面的物理-化学作用等；④认为体内原子的位置与结构是无限周期性的，则表面原子的位置与结构是半无限的，与体内完全一样。
3何为清洁表面？清洁表面获得方法？指不存在任何污染的化学春表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面。
获得清洁表面的几种方法: ①在获得超高真空的同时获得清洁的表面。
②用简单的加热方法去除表面的沾污。
③在化学气氛中加热去除那些通过简单加热不能清除的化学吸附沾污。
④对于较顽固的沾污，可以利用惰性气体离子（如Ar+、Ne+）轰击表面而有效地清除污染。
⑤对于一些晶体，可以采用沿特定的晶面自然解理而得到清洁表面。
⑥在适当的基片上通过真空蒸发法获得预想的单晶和多晶薄膜，作为研究对象的清洁表面。
4 根据原子结构的不同清洁表面分哪几种？图示说明（PPT）弛豫表面：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。
可能涉及几个原子层。
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。
台阶结构：表面不是平面，由规则或不规则台阶组成。
由于晶体内部缺陷的存在等因素，使晶体内部应力场分布不均匀，加上在解理晶体对外力情况环境的影响，晶体的解理面常常不能严格地沿所要求的晶面解理，而是伴随着相邻的倾斜晶面的开裂，形成层状的解理表面。
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-固体表面的自由能的计算
dA1
dA2
假设： dA1和dA2是相互垂直方向上的新增加的表面积。
γ= （τ1+ τ2）/2
则沿着相互垂直的两个表面上的表面应力与表面张力有如下关系：
1） 固体表面能的表达式
τ为单位长度上的表面应力
表面积增加dA1和dA2时，新增加的表面能等于抵抗表面应力做的功。
设Gs是单位表面积的自由能
4r
若形成(110)表面，则表面原子丧失n=5 个结合键，即存在5个“悬挂键”。(110)面相应的表面能ΔU(110)和单位表面上的原子数
若形成(111)表面，则每个表面原子丧失n=3 个结合键，即存在3 个“悬挂键”。(111)面相应的表面能ΔU(111)和单位表面上的原子数
晶体的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
（10）与（11）面的结合
（11）面
最佳外形，表面能最小
2 ）晶体表面自由能特征
① 共价键固体表面能计算
（表面与界面，崔国文著）
0K时的表面能等于将1cm2表面所有共价键打断需要的能量的 一半。
③ 金属固体表面的表面能计算
有多种计算模型
Hamaker常数法 如面心立方金属晶体，其表面能为 Es（100）＝0.09184H/a2 Es（110）＝0.09632H/a2 a－最邻近原子间的距离，H－hamaker常数
Skapski模型： 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，
表面能系数级图
垂直于矢径的平面族
平衡多面体
奇异面：在原子尺度上是光滑的 邻位面：晶面为平台-台阶式界面，在原子尺度上是准光滑的
材料表面与界面复习题答案
1.液体的原子结构的主要特征。
液体的原子结构存在以下三个主要特征：(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，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.液体表面张力的概念和影响因素。
液体表面分子或原子受到内部分子或原子的吸引，趋向于挤入液体内部，使液体表面积缩小，因而在液体表面切向方向始终存在一种使液体表面积缩小的力，液体表面这种沿着切向方向，合力指向液体内部的作用力，就称为液体表面张力。
液体表面张力影响因素很多，如果不考虑液体内部分子或原子向液体表面的偏聚和外部原子或分子对液体表面的吸引，影响液体表面张力的因素主要有：(1)液体自身结构：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，液体中原子或分子的结合能越大，液体表面张力越大，一般液体表面张力随结构不同变化趋势是：金属键结合物质>离子键结合物质>极性共价键结合物质>非极性共价键结合物质(2)表面所接触的介质：液体的表面张力的产生是由于处于表面层的原子或分子一方面受到液体内部原子或分子的吸引，另一方面受到液体外部原子或分子的吸引。
当液体处在不同介质环境时，液体表面的原子或分子与不同物质接触所受的作用力不同，因此导致液体表面张力的不同。
一般来说，介质物质的原子或分子与液体表面原子或分子结合能越大，液体表面能越小，反之越大(3)温度：随着温度的升高，液体密度下降，液体内部原子或分子间的作用力降低，液体内部原子或分子对表面原子或分子的吸引力减弱，液体表面张力下降。
最早给出的预测液体表面张力与温度关系的半经验表达式为：γ= γ0(1－T/T c)n式中T c为液体的气化温度，γ0为０K时液体的表面张力。
材料表界面习题答案
材料表界面习题答案【篇一：材料表界面期末复习】> 1、表界面的定义及其种类。
定义；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。
种类:表界面通常有五类：气-液界面（表面），气-固界面（表面），液-液界面，液-固界面，固-固界面。
二、液体表面1、表面张力定义及表面自由能定义答：表面张力是单位长度上的作用力，单位是n/m表界面张力的热力学定义为：由能量守恒定律，外界所消耗的功存储于表面，成为表面分子所具有的一种额外的势能，也称为表面能。
??(?g/?a)p,t,nb由于分子在体相内部与界面上所处的环境是不同的，产生了净吸力。
而净吸力会在界面2、计算：r1=1mm,r2=10－5 mm2?32a=4?r?4?3.1416?(6.2?10m)11?4.83?10?4m2se?ga1＝?a11－3?2?42＝（72?10j?m)(4.83?10m)?3.5?10?5j3、laplace方程表达式12 ?p??(1/r?1/r) (2-18)就是laplace方程，是表面化学的基本定律之一。
注释：（1）若：r1＝r2＝r，则曲面为球面，回到（2－15）式；（2）若：r1＝r2＝无穷大，则液面为平面，压差为0。
4、表面张力的几种测定方法。
（1）毛细管法（2)最大气泡压力法 (3)滴重法 (4)吊环法解：先求水滴半径：代入kelvin公式：6、gibbs吸附等温式（溶液的表面张力）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三、固体表面1、比表面积定义：－? 1g某种固体，其密度为2.2 g/cm3，把它粉碎成边长为106cm的小立方体，求其总表面积。
2、吸附等温线：吸附量可用单位质量吸附剂所吸附气体的量或体积来表示。
3、langmuir吸附等温式a、langmuir吸附公式b、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。
材料表面与界面-07
3.1.2 浸渍润湿
V S
L
浸湿过程示意图
浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。
固
例：生坯的浸釉。 浸渍润湿自由能的变化：
液体
－ΔG＝ γLV cosθ＝ γSV － γSL
讨论：
若γSV > γSL ,则θ<90o ,浸渍润湿过程将自发
固
进行，此时ΔG<0 若γSV < γSL ,则θ>90o ,要将固体浸入液体之 中必须做功， 此时 ΔG>0
有轻微错配的共格相界面
半共格界面特征：沿相界面每隔一定距离产生一个刃型位错，除刃型位
错线上的原子外，其余原子都是共格的。
2.1.3 非共格晶界
2.2 晶界对材料性质性能的影响
A、降低材料机械强度 B、晶界能够富集杂质原子 C、晶界原子能量较高可以成为高温传质过程的快速通道。
晶界应力 kT
（8）熔焊界面：在固体表面造成熔体相，然后两者在凝固 过程中形成冶金结合的界面称为熔焊界面。
1.2 界面的分类：依据结晶学分类
（1）平移界面； （2）孪晶界面； （3）混合界面； （4）反演界面；
（1） 平移界面
A.P.B
R
SF
R
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 R。其间的界面称为平移界面。
即附着润湿愈强。
附着润湿的实质是液体在固体表面上的粘附，沾
湿的粘附功Wa为 (2)
从上式可知γSL越小，则Wa越大，液体越易沾湿固体。
若Wa≥0， 则（ΔG）T，P≤0，附着润湿过程可自发 进行。 固一液界面张力总是小于它们各自的表面张力之和， 这说明固一液接触时，其粘附功总是大于零。因此， 不管对什么液体和固体附着润湿过程总是可自发进 行的。
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 2cos θ＝＝＝－0.8139θ＝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-72.130.290.0-22J/m 70.056cos 2/γJ/m 78.056cos 50cos 2100cos /2112cos /)2/100cos(2)()2/112cos(2)(=======∙SS SO OOSS OO SS SO OO SO SS γγγγγγγc γγa 由题意题中γSS 是硫化物之间界面张力；γOO 为氧化物之间界面张力；γOL 是氧化物与液体间界面张力。
材料表面与界面-3
• 若纤维的半径r和液体表面张力σ L已 知，则用电子天平法测出∆P后，由上 式可求出接触角θ 。
界面张力和界面接触角的测试
两种互不相溶液体之间
若完全浸润（如采用铂丝）
Δ P=2πrσL1/L2
若界面张力σ L1/L2已知，液体与纤维之间存在 接触角θ L1/L2，则：
Δ P=2π rσ L1/L2cosθ L1/L2 因此，测定Δ P可求出纤维在L1/L2界面的接触 角θ L1/L2。
（1.9.3）
令A=σSG-σSL为粘附张力，由热力学平衡准则可知，只有A>0的过程才能 发生浸湿。A<0为不能浸湿。
铺展润湿过程
铺展润湿是液体与固体表面接触后，在固体表面上 排除空气而自行铺展的过程，亦即一个以液/固界 面取代气/固界面同时液体表面也随之扩展的过程。
• 液体从C自发铺展至B，覆盖面积为a，则相应的 自由焓变化为：
电子天平法的局限性
对仪器精密度要求高，操作难度大； 测试的是单根纤维，误差大。
以对水完全润湿的r＝20微米的纤维为例：
用纤维束测接触角示意图
在管中充填一束纤维，充填率ξ=0.47~0.53。使纤 维束与液面接触，因毛细现象，液体沿纤维间空 隙上升，用电子天平测出增重量m随浸润时间变化
以一束纤维代 替一根纤维
文献数
201 2011 201 201 201 201 2016
0
2
3
4
5
Super/Ultra 568 671 782 932 101 116 1302
hydrophobi
35
c
Lotus Effect 141 150 135 160 167 193 173
m2 Wl3 l cos t
表面与界面习题讲解
Chapter 11、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”。
2、叙述表面与本体的不同点。
表面与本体：结构、化学组成、性质都存在不同。
材料与外界的相互作用是通过表面来进行的。
因此，表面具有特殊性，它的性质将直接影响材料的整体性质。
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重。
因为，不少性能是通过表面来实现的，如表面硬度、表面电导，同时，材料某些性能将通过表面受到外界环境的影响。
3、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。
4、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，需要高真空系统，并且要使用大量的汞，逐步被动态吸附法所取代）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力，外推到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 )C 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5、试述表面张力产生的原因。
材料的表面结构和性质与其本体有明显的差别，这是因为位于材料本体的原子受到周围原子的相互作用是相同的，处于对称力场之中，总的作用之和等于0；而处于表面的原子只有局部受到与本体相同的相互作用，而其余的部分则完全不同,表面由此产生表面张力。
6、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：(1)半径为r 的球形颗粒，其比表面为：(2)质量为m ，密度为ρ的球形颗粒的比表面：(3) 边长为L 的立方体的比表面为：(4) 质量为m ，密度为ρ的立方体的比表面为：7.水蒸气迅速冷却至25℃会发生过饱和现象。
魔角石墨烯-材料表面与界面
魔角石墨烯现象只要扭一扭双层石墨烯，使扭转角度约为1.1度，形成一个小角度扭转晶界。
它就可以表现出超导和绝缘交替的结构与性质。
仅仅是扭转材料到一个角度就能够获得超导体也打破了多年来超导体的僵局，并且为未来在交通和计算等现代技术领域开拓新的思路。
对于魔角扭转双层石墨烯的特殊性质，探究此体系中的原子级结构、电子能量分布等微观物理成为科学家们的研究重点。
美国麻省理工学院P. Jarillo-Herrero教授和曹原等人报道，当旋转角度小于魔角时（<1.05°），扭曲的双层石墨烯中垂直堆叠的原子区域会形成窄电子能带，电子相互作用效应增强，从而产生非导电的Mott绝缘态。
在Mott绝缘态情况下加入少量电荷载流子，就可以成功转变为超导态。
通过扫描隧道显微镜和光谱技术描绘扭转双层石墨烯的原子级结构和电子性质，观察到在魔角范围的局部态密度中有两个不同的范霍夫奇点，在电子/空穴高度掺杂情况下，能量分离由57毫电子伏特下降到40毫电子伏特，范霍夫奇点能量分离随着扭转角度减小而降低，扭转角度为0.79度时最低值为7到13毫电子伏特。
在处于魔角时，相对于每个独立的范霍夫奇点的带宽库仑相互作用的比例最大。
当掺杂至能带半充满时，由相关性诱导的传导范霍夫奇点劈裂，在最大角度 1.15度时能量分离为6.5毫电子伏特，降低至0.79度时为4毫电子伏特。
（a）当石墨烯双层被扭曲使得顶层片材与下层片材不对齐时，单位晶胞变大，形成超晶格；（b）对于小旋转角度，产生“莫尔条纹”图案，其中局部堆叠布置周期性变化。
解释这样的新奇性质来源于在原子尺度上设计得到的超晶格结构，进而改变双层石墨烯的电子行为，通过电子之间的相互作用来控制整个体系的电子态。
旋转产生的位错使石墨烯层中的电子能带结构不再对齐，单胞变大。
研究发现，堆叠的双层石墨烯中，电学行为对原子排列非常敏感，影响层间电子移动。
从而实现了绝缘体与超导体之间的转变。
当两个石墨烯片材扭曲接近理论预测的“魔角”，当旋转角度小于魔角时（<1.05°），扭曲的双层石墨烯中垂直堆叠的原子区域会形成窄电子能带，由于强的层间耦合，产生的电荷中性附近的能带结构变得平坦，电子相互作用效应增强，这些扁平带在半填充时表现出绝缘状态，产生非导电的Mott绝缘态，这来源于电子之间的强排斥作用。
材料表面与界面经典练习题
材料表面与界面经典练习题第一章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。
若相对应与悬滴的S值得到的1/H为已知, 即可求出表(界) 面张力。
即可算出作为S的函数的1/H值。
因为可采用定期摄影或测量ds/de 数值随时间的变化, 悬滴法可方便地用于测定表(界)面张力。
④滴体积法测定原理当一滴液体从毛细管滴头滴下时, 液滴的重力与液滴的表面张力以及滴头的大小有关。
表示液滴重力(mg) 的简单关系式:mg=2πrγ实验结果表明, 实际体积小得多。
因此就引入了校正因子f(r/V1/3), 则更精确的表面张力可以表示为:γ= mg/{2πrf(r/v1/3)}其中m为液滴的质量, V 为液滴体积, f 为校正因子。
只要测出数滴液体的体积, 就可计算出该液体的表面张力。
⑤最大气泡压力法测定原理若在密度为ρ的液体中, 插入一个半径为r 的毛细管, 深度为t, 经毛细管吹入一极小的气泡, 其半径恰好与毛细管半径相等。
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
3）真实表面：它是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。根据原子在基底上的吸附位置，一般可分为四种 吸附情况，即顶吸附、桥吸附、填充吸附和中心吸附等。
4、固体表面的驰豫与无机超细粉体性能之间有何关系？ 解：由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子产生的相对于正常
位置的上、下位移，称为表面弛豫。
材料物理化学
湖南工学院
粉体：微细的固体微料集合体，原料加工成微细颗粒以利于成型和烧结。粉体制备：反 复粉碎形成一系列新表面。而离子极化变形重排畸变有序性降低，随粒子的微细化从表 面增大，无序性增大并向纵深发展，不断影响内部结构，最后使粉体表面结构趋于无定 形化。
一种认为粉体表面层是无定形结构。一种认为粉体表面层是粒度极小的微晶结构。 所以在无机超细粉体上可以发生表面驰豫现象。
解：每 1g 石英所占体积 1/2.65＝0.3774cm3/g
一粒石英所占体积
4 / 3 r 3＝ 4 / 3 π (10 4 ) 3 ＝ 4 .188 10 － 12 cm 3
每克石英含粒子数
0 .3774
＝ 9 10 10
4 .188 10 12
1 .02 ＝ 0 .3849 cm 3 / g
材料科学基础--材料表面与界面(专业课)
正确答案：A.1/11重合位置点阵
5.下列对变形储能描述正确的是（ ）。
正确答案：A.变形储能越大，变形储能差值越大，界面的迁移速率越大。
多选题
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7.二维点阵的晶界有（ ）自由度。
正确答案：B.二个
多选题
----------------------------------------------------------------------------------------------------
1.析出物形状是由( )两个互相竞争着的因素所决定。
正确答案：A.对称倾侧晶界 B.不对称晶界 C.扭转晶界
4.下列描述中正确的是（ ）。
正确答案：A.变形储能越大，变形储能差值越大。 C.变形储能越大，界面的迁移速率越大
5.下面对常见的材料表面按其形成途径分类描述正确的（ ）。
正确答案：A.机械作用界面 C.凝固共生界面 D.熔焊界面
正确答案：A.小角晶界 B.中角晶界 C.大角晶界
5.下列描述中正确的是（ ）。
正确答案：A.变形储能越大，变形储能差值越大。 C.变形储能越大，界面的迁移速率越大
6.下面对晶界曲率描述正确的是（ ）。
正确答案：A.晶界曲率是晶界迁移的驱动力 B.界曲率是向凹侧推进
判断题
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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
'2ln 0R RT M P P ργ=
开始形成的雨滴半径为：
0ln 2'p p
RT M
R ργ=
将数据代入得：
m R 101079.74ln 997293314.8018.007288.02'-⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=
（2）每一雨滴中所含水的分子数为N=N A n ，n=m/M=ρV/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 3
21⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=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] =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，溶液的表面张力逐渐下降，直至表面张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）表面张力增大（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内部，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、分别用等张比容和内聚能密度法估算下列高分子化合物的表面张力。
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。
若两相不能进行化学反应，也通过偶联剂的媒介作用以化学键相互结合。
（2）缺陷：不能解释以下现象①有些偶联剂不含有与基体树脂起反应的活性基团，却有很好的处理效果。
②偶联剂在增强纤维表面有多层结构而并非由化学键理论推导的单层结构，③基体树脂固化，热应力松弛效应。
（3）应用：在表面氧化或等离子、辐射等处理过程中，纤维表面产生了羧基、羟基等含氧活性基团，提高了与环氧等基体树脂的反应能力，使界面形成了化学键，大大提高了粘接强度。
第五章
1、纤维对液体的接触角的测定的方法有哪些？
答：（1）单丝浸润法（2）单丝浸润力法（3）毛细浸润法
2、简述单丝抜脱实验
答：将单根纤维单丝的一部分垂直埋如基体之中，然后将单丝从集体中拔出，测定纤维抜脱的应力，从而求出纤维与基体间的界面剪切强度。
3、界面结合强度是否越强越好？为什么？
答：（1）界面结合不是越强越好（2）原因：当界面结合强度大于基体强，应力不能沿界面缓解，直接作用到纤维断口的基体上，使基体首先在纤维的断点处破坏并形成裂缝。
在持续外力的作用下，裂缝沿垂直于纤维轴方向向基体纵深进一步发展，这一裂缝还会引起附近纤维的连锁断裂，导致复合材料断裂。
所以界面结合不是越强越好。