材料表面与界面-习题含答案
材料表面与界面知识复习资料题库
1.液体原子结构的主要特征。
（1）液体结构中近邻原子数一般为5~11个（呈统计分布），平均为6个，与固态晶体密排结构的12个最近邻原子数相比差别很大；（2）在液体原子的自由密堆结构中存在五种间隙，四面体间隙占了主要地位。
（3）液体原子结构在几个原子直径范围内是短程有序的，而长程是无序的。
2.液体表面能的产生原因。
液体表面层的分子，一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面受到液面外部气体分子的吸引，而且前者的作用要比后者大。
因此在液体表面层中，每个分子都受到一个垂直于液面并指向液体内部的不平衡力。
这种吸引力使表面上的分子趋向于挤入液体内部，促成液体的最小表面积。
要使液体的表面积增大就必须要反抗液体内部分子的吸引力而做功，从而增加分子的位能，这种位能就是液体的表面能。
3.液体表面张力的概念和影响因素。
液体表面层的原子或分子受到内部原子或分子的吸引，趋向于挤入液体内部，使液体表面积缩小，因此在液体表面的切线方向始终存在一种使液体表面积缩小的力，其合力指向液体内部的作用力，这种力称为液体表面张力。
液体的表面张力大小受很多因素的影响。
如果不考虑液体内部其它组元向液体表面的偏聚和液体外部组元在液体表面的吸附，液体表面张力大小主要受物质本身结构、所接触的介质和温度的影响。
（1）液体的表面张力来源于液体内部原子或分子间的吸引力，因此液体内部原子或分子间的结合能的大小直接影响到液体的表面张力的大小。
一般来说，液体中原子或分子间的结合能越大，表面张力越大。
具有金属键原子结合的物质的表面张力最大；其次由大到小依次为：离子键结合的物质、极性共价键结合的物质、非极性共价键结合的物质。
(2)液体的表面张力的产生是由于处于表面层的原子或分子一方面受到液体内部原子或分子的吸引，另一方面受到液体外部原子或分子的吸引。
当液体处在不同介质环境时，液体表面的原子或分子与不同物质接触所受的作用力不同，因此导致液体表面张力的不同。
一般来说，介质物质的原子或分子与液体表面的原子或分子结合能越高，液体的表面张力越小；反之，介质物质的原子或分子与液体表面的原子或分子结合能越低，液体的表面张力越大。
材料表面与界面复习题
1.液体原子构造的主要特征。
〔1〕液体构造中近邻原子数一般为5~11个〔呈统计分布〕，平均为6个，与固态晶体密排构造的12个最近邻原子数相比差异很大；〔2〕在液体原子的自由密堆构造中存在五种间隙，四面体间隙占了主要地位。
〔3〕液体原子构造在几个原子直径范围内是短程有序的，而长程是无序的。
2.液体外表能的产生原因。
液体外表层的分子，一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面受到液面外部气体分子的吸引，而且前者的作用要比后者大。
因此在液体外表层中，每个分子都受到一个垂直于液面并指向液体内部的不平衡力。
这种吸引力使外表上的分子趋向于挤入液体内部，促成液体的最小外表积。
要使液体的外表积增大就必须要对抗液体内局部子的吸引力而做功，从而增加分子的位能，这种位能就是液体的外表能。
3.液体外表张力的概念与影响因素。
液体外表层的原子或分子受到内部原子或分子的吸引，趋向于挤入液体内部，使液体外表积缩小，因此在液体外表的切线方向始终存在一种使液体外表积缩小的力，其合力指向液体内部的作用力，这种力称为液体外表张力。
液体的外表张力大小受很多因素的影响。
如果不考虑液体内部其它组元向液体外表的偏聚与液体外部组元在液体外表的吸附，液体外表张力大小主要受物质本身构造、所接触的介质与温度的影响。
〔1〕液体的外表张力来源于液体内部原子或分子间的吸引力，因此液体内部原子或分子间的结合能的大小直接影响到液体的外表张力的大小。
一般来说，液体中原子或分子间的结合能越大，外表张力越大。
具有金属键原子结合的物质的外表张力最大；其次由大到小依次为：离子键结合的物质、极性共价键结合的物质、非极性共价键结合的物质。
(2)液体的外表张力的产生是由于处于外表层的原子或分子一方面受到液体内部原子或分子的吸引，另一方面受到液体外部原子或分子的吸引。
当液体处在不同介质环境时，液体外表的原子或分子与不同物质接触所受的作用力不同，因此导致液体外表张力的不同。
一般来说，介质物质的原子或分子与液体外表的原子或分子结合能越高，液体的外表张力越小；反之，介质物质的原子或分子与液体外表的原子或分子结合能越低，液体的外表张力越大。
材料表面与界面
表界面是由一个相过渡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：在真空状态下，物体内部和真空之间的过渡区域，是物体最外面的几层原子和覆盖其上的外来原子和分子所形成的表面层。
表面层有其独特的性质,和物体内部的性质完全不同。
几何概念：表面是具有二维因次的一块面积，无厚度、体积。
界面：两个物体的相态相接触时的过渡区域，由于分子间的相互作用，形成在组成、密度、性质上和两相有交错并有梯度变化的过渡区域。
几何概念：它不同于两边相态的实体，有独立的相、占有一定空间，有固定的位置，有相当的厚度和面积。
弛豫；指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距ds和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。
可能涉及几个原子层。
重构：指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。
这种不平衡作用力使表面有自动收缩的趋势，使系统能量降低的倾向，由此产生表面张力以σ表示，称为表面张力，即：6=f/2l，6=dw/da，σ也可以理解为表面自由能，简称表面能。
例题：20℃时汞的表面张力为4.85×10-1 Jm-2，求在此温度及101.325 kPa 的压力下，将半径1mm的汞滴分散成半径10-5 mm的微小汞滴，至少需要消耗多少功？解：已知：σ＝4.85×10-1 Jm-2，r1=1mm, r2=10－5 mm，界面张力的热力学定义。
在恒温、恒压下研究表面性能，故常用下式表示。
广义表面自由能的定义：保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积时，相应热力学函数的增值。
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。
表面张力与表面Gibbs自由能的异同：相同点：数值相同，量纲相同。
不同点：物理意义不同，单位不同。
例：试求25℃，质量m＝1g的水形成一个球形水滴时的表面自由能E1。
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。
材料表界面思考题答案汇总
考试
答案
第二章：液体表面 2. 试述表面张力（表面能）产生的原因。
P6 原因为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。
17. 表面活性剂的浓度对溶液的表面张力有怎样的影响？为什么有这样的影响？ P41 (1)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。 （2）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。 18. 表面活性剂按亲水剂类型可怎样分类？ P43 表面活性剂溶于水能电离成离子的叫做离子型表面活性剂，R 基不能电离的叫做非离子型 表面活性剂。 其中离子型表面活性剂可分成阴离子、阳离子和两性表面活性剂。
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．
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《材料表界面》复习思考题答案汇总
（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。
13. 比较物理吸附和化学吸附的区别。
项目 吸附力 吸附热 选择性 吸附层 吸附速度 可逆性 发生吸附速度 物理吸附 范德华力 小，接近液化热 无 单、多分子层 快，不需要活化能 可逆性 低于吸附质临界温度 化学吸附 化学键力 大，接近反应热 有 单分子层 慢，需要活化能 不可逆性 远高于吸附质沸点
材料表面与界面5-1
Si O Si O Si O Si O
OH
8.3.体相改性
只讨论聚合物表面结构的影响 8.3.1共混物表面 1）表面张力影响 PS /d-PS共混体系 66%/ 33% PS /d-PS成分完全一样
γ d − PS − γ PS = −7.8 ×102 mJ / m 2
184℃退火
d-PS 45天
功效： 1）材料表面分子键断裂 2）引入含氧基团 表面能增加，接触角减小 应用： 聚合物薄膜 特别是<1mm的薄膜
影响因素：
①电压
一般电压升高，处理效果增强 处理材料表面的厚度决定电压 薄膜一般在15kV
②电流 输出电流增加，处理效果增强。 当输出电流达到某临界值后,电晕处 理的效果增加不多
聚乙烯表面处理输出电流与聚乙烯表面张力的关系
磨性、生物相容性
2）气相沉积
贱射：离子束等轰击金属表面，使金 属原子蒸发，然后沉积到材料表 面上 物理蒸气沉积（PVD）： 加热或贱射使金属原子蒸发，然 后沉积到材料表面上 化学蒸气沉积（CVD）： 将金属氧化物还原成金属原子， 然后沉积到材料表面上
8.2.化学方法改性
8.2.1表面化学反应 1）固液界面反应 成熟技术：含氟化合物表面处理 方法：萘——Na 氨——Na 溶液浸泡
PVME MWps 517~127000 MWpvme 99000
MWps
3）成型条件影响 PVC /PMMA共混体系
γ PVC = 41.9
THF为溶剂 MEK为溶剂
γ PMMA = 41.2
非均相膜 均相膜 PMMA表面富集 PMMA表面微富集
8.3.2嵌段共聚物表面 嵌段共聚物形态 <20% 球状 20～40％ 圆柱状 40～60％ 层状 1）组分表面张力影响 PS －PDMS嵌段共聚物
材料表界面 作业答案
(cm3 )
边长为0.04μm银的立方体个数： n
0.1 1.488*1014 (个） 16 6.72*10
m v 10.5*6.4*1017 6.72*1016
0.1g银可得到上述大小的银胶体粒子数目： n
2
0.1 1.488*1014 (个） 16 6.72*10
7
非离子型表面活性剂。 其中离子型表面活性剂可分成阴离子、阳离子和两性表 面活性剂。 4. 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.
二维理想气体定律 理想气体状态方程
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： 界面化学四大定律(1/ r1 1/ r2 )
P 2 V 2 M P0 r r
11
（2）单个粒子的表面积： A 6a 6*(4*10 ) 9.6*10 所有这些粒子的总表面积：n*A=1.428*10 (cm )
4 2
6 2
cm2
比表面积=
表面积 1.428*104 5 = =1.428*10（ cm 2/g) 质量 0.1
(3) 0.1g银的体积： v
m 0.1g 0.0095cm3 3 10.5 g / cm
2hr 2hr WSL LG (1 cos ) , tan 2 2 h r r h2
材料表面与界面分析复习题
1表面、界面的定义与理解：表界面是由一个相过渡到另一相的过渡区域。
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。
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；物理表面包括：理想表面、清洁表面、吸附表面表面是一个抽象的概念，实际常把无厚度的抽象表面叫数学表面，把厚度在几个原子层内的表面叫作物理表面，而把我们常说实际的固体表面叫工程表面。
2 理想表面理论前提：①不考虑晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响；②不考虑表面原子的热运动、热扩散、热缺陷等；③不考虑外界对表面的物理-化学作用等；④认为体内原子的位置与结构是无限周期性的，则表面原子的位置与结构是半无限的，与体内完全一样。
3何为清洁表面？清洁表面获得方法？指不存在任何污染的化学春表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面。
获得清洁表面的几种方法: ①在获得超高真空的同时获得清洁的表面。
②用简单的加热方法去除表面的沾污。
③在化学气氛中加热去除那些通过简单加热不能清除的化学吸附沾污。
④对于较顽固的沾污，可以利用惰性气体离子（如Ar+、Ne+）轰击表面而有效地清除污染。
⑤对于一些晶体，可以采用沿特定的晶面自然解理而得到清洁表面。
⑥在适当的基片上通过真空蒸发法获得预想的单晶和多晶薄膜，作为研究对象的清洁表面。
4 根据原子结构的不同清洁表面分哪几种？图示说明（PPT）弛豫表面：指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距d s和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。
可能涉及几个原子层。
重构表面：指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。
台阶结构：表面不是平面，由规则或不规则台阶组成。
由于晶体内部缺陷的存在等因素，使晶体内部应力场分布不均匀，加上在解理晶体对外力情况环境的影响，晶体的解理面常常不能严格地沿所要求的晶面解理，而是伴随着相邻的倾斜晶面的开裂，形成层状的解理表面。
材料科学基础--材料表面与界面(专业课)
正确答案：A.1/11重合位置点阵
5.下列对变形储能描述正确的是（ ）。
正确答案：A.变形储能越大，变形储能差值越大，界面的迁移速率越大。
多选题
----------------------------------------------------------------------------------------------------
2.小于六边形晶粒，向外凸迁移最终会消失。
正确答案：对
3.溶解度低的溶质原子在晶界偏析的程度大。
正确答案：对
6.晶界、亚晶界是晶体结构和组成成分相同、但取向不同的两部分晶体的界面。
正确答案：对
7.扭转晶界是由两组相交的螺型位错所构成。
正确答案：对
正确答案：A.机械作用界面 C.凝固共生界面 D.熔焊界面
6.孪晶界面分为（ ）。
正确答案：
判断题
----------------------------------------------------------------------------------------------------
正确答案：A.晶界曲率是晶界迁移的驱动力 B.界曲率是向凹侧推进
3.小角晶界包括（ ）。
正确答案：A.对称倾侧晶界 B.不对称晶界 C.扭转晶界
4.下列描述中正确的是（ ）。
正确答案：A.变形储能越大，变形储能差值越大。 C.变形储能越大，界面的迁移速率越大
5.下面对常见的材料表面按其形成途径分类描述正确的（ ）。
1.析出物形状是由( )两个互相竞争着的因素所决定。
材料表面与界面-固体表面的自由能的计算
dA1
dA2
假设： dA1和dA2是相互垂直方向上的新增加的表面积。
γ= （τ1+ τ2）/2
则沿着相互垂直的两个表面上的表面应力与表面张力有如下关系：
1） 固体表面能的表达式
τ为单位长度上的表面应力
表面积增加dA1和dA2时，新增加的表面能等于抵抗表面应力做的功。
设Gs是单位表面积的自由能
4r
若形成(110)表面，则表面原子丧失n=5 个结合键，即存在5个“悬挂键”。(110)面相应的表面能ΔU(110)和单位表面上的原子数
若形成(111)表面，则每个表面原子丧失n=3 个结合键，即存在3 个“悬挂键”。(111)面相应的表面能ΔU(111)和单位表面上的原子数
晶体的同晶面具有不同的自由能，原子最密堆积的表面，其表面自由能最低。
下面为某晶体的二维晶面
（10）面
（10）与（11）面的结合
（11）面
最佳外形，表面能最小
2 ）晶体表面自由能特征
① 共价键固体表面能计算
（表面与界面，崔国文著）
0K时的表面能等于将1cm2表面所有共价键打断需要的能量的 一半。
③ 金属固体表面的表面能计算
有多种计算模型
Hamaker常数法 如面心立方金属晶体，其表面能为 Es（100）＝0.09184H/a2 Es（110）＝0.09632H/a2 a－最邻近原子间的距离，H－hamaker常数
Skapski模型： Ε-相互作用能，N0－avogadro常数，ni和ns－分别表示表面原子与其内部最邻近的原子数和表面区最邻近的原子数，
表面能系数级图
垂直于矢径的平面族
平衡多面体
奇异面：在原子尺度上是光滑的 邻位面：晶面为平台-台阶式界面，在原子尺度上是准光滑的
表面与界面课后习题答案
表面与界面课后习题答案表面与界面课后习题答案在学习过程中，课后习题是检验自己对知识掌握程度的重要方式之一。
对于表面与界面这门课来说，习题也是非常重要的，因为只有通过解答习题，我们才能真正理解和应用所学的知识。
下面是一些表面与界面课后习题的答案，希望对大家有所帮助。
1. 什么是表面与界面科学？表面与界面科学是研究物质表面和界面现象及其规律的一门学科。
它涉及到物质的表面性质、表面现象、界面现象以及表面和界面的相互作用等内容。
表面与界面科学的研究对于理解和控制物质的性质和行为具有重要意义。
2. 请列举一些常见的表面现象和界面现象。
常见的表面现象包括液体的表面张力、液滴的形状、浸润现象等。
而界面现象包括液体与固体的接触角、液体与气体的界面张力等。
这些现象在日常生活中都有广泛的应用，比如液体的浸润性决定了涂层的质量，表面张力决定了水珠在叶片上的滚动等。
3. 请解释表面张力的概念。
表面张力是指液体表面上的分子间相互作用力所产生的一种现象。
液体分子在表面上受到的分子间吸引力比在内部受到的吸引力要大，因此液体表面会呈现出一定的张力。
这种张力使得液体表面呈现出收缩的趋势，形成一个能够抵抗外界作用力的薄膜。
4. 请解释浸润现象的原理。
浸润现象是指液体与固体接触时，液体在固体表面上的扩展和渗透的现象。
浸润现象的原理是液体分子与固体表面分子之间的相互作用力。
如果液体分子与固体表面分子之间的相互作用力大于液体分子之间的相互作用力，液体就会浸润固体表面，反之则无法浸润。
5. 请解释界面张力的概念。
界面张力是指液体与气体界面上的分子间相互作用力所产生的一种现象。
液体分子在界面上受到的分子间吸引力比在内部受到的吸引力要大，因此液体界面会呈现出一定的张力。
这种张力使得液体界面呈现出收缩的趋势，形成一个能够抵抗外界作用力的薄膜。
6. 请解释液滴的形状是如何形成的。
液滴的形状是由液体表面张力和液滴内部压力共同决定的。
液体表面张力使得液滴呈现出尽可能小的表面积，而液滴内部的压力则使得液滴呈现出尽可能大的体积。
材料表面与界面复习题答案
1.液体的原子结构的主要特征。
液体的原子结构存在以下三个主要特征：(1)液体结构中近邻原子数一般为5~11个（呈统计分布），平均为6个，与固态晶体密排结构的12个最近邻原子数相比差别很大；(2)在液体原子的自由密堆结构中，四面体间隙占了主要地位。
(3)液体原子结构在几个原子直径范围内是短程有序的，而长程是无序的。
2.液体表面张力的概念和影响因素。
液体表面分子或原子受到内部分子或原子的吸引，趋向于挤入液体内部，使液体表面积缩小，因而在液体表面切向方向始终存在一种使液体表面积缩小的力，液体表面这种沿着切向方向，合力指向液体内部的作用力，就称为液体表面张力。
液体表面张力影响因素很多，如果不考虑液体内部分子或原子向液体表面的偏聚和外部原子或分子对液体表面的吸引，影响液体表面张力的因素主要有：(1)液体自身结构：液体的表面张力来源于液体内部原子或分子间的吸引力，因此液体内部原子或分子间的结合能的大小直接影响到液体的表面张力的大小。
一般来说，液体中原子或分子的结合能越大，液体表面张力越大，一般液体表面张力随结构不同变化趋势是：金属键结合物质>离子键结合物质>极性共价键结合物质>非极性共价键结合物质(2)表面所接触的介质：液体的表面张力的产生是由于处于表面层的原子或分子一方面受到液体内部原子或分子的吸引，另一方面受到液体外部原子或分子的吸引。
当液体处在不同介质环境时，液体表面的原子或分子与不同物质接触所受的作用力不同，因此导致液体表面张力的不同。
一般来说，介质物质的原子或分子与液体表面原子或分子结合能越大，液体表面能越小，反之越大(3)温度：随着温度的升高，液体密度下降，液体内部原子或分子间的作用力降低，液体内部原子或分子对表面原子或分子的吸引力减弱，液体表面张力下降。
最早给出的预测液体表面张力与温度关系的半经验表达式为：γ= γ0(1－T/T c)n式中T c为液体的气化温度，γ0为０K时液体的表面张力。
材料物理化学 第五章 表面与界面 习题
4、固体表面的驰豫与无机超细粉体性能之间有何关系？ 解：由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子产生的相对于正常 位置的上、下位移，称为表面弛豫。
材料物理化学
湖南工学院
粉体：微细的固体微料集合体，原料加工成微细颗粒以利于成型和烧结。粉体制备：反 复粉碎形成一系列新表面。而离子极化变形重排畸变有序性降低，随粒子的微细化从表 面增大，无序性增大并向纵深发展，不断影响内部结构，最后使粉体表面结构趋于无定 形化。 一种认为粉体表面层是无定形结构。一种认为粉体表面层是粒度极小的微晶结构。 所以在无机超细粉体上可以发生表面驰豫现象。
A γ αα ＝ 2 A γ αβ
γαβ A γαα
（当 β 位于晶粒内
cos 0 ＝ 2 γ αβ 2 A γαβ
(γA ) ＝ A1 γ α β 晶内
( γA ) 晶内 /( γA ) 晶界 ＝ ( 2 A A1 ) γ αβ / 2 A γ αβ ＝
2 A A1 2A
1
因而 β 相存在于晶界上时较为稳定。
6、陶瓷原料球磨时，湿磨的效率往往高于干磨，如果再加入表面活性剂，则可进一步 提高球磨效率，试分析这些效率的机理。 解：陶瓷原料球磨时，当加入水和表面活性剂时，表面活性剂在水中溶解，并且按 着一定的结构排列， 会在陶瓷原料和球上进行吸附、 润湿， 减少了陶瓷原料和球的摩擦， 因此提高了球磨效率。
7、什麽是润湿？影响湿润的因素有那些？ 解：固体与液体接触后，体系（固体+液体）的吉布斯自由能降低时，称之。 （1）固体表面粗糙：当真实接触角小于 90 芳时，粗糙度越大，表面接触角越小，就
题 5-10 附图
由题意
(a ) (c )
γ SS 2 γ SO cos( 112 γ OO 2 γ SO cos( 100 112 2 γ OO cos 50
表面与界面习题
4-1 何谓表面张力和表面能？在固态和液态这两者有何差别？解：表面张力是将物体表面最大一个单位面积所需作的功。
也可理解为作用在单位长度上的力。
表面能是在恒温恒压及组成不变的条件下，每增加一个单位的表面积时，体系自由焓的增值。
液体因不能承受剪应力，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是相同的。
其单位为J •m -2。
固溶体因能承受剪切力，外力的作用除了表现为表面积的增加外，有一部分变成塑性形变。
因此，固体的表面能与表面张力不等。
4-2 在真空条件下Al 2O 3的表面张力约为0.9J/m 2，液态铁的表面张力为1.72J/m 2，同样条件下的界面张力（液态铁-氧化铝）约为2.3J/m 2，问接触角有多大？液态铁能否润湿氧化铝？解：已知γSV ＝0.90J/m2，γLV ＝0.72J/m2，γSL ＝2.3J/m 2cos θ＝＝＝－0.8139θ＝144.48因为θ>90，所以液态铁不能润湿氧化铝。
4-3 测定了含有一个固态氧化物、一个固态硫化物和一个液态硅酸盐的显微结构，有以下的两面角：（a ）两个硫化物颗粒之间的氧化物是112°；（b ）两个硫化物颗粒之间的液体是60°；（c ）两个氧化物颗粒之间的硫化物是100°；（d ）一个氧化物和一个硫化物之间的液体是70°。
假如氧化物和氧化物之间界面能是0.9J/m 2，求其它界面能是多少？解：按题意绘图如下：图4-1 例题4-3附图SV SL LV γγγ-72.130.290.0-22J/m 70.056cos 2/γJ/m 78.056cos 50cos 2100cos /2112cos /)2/100cos(2)()2/112cos(2)(=======∙SS SO OOSS OO SS SO OO SO SS γγγγγγγc γγa 由题意题中γSS 是硫化物之间界面张力；γOO 为氧化物之间界面张力；γOL 是氧化物与液体间界面张力。
材料表面与界面
二O 一四—二O 一五学年第一学期材料表面与界面 家庭作业 （14级化研1班用 开卷）题号一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 题分20 20 20 15 10 15 得分注意：学号、姓名和所在年级班级不写、不写全或写在密封线外者，试卷作废。
一、表界面的定义是什么？举例说明研究材料表界面现象的重要意义。
答：自然界的物质通常以气、液、固三相存在。
任何两相或两相以上的物质共存时，分为5大类，分别为气-液、气-固、液-液、液-固、固-固接触面。
我们把气-液、气-固接触面称为表面；把液-液、液-固、固-固接触面称为界面。
材料的表面界面对材料整体性能具有决定性的影响,材料的硬化、腐蚀、印刷、涂膜、黏结、复合等都与材料的表界面密切有关。
二、溶质加到溶剂中可引起其表面张力的变化，简述溶质浓度对溶剂表面张力影响的三种类型。
哪种类型的物质可以称为表面活性剂？表面活性剂如何分类？答：三种类型：1）表面张力随溶质浓度的增加几乎成直线关系上升；2）表面张力随溶质浓度的增加而下降；3）加入少量可显著降低溶液的表面张力。
第三种类型的物质可以称为表面活性剂。
按亲水基类型分类：阴离子、阳离子、两性、非离子按分子量分类：低分子量、中分子量、高分子量三、简述陶瓷材料表面结构、晶界、相界的特点。
答：陶瓷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：无论经过多么精细的研磨、抛光处理，其表面都是相当不平整的，除明显起伏外，还有裂纹和空洞。
晶界：晶界可分为孪晶界、小角度晶界和大角度晶界三种。
相界：相界并不是单纯的一个面而是一个过渡层，有多个分子层。
陶瓷经过严格研磨抛光后，在距表面1微米内，晶粒尺寸与体内明显不同；特别在距表面0.1微米的范围，晶粒尺寸很细，相界区有非晶态存在。
总分核分人吴崇刚严明四、填空题（每小题3分，共15分）(1) 已知某聚乙烯、某聚氯乙烯及某聚苯乙烯在20 o C 时的表面能分别为33.2、41.5及42.0 mJ/m 2，则它们在相同温度下的表面张力分别为33.2 、 41.5 及 42.0 mN/m ，在相同温度下的内聚能分别为 66.4、83.0 及 84.0 mJ/m 2。
材料表面与界面-3
• 若纤维的半径r和液体表面张力σ L已 知，则用电子天平法测出∆P后，由上 式可求出接触角θ 。
界面张力和界面接触角的测试
两种互不相溶液体之间
若完全浸润（如采用铂丝）
Δ P=2πrσL1/L2
若界面张力σ L1/L2已知，液体与纤维之间存在 接触角θ L1/L2，则：
Δ P=2π rσ L1/L2cosθ L1/L2 因此，测定Δ P可求出纤维在L1/L2界面的接触 角θ L1/L2。
（1.9.3）
令A=σSG-σSL为粘附张力，由热力学平衡准则可知，只有A>0的过程才能 发生浸湿。A<0为不能浸湿。
铺展润湿过程
铺展润湿是液体与固体表面接触后，在固体表面上 排除空气而自行铺展的过程，亦即一个以液/固界 面取代气/固界面同时液体表面也随之扩展的过程。
• 液体从C自发铺展至B，覆盖面积为a，则相应的 自由焓变化为：
电子天平法的局限性
对仪器精密度要求高，操作难度大； 测试的是单根纤维，误差大。
以对水完全润湿的r＝20微米的纤维为例：
用纤维束测接触角示意图
在管中充填一束纤维，充填率ξ=0.47~0.53。使纤 维束与液面接触，因毛细现象，液体沿纤维间空 隙上升，用电子天平测出增重量m随浸润时间变化
以一束纤维代 替一根纤维
文献数
201 2011 201 201 201 201 2016
0
2
3
4
5
Super/Ultra 568 671 782 932 101 116 1302
hydrophobi
35
c
Lotus Effect 141 150 135 160 167 193 173
m2 Wl3 l cos t
魔角石墨烯-材料表面与界面
魔角石墨烯现象只要扭一扭双层石墨烯，使扭转角度约为1.1度，形成一个小角度扭转晶界。
它就可以表现出超导和绝缘交替的结构与性质。
仅仅是扭转材料到一个角度就能够获得超导体也打破了多年来超导体的僵局，并且为未来在交通和计算等现代技术领域开拓新的思路。
对于魔角扭转双层石墨烯的特殊性质，探究此体系中的原子级结构、电子能量分布等微观物理成为科学家们的研究重点。
美国麻省理工学院P. Jarillo-Herrero教授和曹原等人报道，当旋转角度小于魔角时（<1.05°），扭曲的双层石墨烯中垂直堆叠的原子区域会形成窄电子能带，电子相互作用效应增强，从而产生非导电的Mott绝缘态。
在Mott绝缘态情况下加入少量电荷载流子，就可以成功转变为超导态。
通过扫描隧道显微镜和光谱技术描绘扭转双层石墨烯的原子级结构和电子性质，观察到在魔角范围的局部态密度中有两个不同的范霍夫奇点，在电子/空穴高度掺杂情况下，能量分离由57毫电子伏特下降到40毫电子伏特，范霍夫奇点能量分离随着扭转角度减小而降低，扭转角度为0.79度时最低值为7到13毫电子伏特。
在处于魔角时，相对于每个独立的范霍夫奇点的带宽库仑相互作用的比例最大。
当掺杂至能带半充满时，由相关性诱导的传导范霍夫奇点劈裂，在最大角度 1.15度时能量分离为6.5毫电子伏特，降低至0.79度时为4毫电子伏特。
（a）当石墨烯双层被扭曲使得顶层片材与下层片材不对齐时，单位晶胞变大，形成超晶格；（b）对于小旋转角度，产生“莫尔条纹”图案，其中局部堆叠布置周期性变化。
解释这样的新奇性质来源于在原子尺度上设计得到的超晶格结构，进而改变双层石墨烯的电子行为，通过电子之间的相互作用来控制整个体系的电子态。
旋转产生的位错使石墨烯层中的电子能带结构不再对齐，单胞变大。
研究发现，堆叠的双层石墨烯中，电学行为对原子排列非常敏感，影响层间电子移动。
从而实现了绝缘体与超导体之间的转变。
当两个石墨烯片材扭曲接近理论预测的“魔角”，当旋转角度小于魔角时（<1.05°），扭曲的双层石墨烯中垂直堆叠的原子区域会形成窄电子能带，由于强的层间耦合，产生的电荷中性附近的能带结构变得平坦，电子相互作用效应增强，这些扁平带在半填充时表现出绝缘状态，产生非导电的Mott绝缘态，这来源于电子之间的强排斥作用。
材料表面与界面经典练习题
材料表面与界面经典练习题第一章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。
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。
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。
材料表面与界面标答
2012研“材料表面与界面”期末考试标准答案一、表界面的定义是什么？举例说明研究材料表界面现象的重要意义。
1、表面定义界面定义分为5大类：固－气、液－气、固－液、液－液、固－固；其中前两者称为表面，后三者称为界面。
（10分）2、腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、复合等。
（10分）二、溶质加到溶剂中可引起其表面张力的变化，简述溶质浓度对溶剂表面张力影响的三种类型。
哪种类型的物质可以称为表面活性剂？表面活性剂如何分类？1、三种类型：1）表面张力随溶质浓度的增加几乎成直线关系上升；2）表面张力随溶质浓度的增加而下降；3）加入少量可显著降低溶液的表面张力。
第三种类型的物质可以称为表面活性剂。
（10分）2、按亲水基类型分类：阴离子、阳离子、两性、非离子按分子量分类：低分子量、中分子量、高分子量按工业用途分类（10分）三、简述陶瓷材料表面结构、晶界、相界的特点。
陶瓷为无机非金属粉末晶体在一定条件下形成的多晶聚集体。
（5分）表面：无论经过多么精细的研磨、抛光处理，其表面都是相当不平整的，除明显起伏外，还有裂纹和空洞。
（5分）晶界：晶界可分为孪晶界、小角度晶界和大角度晶界三种。
（5分）相界：相界并不是单纯的一个面而是一个过渡层，有多个分子层。
陶瓷经过严格研磨抛光后，在距表面1微米内，晶粒尺寸与体内明显不同；特别在距表面0.1微米的范围，晶粒尺寸很细，相界区有非晶态存在。
（5分）四、填空题(1) 33.2、41.5及42.0；66.4、83.0及84.0 （1分）聚氯乙烯的极性使得其表面焓较大（1分）大体积苯环的存在使其表面熵较小（1分）(2) 17.9；12.7；（1分）22.1；（1分）0.758 （1分）(3) ⎪⎭⎫⎝⎛--+-)1ln()1()ln(nnnrnk（1.5分）⎪⎭⎫⎝⎛--+-)1ln()1()ln(nnnrnk（1.5分）(4)⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛'-Ω222221dzdnbzznεε（1.5分）Ωzn2ε（1.5分）(5) ⎰∞∞-⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎭⎫⎝⎛'--+⎪⎭⎫⎝⎛--+Ω=dzdzdnbznnznnnrnkT222)1(2)1ln()1()ln(1εεγ（3分）五、判断题(1) ( √ ) （1分）(2) ( √ ) （1分）(3) (×) （1分）(4) ( √ ) （1分）(5) (×) （1分）(6) ( √ ) （1分）(7) ( √ ) （1分）(8) ( √ ) （1分）(9) (×) （1分）(10) ( √ ) （1分）六、简答题(1) a) 高能粒子轰击聚合物表面产生大量自由基，形成致密的交联结构；（1分）b) 若被处理聚合物结构中含氧，则轰击使大分子链断裂分解产生活性氧，其效果类似于氧等离子处理；（1分）c) 轰击产生的新生自由基半衰期长，能与空气中氧作用，导致氧结合到大分子链上。
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。
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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
开始形成的雨滴半径为：
将数据代入得：
'2ln 0R RT M P P ργ=0ln 2'p p
RT M
R ργ=
=J 4-1015.9
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。
答： （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著变化的转折点
2、温度对离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂溶解度的影响有什么不同？为什么离子型表面活性剂在K.P 点以上溶解度迅速增大，而非离子型表面活性剂溶液在C.P 点变成浑浊？
答：（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
（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。
3、试求表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的HLB值。
答：十二烷基苯磺酸钠HLB=ΣH−ΣL+7=38.7−(12+6)×0.47+7=37.24
第三章
1、试讨论用液态氧化法处理聚合物的优缺点。
答：优点：（1）可润湿性大大增加（2）表面张力增大（3）与各种液体接触角明显减小，粘接性能大大增加。
缺点：氧化处理会有大量的酸废液产生，污染严重。
2、聚合物表面接枝有哪些方法？其原理各是什么？
答：（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。
大分子偶合：聚合物表面产生反应性活性基团，使之与带有反应基团的大分子
反应偶合，实现其表面接枝。
添加接枝共聚物在欲改性的高聚物中添加有界面活化性能的共聚物成型，共聚物亲基材段嵌入到基材内部，留下接枝段在基质聚合物的表面上，达到表面改性的目的。
3、分别用等张比容和内聚能密度法估算下列高分子化合物的表面张力。
1)聚苯乙烯
2)聚乙二醇（聚氧化乙烯）
第四章
1、什么是偶联剂？说明硅烷偶联剂对玻璃纤维增强塑料的作用机理。
用偶联剂进行表面处理有哪些方法？
答：（1）偶联剂是分子含有两种不同性质基团的化合物，其中一种基团可与增强材料发生物理或化学作用，另一种基团可与基体发生物理或化学作用。
（2）①X 基团的水解，形成硅醇；②硅醇的羟基之间以及硅醇的羟基与玻璃纤维表面的羟基形成氢键；③硅羟基间脱水形成硅氧键。
2、高性能纤维的表面处理方法有哪些？
答：（1）表面清洁处理（2）表面氧化处理（3）表面涂层（4）化学气相沉积（5）电聚合处理（6）低温等离子处理（7）表面接枝
3、什么是化学键理论？化学键理论有什么缺陷？举例说明化学键理论在碳纤维表面处理中的应用。
答：（1）化学键理论认为两相之间实现有效的粘接，两相的表面应含有能相互发生化学反应的活性基团，通过官能团的反应以化学键合形成界面。
若两相不能进行化学反应，也通过偶联剂的媒介作用以化学键相互结合。
（2）缺陷：不能解释以下现象①有些偶联剂不含有与基体树脂起反应的活性基团，却有很好的处理效果。
②偶联剂在增强纤维表面有多层结构而并非由化学键理论推导的单层结构，③基体树脂固化，热应力松弛效应。
（3）应用：在表面氧化或等离子、辐射等处理过程中，纤维表面产生了羧基、羟基等含氧活性基团，提高了与环氧等基体树脂的反应能力，使界面形成了化学键，大大提高了粘接强度。
第五章
1、纤维对液体的接触角的测定的方法有哪些？
答：（1）单丝浸润法（2）单丝浸润力法（3）毛细浸润法
2、简述单丝抜脱实验
答：将单根纤维单丝的一部分垂直埋如基体之中，然后将单丝从集体中拔出，测定纤维抜脱的应力，从而求出纤维与基体间的界面剪切强度。
3、界面结合强度是否越强越好？为什么？
答：（1）界面结合不是越强越好（2）原因：当界面结合强度大于基体强，应力不能沿界面缓解，直接作用到纤维断口的基体上，使基体首先在纤维的断点处破坏并形成裂缝。
在持续外力的作用下，裂缝沿垂直于纤维轴方向向基体纵深进一步发展，这一裂缝还会引起附近纤维的连锁断裂，导致复合材料断裂。
所以界面结合不是越强越好。