材料表面与界面(1)
材料表面与界面-1
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二、无机非金属材料的基本结构
1、离子晶体 (1)离子键的特点：无方向性，无饱和性 (2)离子晶体的构成――负离子配位多面
体：异类离子配位；密堆积趋势；正 负离子相互接触；电子云不重叠 (3)离子晶体的配位数―――离子临界半 径比
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离子半径比、配位数与结构类型的关系
平均共用两个半顶
[Si4O11]6－
202盐
层状，共用三个顶： [Si4O10]4－
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共用四个顶角：网状 [Si4－XO8]4X－
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3、硅酸盐结构中的同晶置换
网状结构硅酸盐的[SiO4]4－中，常 有一定数量的Si原子被Al原子置换，使 某些氧原子产生不饱和的键合轨道，晶 体结构达不到电中性
as bs
m11 m21
m12 m22
•
a b
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3、表面原子的重组机理
由于表面原子排列中断，引起系 统自由能的增加，并由此引起表面附加 原子排列的调整
――自行排列调整；外来物质调整
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a、表面弛豫作用(Relaxation)
表面区原子或离子间的距离偏离体 内晶格常数，而晶胞结构基本不变，这 种情况称为表面弛豫作用。层间距缩短 为负弛豫；层间距增长为正弛豫
• 3、课程论文4学时。要求： • 将本课程所学材料表面与界面的理论和原
理应用到学位论文的研究课题中，撰写一 篇不少于3000字的课程论文。第19周交上 来。
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参考书
• 1、赵文轸 材料表面工程导论 西安交 通大学出版社 。
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
材料科学基础：第七章 表 面 与 界 面
大角晶界模型：
晶界力求与重合点阵 密排面重合，即使有偏 离，晶界会台阶化，使 大部分面积分段与密排 面重合，中间以小台阶 相连。
如图，AB、CD与重合 点阵密排面重合，中间 BC小台阶相连。
3． 小角度晶界：
对称倾侧晶界、不对称倾侧晶界、扭转晶界
3．小角度晶界—
对称倾侧晶界
由相隔一定距离刃 型位置垂直排列组成
如Cu-1Sn%合金，：Sn的偏析，Sn的原子半径比Cu大9%，发生严重点阵畸变。 当Sn处于晶界时畸变能明显降低
7.晶界偏聚---平衡偏聚：
B. 平衡偏聚公式 Cg=Co exp（dEs/RT）
Cg：晶界上溶质原子浓度，Co晶内溶质原子浓度， dEs晶界、晶内能量差
C. 平衡偏聚特点
a. 由公式可见一定溶质浓度在一定温度下对应一 定偏聚量
EC为位错中心能量,金属晶界能与晶粒位向差θ的 关系
晶界能---实线测量值、虚线计算值 小于15-
200 两者符合很好。EB在小角时与位向敏感，大 角度时为常数
晶界能---三个晶界平衡时有 E1/sinφ1=E2/sinφ2=E3/sinφ3
6.晶界能应用---少量第二相形状
A. A、第二相基体晶粒内
持……
化学工业：胶水，涂料，油漆，洗涤剂….. 写字，作画：纸张与墨水…. 食物消化：消化液与食物…… 建筑：砌砖，混疑土….. 烹调：灰面炸鸡……
7.晶界偏聚---平衡偏聚及非平衡偏聚
A. 平衡偏聚
平衡条件下由于溶质与溶剂原子尺寸相差很大，溶质原子在晶内、晶界的畸变能差很界--- 每个晶粒中直径10-100μm的晶块（亚晶粒）
之的界面
亚晶界---溶质原子优先聚集和第二相优先析
出的地方可阻碍位错运动，影响材料力学性能
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
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。
（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。
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。
《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，
材料表面与界面的特性及其应用
材料表面与界面的特性及其应用材料表面和界面性质是材料科学中的重要研究领域，因为这些性质决定了材料的性能和用途。
在本文中，我们将探讨材料表面和界面的特性及其应用。
一、表面和界面的概念表面是指材料外部与环境接触的部分，分为实际表面和几何表面两种。
实际表面是真实的材料表面，几何表面是理想情况下的平滑表面。
材料的表面特性主要包括表面形貌、表面化学组成、表面结构和表面能等。
界面是指两种不同的材料或相同材料的不同部分之间的分界面，它们之间的接触面积和界面能量影响着材料的特性。
材料的界面性质主要包括晶界、异质界面、相界面等，其中晶界是指晶粒之间的界面，异质界面是指不同材料之间的界面，相界面是指同一材料中不同相之间的界面。
二、表面和界面的特性1. 表面形貌表面形貌是指表面的几何形状和表面纹理。
这些形状和纹理决定了材料的摩擦、磨损、润滑性能等。
表面形貌通常通过光学显微镜、扫描电子显微镜等观察技术获得。
2. 表面化学组成表面化学组成是表面化学反应和表面吸附现象的结果，包括化学基团、氧化物、热处理物种等。
表面化学组成影响材料的电子结构、化学反应和材料与环境之间的相互作用。
3. 表面结构表面结构是指表面的晶体结构和缺陷结构。
它们决定了表面的力学强度、疲劳寿命等。
表面结构通常通过X射线衍射、中子衍射、TEM等实验手段获得。
4.表面能表面能是表面分子间相互作用的能量和表面吸附分子的能量。
表面能决定了表面与其他材料之间的亲疏性和黏附性。
表面能通常通过表面张力、接触角等实验技术测量。
5. 总界面能总界面能是指材料界面的总能量，包括界面张力和界面形变能等。
总界面能主要影响材料的界面稳定性，是材料界面优化的重要指标。
三、表面和界面的应用表面和界面的特性在材料科学中具有重要的应用，主要包括以下方面：1. 表面修饰利用表面化学组成和结构的差异，对材料表面进行化学、物理、生物修饰，以达到特定的表面性质。
例如，通过表面修饰可使金属表面耐蚀、增加光电转换效率等。
材料科学中的表面与界面现象
材料科学中的表面与界面现象引言表面与界面现象是材料科学中一个极为重要的研究领域。
无论是在材料的合成、加工、性能研究还是应用开发中，表面和界面都扮演着至关重要的角色。
本文将从表面与界面的定义、表面和界面的性质以及表面与界面的应用等方面进行探讨，希望能够对读者对材料科学中的表面与界面现象有一个全面的了解。
表面与界面的定义在材料科学中，表面是指材料与外界相接触的边界部分，它是材料与外界进行物质和能量交换的重要场所。
表面能够直接反映材料的性质和特征，并且表面的性质往往与材料的体积相差较大。
界面是指两个或多个不同材料之间的接触面，它是不同材料之间相互作用的场所。
界面处的物理和化学变化可以导致材料的性能发生显著的变化，因此对界面的研究在材料科学中具有重要意义。
表面和界面的性质表面的性质材料表面的性质主要包括表面能、表面形貌和表面化学组成等。
表面能是指材料表面上的内能与外界的能量之间的交换能力，它直接反映了材料与外界的相互作用强度。
表面形貌则是指材料表面的形状和结构特征，它影响着材料的摩擦、磨损、光学和电子等性能。
表面化学组成是指材料表面元素的种类和分布情况，它决定着材料的表面反应活性和化学稳定性。
界面的性质界面的性质主要包括界面能、界面形貌和界面化学组成等。
界面能是指两个不同材料的接触面上的内能与外界能量之间的交换能力。
界面形貌则是指不同材料接触面的形状和结构特征，它对表面应力、界面强度和界面位错等起着重要作用。
界面化学组成是指两个不同材料接触面上化学元素的种类和分布情况，它决定了界面反应的速率和界面附着力。
表面与界面的应用表面与界面的性质在材料科学中具有广泛的应用价值。
以下将介绍几个常见的应用领域。
表面涂层技术表面涂层技术是指将附加层覆盖在材料表面上，以提高材料的性能和增加其使用寿命。
表面涂层技术广泛应用于防腐、耐磨、导热、导电等方面。
例如，汽车制造中常用的喷涂技术可以在汽车外部覆盖一层防腐、防划伤的漆膜，提高汽车的耐用性和外观质量。
材料的表面与界面第一章 表面与界面的基础知识
表面张力和表面自由能是对同一表面现象从 力学和热力学角度所做的描述。
表面张力的力学概念直观、易应用，在分析 各种界面同时存在的各界面张力的平衡关 系时容易理解。
表面自由能的概念反映现象的本质，讨论表 面现象的各种热力学关系时应用表面自由 能概念更贴切和方便。
在采用适宜的单位时（如表面张力用mN.m-1, 表面自由能用mJ.m-2），同一体系的表面 张力和表面自由能数值相同。
的高度h服从washburn方程：h2=ctrcos/2η 和η为液体的表面张力和黏度；c为毛细管因子，r为与粉体
柱相当的毛细管平均半径，一般将cr作为仪器常数。
五. 浮选与接触角
测定接触角后可以用来计算固体的表面能， 润湿热，吸附量等有用的数据。
在工业上接触角的研究的最大应用在泡沫浮 选：在矿浆中加入起泡剂等后通入空气形 成泡沫，由于水对矿石粉不同组成的润湿 性质不同，有用矿粉体附着在泡沫上并上 浮分离，无用的矿粉体则沉入水底。每年 全世界用浮选法分离的矿石达到10亿吨以 上。
材料表面与界面研究的意义 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，这是因为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，因此产生了表面 能。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。即使是单组分的材料，由于内部 存在的缺陷，如位错等，或者晶态的不同形成晶界，也可能在内部产 生界面。材料的表界面对材料整体性能具有决定性的影响，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。因此研究材料的表界面现象具有重要的意义。
-GS=sg - lg - sl = S
材料表面与界面-第一章
润湿性
指液体在固体表面上扩散 和附着的能力。
影响因素
表面吸附和润湿性受表面 张力、表面能、物质性质 等因素的影响。
表面形貌与结构
表面形貌
指固体表面的几何形状和 外观特征。
表面结构
指固体表面的化学组成和 分子排列结构。
影响因素
表面形貌和结构受物质性 质、制备方法和环境条件 等因素的影响。
03 材料界面的基本概念
材料表面与界面-第一章
目录
• 引言 • 材料表面的基本性质 • 材料界面的基本概念 • 材料表面与界面的应用 • 总结与展望
01 引言
表面与界面的定义与重要性
定义
表面是指物质的最外层，而界面 则是指两种不同物质之间的接触 面。
重要性
表面与界面在许多物理、化学和 生物过程中起着关键作用，如催 化反应、电子传输、生物分子相 互作用等。
04 材料表面与界面的应用
表面技术在材料制备中的应用
表面涂层技术
通过在材料表面涂覆一层具有特 殊性能ห้องสมุดไป่ตู้涂层，以提高材料的耐
腐蚀、耐磨、隔热等性能。
表面合金化技术
通过改变材料表面的元素组成和 相结构，使其具有优异的耐高温、
抗氧化、抗疲劳等性能。
表面微纳结构制备
利用微纳加工技术，在材料表面 制备出具有微纳尺度结构的表面， 以提高材料的表面能、润湿性、
摩擦学性能等。
界面技术在复合材料中的应用
界面设计
01
通过优化界面结构和性质，提高复合材料的力学性能、电性能、
热性能等。
界面增强
02
利用界面层对复合材料的增强作用，提高复合材料的强度、韧
性、耐疲劳等性能。
界面相容性
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。
材料物理学中的表面和界面现象
材料物理学中的表面和界面现象材料物理学是研究物质的性质及其与外界相互作用的学科，而表面和界面现象则是材料物理学中一个重要的研究领域。
表面和界面现象的研究对于理解材料的性质和开发新型材料具有重要意义。
本文将从表面和界面的定义、性质以及应用等方面进行探讨。
表面是物质与外界相接触的部分，它通常与内部相比具有较高的能量。
表面现象是指物质的表面所表现出的特殊性质和现象。
表面现象的研究对象包括表面能、表面张力、表面活性等。
表面能是表征物质表面能量的物理量，它是单位面积的表面所具有的能量。
表面张力是指液体表面上的分子间相互作用力，它使液体表面趋向于收缩，形成一个尽可能小的表面积。
表面活性则是指物质在界面上的吸附现象，使界面上的分子排列有序，形成一层分子膜。
界面是两种不同物质之间的接触面，它具有特殊的物理和化学性质。
界面现象是指两种不同物质接触时所表现出的特殊性质和现象。
界面现象的研究对象包括界面能、界面电荷、界面扩散等。
界面能是指两种不同物质接触时所产生的能量变化，它决定了物质在界面上的吸附和反应行为。
界面电荷是指界面上的电荷分布情况，它对于界面的电荷传递和电子转移等过程起着重要作用。
界面扩散是指两种不同物质在界面上的扩散过程，它影响着物质的相互渗透和传输。
表面和界面现象在材料科学和工程中具有广泛的应用价值。
首先，表面和界面现象对于材料的界面反应和界面控制具有重要意义。
在材料加工和制备过程中，界面反应和界面控制是实现材料性能优化的关键环节。
通过研究表面和界面现象，可以有效地控制材料的界面结构和界面性质，从而改善材料的性能和功能。
其次，表面和界面现象在材料的粘附和润湿等方面也具有重要应用。
例如，在涂层材料中，表面张力的控制可以实现涂层的均匀覆盖和附着力的增强；在生物医学领域，通过改变材料表面的亲水性或疏水性，可以实现对生物体的粘附或排斥。
此外，表面和界面现象还在材料的电子输运、热传导和光学性能等方面有着重要的应用。
材料表面与界面
材料表面与界面
材料的表面和界面性质对其性能具有重要影响，因此对材料表面与界面的研究一直是材料科学领域的热点之一。
材料的表面是指材料与外界相接触的部分，而界面则是指材料内部不同相或不同材料之间的接触面。
材料的表面与界面性质的研究不仅有助于深入理解材料的性能和行为，还对材料的设计、合成和应用具有重要意义。
首先，材料的表面性质对其与外界的相互作用具有重要影响。
例如，材料的表面能影响其与其他材料的粘附性能，直接影响材料的耐磨性、耐腐蚀性等。
此外，材料的表面性质还会影响其光学、电子、热学等性能，因此对材料表面的研究具有重要意义。
其次，材料的界面性质对材料的力学性能和耐久性能具有重要影响。
例如，多相复合材料中不同相之间的界面性质直接影响材料的强度、韧性和断裂行为。
在材料的界面处往往会出现应力集中、裂纹扩展等现象，因此对材料界面的研究对提高材料的力学性能具有重要意义。
此外，材料的表面与界面性质还对材料的加工、成型和应用具有重要影响。
例如，在材料的表面处理过程中，可以通过改变表面的化学成分、形貌和结构来改善材料的表面性能，从而提高材料的耐磨性、耐腐蚀性等。
在材料的界面设计中，可以通过界面改性、界面结构设计等手段来改善材料的力学性能和耐久性能，从而拓展材料的应用领域。
综上所述，材料的表面与界面性质对材料的性能和应用具有重要影响，因此对材料表面与界面的研究具有重要意义。
随着材料科学的不断发展，对材料表面与界面的研究也将不断深入，为材料的设计、合成和应用提供重要支撑。
希望通过对材料表面与界面的研究，能够开发出更加性能优越的新型材料，推动材料科学领域的发展。
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
材料表面与界面
材料表面与界面材料表面与界面是材料科学中的重要概念，它们在材料的性能和性质中起着关键作用。
在材料科学领域中，表面和界面性质研究的是材料表面和界面与外界环境相互作用的过程和性能。
材料的表面是与外界接触的一部分，它是材料的外层结构，具有比内部结构更高的能量。
由于表面原子与内部原子存在不完全配位和束缚松弛等因素，使得表面在化学性质、物理性质和力学性质上与体相有很大的差异。
例如，金属的表面抛光后能够产生镜面光泽，而半导体的表面在光照下会发生光致反应。
此外，表面也是材料与外界相互作用的主要位置，很多材料的性质都受到表面的影响。
例如，涂层材料的附着性和耐腐蚀性都与表面的性质密切相关。
而界面是指两个相邻的材料或材料之间的分界面。
界面是材料的内部结构，它不仅在化学性质上有差异，还在物理性质和力学性质上有很大的差异。
例如，金属与金属结合的界面称为金属间隙，它具有高导电性和高热传导性；而陶瓷与金属结合的界面称为金属陶瓷界面，它具有高耐磨性和高耐腐蚀性。
界面在材料科学中起着至关重要的作用，它决定了不同材料之间的结合强度和相互作用方式，直接影响材料的性能和性质。
材料的表面和界面性质都是通过表面和界面层的建立来研究的。
表面和界面层是表面和界面两侧的极薄层，它们具有与材料体相有明显差异的结构和性质。
例如，金属的表面层一般是氧化层或氧化物层，它们具有与金属内部结构不同的物理性质和化学性质。
界面层一般是由材料之间的相互扩散和反应产生的，它们具有与材料体相不同的结构和性质。
通过对表面和界面层的研究，可以揭示表面和界面在材料性能中的作用机制，进一步发展新材料和新技术。
在材料科学中，研究表面和界面性质的方法包括表面分析技术、界面分析技术和界面反应技术等。
表面分析技术主要包括扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)和表面等离子共振(SPR)等，它们可以用来观察材料表面的形貌和微观结构。
界面分析技术主要包括X射线光电子能谱(XPS)、扫描透射电镜(SPM)、拉曼光谱和红外光谱等，它们可以用来分析材料界面的元素组成和原子结构。
材料科学中的表面和界面现象
材料科学中的表面和界面现象表面和界面现象是材料科学领域中最重要的研究方向之一。
在材料工程、物理、化学等领域中，表面和界面现象的研究是其中的核心内容。
表面和界面现象涉及到材料表面和界面的结构、性质、热力学和动力学等方面的内容。
本文将介绍表面和界面现象的基本概念，探究其在材料科学中的重要性，并从多个角度阐述表面和界面现象在材料科学中的应用。
一、表面和界面现象的基本概念表面是指材料与周围环境相接触的部分，是材料的最外层。
表面现象是指固体表面的物理和化学性质与固体本身不同的性质，包括表面能、表面物理化学反应和表面反应动力学等。
界面是指两个物质相互接触的界面，由于接触必然引起界面区域的变化，所以界面现象与表面现象有许多相似之处。
界面现象包括表面张力、粘附力、润湿性等。
表面张力是指基于表面吸附机理，类似于薄膜的张力作用。
粘附力则是由表面间的物理吸附和化学反应产生的相互吸引力，常常涉及界面界面的剪切方面或接触角等方面。
表面和界面现象是由材料表面或界面上的分子作用产生的，其中动力学因素如扩散和迁移等也是相当重要的。
扩散是物质分子的自发移动，在固体表面和界面处的扩散通常比在体积中会大得多。
在材料科学中，表面和界面现象可以用于改良材料的性质和性能。
二、表面和界面现象在材料科学中的重要性表面和界面现象在许多材料科学领域中都有着广泛的应用。
例如，这些现象可以用来控制材料的力学性能、光学性能、热学性能，以及用作催化剂、杀菌剂等方面。
用于工程材料的粘附剂、涂层技术以及材料加工中的冶金技术通常都涉及到表面和界面现象的应用。
表面状态和化学特性对于颗粒物和纳米结构材料的制备和应用有着重要的影响。
表面和界面现象也成为创新材料设计的基础，包括涂层材料的设计、减小接触角的材料（如超疏水、超疏油材料）的制备、双氧水气泡杀菌、合金制备、新催化剂的研究等。
另外，表面和界面现象在电子器件中也起着重要的作用，像皮肤感应器、高分子材料、太阳能电池、传感器、LED材料等。
材料科学中的表面与界面
材料科学中的表面与界面材料科学是研究材料的性质、结构、制备、应用等方面的一门学科，而表面和界面是材料科学中非常重要的概念。
表面是指材料的表层，而界面则是不同材料或同一材料不同相之间的界面。
在材料制备、材料性能及材料应用等方面表面与界面都起着至关重要的作用。
表面对材料性能的影响材料的大部分性质都与材料的表面直接相关。
在一些材料中，表面的化学和物理性质与体积的性质有很大的不同。
表面可以影响材料的机械性能、光学性能、电学性能和化学反应等方面。
表面是由原子/分子组成的，当材料表面被处理时，会影响原子/分子的结构和间隙，从而产生不同的表面能、表面电位等物理和化学性质，如氧化、硫化、氢氟化等处理方式都会影响材料表面的性质。
表面的改性可以改变材料的结构和性能。
如铝合金表面的氧化处理可以形成氧化层，保护铝合金表面，提高铝合金的耐腐蚀性；金属材料表面经过镀铬、喷涂等处理可以提高银的光学透明度和化学稳定性。
此外，通过表面处理可以增加材料表面的疏水性或亲水性，进一步改变材料与周围环境的相互作用。
表面的改性也可以改善材料的生物学性能和生物适应性。
例如，医用材料如人工骨骼和人工关节一般要表面进行多次处理，以增加其生物相容性和降低其对周围组织的损伤。
界面对材料性能的影响界面是不同材料或同一材料不同相之间的界面。
在这些界面上，会有不同的物理和化学反应，从而产生不同的力、电学和光学性质。
例如，当两个金属接触时，界面处的电子相互作用可以导致金属表面发生化学反应，使得接合界面处形成化合物等化学反应。
界面的存在也会对材料力学性能产生影响。
在金属合金中，不同的晶体方向表现出不同的机械性能，即不同的力学属性。
当这些晶体遇到界面时，界面中的应力会产生影响，导致材料在局部区域的形变和塑性变形。
除此之外，在半导体工艺中，也需要对半导体材料进行热处理、光刻等工艺处理，生成不同的界面，从而制备出不同的器件。
而当这些器件的性质以及器件之间的交互作用都依赖于界面的存在和性质。
材料表面与界面物理学的基础知识
材料表面与界面物理学的基础知识随着科技的飞速发展，材料科学在现代工业生产中发挥着越来越重要的作用。
其中，材料表面与界面物理学是材料学中具有重要地位的一部分。
在材料科学的研究中，理解和掌握材料表面与界面的特性和行为，对于材料的设计、制备、性能和实际应用都具有重要的意义。
一、材料表面和界面的基本概念材料表面是指材料与周围环境之间的接触面。
在实际应用中，材料表面不仅是材料与外界相互作用的重要通道，而且也是许多材料特性的决定因素。
例如，物质的表面能直接影响材料的吸附、反应、腐蚀、粘附和力学性能等性质。
材料界面则是指两种或两种以上的材料在界面处连接的地方。
材料之间的界面可以分为同种材料的界面和异种材料的界面。
同种材料的界面常见于金属晶界、液体表面和晶体内核心部位等。
而异种材料的界面则广泛存在于金属材料与非金属材料之间、以及不同的物相之间。
二、材料表面和界面性质的影响因素1.几何形状和表面形貌：材料表面的几何形状和表面形貌是表面能和反应等很多特性的重要因素。
如表面能通常与表面的形貌相关，表面形貌也会对分子的吸附和运动产生很大的影响。
2.材料的化学成分：材料表面和界面性质的重要因素之一是材料表面化学成分和组分的分布。
它可以直接影响材料与周围环境的相互作用、反应及界面能量等性能。
3.表面结构与界面结构：材料表面的结构和界面的结构是其性质的重要因素之一，它们直接关系到材料的机械等性能。
三、材料表面和界面物理性质的测量方法1.原子力显微镜（AFM）：AFM是一种基于原子力的高分辨率显微镜，可用于观察材料表面的形貌和结构。
2.扫描电镜（SEM）：扫描电镜常用于观察材料表面的形貌和微观结构，其中，扫描电子束与样品相互作用，形成电子图像。
3.X射线衍射（XRD）：XRD是基于材料中原子排列导致的X 射线的衍射图案，可以用于表征材料的晶体结构和晶格缺陷。
4.表面等离子体共振（SPR）：SPR是一种用于测量材料表面物理性质和学习分子吸附和反应过程的实验方法。
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3 、静电力 Gouy-Champman模型 Stern模型
3
3.2.3 两平面界面在溶液中的相互作用
D
4
两平面间的静电排斥力（能）来自WR (D) (64n0Tr02 / K )eKD
κBoltzman常数
n0 单位体积中离子个数 D 平板间距离
r0
exp(Ze 0 exp(Ze 0
/ /
2T ) 2T )
液体A 界面
液体B
28
1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的开关按键来实现功 能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图：
按键
PCBA
开关键
传统机械按键设计要点：
1.合理的选择按键的类型，尽量选择 平头类的按键，以防按键下陷。
2.开关按键和塑胶按键设计间隙建议 留0.05~0.1mm，以防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计算累积公 差，以防按键手感不良。
超低界面体系： H2O－油/表面活性剂/盐类
除H2O外，其他三类相互匹配才可达到超低界面张力
37
①油对超低表面张力的影响
石油磺酸盐
TRS10~80 0.2%
NaCl
1%
H2O
γ12mN/m
10－2 10－3 10－4
7
C数
38
②表面活性剂浓度浓度对超低表面张力的影响
Heptane
NaCl
1%
H2O
Fowkes理论
d sp
d 色散力对表面张力的贡献 sp 其他相互作用对表面张力的贡献31
非极性液体只有色散力 极性液体
d
d sp
假设只有色散力在界面上起作用
AB A B 2
Ad
d B
32
2 A(B)alkane
A(B) alkane
d A( B) alkane
4.1 液－液界面张力
22
常见水－液界面张力(20℃)
H2O n-hex n-oct benz n-octanol Hg
γ0 72.8 18.4 21.8 28.9 27.5 484
mN/m
γH2O-S - 51.1 50.8 35.0
8.5
375
mN/m
23
4.2 液－液界面铺展
界面变化 A
A
18
3.4.2空间稳定作用特点(Ws(D))
两界面间总相互作用能 W(D)=Wvdw(D)+WR(D)+Ws(D)
1）阻止距离达到第一极小值，防止聚沉 2）受电介质影响小 3）水和非水中都可使用 4）可以稳定很浓的分散体系
19
3.5 短程相互作用
在0.1~0.2nm范围内起作用
短程作用力也称为接触力
/ m2
100atm
46
Langmuir膜天平
47
A
a A
W •C M
N0
a AM WCN0
a 成膜分子平均占有面积 A 膜面积 W 成膜液体的重量 C 成膜液体的浓度 N0 Avogadro常数
48
② 表面电势
成膜前后两相间的电势变化， 称为表面电势
V Vm V0
Vm 有膜时的两相间电势差 V0 无膜时的两相间电势差
a0 成膜分子所占面积 κ Boltzman常数
Le－G 气体液化，气－液平衡状态
Le 液态扩张膜
( 0 )(a a0 ) T
I 转变膜 Lc 液态凝聚膜
S 固态膜
52
1）不同单分子膜在不同温度下只能以一种形式存在 2）单分子膜以何种状态取决于分子结构 3）基底的性质也影响单分子膜的分子存在状态
H2O－油－表面活性剂－助表面活性剂
醇类
H2O－油－非离子表面活性剂
41
微乳形成理论
① 微小乳液理论 微乳是乳液的一种，只是乳液滴较小。
能解释微乳的透明性，不能解释自发性
② 肿胀胶团理论 表面活性剂加溶作用。不溶于水的物质在表
面活性剂存在下，形成溶于水的胶团。
油自发加入到胶束中
42
微乳应用
① 燃油掺水 掺水～20％，清澈透明
Ψδ＝32mV Ψδ＝25.6mV Ψδ＝19.2mV
D/nm Ψδ＝12.8mV Ψδ＝0mV
12
②K影响（电介质浓度）
固定体系：
Ψδ＝25.6mV
A＝10－19J（Hamaker constant）
R＝100nm （球半径）
W(D) /10-19J
1.0
K增加（K－1减少），排斥能减小。 达到一定值时，能垒消失。
γ12mN/m
10－2 10－3 10－4
0.09%
C
39
③盐浓度对超低表面张力的影响
γ12mN/m
石油磺酸盐
TRS10~80 0.2% Heptane H2O
10－2 10－3
0.8%
C
40
4.6 微乳状液
特点：
①、制备时无需搅拌，自动形成；热力学稳定体系 ②、外观透明或半透明 ③、粘度非常小，与溶液相近 ④、胶粒尺寸8～80nm ⑤、配方中需要加助表面活性剂
短程作用力包括： 化学键 氢键 酸碱作用
0.1~0.2nm
短程作用力决定第一极小值大小，作 用力越强，极值越小，结合越稳定
20
界面相互作用力的一般表示
W12 W1d2 W12p W1h2
色
极
氢
散
性
键
力
力
贡
贡
贡
献
献
献
W12
W1d2
W ab 12
ab表示酸碱相互作用
21
第四章 液－液界面与不溶物表面膜
低电势下：
WR (D)
1 2
R 02eKD
7
应用范围： 球半径比较大，大小均匀，低电势
8
3.3 DLVO理论
平板间Van der Waals力
Wvdw
A
12
D2
平板间静电力
吸引力
WR (64n0Tr02 / K )eKD
排斥力 9
W (D)
(64n0T Rr02
/
K )eKD
A
12
D2
DLVO表达式
(1) 3
1 RT
d 12
d ln a3
13
2
满足条件：条件一、1，2互不溶， 条件二、3在2中不溶， 条件三、非电解质
Gibbs面
36
4.5 超低界面张力
界面张力 10－1～10－3mN/m 称为低界面张力 界面张力 <10－3mN/m 称为超低界面张力
H2O-油界面张力 ～10－4mN/m 驱油～100％
单位面积自 由能变化
ΔGc ＝ －2γA
A 内聚cohesion
A A
B B
粘附adhesion
ΔGA＝ γAB- γA- γB
定义
内聚功 Wc＝－ΔＧｃ
＝ 2γA
发生条件 Wc > 0
粘附功
WA＝ －ΔＧA ＝γA＋ γB－ γAB
WA>0
24
A
B
B
铺展spread
ΔGS＝ γAB＋ γA- γB
苯在水上开始时铺展，饱和后收缩
27
4.3 液－液界面张力的理论计算
无A时，将B从本体中提到表面上 表面能增加，做功γB
有A时，A对B有吸引力，B到表面上 所做的功<γB γB－A对B做的功
无B时，将A从本体中提到表面上 表面能增加，做功γA
有B时，B对A有吸引力，A到表面上 所做的功<γA γA－B对A做的功
1 1
K－1双电层厚度
5
应用范围： 与K-1相比较，表面距离大，表面电势较大的情况
对于1:1电介质
K
n1/ 2 0
(
ni0 Zi 2e2 )1/ 2
T
WR (D)
A
•
n1/2 0
• eBn10/2D
电介质浓度增大，排斥力减小
6
3.2.4 球形粒子间在溶液中的相互作用
球间最小距离 D
R
WR (D) (64n0T Rr02 / K 2 )eKD
WaAB A B AB
AB A B WaAB
Good－Girifalco理论 假设： WaAB 为A、B各自内聚功的几何平均
WaAB Wc (A)Wc (B) 2 A 2 B 2 A B
30
AB A B 2 A B
实验验证，对C、F液体烃较吻合，对其他有机液体不适应
SBenzene/H2O >0 苯可以在水上铺展
苯在水中有溶解性
H2O(Benzene) 62.1 Benzene(H2O) 28.2
S Benzene(H2O)/H2O(Benzene) H2O(Benzene) Benzene(H2O) BenzeneH2O
＝62.1 －28.2－35.0＝－1.1
总结：
1、Gibbs吸附公式
(1) 2
1 RT
d
d ln a2
低表面张力物质在表面上聚集
(1) 2
1 RT
d
d
ln a2
1 d
RT d ln C2
C2 d
RT dC2
1
2、宏观物体的Van der Waals力
球与平面间的作用力
W（D）＝ AR／6D
平面与平面间的作用力
W（D）＝ －A／12πD2
② 液体上光剂 ③ 清洗剂
43
4.7 不溶物表面膜
一种液体在另一种不相溶的液体上铺展，所 形成的膜叫不溶物表面膜 也称：不溶膜
4.7.1 形成条件