材料表界面_第十章ppt课件
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高分子材料的表界面-课件
同时等张比容具有严格的加和性，即物 体的等张比容等于组成该物质分子的原子或 原子团和结构因素的等张比容之和。
1.5 表面张力与内聚能的关系
内聚能是表征物质分子间相互作用力强弱的 一个物理量，摩尔内聚能定义为消除1 摩尔物质全部分子间作用力时其内能的增加， 即：
式中Ecoh为摩尔内聚能 R为气体常数， T为 温度。 △H为汽化热（液体）或升华热（固 体）。
表面张力是材料表界面的最基本性能之一。对于小分子液体，表 面张力的测定已由经典物理化学研究建立了各种测试方法。对于粘稠 的高分子溶液或熔体，虽然其分子仍具有一定的流动性，但要达到热 力学的平衡往往需要很长的时间。这就给表面性能的测试带来了很大 的困难。对于固态高分子材料，由于其表面分子几乎没有流动性，因 此表面张力的测试没有直接的方法，只能通过间接的方法或估算的方 法来求取。
1. 成核-增长机理 成核-增长机理可以得到在母体相中分散的岛 相结构，即形成所谓珠滴／基体型或海岛状结构， 这一过程称为成核增长。在成核-增长相分离过程 中，成核活化能与形成一个核所需的界面能有关， 即依赖于界面张力系数和核的表面积。成核之后， 大分子向成核微区扩散，珠滴增大。珠滴的增长 分为扩散和凝聚粗化两个阶段，每一阶段都决定 于界面能的平衡。因此由成核增长机理所形成的 形态结构主要为珠滴／基体型，即一相为连续相， 另一相以球形颗粒的形式分散在其中，尺寸较小 之间不互相连接。在成核-增长相分离过程中，成 核的原因是局部涨落。这种涨落可以是能量或浓 度波，波的幅度依赖于到达临界条件的距离。当 接近旋节线时，分离机理既可按成核增长机理亦 可按旋节分离机理进行。
1.1 表面张力与温度的关系
表面张力的本质是分子间的相互作用。因为分子间的 相互作用力因温度的上升而变 弱，所以表面张力一般随温度的上升而下降。 液态高聚物的表面张力随温度变化也呈线性关系， 其-（dσ/dT）值约为0.05×10-3N/mc, 因为-（dσ/dT） 是表面熵，所以高聚物的-（dσ/dT）值较小的原因是大 分子链的构象受阻，一些聚合物的表面张力与温度关系 如图所示。常温度范围内，表面张力与温度的关系呈直 线关系 :
材料表界面华东理工大学PPT课件
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三、表面自由能(surface free energy)
狭义的表面自由能定义：
(G / A) p,T ,nB
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。
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表面张力
• 在图2-1中，设在F力作用下 金属丝移动dx的距离，则所 做的功为：
dW fdx σ • 2L • dx
(2 2)
• 但2L*dx等于液膜的面积增 量dA,所以:
dW σ • dA
(2-3)
• 将上式形式改写成如下形式：
σ=dW/dA
(2-4)
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1.3表界面研究的重要性
表、界面现象一览表
界面现象
分类
表、
剂）
作为表面活性剂
肥皂和洗涤剂（表面活性
材料制造的产品 活性剂）
乳化剂和稳定剂（非表面
除草剂和杀虫剂
织物软化剂
表界面现象的直接应用 润滑、粘接、泡沫、润湿和
防水
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1.3表界面研究的重要性
• 登月计划失败例 ； • MDF水泥； • 复合材料偶联剂； • 纳米材料；
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表面张力
表面张力示意：
如果在金属线框中间系一线圈，一 (a)
起浸入肥皂液中，然后取出，上面形 成一液膜。
由于以线圈为边界的两边表面张 力大小相等方向相反，所以线圈成任 意形状可在液膜上移动，见(a)图。
(b)
如果刺破线圈中央的液膜，线圈 内侧张力消失，外侧表面张力立即将 线圈绷成一个圆形，见(b)图，清楚 的显示出表面张力的存在。
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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。
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
表面与界面PPT课件
ln
P
/P02M RT.1 rcos
如 =0⁰，表示液体对毛细管完全润湿，液 面在毛细管呈半球形凹面，则：
ln
P
/
P0
2M RT
.1 r
凹面上蒸气压低于平面上蒸气压。从而出现毛
细管凝结现象。
应用：
（3）开尔文公式用于固体的溶解度，也可以导
出类似的关系：
ln
C
/ C0
2 LS M
dRTr
毛细现象
（a）水在毛细管中上升；（b）水银在毛细管中下降
分析面心立方结构(100)、(110)、(111)三个低 指数面上原子的分布。
(111)
(110)
(100)
图4－11 面心立方晶格的低指数面
实验观测表明： 固体的实际表面是不规则和粗糙的， 最重要的表现为表面粗糙度和微裂纹。 表面粗糙度： (1)使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。
（4）固体颗粒半径对其熔化温度的影响
T
T0
T
2VS MT0
dHr
结论： 固体颗粒愈小，表面曲率愈大，则蒸气压 和溶解度增高而熔化温度降低。
二、 润湿与粘附
1、定义：润湿是一种流体从固体表面置换另一种 流体的过程。最常见的润湿现象是一种液体从固 体表面置换空气，如水在玻璃表面置换空气而展 开。
固液接触后，体系吉布斯自由焓降低时 就称为润湿。
SV SL LV cos
F LV cos SV SL
润湿的尺度用接触角衡量
粘附功： W LV SV SL
润湿张力： F LV cos SV SL
合并得： W LV (cos 1) SV LV SL
LV (cos 1) 也称粘附张力 可以看到，当粘附剂给定（即 LV 值一定）时， W 随θ减小而增大。因此，上式可作为粘附性的 度量。
材料表界面(beta)
1.定义与概念表界面是由一个相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。
表面功：温度、压力和组成恒定时，可逆使表面积增加d A所需要对体系作的功，称为表面功。
单位质量的吸附剂具有的表面积为比表面积（单位：m2/g)；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。
接触角：在三相交界处自固—液界面经过液体内部到气—液界面的夹角叫接触角，以θ表示。
表面活性剂达到形成单分子膜的最低浓度叫临界胶束浓度（CMC）。
亲疏平衡值（HLB）：HLB的大小表示表面活性剂亲水亲油性的相对大小，HLB 值越大，表示该表面活性剂的亲水性越强，HLB越低，则亲油性或疏水性越强。
其中石蜡HLB＝0，油酸钾HLB＝20；十二烷基硫酸酯钠HLB ＝40。
故阴离子表面活性剂HLB在1~40之间，非离子表面活性剂的HLB在1~20之间。
非离子型表面活性剂乳状液随着温度升高，从原来O/W（水包油）型转变为W/O（油包水）型的温度，称为相转型温度（PIT），也叫做亲水—亲油平衡温度（HLB温度）。
测定方法：由于O/W型比W/O型的电导率高，在转相时电导率发生突变，那么此时的温度即为PIT。
少量活性剂的加入可使水的表面张力迅速下降，但到某一浓度后，水溶液的表面张力几乎不变。
这个表面张力转折点的浓度称为临界胶束浓度（CMC）。
表面活性剂达到形成单分子膜的最低浓度叫临界胶束浓度。
测定方法：表面张力法、电导法、光散射法（Tyndall效应）。
离子型表面活性剂的溶解度随温度变化的特点是在足够低的温度下，溶解度随温度升高而慢慢增大，当温度达到某一定值后，溶解度会突然增大。
这种现象称为Krafft现象。
溶解度开始突然增大的温度叫Krafft温度，也叫K.P点。
非离子型表面活性剂溶液的溶解度随温度升高而下降，当温度升到一定值时，溶液突然变成浑浊，此时的温度成为浊点，即C.P点。
复合材料是由两种或两种以上的不同材料通过一定工艺制成的多相材料，并具有与原组成材料不同的新的性能。
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聚合物基复合材料的一般特性：
① 轻质高强： 一些常用材料及纤维复合材料的比强度和比模量
材料
钢 铝合金 钛合金 玻璃纤维复合材料
密度 拉伸强度 （g/cm3） （GPa）
７.８ １.０３ ２.８ ０.４７ ４.５ ０.９６ ２.０ １.０６
弹性模量 （102GPa）
２.１ ０.７５ １.１４ ０.４
比强度 （106cm）
也正是对复合材料存在的问题的研究解决，推动着 复合材料科学的发展。
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二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的分类： 用于复合材料的聚合物基体有多种分类方法，如按树 脂热行为可分为热塑性及热固性两类。
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二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的分类（基体）： 热塑性基体如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚醚砜、 聚醚醚酮等，它们是一类线形或有支链的固态高分子， 可溶可熔，可反复加工成型而无任何化学变化。
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
复合材料的界面：
界面是复合材料产生协同效应的根本原因
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一、复合材料概述
复合材料的界面：
图10-2复合材料破坏过程中的能量吸收
裂纹在基体中发展，遇到纤维，可 能发生界面脱粘、基体和纤维的断 裂、纤维拔出等过程，吸收了大量 能量。并且裂纹发展未必在一个平 面上，可沿着材料中不同的平面发 生如上的界面脱粘、基体和纤维的 断裂、纤维拔出等过程，直到裂纹 贯穿了某一平面材料才破坏，这就 使得复合材料的断裂能大大高于各 组分材料的断裂能的加和，充分体 现出复合材料的协同效应。
１.３ １.７ ２.１ ５.３
比模量 （108cm）
２.７ ２.６ ２.５ ２.０
碳纤维I／环氧复合材料 １.６ １.０７
２.４
６.７
１５
碳纤维II／环氧复合材料 １.４５ １.５０
１.４
１０.３ ９.７
有机纤维／环氧复合材料 １.４ １.４０
０.８
１0.０
５.７
硼纤维／环氧复合材料 ２.１ １.３８
２.１
６.６
１０
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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： ②电性能好：
电绝缘性、高频介电性能、微波透过性好，适宜于电机仪表零件、雷达罩等。
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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： ③ 耐腐蚀性能好：
耐海水、酸碱、盐和有机溶剂，适宜于化工机械零部件、管道、贮槽、渔船等。
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二、聚合物基复合材料
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一、复合材料概述
复合材料的结构：
纤维增强塑料
基体相
塑料：把纤维粘结在一起，使纤维的强度充分发挥
增强剂相
纤维：分散于塑料，混凝土中的“钢筋”，承担负荷
相与相之间存在界面。
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一、复合材料概述
复合材料的界面：
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。
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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。
聚合物基复合材料也存在一些缺点和问题，如工艺稳定性较差，材料性能 分散性大，耐高温和环境老化性不好等。
性能除与纤维、树脂的种类及含量外，还与纤维的排列方向、铺层次序 和层数有关，因此可以优化设计，做到安全可靠，经济合理。
在制造复合材料的同时，也就得到了制品，可一次成型。这一特点使得 复合材料制品的零部件数目可明显减少，避免了接头过多，降低了应力集中。 同时，也相应减轻了零部件的重量，减少了制造工序和加工量，缩短加工周 期，降低生产成本。
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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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一、复合材料概述
复合材料是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺 复合而成的多相材料。 包括三层意义：
它是一种多相材料，包含两种或两种以上物理上不同并可用机 械方法分离的材料。
它可以在人为控制下以某种工艺将几种分离的不同材料混合在 一起，形成复合材料。
它的性能应优于各单独的组分材料，在某些方面可能具有组分 材料没有的独特性能。
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一、复合材料概述
复合材料的分类： 按基体材料分类 ① 聚合物基复合材料：热固性和热塑性树脂基 ② 金属基复合材料 ③ 无机非金属基复合材料：陶瓷基，水泥基 其中，应用最广、产量最大的是聚合物基复合材料。
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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： ① 轻质高强 ② 电性能好 ③ 耐腐蚀性能好 ④ 热性能好 ⑤ 性能具有可设计性 ⑥ 界面结合性差，层间剪切强度低
第十章 复合材料的界面
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第十章 复合材料的界面
一、复合材料概述 二、聚合物基复合材料 三、玻璃纤维增强塑料界面 四、先进复合材料的界面
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一、复合材料概述
复合材料是以两种或两种以上不同材料通过一定的工艺 复合而成的多相材料。
取
金属材料
协
长
复合
同
补
材
作
无机
有机短Biblioteka 非金属 料 高分子用
材料
材料
产生原来单一材料本身所没有的新性能
聚合物基复合材料的一般特性： ④ 热性能好：
导热系数低，是优良的绝热材料。耐烧蚀性能能保护飞行器重返大气层免受 2000℃以上的高温、高速气流损害。高性能复合材料可设计成热膨胀系数为 零、能在高低温的交替中保持良好的尺寸稳定性材料。
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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： ⑤ 性能具有可设计性：
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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： ① 轻质高强：
相对密度低，1.4--2.0之间，约为钢的1/5,铝的1/2，比强度比钢、铝合金高，如高 模量碳纤维/环氧复合材料的比强度为钢的5倍，铝合金的4倍。其比模量是钢、铝、 钛的4倍。是复合材料适宜用作航空、航天材料的宝贵性能。
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二、聚合物基复合材料