材料表面与界面 ppt课件
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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
《复合材料原理》表面与界面基础 ppt课件
ppt课件 12
2. 表面与界面热力学
2.2 固体表面热力学
固体表面张力 =(1+2)/2 1 2表面应力 表面应力，单位长度力
力学定义 固体表面张力 1=2 各相同性 12 各向异性 对于某各向异性的固体，在二维方向上面积 各增加dA1和dA2 d(A1GS)= 1 dA1 d(A2GS)= 2 dA2
ZZdZ时：曲面面积变化为：
y
y+dy
A＝(x+dx)(y+dy)-xy=xdy+ydx
新增加的表面能为： A＝ (xdy+ydx)
P所做的膨胀功为 P.x.y.dz
平衡时有： （xdy+ydx）=Pxydz
ppt课件 29
3. 表面与界面效应
3.1 Young－Laplace 方程
3. 表面与界面效应
3.2 Kelvin方程
p M 1 1 ln( ) ( ) p0 RT r1 r2
当r1=r2
弯曲表面上的蒸汽压
r1=R1
r2=R2 Kelvin
p 2 M ln( ) p0 rRT
1 1 P ( ) r1 r2
当r1=r2
ppt课件
1 1 P ( ) R1 R2
ppt课件
y
y+dy
30
3. 表面与界面效应
3.1 Young－Laplace 方程
弯曲表面下的附加压力
平表面：R1 R2 △P=0 毛细管：R1=R2=R/ △P根据曲面方向分为： 毛细上升 毛细下降 l 为液体的密度; s 为气体的密度 因l>>g所以：2/R'=lgh
表面界面物理(绪论)
习惯上将比较有规则的界面称为内表面。 而将规则性较差的界面称为粒界（晶粒间 界，GRAIN BOUNDARY）。
内表面
粒界
5.相界（Phase Boundary）
系统中有不同的相存在时（如成分、晶格结构、晶 格常数不同）相与相之间的交界处称为相界。如：
固——固相界 固——液相界 固——气想界
研究表面与界面的意义
表面重构和表面弛豫的概念：
理想的晶体表面具有二维周期性，其 单位网格由基矢决定。由于表面原子受力 的情况与体内不同，或由于有外来原子的 吸附，最表面层原子常会有垂直于或倾斜 于表面的位移，表面下的数层原子也会有 垂直或倾斜于表面的位移，这种现象称为 表面重构。如果表面原子只有垂直于表面 的运动，则称为表面驰豫。
出” ，R =0.26 Å；而
体积较小的的Na+（0.98 Å） 则被“拉进” 0.21 Å。
•表面重构
许多半导体（包括化合物半导体）和金属的表面原子排 列与体内相差较大，其平移对称性与体内有明显的不同， 这种现象称为重构。
两种常见的类型：
•表面晶格与体内完全不相同，如Au的，[001]方向 的表面是与[111]表面相近的密堆积。 •表面晶格尺寸较体内大——晶格常数增大。
材料的表面积与尺 寸的关系： •材料的体积 r3； •表面积 r2
材料颗粒尺寸的减小 表面的影响作用尤为 重要。
21世纪新器件的开发，除了满足高速、轻、薄、 短、小、多功能、数字化等要求外，目前主要是发展超晶 格器件、三维立体器件、耐恶劣环境器件和固体多功能器 件。
1.超晶格器件 是人工自组装 设计的典型例 子。如如GaAs和 AlAs交替重叠 而成的、共共50 个周期（层） 的超晶格，其 每层厚度为 40~45Å，有49 个界面存在。
无机材料《表面与界面》课件
总之 固体和液体的表面能与温度、气压、第二相的性
质等条件有关。温度上升，表面能下降。
24
25
无机材料科学基础（四）
§4-2 界面行为 §4-2 Interfacial
26
一、弯曲表面效应
1、附加压力 弯曲表面：产生附加压力△P←表面张力→ 力的方向与表面相切
27
△P有正负，凸面曲率半径r＞0 △P＞0 凹面曲率半径r＜0 △P＜0
粒子(粉体)以便于成型和高温烧结。
15
2、晶体表面的几何结构
4-3图是一个具有面心立方结构的晶体表面构 造。分析面心立方结构(100)、(110)、(111)三个低指数面
上原子的分布。
16
2、晶体表面的几何结构
表4-3是各个晶面上原子弹密度。
17
实验观测表明：
随着晶体面的不同，表面上原子的密度也 不同。
（1）、同一种固体物质，制备或加 工条件不同也会有不同的表面性质；
（2）、实际晶体的表面由于晶格缺 陷、空位或位错而造成表面的不均一性；
5
无机材料科学基础（四）
1、固体表面的不均一性
（3）、只要固体暴露在空气中，其表面 总是被外来物质所污染，被吸附的外来原子可 占据不同的表面位置，形成有序或无序排列， 也引起了固体表面的不均一性。
29
附加压力ΔΡ总是指向曲面的曲率中心，当曲面为凸 面时为正值，凹面时为负值。 与曲率半径成反比， 而与表面张力成正比。由表4-5可知
30
2、弯曲表面的蒸发压
液滴的蒸气压大于同温度下平面液体的蒸气压， 它们之间的关系可用开尔文方程描述：
LnP/P0=2M/ρRT·1/r 或LnP/P0=M / /ρRT·（1/r1+1/r2） P：曲面蒸气压；P0：平面蒸气压； r：球形液滴之半径；ρ：液体密度； M：分子量；R：气体常数。
质等条件有关。温度上升，表面能下降。
24
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无机材料科学基础（四）
§4-2 界面行为 §4-2 Interfacial
26
一、弯曲表面效应
1、附加压力 弯曲表面：产生附加压力△P←表面张力→ 力的方向与表面相切
27
△P有正负，凸面曲率半径r＞0 △P＞0 凹面曲率半径r＜0 △P＜0
粒子(粉体)以便于成型和高温烧结。
15
2、晶体表面的几何结构
4-3图是一个具有面心立方结构的晶体表面构 造。分析面心立方结构(100)、(110)、(111)三个低指数面
上原子的分布。
16
2、晶体表面的几何结构
表4-3是各个晶面上原子弹密度。
17
实验观测表明：
随着晶体面的不同，表面上原子的密度也 不同。
（1）、同一种固体物质，制备或加 工条件不同也会有不同的表面性质；
（2）、实际晶体的表面由于晶格缺 陷、空位或位错而造成表面的不均一性；
5
无机材料科学基础（四）
1、固体表面的不均一性
（3）、只要固体暴露在空气中，其表面 总是被外来物质所污染，被吸附的外来原子可 占据不同的表面位置，形成有序或无序排列， 也引起了固体表面的不均一性。
29
附加压力ΔΡ总是指向曲面的曲率中心，当曲面为凸 面时为正值，凹面时为负值。 与曲率半径成反比， 而与表面张力成正比。由表4-5可知
30
2、弯曲表面的蒸发压
液滴的蒸气压大于同温度下平面液体的蒸气压， 它们之间的关系可用开尔文方程描述：
LnP/P0=2M/ρRT·1/r 或LnP/P0=M / /ρRT·（1/r1+1/r2） P：曲面蒸气压；P0：平面蒸气压； r：球形液滴之半径；ρ：液体密度； M：分子量；R：气体常数。
材料表面和界面的表征简介专题培训课件
Figure Characterization of thin planar opal templates assembled directly on a Si wafer from 855-nm spheres. a, Cross-sectional SEM image.
Assembling a thin layer of colloidal spheres on a silicon substrate
0.3878 0.1226 0.0548 0.0388 0.0123
相对论修正后 的电子波长(Å) 0.3876 0.1220 0.0536 0.0370 0.0087
2.1 STEM简介
STEM 电子枪发射20 –50 m直径的电子束；1-100 kV阳极电压的加速下射
向样品，途中经聚光镜将它汇聚缩小成几纳米的细束轰击到样品表面上电子束 的特点：密度高、能量大与样品相互作用时将产生下列结果：产生二次电子 （Secondary Electron）；俄歇电子（Auger Electron）；背散射电子；X-Ray; 高角度电子散射；弹性散射；非弹性散射等现象等
光的分辨本领的限制
• 为什么光镜的分辨本领只能达到200nm ？这是由 于光波的衍射现象所限制的。
• 根据“瑞利”判据，当A、B两点靠近到使像斑的重叠部 分达到各自的一半时，则认为此两点的距离即是透镜的分 辨本领；由此得出显微镜的分辨本领公式（阿贝公式）为：
• d=0.61/(Nsin) • ：物镜的接收角 • Nsin是透镜的孔径数（简写为N A ），常于镜
表面结构分析现代仪器历史
第一代为光学显微镜
1830年代后期为 M.Schleide和T.Schmann 所发明；它使人类“看” 到了致病的细菌、微生 物和微米级的微小物体， 对社会的发展起了巨大 的促进作用，至今仍是 主要的显微工具 .
Assembling a thin layer of colloidal spheres on a silicon substrate
0.3878 0.1226 0.0548 0.0388 0.0123
相对论修正后 的电子波长(Å) 0.3876 0.1220 0.0536 0.0370 0.0087
2.1 STEM简介
STEM 电子枪发射20 –50 m直径的电子束；1-100 kV阳极电压的加速下射
向样品，途中经聚光镜将它汇聚缩小成几纳米的细束轰击到样品表面上电子束 的特点：密度高、能量大与样品相互作用时将产生下列结果：产生二次电子 （Secondary Electron）；俄歇电子（Auger Electron）；背散射电子；X-Ray; 高角度电子散射；弹性散射；非弹性散射等现象等
光的分辨本领的限制
• 为什么光镜的分辨本领只能达到200nm ？这是由 于光波的衍射现象所限制的。
• 根据“瑞利”判据，当A、B两点靠近到使像斑的重叠部 分达到各自的一半时，则认为此两点的距离即是透镜的分 辨本领；由此得出显微镜的分辨本领公式（阿贝公式）为：
• d=0.61/(Nsin) • ：物镜的接收角 • Nsin是透镜的孔径数（简写为N A ），常于镜
表面结构分析现代仪器历史
第一代为光学显微镜
1830年代后期为 M.Schleide和T.Schmann 所发明；它使人类“看” 到了致病的细菌、微生 物和微米级的微小物体， 对社会的发展起了巨大 的促进作用，至今仍是 主要的显微工具 .
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
第三章--表面与界面
1.双相界面
❖ 相界面如右上图
❖ 定义界面Y：使两边阴影部分的面积 一样大
α(Ⅰ)
2.曲率半径对界面移动的影响
CⅠ
❖ 相界面由Ⅰ→Ⅱ（如下图）
❖ 自由能变化为：
dG=μⅠdm1+ μⅡdm2+γdA=δWrew
平衡时： δWrew=0，dm1=-dm2=dm
α
μⅡ- μⅠ= γdA/dm---相变的驱动力主要为 表面积变化
CⅡ β(Ⅱ)
Y β
ⅠⅡ
表面曲率效应
❖ 平面移动时：dA=0→ μⅡ= μⅠ= μ∞ ❖ 曲面时： μⅡ= μr， μⅠ= μ∞
μr- μ∞= γdA/dm =vγdA/dV 这里：V=ωR3/3，dV= ωR2dR ω为固体角，整个球面为4π
A= ωR2, dA=2ωRdR μr- μ∞=v×2γ/R 讨论：（1）驱动力为2γ/R，即曲率越大，表面能越高。 （2）固体颗粒中存在压应力，也是驱动力。 dμ=-SdT+VdP=VdP (当温度不变时） △P= 2γ/R---粒子越小，粒子内压应力就越大。
固体粒子的熔点
积分：
Sm
Tr dT
T
2V s s,l
r dr / r 2
S m (Tr
T )
SmT
2V s s,l
r
T
2V
s s ,l
Smr
T
2V
s s,lTm
Hmr
3.4 表面能与界面的杂质偏析（Gibbs吸附等温线）
在表面物理中，经常研究的是固体 表面和外来原子或分子的相互作用，例 如化学吸附，外延生长，氧化和多相催 化等。
的原子在界面上部分相接，部分无法相接，因此称 为半共格晶界。
材料表面与界面ppt课件
材料表面与界面
胡福增 主编
.
课程安排
• 管 涌，危大福： 表界面基础知识、表面活性剂、高分子材料的表面改性 和表征，复合材料界面；
• 袁双龙： 无机非金属材料，8课时； • 朱以华： 纳米材料，8课时； • 张 琰： 生物材料，8课时。
.
参考书：
1.顾惕人，朱步瑶，李外郎，等，表面化学，北京，科学出版社，2003年； 2.滕新荣，表面物理化学，北京，化学工业出版社，2009年； 3.朱步瑶，赵振国，界面化学基础，北京，化学工业出版社，1996年； 4.筏 羲人（日），高分子表面的基础和应用，北京，化学工业出版社，1990年； 5.金谷，表面活性剂化学，合肥，中国科学技术大学出版社，2008年； 6.近藤精一，吸附科学，2005年； 7.Ralph T. Yang（著），马丽萍，宁平，田森林（译），吸附剂原理与应用，北京，高等教
.
第 1 章 表界面基础知识
.
.
表面张力和表面自由能
1.表面层分子与内部分子相比，它们所处的 环境不同。 2.气液表面的分子净受到指向液体内部的力； 表面张力本质是分子间相互作用 3.从液体内部将分子移到表面要克服分子间引 力而做功，使系统自由焓增加；
.
定义：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：
HOW TO MAKE WATER RUN UPHILL （Published in Science）
• A surface having a spacial gradient in its surface free energy was capable of causing drops of water placed on it to move uphill. This motion was the result of an imbalance in the forces due to surface tension acting on the liquid-solid contact line on the two opposite sides (“uphill” or “downhill”) of the drop. The required gradient in surface free energy was generated on the surface of a polished silicon wafer by exposing it to the diffusing front of a vapor of decyltrichlorosilane, CI3Si(CH2)9CH3.
胡福增 主编
.
课程安排
• 管 涌，危大福： 表界面基础知识、表面活性剂、高分子材料的表面改性 和表征，复合材料界面；
• 袁双龙： 无机非金属材料，8课时； • 朱以华： 纳米材料，8课时； • 张 琰： 生物材料，8课时。
.
参考书：
1.顾惕人，朱步瑶，李外郎，等，表面化学，北京，科学出版社，2003年； 2.滕新荣，表面物理化学，北京，化学工业出版社，2009年； 3.朱步瑶，赵振国，界面化学基础，北京，化学工业出版社，1996年； 4.筏 羲人（日），高分子表面的基础和应用，北京，化学工业出版社，1990年； 5.金谷，表面活性剂化学，合肥，中国科学技术大学出版社，2008年； 6.近藤精一，吸附科学，2005年； 7.Ralph T. Yang（著），马丽萍，宁平，田森林（译），吸附剂原理与应用，北京，高等教
.
第 1 章 表界面基础知识
.
.
表面张力和表面自由能
1.表面层分子与内部分子相比，它们所处的 环境不同。 2.气液表面的分子净受到指向液体内部的力； 表面张力本质是分子间相互作用 3.从液体内部将分子移到表面要克服分子间引 力而做功，使系统自由焓增加；
.
定义：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：
HOW TO MAKE WATER RUN UPHILL （Published in Science）
• A surface having a spacial gradient in its surface free energy was capable of causing drops of water placed on it to move uphill. This motion was the result of an imbalance in the forces due to surface tension acting on the liquid-solid contact line on the two opposite sides (“uphill” or “downhill”) of the drop. The required gradient in surface free energy was generated on the surface of a polished silicon wafer by exposing it to the diffusing front of a vapor of decyltrichlorosilane, CI3Si(CH2)9CH3.
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• 材料表界面对材料整体性能具有决定性影响，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。
• 材料表面的结构和化学组成，与材料内部有明显的差别； （1）多组份材料；（比如塑料合金的分相与界面，表面富集等）（例：塑料
薄膜抗静电剂） （2）单组份材料。（结晶、缺陷等与内部不同）
2007年
格哈德·埃特尔,因成功描述了在表面发生的化学反应细
节，并以此方法为现代表面化学奠定了基础。获诺贝
尔化学奖。
什么是表界面？
1 表界面的定义(surface，interface， interphase) 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（surface)。
材料表界面的形成
1. 机械作用界面 切削，研磨，抛光，喷砂，磨损等 2. 化学作用界面 反应，粘接，氧化，腐蚀等 3. 固体结合界面 真空，加热，加压，界面扩散等 4. 液相或气相沉积界面 5. 凝固共生界面 6. 粉末冶金界面 热压，热锻，烧结，热喷涂等 7. 粘结界面 无机或有机粘结剂粘结两固体 8. 熔焊界面 固体表面形成熔体，凝固而成
（例：塑料注塑制品表面的结晶度与内部不同）
材料的制备和使用性能，会受到表面特性的强烈影响。
材料表面
按照“学科”，材料表面物理化学研究领域，比如： 1）信息学科：“半导体表面”； 2）能源和环境学科：“催化表面”和“电极表面”； 3）材料学科：“薄膜表面和界面”； 4）机械学科：“摩擦表面”； 5）航天技术：“真空表面”
结构变化
驰豫
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。
台阶化
表面不是平面， 由规则或不规则 台阶组成。
表面
ds
表面
d0
内部
育出版社，2010年； 8.赵亚溥，表面与界面物理力学，北京，科学出版社，2012年； 9.A.W.Adamson，顾惕人（译），表面的物理化学，北京，科学出版社，1984年；
为什么要学材料表界面？
表界面研究
的重要性
分类
表、界面现象
作为表面活性剂材料制造的产品 表、界面现象的直接应用
天然和合成材料的纯化和/或改性 生理与医学应用 纳米材料
国防工业：“特种军工技术表面”； 6）纳米科学和技术：“纳米表面”。 各种技术学科都对表面和界面现象有浓厚的兴趣，因为许多关键性的问 题都涉及表面和界面问题。
一次美国的到月球的宇宙飞行中，系统遇到了神秘的故障。液体燃料火箭在关闭了一个时期之后按程 序重新点火，但点不着。经过激烈的讨论，一个表面化学家提出了令人震惊的可能性，即燃料不能很 好地润湿槽壁以及燃料在空间失重条件下形成上浮的“球状”物，如图1-2所示。我们希望的情况当 然是如图1-3所示的。
材料表面与界面
主编
课程安排
• 管 涌，危大福： 表界面基础知识、表面活性剂、高分子材料的表面改性 和表征，复合材料界面；
• 袁双龙： 无机非金属材料，8课时； • 朱以华： 纳米材料，8课时； • 张 琰： 生物材料，8课时。
参考书：
1.顾惕人，朱步瑶，李外郎，等，表面化学，北京，科学出版社，2003年； 2.滕新荣，表面物理化学，北京，化学工业出版社，2009年； 3.朱步瑶，赵振国，界面化学基础，北京，化学工业出版社，1996年； 4.筏 羲人（日），高分子表面的基础和应用，北京，化学工业出版社，1990年； 5.金谷，表面活性剂化学，合肥，中国科学技术大学出版社，2008年； 6.近藤精一，吸附科学，2005年； 7.Ralph T. Yang（著），马丽萍，宁平，田森林（译），吸附剂原理与应用，北京，高等教
不行
1 f1 行
0
0
f2 图1-4
工程师们希望很快地知道体系的什么物理性质或操作因素能使图中1-3的条件成为更稳定的。于是表 面化学家作了一张如图1-4所示的图。其中f1和f2分别代表发动机运转时间的一定函数和油槽与燃料的 表面特性的一定函数。假定槽是球形的。试问表面化学家作了什么分析？函数f1和f2可能是什么？宇 航员应当做什么？
表界面科学发展简 史
1875～1878
Gibbs 定律；奠定了表界面科学的基础
1913～1942
Langmuir 的贡献；（获1932年诺贝尔化学奖）
(蒸发、凝聚、吸附、单分子膜等表界面的研究）
20世纪40年代前 表面化学成果大量应用生产；
50年代
微型化、IT发展促进表面化学发展；
60年代～
由于超高真空技术的发展，表面现象向微观领域发展；
表界面区的结构、能量、组成等都呈现连续 A
的梯度变化，相与相之间没有截然的分界面。
B
物理表面
定义：三维规整点阵到体外空间之间的过渡区域。厚度随材料种类而异， 从一个到多个原子层不等。在过渡区域，周期点阵遭到严重扰动，甚至完 全变异。物理界面是不同于两相的第三相。
理想表面
清洁表面
Байду номын сангаас
吸附表面
清洁表面:指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂 质扩散等物理化学效应的表面。表面上会发生与体内结构和成分不同的变化。
d0
内部 内部
d0
化学组成变化
偏析
指溶液或溶质在相界、 晶界或缺陷上的聚集。
吸附
气相原子或分子在气 －固界面上的聚集。
表界面通常有五类：气--液界面（表面），气--固界面（表面）， 液--液界面，液--固界面，固--固界面。
（1）气-液界面
（2）气-固界面
（3）液-液界面
（4）液-固界面
（5）固-固界面
肥皂和洗涤剂（表面活性剂） 乳化剂和稳定剂、
灭草剂和杀虫剂, 织物软化剂
润滑、黏接、泡沫、湿润和防水 复合材料的偶联剂
三次采油、烧结
呼吸、关节润滑、 液体输运中的毛细现象、动脉硬化
比表面积急剧增加，表面原子数目增 多，特殊的表面效应
为什么要学材料表界面？
• 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有重要的地位。
第 1 章 表界面基础知识
表面张力和表面自由能
1.表面层分子与内部分子相比，它们所处的 环境不同。
2.气液表面的分子净受到指向液体内部的力； 表面张力本质是分子间相互作用
• 材料表面的结构和化学组成，与材料内部有明显的差别； （1）多组份材料；（比如塑料合金的分相与界面，表面富集等）（例：塑料
薄膜抗静电剂） （2）单组份材料。（结晶、缺陷等与内部不同）
2007年
格哈德·埃特尔,因成功描述了在表面发生的化学反应细
节，并以此方法为现代表面化学奠定了基础。获诺贝
尔化学奖。
什么是表界面？
1 表界面的定义(surface，interface， interphase) 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（surface)。
材料表界面的形成
1. 机械作用界面 切削，研磨，抛光，喷砂，磨损等 2. 化学作用界面 反应，粘接，氧化，腐蚀等 3. 固体结合界面 真空，加热，加压，界面扩散等 4. 液相或气相沉积界面 5. 凝固共生界面 6. 粉末冶金界面 热压，热锻，烧结，热喷涂等 7. 粘结界面 无机或有机粘结剂粘结两固体 8. 熔焊界面 固体表面形成熔体，凝固而成
（例：塑料注塑制品表面的结晶度与内部不同）
材料的制备和使用性能，会受到表面特性的强烈影响。
材料表面
按照“学科”，材料表面物理化学研究领域，比如： 1）信息学科：“半导体表面”； 2）能源和环境学科：“催化表面”和“电极表面”； 3）材料学科：“薄膜表面和界面”； 4）机械学科：“摩擦表面”； 5）航天技术：“真空表面”
结构变化
驰豫
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。
台阶化
表面不是平面， 由规则或不规则 台阶组成。
表面
ds
表面
d0
内部
育出版社，2010年； 8.赵亚溥，表面与界面物理力学，北京，科学出版社，2012年； 9.A.W.Adamson，顾惕人（译），表面的物理化学，北京，科学出版社，1984年；
为什么要学材料表界面？
表界面研究
的重要性
分类
表、界面现象
作为表面活性剂材料制造的产品 表、界面现象的直接应用
天然和合成材料的纯化和/或改性 生理与医学应用 纳米材料
国防工业：“特种军工技术表面”； 6）纳米科学和技术：“纳米表面”。 各种技术学科都对表面和界面现象有浓厚的兴趣，因为许多关键性的问 题都涉及表面和界面问题。
一次美国的到月球的宇宙飞行中，系统遇到了神秘的故障。液体燃料火箭在关闭了一个时期之后按程 序重新点火，但点不着。经过激烈的讨论，一个表面化学家提出了令人震惊的可能性，即燃料不能很 好地润湿槽壁以及燃料在空间失重条件下形成上浮的“球状”物，如图1-2所示。我们希望的情况当 然是如图1-3所示的。
材料表面与界面
主编
课程安排
• 管 涌，危大福： 表界面基础知识、表面活性剂、高分子材料的表面改性 和表征，复合材料界面；
• 袁双龙： 无机非金属材料，8课时； • 朱以华： 纳米材料，8课时； • 张 琰： 生物材料，8课时。
参考书：
1.顾惕人，朱步瑶，李外郎，等，表面化学，北京，科学出版社，2003年； 2.滕新荣，表面物理化学，北京，化学工业出版社，2009年； 3.朱步瑶，赵振国，界面化学基础，北京，化学工业出版社，1996年； 4.筏 羲人（日），高分子表面的基础和应用，北京，化学工业出版社，1990年； 5.金谷，表面活性剂化学，合肥，中国科学技术大学出版社，2008年； 6.近藤精一，吸附科学，2005年； 7.Ralph T. Yang（著），马丽萍，宁平，田森林（译），吸附剂原理与应用，北京，高等教
不行
1 f1 行
0
0
f2 图1-4
工程师们希望很快地知道体系的什么物理性质或操作因素能使图中1-3的条件成为更稳定的。于是表 面化学家作了一张如图1-4所示的图。其中f1和f2分别代表发动机运转时间的一定函数和油槽与燃料的 表面特性的一定函数。假定槽是球形的。试问表面化学家作了什么分析？函数f1和f2可能是什么？宇 航员应当做什么？
表界面科学发展简 史
1875～1878
Gibbs 定律；奠定了表界面科学的基础
1913～1942
Langmuir 的贡献；（获1932年诺贝尔化学奖）
(蒸发、凝聚、吸附、单分子膜等表界面的研究）
20世纪40年代前 表面化学成果大量应用生产；
50年代
微型化、IT发展促进表面化学发展；
60年代～
由于超高真空技术的发展，表面现象向微观领域发展；
表界面区的结构、能量、组成等都呈现连续 A
的梯度变化，相与相之间没有截然的分界面。
B
物理表面
定义：三维规整点阵到体外空间之间的过渡区域。厚度随材料种类而异， 从一个到多个原子层不等。在过渡区域，周期点阵遭到严重扰动，甚至完 全变异。物理界面是不同于两相的第三相。
理想表面
清洁表面
Байду номын сангаас
吸附表面
清洁表面:指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂 质扩散等物理化学效应的表面。表面上会发生与体内结构和成分不同的变化。
d0
内部 内部
d0
化学组成变化
偏析
指溶液或溶质在相界、 晶界或缺陷上的聚集。
吸附
气相原子或分子在气 －固界面上的聚集。
表界面通常有五类：气--液界面（表面），气--固界面（表面）， 液--液界面，液--固界面，固--固界面。
（1）气-液界面
（2）气-固界面
（3）液-液界面
（4）液-固界面
（5）固-固界面
肥皂和洗涤剂（表面活性剂） 乳化剂和稳定剂、
灭草剂和杀虫剂, 织物软化剂
润滑、黏接、泡沫、湿润和防水 复合材料的偶联剂
三次采油、烧结
呼吸、关节润滑、 液体输运中的毛细现象、动脉硬化
比表面积急剧增加，表面原子数目增 多，特殊的表面效应
为什么要学材料表界面？
• 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有重要的地位。
第 1 章 表界面基础知识
表面张力和表面自由能
1.表面层分子与内部分子相比，它们所处的 环境不同。
2.气液表面的分子净受到指向液体内部的力； 表面张力本质是分子间相互作用