材料表界面

一、答：表、界面是指由一个相到另一相的过渡区域，通常把凝固相和气相之间的分界面称为表面，把凝固相之间的分界面称为界面。分为两大类：物理表面和材料表面。物理表面又分为：理想表面、清洁表面、吸附表面；材料表面有如下几类：机械作用界面、化学作用界面、固态结合界面、液相或气相沉积界面、凝固共生界面、粉末冶金界面、粘结界面、熔焊界面等。

在国民经济建设各领域，表、界面科学亦显示出愈来愈重要的作用。主要应用在食品、土壤化学、造纸、涂料、橡胶、建材、冶金、能源、电子工业和航天技术等领域。

二、答：溶质的浓度对溶剂表面张力的影响有三种类型，第一类物质的加入会使溶剂的表面张力略为升高，属于此类物质有强电解质（如无机盐、酸、碱）；第二类物质的加入会使溶剂的表面张力逐渐降低（如低碳醇、羧酸等有机物）；第三类物质少量加入就会使溶剂表面张力急剧下降，但到一定浓度后，表面张力变化很缓慢或几乎不下降，趋于一个稳定值。

我们把能使溶剂（通常为水）表面张力降低的物质称为具有表面活性的物质，如第二类和第三类物质都能使溶剂表面张力降低，它们都具有表面活性。

表面活性剂的种类很多，按亲水基类型分类是表面活性剂分类的主要方法，表面活性剂溶于水能电离生成离子的叫做离子型表面活性剂；不能电离的叫非离子型表面活性剂。离子型表面活性剂按生成离子的性质可分成阴离子、阳离子和两性表面活性剂。按相对分子质量分类：低分子表面活性剂，相对分子质量200-1000；中分子表面活性剂，相对分子质量1000-10000；高分子表面活性剂，相对分子质量10000以上。按工业用途分类:表面活性剂可分为渗透剂、润湿剂、乳化剂、分散剂、起泡剂、消泡剂、净洗剂、杀菌剂、匀染剂、缓染剂、柔软剂、平滑剂、抗静电剂防锈剂等。有的表面活性剂可同时具有几种功能。

三、答：陶瓷材料为无机非金属粉末晶体在一定条件下形成的多晶聚集体。表面结构:由于表面处原子周期性排列突然中断，形成了附加表面能，表面原子的排

列与内部有明显的差别。晶界:晶界是多晶体中由于晶粒取向不同而形成的，可以分为孪晶界、小角度晶界和大角度晶界。相界有较高的压电、介电性，可由结晶相和玻璃相、气相共同构成，在亚微米和微米级范围内，无法明确区分三类界面厚度。

四、填空题

（1）33.2、41.5、42.0 ；66.4、83.0、84.0 ； 因为聚乙烯结构单元的摩尔体积V 和等张比容P 分别为32.9、78.0，则 P/V=2.37，聚氯乙烯结构单元的摩尔体积V 和等张比容P 分别为45.2、115.2，则P/V=2.55，由公式σ=(P/V)4可知聚氯乙烯的表面张力比聚乙烯大；而聚苯乙烯结构单元的摩尔体积V 和等张比容P 分别为98.0、250.9，则P/V=2.56，由公式σ=(P/V)4可知聚苯乙烯的表面张力比聚氯乙烯大；

（2） 17.9 、12.7、12.7、1.07；

（3）S = -k[

r n ㏑﹙n ﹚+﹙1-n ﹚㏑﹙1-n ﹚]； S = -k[

r n ㏑﹙n ﹚+﹙1-n ﹚㏑﹙1-n ﹚] ； （4）])(22[1

222dz dn

b z n z εε'-Ω；n z 2

1ε

Ω ； （5）)(2)]1ln()1()ln([)1(2{1

dz dn

b z n n n r n

KT n n z r εε

'---++-Ω=⎰+∞∞

-2}dz ；

五、判断题

（1）√（2）√（3）×（4）√（5）×

（6）√（7）×（8）√（9）√（10）×

六、简答题

（1）答:因为这些惰性气体的原子不直接与聚合物表面反应，结合到大分子链中，但是这些非反应性气体等离子体中的高能粒子轰击聚合物表面，可使材料表面产

生大量自由基，使表面形成致密的交联结构。此外，若被处理的聚合物中含有氧，则等离子体轰击大分子链断裂分解产生活性氧，其效果可类似于氧等离子处理。如果材料本身不含氧，则惰性等离子处理后的新生自由基，其半衰期可达2-3天，因此能与空气中的氧作用，导致氧结合到大分子链上。因此，非活性等离子体处理也对聚合物表面有明显的改性效果。

（2）答:作用机理：X基团水解，形成硅醇；硅醇的硅羟基之间以及硅醇硅羟基与玻璃纤维表面硅羟基之间形成氢键；硅羟基之间脱水形成-Si-O-Si-键；这样，硅烷偶联剂与玻璃纤维表面以-Si-O-Si-化学键结合，同时在玻璃纤维表面缩聚成膜，形成了有机基团R朝外的结构；有机基团R中可含有-C=C-，-NH2，-SH 等反应性基团；通过基团R中的活性官能团与基体树脂的反应，偶联剂与基体以化学键结合起来。

（3）①当接触角很大时，接近或等于1800时，液体在固体表面形成球形与固体

相切。而液体有重力，并且σ

LG 的垂直分子σ

LG

Sinθ的作用不能使其与固体表面

相切。②根据接触角公式，θ为1800时，W

sc

为0，液固体分子之间没有吸引力，分开固-液界面不需要做功。此时，固体完全不为液体湿润。由于重力、吸引力的作用，故简单流体在完美底物上也不可能形成球形。

（4）答:自由能密度分为焓密度和熵密度两个影响因素，焓密度与温度无关，对于熵密度，当温度升高，其熵能量为负值且是线性函数关系，故表面能随温度升高而线性下降。分子量增加，则参数r增加，导致熵能量减小，则表面能增加；焓项不变，但当达临界值时，熵密度已趋于0，则表面能基本不变，故表面能随分子量的增加而增加、待分子量增加到一临界值后其值基本不变。极性增加时，由于能量ε为负值，则它相应减小，焓项增加；同时，参数r增加，熵能量减小，则表面能增加，故表面能随极性增加而增加。

（5）表面能可有焓项和熵能量项两部分表示，当T=0 K时，熵能量为零，我们只需讨论焓项的影响。故（见下一页）

H S =01v 23102)(22

[dz dn v z n z εε'-⎰∞+∞-z n z ]2ε- =01v 32023102])(22[v z dz dz dn v z z εεε'-=-⎰∞+∞-