表面与界面-电子教案
表面与界面-电子教案
第四章表面与界面1.表面与界面的意义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。
2.固体的表面表面——一个相和它本身蒸汽（或真空）接触面~；界面——一个与另一个相（结构不同）接触的分界面~；固体表面力——固体表面质点排列的周期重复性中断质点的对称性破坏，表现出剩余的键力~。
2.1表面力场1．长程力：作用范围较范德华力大得多，两相分子间的分子引力，实质是范德华力。
2．范德华力：A-静电力（极性分子之间）；B诱导力（极性与非极性分子）；C色散力（非极性分子之间）2.2晶体表面结构2.2.1晶体表面的微观排列状态（维尔威结构学说）A．松弛过程：如图（图4-1）表面层负电子外侧不饱和，电子云将被拉向内侧正离子一方，极化变形，通过电子云极化变形来降低表面能过程~（瞬间完成改变表面层键性）B．重排过程：晶格必须稳定，作用力大，极化率小的正离子应处于稳定位置，正离子向内负离子排斥向外——重排。
C．离子键逐渐过渡为共价键，表面为一层负离子所屏蔽——表面双电层。
D．表面等负性：易吸附正离子E．双电层厚度由极化程度来决定，并影响表面能和硬度（极化变形大——表面能小——硬度小）2.2.2晶体表面的几何结构2.2.2.1洁净晶体的表面结构图4-2是一个具有面心立方结构的晶体的表面结构，详细描述了（100）、（110）、（111）三个低指数面上原子的分布。
材料表面与界面
材料表面与界面一、教学内容本节课的教学内容选自人教版小学科学五年级下册第四单元《材料与我们生活》中的第一课时《材料表面与界面》。
本节课主要让学生通过观察、实验等方法，了解不同材料的表面和界面特性，培养学生的观察能力和实验操作能力。
二、教学目标1. 让学生了解不同材料的表面特性，如光滑、粗糙等。
2. 让学生通过实验观察，了解不同材料界面的特性，如浸润、不浸润等。
3. 培养学生的观察能力、实验操作能力和分析问题的能力。
三、教学难点与重点重点：不同材料的表面特性和界面特性的认识。
难点：如何通过实验观察和分析不同材料的表面和界面特性。
四、教具与学具准备教具：多媒体课件、实验材料（如玻璃板、塑料片、水、硬币等）。
学具：实验记录表、画笔、实验材料。
五、教学过程1. 导入：通过多媒体课件展示不同材料的图片，引导学生观察并说出这些材料的名称。
2. 探究材料表面特性：让学生拿取实验材料，用手触摸并观察其表面特性，如光滑、粗糙等。
3. 实验观察界面特性：引导学生进行实验，观察水滴在不同材料表面的现象，如浸润、不浸润等。
4. 分析实验现象：让学生根据实验现象，分析不同材料界面的特性。
6. 实践应用：让学生举例生活中应用这些特性的事物。
六、板书设计板书内容：材料表面与界面1. 表面特性：光滑、粗糙2. 界面特性：浸润、不浸润七、作业设计1. 观察生活中的物品，举例说明其表面和界面特性。
答案：如手机屏幕光滑、电脑键盘粗糙；水杯水面浸润、油瓶界面不浸润等。
2. 思考：为什么不同材料的界面特性不同？答案：不同材料的分子结构和性质不同，导致其界面特性不同。
八、课后反思及拓展延伸本节课通过观察、实验等活动，让学生了解了不同材料的表面和界面特性。
在教学过程中，要注意引导学生积极参与实验，培养其观察能力和实验操作能力。
同时，可以进一步拓展学生的知识，如介绍不同材料的特性和应用，激发学生对科学的兴趣。
重点和难点解析一、探究材料表面特性在教学过程中，引导学生拿取实验材料，用手触摸并观察其表面特性是重点环节。
材料表面与界面---研究生教案
课程编号: 0831001203a
课程学分: 2学分
教学方式: 讲授、研讨、自学
适用专业:
材料学、材料加工工程、 材料物理化学、生物医学工程
教学要求与目的：掌握目前关于材料表面与界面 结构与性质的基本理论；掌握近代材料表面改性 与分析的基本方法；了解材料表面与界面的研究 动向。
Wood命名法 2×2 矩阵命名法
自学
1.3 常见的表面结构
目前已确定有100多种表面结构。以下主要介绍金属表面 结构、半导体表面结构、氧化物表面结构以及薄膜表面结构。
一、金属表面结构
清洁的金属表面，低能电子衍射（LEED）研 究表明具有如下特点： 1、其Miller指数面的表面单胞多为（1 × 1）结构； 2、表面单胞与体内单胞在表面的投影相等； 3、表面键长与体内键长相近；
三、氧化物表面结构
对于氧化物表面，一般都出现重构现象，主要原 因是非化学计量的诱导和氧化态变化造成的。
实例：氧化态TiO2，表面吸氧或脱氧，变成 Ti2O3、 TiO 等 …..
四、薄膜表面结构
对于薄膜表面，交换着原子、离子、电子、光子 以及其它粒子，并决定薄膜一系列的光学、电学、磁 学、力学、生物学等性质。对于薄膜表面结构，受到 如下因素的影响：
4、共格晶界
界面两边相邻晶粒的原子成一一对应的相互匹 配关系。界面上的原子为相邻两个晶体所共有。
共有原子
相邻晶粒的面
间距差不多时，可
完全共格；面间距
相差较大时，出现
部分共格。
5、晶界能与晶界电势
晶界能：晶界处的界面能。 小角度范围（<15º）时：E=EZ/D 或El/D， EZ为
晶界处单位长度刃型位错应变能， El为晶界处单位长 度螺型位错应变能。D为小角度刃型位错的间距。
无机材料科学基础表面与界面PPT学习教案
吸附
物理吸附：范德华力；多层； 无选择性；可逆；
化学吸附：化学键力；单层； 选择性；不可逆；
表面成分偏 析
位错线：易在表面露头
第17页/共114页
17
5.1.4 实际晶体表面
一、表面粗糙度 1、 对表面力场的影响：
表面凹凸不平，凹谷处，周围质点多，色散力大（色 散力与质点聚集的数目有关），易产生物理吸附；凸 起部位，周围质点少，断键多，静电力大（静电力与 断键多少有关），易产生化学吸附。 所以，表面粗糙度使表面力场变得不均匀，其活性及 其他表面性质也发生变化。
第16页/共114页
16
5.1.3 晶体表面的缺陷
从 图 中可 以看出 ，由于 固体表 面存在 低晶面 指数的 平台（ Terrace ）、单 分子或 单原子 高度的 台阶（ Ledge） 、单分 子或单 原子尺 度的扭 折（K ink）、 空穴和 吸附原 子等缺 陷，使 固体晶 体表面 的不同 部位能 量不均 匀，这 将导致 固体的 表面吸 附与表 面化学 反应等 过程的 不均匀 性
(表面能)
PbI2 < PbF2 < CaF2 PbI2具 有 最 小 的 表 面能
这是因为Pb+和I-都具有很 大的极化性能，形成的双 电层厚，使其表面能和硬 度都降低； 而Ca2+和F-极化性能都较 小，所以其表面能和硬度 都较大。
第15页/共114页
15
小结离子晶体表面的特殊结构：
（1）表面晶格变形，晶胞参数发生变化； （2）表面质点间结合的键发生转变（离子键→共价键）； （3）表面形成双电层，存在负离子对正离子的屏蔽； （4）表面层在组成上是非化学计量的。 表面效应：双电层效应由表向内层发生作用，并衰减。可以达 到的深度与的半径差有关。如NaCl半径差大可延伸到第5层， 小的2～3层。
《表面与界面》课程教学大纲
《表面与界面》课程教学大纲一、教学内容本节课的教学内容来自于小学科学教材《表面与界面》章节。
本章节主要介绍了表面和界面的概念，通过实例让学生了解不同物质间的界面现象，以及界面张力和吸附等基本性质。
具体内容包括：1. 表面和界面的定义及特点2. 界面张力的概念及其作用3. 吸附现象的原理和应用4. 实例分析：水的表面张力、 soap bubble、sticking of pollen to stigma等。
二、教学目标1. 理解表面和界面的概念，能够识别生活中的表面和界面现象。
2. 掌握界面张力的基本性质和作用，能够解释由于界面张力引起的现象。
3. 理解吸附现象的原理，能够解释吸附现象在生活中的应用。
三、教学难点与重点重点：表面和界面的概念，界面张力的基本性质和作用，吸附现象的原理和应用。
难点：界面张力的计算，吸附现象的数学描述。
四、教具与学具准备教具：投影仪、显微镜、实验器材（包括肥皂水、彩纸、水滴等）。
学具：科学笔记本、彩色笔。
五、教学过程1. 实践情景引入：观察水滴在荷叶上的现象，引导学生思考为什么水滴能够停留在荷叶上。
2. 概念讲解：介绍表面和界面的定义及特点，解释界面张力的概念及其作用。
3. 实验演示：利用肥皂水、彩纸等实验器材，展示界面张力的作用，吸附现象。
4. 实例分析：分析水的表面张力、 soap bubble、sticking of pollen to stigma等实例，引导学生理解界面张力和吸附现象。
5. 随堂练习：利用彩色笔在科学笔记本上绘制水的表面张力实验的图像，并简要描述实验现象。
6. 课堂讨论：邀请学生分享自己生活中的界面现象，讨论界面张力在生活中的作用。
六、板书设计板书内容主要包括表面和界面的概念，界面张力的基本性质和作用，吸附现象的原理和应用。
板书设计要求简洁明了，重点突出。
七、作业设计作业题目：1. 请用简洁的语言描述表面和界面的概念。
2. 解释界面张力的作用及其在生活中的应用。
材料表面与界面研究生教案
晶粒1 晶界
晶粒2
晶界原子排列示意图
1、晶界原子排列的理论模型 2、小角晶界
自学
两个相邻晶粒取向差别角度在0-10º之间。 较小的小角晶界可用位错排列来说明。如下图。
P54 图 小角倾转晶界示意图
3、大角晶界
当两个相邻晶粒取向差别角度超过15º时为大角倾斜晶界， 此时晶界内位错密集，当超过35º时，位错覆盖整个界面。
实例：氧化态TiO2，表面吸氧或脱氧，变成 Ti2O3、 TiO等 …..
四、薄膜表面结构
对于薄膜表面，交换着原子、离子、电子、光子以及其它粒 子，并决定薄膜一系列的光学、电学、磁学、力学、生物学等性 质。对于薄膜表面结构，受到如下因素的影响：
1、薄膜制备过程中的各种条件； 2、基底材料种类与晶面； 3、薄膜与基底之间的界面。 所以，薄膜表面结构非常复杂。
表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。
吸附表面可分为四种吸附位置：顶吸附、桥吸附 、填充吸附、中心吸附
俯视图
剖面图
顶吸附
桥吸附
填充吸附
中心吸附
四、表面自由能
在建立新表面时，邻近原子将丢失，键被切断，因 此，必须对系统作功；
同样，在一定温度和压力下，并保持平衡条件，若 增加表面能，系统也必须作功。
4、反演界面
左侧
IB
右侧
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。
反演界面两侧点阵相同，但通过一个反演中心联系着。
二、界面的微观结构
指晶粒间界的结构，是在晶体结晶过程中形成的，存在于 多晶材料中。晶界区的晶粒表面原子，由于受到相邻晶粒势场 的作用，这些原子将在晶界区重新排列并达到平衡状态。
《表面与界面物理》课程教学大纲
主要以凝聚态物质的表面与界面为研究对象，用微观和宏观理论分别讨论原子、分子水平上的固体表面组成、原子结构及输运现象、电子结构与运动及其对表面宏观性质的影响。学习和掌握现代表面分析技术、表面物理和表面化学的一般性原理，了解表面工程和薄膜材料学中的表面处理技术。
课程
内容
及
学时
分配
（一）表面原子结构（8学时）
参考书目：《Principles of Surface Physics》ed. by F.Bechstedt, 2003/pp.346.
《Fundamentals of Semiconductors》ed. by P.Y.Yu, 2003/pp.639
《Transmission Electron Microscopy》ed. by B.Fultz, 2002/pp.748
（四）表面电子结构与电子学（15学时）
1．Jellium模型
2．近自由电子模型－表面态
3．半导体表面态和界面态
4．表面空间电荷层
5．表面电导
6．界面和晶界的电子过程
7．吸附表面态理论简介
重点：表面空间电荷的分布特征，导致了表面局域电子态和电子能级的产生，由此带来特殊的表面电导。
难点：电子态向体内的衰减；表面非对称势垒。
《半导体表面与界面物理》丘思畴著，1995.1
《表面与界面物理》恽正中主编，1993.11
《表面与界面物理》朱履冰主编，1992.4
6．考核形式：考试
7．教学环境：课堂
课
程
教
学
目
的
及
要
求
教学目的：
表面科学是一门新兴的、交叉性边缘学科，表面（含界面）物理是表面科学的重要分支。通过本课程的学习，使学生对表面物理的基本概念和理论有一个全面的了解和认识，并学会能够将它的原理和方法应用于真实的自然现象和物理世界。
无机材料科学基础表面与界面ppt学习教案
提高自身专业素养以适应行业发展需求
深入学习无机材料科学知识
增强实践能力和创新能力
不断学习和掌握无机材料科学领域的新知 识、新技术和新方法。
通过参与科研项目、实验课程等实践活动 ，提高实践能力和创新能力。
关注行业发展趋势和前沿动态
提高跨学科综合素质
关注无机材料领域的最新研究成果和前沿 动态，了解行业发展趋势和市场需求。
透射电子显微镜（TEM）表征
原理
利用高能电子束穿透样品，通过检测透过样品的电子束或 衍射电子等信号，获得样品的内部结构和晶体信息。
应用
观察无机材料的晶体结构、晶格缺陷、位错和层错等，可 分析材料的晶体学性质和相变过程。
优点
分辨率极高，可揭示材料内部结构和晶体缺陷的详细信息 。
原子力显微镜（AFM）表征
学习相关学科知识，如物理学、化学、工程 学等，提高跨学科综合素质和解决问题的能 力。
THANKS
感谢观看
无机材料表面与界面表征技
05
术
扫描电子显微镜（SEM）表征
原理
利用高能电子束在样品表面扫描，通过检测样品发射的次级电子 或背散射电子等信号，获得样品表面形貌和组成信息。
应用
观察无机材料表面形貌、颗粒大小、分布和团聚情况等，可分析材 料表面的微观结构和缺陷。
优点
分辨率高、景深大、立体感强，可直观观察材料表面形貌。
原理
利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作 用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。
应用
观察无机材料表面的原子排列、表面粗糙度、表面电势和摩擦力等 ，可分析材料表面的物理和化学性质。
优点
无需真空环境，可观察导体和非导体样品，提供三维表面形貌信息 。
2024年材料表面与界面研究生教案
材料表面与界面研究生教案一、课程简介本课程旨在探讨材料表面与界面的基本概念、理论及其在材料科学和工程领域的应用。
通过本课程的学习，学生将掌握材料表面与界面的基本理论，了解表面与界面现象对材料性能的影响，并能够运用所学知识解决实际问题。
二、教学目标1.掌握材料表面与界面的基本概念和理论。
2.了解表面与界面现象对材料性能的影响。
3.学会运用表面与界面理论解决实际问题。
4.培养学生的创新能力和团队协作精神。
三、教学内容1.材料表面与界面的基本概念表面能表面张力界面能表面与界面的分类2.表面与界面的基本理论表面张力理论表面吸附理论界面张力理论界面吸附理论3.表面与界面现象对材料性能的影响润湿性腐蚀与防护粘附与粘接界面断裂与强度4.表面与界面分析技术扫描电子显微镜（SEM）原子力显微镜（AFM）X射线光电子能谱（XPS）接触角测量5.表面与界面改性技术化学改性物理改性表面涂层界面处理6.表面与界面在材料科学中的应用金属材料的腐蚀与防护高分子材料的粘接与粘附纳米材料的制备与应用生物材料的表面改性四、教学方法1.讲授法：讲解基本概念、理论及其应用。
2.案例分析法：分析实际案例，引导学生运用所学知识解决实际问题。
3.实验教学法：开展相关实验，培养学生的动手能力和实践能力。
4.讨论法：组织课堂讨论，激发学生的思维和创新能力。
1.课程共计32学时，其中讲授24学时，实验8学时。
2.每周2学时，共计16周。
六、考核方式1.平时成绩（30%）：包括课堂表现、作业、实验报告等。
2.期中考试（30%）：笔试，主要考察基本概念和理论。
3.期末考试（40%）：笔试，综合考察课程内容。
七、教材与参考书1.教材：《材料表面与界面》（作者：X，出版社：X）2.参考书：《材料表面与界面科学》（作者：X，出版社：X）《材料表面与界面工程》（作者：X，出版社：X）八、教学团队1.主讲教师：X，教授，长期从事材料表面与界面领域的研究与教学工作。
无机材料科学基础5表面与界面教学文案
无机材料科学基础5表面与界面教学文案一、教学内容本节课的教学内容来自于小学科学教材《无机材料科学基础》的第五章，主要涉及“表面与界面”的概念及其特性。
具体内容包括：1. 表面的定义与分类；2. 表面张力及其影响因素；3. 界面现象及其解释；4. 表面处理技术及其应用。
二、教学目标1. 让学生理解并掌握表面与界面的基本概念，了解表面张力及其影响因素。
2. 通过观察和实验，使学生能够发现和解释界面现象。
3. 培养学生对科学知识的兴趣和探究欲望，提高学生的实践操作能力。
三、教学难点与重点重点：表面与界面的概念，表面张力及其影响因素，界面现象的观察与解释。
难点：表面张力的形成机理，界面现象的数学解释。
四、教具与学具准备教具：PPT，实验器材（包括显微镜、放大镜等观察工具）。
学具：实验记录本，彩笔。
五、教学过程1. 情景引入：通过日常生活中的例子（如水滴在叶子上的形状）引入表面的概念，激发学生的兴趣。
2. 知识讲解：讲解表面的定义与分类，重点解释表面张力的概念及其影响因素。
3. 实验观察：让学生用显微镜观察水滴在叶子上的形状，引导学生发现和解释界面现象。
4. 课堂练习：让学生结合实验观察，用彩笔在实验记录本上绘制水滴在叶子上的形状，并尝试用所学的知识解释。
5. 知识拓展：介绍表面处理技术及其在实际应用中的重要性。
六、板书设计板书内容主要包括：表面与界面的概念，表面张力及其影响因素，界面现象的观察与解释。
七、作业设计1. 绘制水滴在叶子上的形状，并用所学的知识解释。
答案：水滴在叶子上的形状是由于表面张力的作用，使水滴尽量减少表面积，形成球形。
2. 查找有关表面处理技术的资料，了解其在实际应用中的重要性。
八、课后反思及拓展延伸课后反思：通过本节课的教学，学生是否掌握了表面与界面的基本概念，是否能运用所学知识解释实际问题。
拓展延伸：表面处理技术在现代工业中的应用，如在制造工艺、材料科学、生物医学等领域的重要作用。
物理化学电子教案第四章
返回
2021/3/17
附加压力与毛细管中液面高度的关系
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2021/3/17
拉普拉斯公式的应用
1.肥皂泡实验结果 在三通活塞的两端涂上肥皂液，关闭右端通路，在左端吹 一个大泡，然后关闭左端，在右端吹一个小泡。最后让左右两 端相通，试问接通后两泡的大小有何变化？
上一内容 下一内容 回主目录
为边界，由于环上每点的两边都 存在表面张力，大小相等，方向 相反，所以没有附加压力。
设向下的大气压力为Po， 向上的反作用力也为Po ，附加 压力Ps等于零。
Ps = Po - Po =0
上一内容 下一内容 回主目录
剖面图
液面正面图
返回
2021/3/17
弯曲表面下的附加压力
（2）在凸面上：
研究以AB为弦长的一个球面
常见的界面有：气-液界面，气-固界面，液-液 界面，液-固界面，固-固界面。
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2021/3/17
表面和界面(surface and interface)
常见的界面有： 1.气-液界面
上一内容 下一内容 回主目录
返回
2021/3/17
表面和界面(surface and interface)
（3）在凹面上：
研究以AB为弦长的一个球 形凹面上的环作为边界。由于环 上每点两边的表面张力都与凹形 的液面相切，大小相等，但不在
剖 面 图
同一平面上，所以会产生一个向 上的合力。
所有的点产生的总压力为Ps ， 称为附加压力。凹面上向下的总
压力为：Po-Ps ，所以凹面上所受 的压力比平面上小。
附加压力示意图
2.对活塞稍加压力，将毛细管内液
第十章界面现象
B
B
B
G U H A As T , p ,n As S ,V ,n As S , p ,n As T ,V ,n B B B B
界面现象电子教案——Huwei
• 恒T, p, nB , 下积分下式：
p 2 M RT ln pr r
对凸面，r取正值，r越小，液滴的蒸汽压越高，或小颗粒 的溶解度越大。 对凹面，r取负值，r越小，小蒸汽泡中的蒸汽压越低。
比较饱和蒸气压： p凸> p平> p凹
界面现象电子教案——Huwei
5.亚稳定状态
过热液体
在热力学上不稳定，而在动力学上能暂时稳定的状态。 如：过饱和蒸汽、过饱和溶液、过冷和过热液体 (1) 过热液体 按热力学条件应当沸腾而未沸腾的液体 新相：微小气泡 外压==p大气＋ρgh＋ ps pr≥(p大气＋ρgh＋ps ) T↑ pr ↑ R'↑ 沸腾 Ps ↓
界面现象电子教案——Huwei
§10.3 固体表面
• 1. 吸附现象
吸附：在固体或液体表面，某物质的浓度与 体相浓度不同的现象。 吸附质：被吸附的物质； 吸附剂：有吸附能力的物质。
dT , pG dAs Asd
界面现象电子教案——Huwei
物理吸附和化学吸附
物理吸附 吸附力 范德华力 化学吸附 化学键力
0
Va
p/p*
Ⅴ
1
Va
0
p/p*
1
0
p/p*
1
0
p/p*
1
• p: 达平衡时的吸附压力； • p*: 该温度下吸附气体的饱和蒸气压。
界面现象电子教案——Huwei
材料表面与界面课程教学大纲
材料表面与界面课程教学大纲课程编码：ZB0820825课程名称：材料表面与界面/surface and interface of materials课程总学时/学分：48/3适用专业：无机非金属材料工程一、课程简介材料表面与界面课程系统地阐述高分子及其复合材料的表界面特点和基础理论，重点介绍了液体表面特性，固体表面特性，固液界面特性，表面活性活性剂，聚合物表面改性以及聚合物界面理论等。
本课程为专业课，是一门从基础学科学习向实际专业研究工作过渡的重要课程。
在材料科学与技术专业的教学计划中开设。
二、教学目的和任务本课程是在物理化学、材料物理化学基础上进一步阐述高分子及其复合材料的表界面现象特点和理论基础，以及高分子复合材料中由于界面状况的不同对复合材料性能的重要影响。
表界面问题涉及到高分子改性的几乎所有方向，如高分子增强、填充复合材料、高分子共混复合材料、高分子的粘接、涂装及印刷、高分子的表面改性等。
通过本课程的学习，可以使材料科学与工程专业的同学具备高分子材料改性技术的理论基础和实用方法。
本课程的实践教学环节通过实验完成，培养学生对所学知识的综合运用能力和分析能力。
三、教学基本要求四、教学内容与学时分配学时序号章节教学内容理论实践合计1第一章绪论44 2第二章液体界面222.1 表面张力和表面自由能2.2 表面张力的热力学定义2.3 Laplace 方程222.4 液体表面张力的测定2.5 Kevin 方程222.6 吉布斯等温吸附式3第三章固体界面223.1 固体表面特性3.2 固体表面自由能3.3 固－气界面吸附224第四章固液界面4.1 Young方程和接触角224.2 黏附功与内聚能4.3 Young-Dupro 公式4.4 接触角的测定方法224.5 接触角的滞后现象4.6 润湿过程的三种类型225第五章表面活性剂44 6第七章聚合物表面改性44 7第八章复合材料界面44 8实验88合计32840五、教学方法及手段采用课堂讲授的教学方法。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第四章表面与界面1.表面与界面的意义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。
2.固体的表面表面——一个相和它本身蒸汽（或真空）接触面~；界面——一个与另一个相（结构不同）接触的分界面~；固体表面力——固体表面质点排列的周期重复性中断质点的对称性破坏，表现出剩余的键力~。
2.1表面力场1．长程力：作用范围较范德华力大得多，两相分子间的分子引力，实质是范德华力。
2．范德华力：A-静电力（极性分子之间）；B诱导力（极性与非极性分子）；C色散力（非极性分子之间）2.2晶体表面结构2.2.1晶体表面的微观排列状态（维尔威结构学说）A．松弛过程：如图（图4-1）表面层负电子外侧不饱和，电子云将被拉向内侧正离子一方，极化变形，通过电子云极化变形来降低表面能过程~（瞬间完成改变表面层键性）B．重排过程：晶格必须稳定，作用力大，极化率小的正离子应处于稳定位置，正离子向内负离子排斥向外——重排。
C．离子键逐渐过渡为共价键，表面为一层负离子所屏蔽——表面双电层。
D．表面等负性：易吸附正离子E．双电层厚度由极化程度来决定，并影响表面能和硬度（极化变形大——表面能小——硬度小）2.2.2晶体表面的几何结构2.2.2.1洁净晶体的表面结构图4-2是一个具有面心立方结构的晶体的表面结构，详细描述了（100）、（110）、（111）三个低指数面上原子的分布。
可以看到，随着结晶面的不同，表面上原子的密度也不一样。
如表所示（表4-1），各个晶面上原子的密度存在着很大的差别，这也就是不同结晶面、吸附性、晶体生长、溶解度及反应活不同的原因。
图4-2 面心立方晶格的低指数面构造结晶体表面密度最邻近原子次近邻原子简立方（100）（110）（111）0.7850.5550.45342123体心立方（110）（100）（111）0.8330.5890.3404244面心立方（111）（100）（110）0.9070.7850.555642345洁净的晶体的表面可分为两类型：（1）紧密堆积的表面——表面平坦没有波折，所有的原子距离该表面的平行平面的距离相等。
（2）台阶式的表面——如图4-3所示，在绝对零度以下，晶体的完整平面有一部分被另一层所覆盖，由于平整度的差别，晶体表面形成一个台阶。
在晶体表面附近，有一定的升华蒸汽浓度，许多位置上原子也会蒸发，但处在“断口”位置上的那个原子将更容易从晶体上脱离并蒸发，在这种情况下，可以用图（）表示——蒸发——凝聚平衡。
晶体表面不平整，有台阶和空位等缺陷，引起了不同的几何状态。
图4-3 绝对零度下晶体的表面2.2.2.2 表面粗糙度和表面微裂纹（1）表面粗糙度：由于表面凹凸不平，使得表面力场变得不均匀，其活性及其它表面性质也随之发生变化。
同时粗糙度还关系到两种材料的封接和结合界面间的啮合和结合强度。
（2）表面微裂纹：表面微裂纹可以因晶体缺陷或外力产生。
格里菲斯公式控制表面裂纹的大小、数目和扩展，就能充分利用材料固有的强度。
玻璃的钢化和预应力混凝土就是这样原理。
（3）不同结晶面上吸附性、晶体生长、溶解度及反应活性不同是由于结晶面上原子密度不同。
A ． 实际晶体表面：由于吸附关系，会出现各种不同的变化：一般金属表面上都是一层氧化膜所覆盖，一些非氧化物SiC 、Si 3N 4也有一层氧化物。
对于Al 2O 来说，表面被（OH -）所覆盖。
2.3固体的表面能1．液固表面能与表面张力：液体分子能自由移动，因而不能承受剪切力，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都有是相等的。
固体能承受剪切应力，外力的作用除了表现为表面积的增加外，还有一部分塑性形象。
因而固体的表面能与表面张力不等。
2．固体表面能的计算晶体的自由焓是由两部分组成，体积自由焓和一个附加的过剩界面自由焓。
在真空中绝对零度下一晶体的表面模型，计算晶体中一个原子移到晶体表面时自由焓变化，这个变化等于一个原子在这两种状态下的内能之差(△U)S,V ，U ib 和U is 分别为表面第i 个原子在晶体内与在晶体表面时与最邻近原子的作用能，n ib 和n is 分别表示第I 个原子在晶体体积内和表面时，最邻近原子数配位数。
移动一个原子于晶体内，所需要能量为μib ·n ib /2，在晶体表面则为μiS ·n iS /2(一个键同属两个原子) n ib > n iS ，μib =μiS 时，有： (△U)S,V ＝（μib ·n ib /2－μiS ·n iS /2）=n ib ·μib /2（1- n iS / n ib ） =U O /N （1- n iS / n ib ）（U O ——晶格能）如果L S 表示1m 3表面上的原子数，则有(L S U O /N)·（(1- n iS / n ib )= (△U)S,V ·L S =γO3．实验值与计算值的差别原因：A 计算时没有考虑到屏蔽效应，表面原子数减少L S 比实际值大。
B 真实表面不是平面，是凹凸不平，因而L S 比计算值小。
cE cc πγσ2=3. 界面行为(Interface)3.1弯曲表面效应：(Curved Surface)3.1.1弯曲表面内外压力差(pressure difference across a curved surface)由于表面张力的作用，弯曲表面的两边会引起压力差，方向指向曲面中心：凸面时，r为正值，凹面r为负；(如图4-4和图4-5)附加压力计算：△PdV=γdA:其中dV=4πR2dR,dA=8πRdR；∵△P·4πR2dR=γ8πRdR∴△P=2γ/R推广而得△P=γ（1/r1+1/r2）著名的拉普拉斯公式(Laplace)图4-4 弯曲表面上的附加压力的产生图4-5 液体中气泡的形成3.1.2弯曲表面蒸汽压(Vapor Pressure of a curved surface)（开尔文公式Kelvin）3.1.2.1 开尔文公式的推导（1）在恒温恒压下，把微量物质d m，从平面通过气相转移到半径为r凸的小球表面，球面积变化dA= 8 r凸πd r凸, 球质量变化：dm=4πr凸2ρd r凸, 系统作可逆功：δw=系统自由能增加dG, dG=dn·RTlnK=dm/M·RTln（p凸/p平），（p凸为凸面蒸汽压，p平平面蒸汽压。
） ∵ dG=γdA ∴(4πr 凸2ρd r 凸)/M ·RTln （p 凸/p 平）=γ8 r 凸πd r 凸即对于非球面有：对于凹球面有：因而有p 凸面>p 平面>p 凹面，凸面蒸汽压挥发，凹面蒸汽凝聚3.1.2.2毛细管现象(capillary)将一毛细管插入液体中，如果液体能润湿管壁，它将沿管壁上升并形成凹面（如图4-6所示）。
这时负压被吸入毛细管中的液柱静压所平衡，并与边界角θ有如下关系： ρgh=2γ/r ·cos θ=△P ，代入开尔文公式，则有θργcos 12/ln 0••-=rRT M P P当θ<90o,为凹面；当θ>90o, 为凸面；当θ=90o，为平面。
毛细管内液体的蒸汽压：毛细管凝聚：在一定的温度下，环境蒸汽压p o ，该蒸汽压对平面液体未饱和，但对毛细管内凹液体已呈过饱和，该蒸汽在毛细管内会凝聚成液体，这种现象称为毛细管凝聚。
图4-6 液体在毛细管中上升的情况示意图凸平凸RTr Mp ργ2p ln=)11(p ln210r r RTr M p +=凸ργ凹凹RTr M p ργ2p ln0=3.1.2.3 固体溶解度开尔文公式用于固体的溶解度，可以导出类似的关系：dRTrMC C LS γ2/ln 0=式中γLS 为固液界面张力，C 和C O 分别为半径为r 的小晶体和大晶体的溶解度，固体颗粒越小，表面曲率愈大，则蒸汽压和溶解度增高而熔化温度降低。
3.1.2.4弯曲表面的过剩空位浓度固体的气孔也是一种弯曲表面，由于表面张力的作用，所产生的负压使气孔表面的空位浓度比平面或体积内部的浓度大，存在着一个过剩空位浓度。
在没有应力作用于下，晶体的空位浓度为：其中E V 为空位生成能，n 0为晶体中格点，n 为空位数。
如果把一个原子移动进入气孔所形成的空位体积为a 03(a 0——晶格常数)，所做的功为： P a 03=2γ/r ·a 03由于负压作用，气孔最邻近的区域有一人较高的空位浓度C ‘：在气孔附近，空位过剩浓度：当x«0, 有e x -1≈x ，即e x ≈1+x ,ΔC=(2C 0γa 03)/rkT ,气孔半径越小，ΔC 也越大，这个过剩浓度的作用下，原子或离子有一个往气孔扩散的趋势，形成扩散烧结的动力。
4. 润湿与粘附(wetting and adhesion)4.1 润湿的重要意义润湿是固液界面上的重要行为。
润湿是近代很多工业技术的基础。
例如：机械的润滑，注水采油，油漆涂布，金属焊接，陶瓷、搪瓷的坯釉结合，陶瓷与金属的封接等工艺和理论都与润湿作用有密切关系。
)exp(00RTE n n C V-==)/32exp('0kTra E C V γ+-=}1)32{exp('000-=-=∆rkTa C C C C γ4.2 润湿的热力学定义固体和液体接触后，体系的自由焓降低时，称为润湿。
根据润湿程度不同可分为附着润湿、铺展润湿及浸渍润湿。
4.2.1附着润湿液固接触后，变液气界面和固气界面为固液界面，则过程自由焓的变化为：ΔG 1=γSL -（γLV +γSV ）对此的逆过程，ΔG 2=γLV +γSV -γSL ，此时外界对体系所做的功为W ，W 称为附着功或粘附功。
推而广之，当A 、B 两种物质（固—固界面或固—固液界）接触时，粘附功W=γA +γB -γAB 要想增大W ，一般有两种途径：1 增大γA 和γB ——减少吸附；比如，真空里剥云母，金属冷焊。