材料表面与界面课后思考题 (胡福增)
表面技术概论复习思考题及答案-08级
表面技术概论复习思考题及答案-08级《表面技术概论》思考题第二章表面科学基本概念及理论基本概念：表面:固体表面一个或数个原子层的区域。
由于表面粒子没有邻居粒子，其物理性质和化学性质与固体内部明显不同。
界面:一般指两相交界处，严格讲固固、液夜、气液、固液交界处皆为界面。
晶界：结构相同而取向不同的晶体之间的界面。
相界：由结构不同或结构相同而点阵参数不同的两块晶体相交接而形成的界面。
理想表面：是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。
清洁表面：指没有被其他任何物质污染，也没有吸附任何不是表面组分的其他院子或分子的表面，是我们在预处理中想要得到的表面。
实际表面：存在缺陷、杂质等现象的表面。
机械加工表面：在磨削、研磨、抛光等机械作用下，金属表面能形成特殊结构的表面层。
表面驰豫：表面的原子周期性突然破坏，表面上的原子会发生相对于正常位置的上下位移以降低体系能量，表面上的这种原子的位移称为表面弛豫。
表面重构：平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整。
表面台阶结构：由于原子的热运动，晶体表面产生一定密度的单分子或原子高度的台阶。
表面粗糙度：加工表面上具有的较小间距的峰和谷所组成的微观几何形状误差，也称微观粗糙度。
贝尔比层：固体材料经切削加工后，在几个微米或十几个微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，使得在表面约10nm的深度内，形成晶格畸变薄层。
物理吸附：靠范德华力作用，对温度比较敏感，低温下的单层有序结构，吸附分子结构无变化。
化学吸附：形成化学键结合，存在电子转移，结合强度比物理吸附大许多。
固体的表面张力：是由于原子间的作用力以及在表面和内部的排列状态的差别而引起的。
表面自由能：表层原子的能量远大于内部原子，将高出的能量叠加后，平均在单位面积上的超额能量称之为比表面能，简称为表面能。
常用表面自由能来描述材料表面能的变化，其物理意义是指产生1平方厘米新表面需消耗的等温可逆功。
表面扩散：原子或分子沿表面的二维迁移。
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。
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。
材料表面技术课后题修改版
材料表⾯技术课后题修改版第⼀章1．固体材料的界⾯⼀般分为哪三种，各⾃的含义分别是什么？1）表⾯——固体材料与⽓体或液体的分界⾯。
2）晶界（或亚晶界）——多晶体内部成分、结构相同⽽取向不同晶粒（或亚晶）之间的界⾯。
3）相界⾯: 固体材料中成分、结构不同的两相之间的界⾯。
相界⾯有三类，如固相与固相的相界⾯（s／s）；固相与⽓相之间的相界⾯（s／V）；固相与液相之间的相界⾯（s／L）。
2.什么是表⾯改性？什么是表⾯加⼯？⼆者有什么区别？表⾯改性——⽤机械、物理和化学的⽅法，改变材料表⾯的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应⼒状态。
表⾯加⼯——通过物理化学⽅法使⾦属表⾯的形貌发⽣改变，但不改变⾦属表⾯的⾦相组织和化学成分，如：表⾯微细加⼯、抛光、蚀刻、整体包覆第⼆章1.什么是清洁表⾯，什么是实际表⾯，⼆者具有怎样的研究意义？清洁表⾯是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表⾯。
这种清洁表⾯的化学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。
在材料实际应⽤过程中，材料表⾯是要经过⼀定加⼯处理(切割、研磨、抛光等)，材料⼜在⼤⽓环境(也可能在低真空或⾼温)下使⽤。
材料可能是单晶、多晶、⾮晶体。
这类材料的表⾯称为实际表⾯。
2.什么是理想表⾯？特点是什么？对于没有杂质的单晶，作为零级近似可将其清洁表⾯理想为⼀个理想表⾯。
这是⼀种理论上的结构完整的⼆维点阵平⾯。
忽略了晶体内部周期性势场在晶体表⾯中断的影响，忽略了表⾯原⼦的热运动、热扩散和热缺陷等，忽略了外界对表⾯的物理化学作⽤等。
这种理想表⾯作为半⽆限的晶体，体内的原⼦的位置及其结构的周期性，与原来⽆限的晶体完全⼀样3.从⼆维结晶学的⾓度分析，单晶材料的清洁表⾯原⼦有什么特点，其趋于能量最低的稳定状态主要采取哪两种⽅式？对于没有杂质的单晶，作为零级近似可将其清洁表⾯理想为⼀个理想表⾯。
这是⼀种理论上的结构完整的⼆维点阵平⾯。
(1)⾃⾏调整，表⾯处原⼦排列与内部有明显不同；(2)靠外来因素，如吸附杂质、⽣成新相等。
材料表面与界面-习题含答案培训资料
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/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 pRT MR 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 ρπρ3、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。
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
表面与界面物理思考题答案
表⾯与界⾯物理思考题答案邓⽼师部分 (2)1，原⼦间的键合⽅式及性能特点。
(2)2，原⼦的外层电⼦结构，晶体的能带结构。
(2)3，晶体（单晶体，多晶体）的基本概念，晶体与⾮晶体的区别。
(2)4，空间点阵与晶胞、晶⾯指数、晶⾯间距的概念，原⼦的堆积⽅式和典型的晶体结构。
(2)5，表⾯信息获取的主要⽅式及基本原理。
(3)6，为什么XPS可获得表⾯信息，⽽X射线衍射只能获得体信息？ (3)7，利⽤光电⼦能谱（XPS）和俄歇（A UGER）电⼦能谱（AES）进⾏表⾯分析的基本原理和应⽤范围。
(4)8，透射电⼦显微镜有哪⼏种⼯作模式，它们可获得材料的什么信息？ (4)9，扫描电⼦显微镜的⼆次电⼦像和背反射电⼦像的成像原理。
(4)10，说明电⼦束的基本特征，举出⼏种利⽤电⼦束的波动性和粒⼦性的分析技术。
(5)11，什么是电⼦结合能的位移？价带能态密度可采⽤什么⽅法测试，简述其原理。
(5)12，表⾯的定义，什么是清洁表⾯和实际表⾯？ (5)13，什么是表⾯的TLK模型？表⾯缺陷产⽣的原因是什么？ (5)14，什么是表⾯弛豫和表⾯重构？画出表⾯弛豫和表⾯重构的原⼦排列图。
(5)15，为什么表⾯原⼦排列与体内不同，请⽐较重构与弛豫的异同，并解释S I（111）2×1重构的成因。
(6)16，纳⽶材料有哪些效应？ (6)17，说明表⾯张⼒和表⾯⾃由能分别⽤于什么情况。
解释表⾯吸附对表⾯⾃由能的影响。
如何测试材料的表⾯⾃由能，简述其基本原理。
(6)18，什么是晶体材料的易⽣长晶⾯，它与什么因素有关？N A C L为简单⽴⽅晶体，它的易⽣长晶⾯是什么？ (7)陶⽼师部分 (8)1，表⾯态的产⽣原因和种类，它对材料性能有何影响？ (8)2，形成空间电荷区的原因和表⾯空间电荷区的类型。
(8)3，什么是准费⽶能级？ (8)4，有⼀半导体材料，其体费⽶能级在导带下1/3E G处，表⾯费⽶能级距导带2/3E G处，E G 为禁带宽度。
材料表面与界面
1.4 液体表面张力的测定
1.4.1 毛细管法 如图1-4所示，当毛细管浸在液体中，若液体能完
全浸润管壁，则会发生毛细上升现象液面呈凹月 形。反之，若液体完全不浸润管壁，则液面下降 呈凸液面。
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毛细升高现象可用Laplace方程处理。假定毛细管 截面是圆周形，且管径不太大，井假定凹月面可 近似看作半球形，此时不仅两个曲率半径相等， 而且都等于毛细管半径r。由Laplace公式可得：
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由于气体方面的吸引力比液体方面小得多，因此 气液界面的分子净受到指向液体内部并垂直于界 面的引力。这种分子间的引力主要是范德华力， 它与分子间距离的7次方成反比。所以表面层分子 所受临近分子的引力只限于第一、二层分子，离 开表面几个分子直径的距离，分子受到的力基本 上就是对称的了。
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为什么液体表面具有自动收缩的能力？
从液相内部将一个分子一道表面层要克服这种分 子间引力做功，从而使系统的自由焓增加；反之， 表面层分子移入液体内部，系统自由焓下降，因 为系统的能量越低越稳定，故液体表面具有自动 收缩的能力。
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设在一边可自由活动的金属丝框中有一层浓膜。 如果不在右边施加一个如图所示方向的外力F，液 膜就会收缩。这就表明，在沿液膜的切线方向上 存在一个与外力方向相反，大小相等且垂直于液 膜边缘的力作用着。实验表明，外力F与液膜边缘 的长度成正比，比例常数与液体表面特性有关， 以σ表示，称为表面张力，即
第1章 表界面基础知识
材料科学、信息科学和生命科学是当前新技术革 命中的三大前沿科学，材料的表界面在材料科学 中占有重要的地位。
何谓表界面?
表界面是多相体系中相与相之间的过渡区域。 根据物质的聚集态不同，表界面通常可以分为以下五
材料表面1-2013
本课程的地位、作用及要求 地位：重要的专业基础课 作用与要求: 了解与熟悉表面界面的结构特征;
掌握表面界面现象的一般规律; 理解并熟悉复合材料表面及界面性能特点； 了解有关表面涂层与改性的方法。
11
本课程的内容
绪论
材料的表面与界面定义与分类；表面与界面的重要性； 本课程的主要内容与要求。
一个薄层，对材料性 能有重要影响； 多数情况下可视为忽 略厚度的二维平面；
5
表面的能量状态
Since it requires energy to terminate the bonding, the surface is energetically less stable than the bulk.
表面与界面
Surface and Interface
周新贵，余金山
Email: zhouxingui@ jjss_y@ 国防科技大学航天科学与工程学院CFC重点实验室
1
绪 论
表面与界面基本定义 表面的能量状态 材料表面与界面的重要性
本课程的地位、作用及要求
This energy is known as the surface free energy. In the case of liquid interfaces, this energy is called surface tension.
6
表面自由能
如果要扩大表面就要把内层分子移到表面上来，这就要 与分子的引力相对抗而消耗一定量的功。在等温等压组成不 变的可逆条件下，当增加的表面积为dA时，环境对体系作的 功，称为表面功。
也可理解为系统增加单位面积所需做的功，单位 是J/m2，所以也称为表面自由能。
“材料表面与界面”课程思政教学初步探索
堂上通过 PPT 向学生展示我国 在 航 天 领 域 的 成 就,增
强民族自信,增进爱国情怀。另外,还可以通过 向 学 生
生认真操作,仔 细 观 察 实 验 现 象,如 实 记 录 实 验 结 果,
介绍中外界面科学的研究成果,培养学生的国际 视 野,
以培养“一丝不苟”的科学精神。
引导学生树立 正 确 的 世 界 观、人 生 观、价 值 观,培 养 学
德育培养
思考
可持续发展观
图 1 思政内容融入课程实验模式示意图
课程实验 是 材 料 表 面 与 界 面 课 程 的 重 要 组 成 部
分,对学生的实 践 创 新 能 力 及 思 政 素 质 的 培 养 尤 为 重
知识掌握
预习报告
实验报告
思政感悟
3 科技前沿和课程思政的融合
材料 表 面 与 界 面 是 一 门 应 用 型 学 科,因 此 科 研 成
生对实验课的思政感悟,引入“诚信意识和科学精神”,
展为主线,将表 面 化 学 原 本 相 对 独 立 的 知 识 点 合 理 串
实验考核环节,通 过 批 阅 预 习 报 告 和 实 验 报 告 以 及 学
从而实现知识传授和德育培养双重目标。
2
.1 实验准备环节中的思政教育
在实验准备环节中,教师要求学生提前预 习 实 验,
实验准备
理吸附和化学吸 附 的 区 别,同 时 具 体 分 析 固 气 吸 附 关
融合
课程实验 1
课程实验 2
指导
科学精神
创新思维
系曲线,再继续扩展到应用领域,学习催化材料的吸 附
行为以及孔结 构 的 分 析 技 术 方 习
思政主题引入
价值引领
《材料表面工程基础》课后习题目录及答案
《材料表面工程基础》课后习题目录及答案11.材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展?2.表面工程技术的目的和作用是什么?3.为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科?4.为什么会造成表面原子的重组？5.什么是实际表面？什么是清洁表面？什么是理想表面？6.常用的材料表面处理预处理种类及方法有哪些？7.热喷涂技术有什么特点？8.热喷涂涂层的结构特点是什么？其形成过程中经历了哪几个阶段？9.简单分析热喷涂涂层的结合机理？10.热喷涂只要有哪几种喷涂工艺？各有什么特点？11.热喷涂材料有哪几大类？热喷涂技术在新型材料开发方面可以做什么工作？12.镀层如何分类？怎样选择使用？13.金属电镀包括哪些基本步骤？说明其物理意义。
14.电镀的基本原理？15.共沉积合金的相特点有几种类型？16.电刷镀的原理及特点是什么？17.什么叫化学镀？实现化学镀过程有什么方式。
18.与电镀相比，化学镀有何特点？19.热浸镀的基本过程是什么？控制步骤是什么？其实质是什么？20.形成热浸镀层应满足什么条件？21.简述钢材热镀铝时扩散层的形成过程。
22.热镀铝的优缺点怎样？23.表面淬火与常规淬火的区别：临界温度上移、奥氏体成分不均匀、晶粒细化、硬度高、耐磨性好、抗疲劳强度高。
24.表面淬火层组成：淬硬区、过渡区和心部区。
25.硬化层厚度的测定：金相法和硬度法。
26.喷丸强化技术原理、特点、应用范围。
27.感应加热淬火原理、涡流、集肤效应。
28.工件感应加热淬火的工艺流程。
29.各种表面淬火的特点和应用范围。
《表面技术概论》习题30.什么是表面工程？表面工程技术的作用是什么？31.金属离子电沉积的热力学条件是什么？金属离子从水溶液中沉积的可能性取决于什么？32.什么是热喷涂技术？试简述热喷涂的特点。
33.热喷涂的涂层结构特点是什么？其涂层与基体的结合机理是什么？一般的等离子喷涂层不可能形成太厚的涂层，为什么？而HVOF技术则可以获得10余毫米厚的超厚涂层，又是为什么？34.化学镀的基本原理是什么？有哪些特点？35.材料表面工程技术是我校材料科学的学科优势之一？你对于我校材料表面技术的发展有什么想法和建议？1■■■■■■■■■■■■■■■524宿舍整理■■■■■■■■■■■■勿删■■■■■■■■■■■■36.材料表面耐腐蚀的技术有哪些？我国规定煤矿系统的井筒井架、电力塔架、广播发射塔等必须要进行钢结构长效防腐处理。
第5章习题及答案_无机材料科学基础
第5章习题及答案_无机材料科学基础第五章固体表面与界面5-1名词解释驰豫表面重构表面定向促进作用诱导促进作用色散促进作用范德华力润湿角临界表面张力附着功阳离子互换容量聚沉值触变性滤水性可塑性5-2何谓表面张力和表面能？在固态和液态这两者有何差别？835-3在石英玻璃熔体之下20cm处为构成半径5×10m的气泡，熔体密度为2200kg/m，表面张力为0.29n/m，大气压力为1.01×105pa，谋构成此气泡所须要最高内压力就是多少？5-4（1）什么是弯曲表面的附加压力？其正负根据什么划分？（2）设表面张力为0.9j/m2，计算曲率半径为0.5μm、5μm的曲面附加压力？－5-5什么是吸附和粘附？当用焊锡来焊接铜丝时，用挫刀除去表面层，可使焊接更加牢固，请解释这种现象？5-6在高温将某金属熔于al2o3片上。
（1）若al2o3的表面能够估算为1j/m2，此熔融金属的表面能够也与之相近，界面能够估算约为0.3j/m2，问接触角就是多少？（2）若液相表面能够只有al2o3表面能够的一半，而界面能够就是al2o3表面张力的2倍，先行估算接触角的大小？5-7在20℃及常压下，将半径为10－3m的汞分散成半径为10－9m的小汞滴，求此过程所需作的功是多少？已知20℃时汞的表面张力0.470n/m。
5-8在2080℃的al2o3（l）内有一半径为10－8m的小气泡，求该气泡难以承受的额外压力就是多小？未知2080℃时al2o3（l）的表面张力为0.700n/m。
5-920℃时苯的表面张力为0.0289n/m，其饱和蒸气压为10013pa，若在20℃时将苯分散成半径为10－m的小滴，计算：（1）苯滴上的附加压力；（2）苯滴上的蒸气压与平面上苯液饱和蒸气压之比。
65-1020℃时，水的饱和蒸气压力为2338pa，密度为998.3kg/m3，表面张力为0.07275n/m，求半径为10－9m的水滴在20℃时的饱和蒸气压为多少？5-11若在101325pa，100℃的水中产生了一个半径为10－8m的小气泡，反问该小气泡若想存有并长大？此时水的密度为958kg/m3，表面张力为0.0589n/m。
第一章 表界面基础知识
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
材料表面与界面
材料表面与界面主要参考书：1、胡福增等编著，《材料表面与界面》，华东理工大学出版社，20012、李恒德，萧纪美编著，《材料表面与界面》，清华大学出版社, 19903、赵文轩主编，《材料表面工程导论》，西安交通大学出版社, 20014、Arthur W Adamson，Alice P Gast．《Physical Chemistry ofSurfaces》．Sixth Edition．New York John Wiley & Sons．Inc，1997.(A. W. 亚当森著，顾惕人译，《表面的物理化学》，科学出版社，1986)5、S. R. Morrison, 《The Chemical Physics of Surfaces》. Plenum Press,New York and London, 1977.(S. R. Morrison著，赵璧英等译，《表面化学物理》，北京大学出版社，1986)第一章绪论1-1 材料表界面的定义材料科学、信息科学和生命科学是当前新技术革命中的三大前沿科学，材料的表面与界面在材料科学中占有重要的地位。
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。
单组分的材料，由于内部存在的缺陷，如位错等，或者由于晶态的不同形成晶界，可能在内部产生界面。
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。
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。
研究材料的表界面现象具有重要的意义。
表界面的定义：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，表界面是由—个相过渡到另一相的过渡区域。
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。
材料表界面思考题答案汇总
《材料表界面》复习思考题答案汇总
(1) V =
1×10−3 kg 3V = 10−6 m3 ; A = 4π r 2 = 4 × π × ( ) 2 / 3 = 4.84 × 10−4 m 2 3 1000kg / m 4π
G = Gs i A = 72 × 10−3 × 4.84 × 10−3 = 3.48 × 10−5 J 4 4 (2) V1 = π ⋅ r 3 = π × (2 × 10−9 / 2)3 = 4.2 × 10−27 m3 3 3 10−6 V 水滴数n= = = 2.38 × 1020 A1 = 4π r 2 = 4π × (10−9 ) 2 = 1.26 × 10−17 m 2 −27 V1 4.2 × 10 G = nGs A1 = 2.38 × 1020 × 72 × 10−3 × 1.26 × 10−17 = 215.9 J
4π r 2 3 A0 = = 4 ρ π r3 ρr 3 由Kelvin方程 ln
∴ r=
3 = 3 ×10−9 m ρ A0
p 2σ M 2 × 71.97 × 10−3 × 18 × 10−3 = = = 0.348 p0 RT ρ r 8.3145 × 298.15 × 103 × 3 × 10−9 p = 1.416 p0 ∴ p = 4.488kPa
5. 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？ P9
(1) 关系为：Laplace 方程
1 1 Δp = σ ( + ) r1 r2
（2） 球面 (3) 平面
r1 = r2 Δp = r1 = r2 = ∞
2σ r Δp = 0 即跨越平面没有压差。
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（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
3.嵌段、接枝、共混对聚合物合金的表面张力有怎样的影响
4.为什么聚合物与聚合物的相容性较差如何提高聚合物与聚合物的相容性
（1）书P86-89
（2）①用接枝、嵌段共聚物作增容剂②在共混组分之间引入特殊相互作用③加入低分子量化合物作增容剂④其它
5.对聚合物进行表面处理的目的是什么聚烯烃薄膜经电晕处理后表面性能可能发生怎样的变化
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。
4.什么是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。
（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着变化的转折点
第四章
1.简述无机固体的理想表面、清洁表面和真实表面。
理想表面是将一块晶体沿某晶面切开，而不改变切开面附近原子的位置和电子的密度分开，所形成的表面称为“理想表面”,理想表面在自然界是不存在的。假设除了确定一套边界条件外，系统不发生任何变化，即半无限晶体中的原子位置和电子密度都和原来的无限晶体一样，这种理想的表面实际上不可能存在。
（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。
第三章
1.有人将二甲基硅氧烷低聚物接枝到聚苯乙烯大分子链上，发现接枝聚合物的表面张力随接枝率的增高而下降，当接枝率达到一定值后，高聚物的表面张力接近于聚二甲基硅氧烷，试分析其原因。
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。
方法：
4.比较Langmuir单分子层吸附理论和BET多分子层吸附理论的异同，怎样测定材料的比表面积
2.何谓HLB值HLB值对表面活性剂的选用有何指导意义
（1）HLB值是指表面活性剂的亲水性与亲油性的相对大小。
（2）HLB越大表示该表面活性剂的亲水性越强,HLB值越低,则亲油性越强.由此,可根据表面活性剂的HLB值的大小,初步选择我们所需要的活性剂类型.
3.什么有什么优点
（１）相转型温度是指非离子型表面活性剂在低温下可形成水包油(O/W)型乳状液,随着温度升高,溶解度降低,HLB值下降,使得乳状液从原来的（Ｏ／Ｗ）型转变为油包水型（Ｗ／Ｏ）所对应的温度．又称为亲水-亲油平衡温度．
（２）PIT与HLB都可以反映出亲水亲油性，但是，PIT可以反映出油的种类、水溶液性质、温度和相体积等的影响。同时PIT测定简单、精度高。
（1）①改变表面化学组成，增加表面能②改善结晶形态和表面的几何性质③清除杂质或脆弱的边界层。
（2）经过电晕处理后，聚合物表面可形成各种的极性基团，改善聚合物的粘接性和润湿性，对油墨的附着力显着改善，表面张力、剥离力明显提高。
6.低温等离子处理对聚合物的表面改性能产生哪些效果
（1）表面交联：等离子体中高能粒子轰击聚合物表面，产生了大量的自由基，自由基间的相互作用，在表面形成致密的交联结构，同时也形成了大量的不饱和键。（2）极性基团的引入：等离子体表面氧化反应为自由基链反应，氧的介入，可以引入大量的含氧基团，如羧基、羰基、羟基。（3）对润湿性的影响改善表面的润湿性，使聚合物表面张力增大，接触角变小。（4）对粘接性的影响极性基团的引入使其与其它的材料的粘结强度大大增强。（5）其它作用引起聚合物失重、表面形成小坑。裂解产物中分子量较大的降解聚合物，与未降解的相比，分子量较低，其玻璃化温度和粘度较低，因此可以通过界面的流动性和相互的扩散改善可粘结性。
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。
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。
2.叙述固体表面的弛豫现象、表面弛豫与无极超细粉体性能之间的关系。
弛豫是指表面区原子或离子间的距离偏离体内的晶格常数，但晶胞结构基本不变。离子晶体的主要作用力是库仑静电力，是一种长程作用，因此表面容易发生弛豫，弛豫的结果产生表面电矩。例如NaCl晶体的弛豫，在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Cl－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Na+和Cl－分成相距为0.026nm的两个亚层，但晶胞结构基本没有变化，形成了弛豫。弛豫主要发生在垂直表面方向，又称为纵向弛豫，弛豫时的晶格常数变化将取决于材料的特征和晶向。弛豫不仅于表面一层，而且会延伸到一定范围，例如NaCl(100)面的离子极化是发生在距表面5层的范围。许多金属氧化物的表面都容易发生弛豫，并使表面带负电，产生表面电矩。
当金属氧化物以粉体形式存在时，颗粒尺寸为亚微米极超细粉，则表面非常大，弛豫产生的表面电矩使粉体难以紧密接触，给成型工艺带来困难。对于大多数粉体来说，表面原子都有不同程度的弛豫，V族元素原子向外移动，Ⅲ族元素原子向内移动，弛豫使键能发生旋转，并对表面态产生影响。
3.何谓多晶的晶界晶界的结构特征如何
（1）晶界是晶粒之间界面的简称，亦称晶粒间界，是固体材料界面的一种特殊情况。由于实际应用的材料多数为多晶体，境界问题对于材料研究便具有了极大的普遍性。就其本意而言，晶界是同材质同结构不同取向的晶粒之间的界面，这就使得其处理比相界面大大简化。在这种简化处理得到的模型的基础上，再推广到一般的相界上，就容易多了。而实际的晶界远比上述设想复杂。材料本身经常就是多相的，而且在晶界上还会有各种杂质相析出，这就使得晶界不再是同种材料之间的界面，而成为多相界面。
什么是相转移温度用pit表示表面活性剂的亲水亲油性较hlb值有什么优点相转型温度是指非离子型表面活性剂在低温下可形成水包油ow型乳状液随着温度升高溶解度降低hlb值下降使得乳状液从原来的型转变为油包水型所对应的温度又称为亲水亲油平衡温度pit与hlb都可以反映出亲水亲油性但是pit可以反映出油的种类水溶液性质温度和相体积等的影响
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）分子结构是由两种不同性质的基团所组成。一种为非极性亲油基团，另外一种为极性亲水基团，即表面活性剂既具有亲水性又有疏水性，形成一种所谓的“两亲结构”的分子。（3）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。
（4）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。
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。此刻,气泡内压力最大。根据拉普拉斯公式,气泡最大压力为
⑥差分最大气泡压力法
测定原理
差分最大气泡压力法原理是:两个同质异径的毛细管插入被测液体中,气泡从毛细管中通过后到达液体中,测量两个毛细管中气泡的最大压力p1和p2,表面张力是压差的函数,计算公式为
清洁表面是指表面经过特殊处理后，保持在10－9~10－10超高真空下的状态。特殊处理的方法很多，有离子轰击和退火热处理，解理，热蚀，外延，场效应蒸发等，其中离子轰击加退火热处理是目前最普遍采用的方法。
实际表面是指经过研磨，抛光处理后的状态。在电子显微镜下观察，其表面都是相当不平整的，表面除出现明显的起伏，还可能伴有裂纹和空洞。表面的不平整性，对光刻，细微加工，磁记录，电位器噪声都有很大的影响，而且与材料的润湿，摩擦，抗蚀等也密切相关。
7.聚合物表面接枝有哪些方法其原理各是什么
（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。