材料表面与界面(5-2)
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
材料表面与界面
材料表面与界面一、教学内容本节课的教学内容选自人教版小学科学五年级下册第四单元《材料与我们生活》中的第一课时《材料表面与界面》。
本节课主要让学生通过观察、实验等方法，了解不同材料的表面和界面特性，培养学生的观察能力和实验操作能力。
二、教学目标1. 让学生了解不同材料的表面特性，如光滑、粗糙等。
2. 让学生通过实验观察，了解不同材料界面的特性，如浸润、不浸润等。
3. 培养学生的观察能力、实验操作能力和分析问题的能力。
三、教学难点与重点重点：不同材料的表面特性和界面特性的认识。
难点：如何通过实验观察和分析不同材料的表面和界面特性。
四、教具与学具准备教具：多媒体课件、实验材料（如玻璃板、塑料片、水、硬币等）。
学具：实验记录表、画笔、实验材料。
五、教学过程1. 导入：通过多媒体课件展示不同材料的图片，引导学生观察并说出这些材料的名称。
2. 探究材料表面特性：让学生拿取实验材料，用手触摸并观察其表面特性，如光滑、粗糙等。
3. 实验观察界面特性：引导学生进行实验，观察水滴在不同材料表面的现象，如浸润、不浸润等。
4. 分析实验现象：让学生根据实验现象，分析不同材料界面的特性。
6. 实践应用：让学生举例生活中应用这些特性的事物。
六、板书设计板书内容：材料表面与界面1. 表面特性：光滑、粗糙2. 界面特性：浸润、不浸润七、作业设计1. 观察生活中的物品，举例说明其表面和界面特性。
答案：如手机屏幕光滑、电脑键盘粗糙；水杯水面浸润、油瓶界面不浸润等。
2. 思考：为什么不同材料的界面特性不同？答案：不同材料的分子结构和性质不同，导致其界面特性不同。
八、课后反思及拓展延伸本节课通过观察、实验等活动，让学生了解了不同材料的表面和界面特性。
在教学过程中，要注意引导学生积极参与实验，培养其观察能力和实验操作能力。
同时，可以进一步拓展学生的知识，如介绍不同材料的特性和应用，激发学生对科学的兴趣。
重点和难点解析一、探究材料表面特性在教学过程中，引导学生拿取实验材料，用手触摸并观察其表面特性是重点环节。
材料表面和界面的表征简介
Raman效应产生于入射光旳电场与介质表面上振动旳感生 偶极子旳相互作用，造成分子旳旋转或振动模式旳 跃 迁变化。
Raman光谱仪器
石墨旳Raman光谱图
Raman光谱旳特点
（1） Raman光谱研究分子构造时与红外光 谱互补
（2） Raman光谱研究旳构造必需要有构造 在转动或者振动过程中旳极化率变化
SPM扫描探针显微镜
AFM线性剖面图
AFM立体显示图
Average roughness Ra
特点 （1）针尖与样品之间旳排斥作用力；来反应
样品旳形貌 (2)辨别率可达： 0.1 nm (3) 能够在真空、大气、溶液条件下进行表面
分析，图象旳质量与针尖非常亲密有关 （4） 样品形貌起伏不能太大
三种观察原子旳措施比较
红外光谱研究旳构造必需要有有构造在转动 或者振动过程中偶极矩差别
（3）能够测定物质旳晶体构造和晶相判断， 但只能是研究光能到达旳表面区域
（4）样品能够是固态、液体或者气体
2.4 XPS光电子谱
1. 光电发射定律
原子由核和绕核运动旳电子所构成，电子具有拟定旳能量并在一定 轨道上运动(EB(i), )。当能量为hv旳光激发原子或者分子时，只要 hv >EB(i),,便可激发出i轨道上电子，并取得一定动能Ek，留下一种离子： M + hv = M+* + e-1
5. Bruggle 方程
2dhklsinhkl=n
A
hkl
m N
B
hkl
= n = mB+ BN = 2dhklsinhkl
2.3 拉曼光谱（Raman spectra）
• 光经过样品时产生散射
hv
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。
材料科学基础 第8章 材料的表面与界面
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移 8.3.1 晶界平衡偏析
CB
C0
exp(
G ) kT
可见，溶质原子在静态晶界中偏析的程度和它在溶剂中的溶 解度有关。
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
晶界硬化 不锈钢的敏化 晶界腐蚀 粉末烧结过程 回火脆性
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
8.3.2 界面迁移驱动力 晶界迁移：晶界在其法线方向上的位移，是通过晶粒边缘上
8.2 晶体中的界面结构
三、相界 根据界面上的原子排列结构不同，可把固体中的相界分为
共格、半共格以及非共格三类。 （1）共格相界
8.2 晶体中的界面结构 有应变共格界面
8.2 晶体中的界面结构
（2）半共格相界
若aa和ab分别为无应力时的a和b的点阵常数，这两个点阵的
错配度定义为：
ab aa a
晶界迁移率B与扩散系数D之间的关系为： B＝D/kT ≈B0 e(-Q/kT)
当界面保持平衡时，界面两侧压力差值为P，
则：
gldq＝Plrdq
所以：
P＝g/r
而对任意曲面，则有： 恒温时：
P＝g(1/r1+1/r2) dm＝VdP
则：
m1－m2＝VP
通过以上分析可见，晶界曲率是晶界迁移的驱动力，界面总
是向凹侧推进。
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
8.3.3影响界面迁移的因素 (1) 温度
a
8.2 晶体中的界面结构
(3) 非共格界面
当两相在相界面处的原子排列相差很大时，即很大时，只能
形成非共格界面。
8.2 晶体中的界面结构 8.2.2界面能量 一、晶界能
由于晶界是一种缺陷，它的出现使体系的自由能增加，我们 定义形成单位面积的晶界而引起体系自由能增高称为晶界能。
材料分析方法智慧树知到答案章节测试2023年天津大学
绪论单元测试1.材料研究方法分为（）A:物相分析B:成分价键分析C:组织形貌分析D:分子结构分析答案:ABCD2.材料科学的主要研究内容包括（）A:材料的性能B:材料应用C:材料的制备与加工D:材料的成分结构答案:ACD3.下列哪些内容不属于材料表面与界面分析（）A:晶粒大小、形态B:气体的吸附C:表面结构D:晶界组成、厚度答案:A4.下列哪些内容属于材料微区分析（）A:晶格畸变B:裂纹大小C:位错D:晶粒取向答案:ABCD5.下列哪些内容不属于材料成分结构分析（）A:晶界组成、厚度B:物相组成C:杂质含量D:晶粒大小、形态答案:AD第一章测试1.扫描电子显微镜的分辨率已经达到了（）A:0.1 nmB:1.0 nmC:10 nmD:100 nm答案:B2.利用量子隧穿效应进行分析的仪器是A:原子力显微镜B:扫描电子显微镜C:扫描隧道显微镜D:扫描探针显微镜答案:C3.能够对样品形貌和物相结构进行分析的是透射电子显微镜。
A:错B:对答案:B4.扫描隧道显微镜的分辨率可以到达原子尺度级别。
A:对B:错答案:A5.图像的衬度是（）A:任意两点探测到的电子信号强度差异B:任意两点探测到的光强差异C:任意两点存在的明暗程度差异D:任意两点探测到的信号强度差异答案:CD6.对材料进行组织形貌分析包含哪些内容（）A:位错、点缺陷B:材料的外观形貌C:晶粒的大小D:材料的表面、界面结构信息答案:ABCD7.光学显微镜的最高分辨率为（）A:0.5 μmB:0.2 μmC:1 μmD:0.1 μm答案:B8.下列说法错误的是（）A:可供照明的紫外线波长为200~250 nm，可以作为显微镜的照明源B:X射线波长为0.05~10 nm，可以作为显微镜的照明源C:X射线不能直接被聚焦，不可以作为显微镜的照明源D:可见光波长为450~750 nm，比可见光波长短的光源有紫外线、X射线和γ射线答案:B9.1924年，（）提出运动的电子、质子、中子等实物粒子都具有波动性质A:德布罗意B:狄拉克C:薛定谔D:布施答案:A10.电子束入射到样品表面后，会产生下列哪些信号（）A:背散射电子B:俄歇电子C:特征X射线D:二次电子答案:ABCD第二章测试1.第一台光学显微镜是由哪位科学家发明的（）A:惠更斯B:胡克C:詹森父子D:伽利略答案:C2.德国科学家恩斯特·阿贝有哪些贡献（）A:解释了数值孔径等问题B:发明了油浸物镜C:阐明了光学显微镜的成像原理D:阐明了放大理论答案:ABCD3.光学显微镜包括（）A:聚光镜B:目镜C:反光镜D:物镜答案:ABCD4.下列关于光波的衍射，错误的描述是（）A:障碍物线度越小，衍射现象越明显B:遇到尺寸与光波波长相比或更小的障碍物时，光线将偏离直线传播C:光是电磁波，具有波动性质D:遇到尺寸与光波波长相比或更小的障碍物时，光线将沿直线传播答案:D5.下列说法正确的是（）A:两个埃利斑靠得越近，越容易被分辨B:衍射现象可以用子波相干叠加的原理解释C:埃利斑半径与光源波长成反比，与透镜数值孔径成正比D:由于衍射效应，样品上每个物点通过透镜成像后会形成一个埃利斑答案:BD6.在狭缝衍射实验中，下列说法错误的是（）A:在第一级衍射极大值处，狭缝上下边缘发出的光波波程差为1½波长B:子波之间相互干涉，在屏幕上形成衍射花样C:整个狭缝内发出的光波在中间点的波程差半波长，形成中央亮斑D:狭缝中间每一点可以看成一个点光源，发射子波答案:C7.下列关于阿贝成像原理的描述，正确的是（）A:参与成像的衍射斑点越多，物像与物体的相似性越好。
材料表面与界面 第五章 表界面热力学与动力学
Wc＝2γa 或 Wc＝2γb
3 ( a b ) 4
1 Wab ( a b ) 2
由上式可以看出，Wc＞Wab，即相同物质间的摩擦要大于 不同物质间的摩擦。
固体的表面自由能和表面张力 与液体相比： (1) 固体的表面自由能中包含了弹性能。表面张力在数值上不 等于表面自由能； (2) 固体的表面张力是各向异性的。 (3) 实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，决定固体表面 形态的主要是形成固体表面时的条件以及它所经历的历史。 (4) 固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。
如果在活动边框上挂一重物，使 重物质量W2与边框质量W1所产 生的重力F与总的表面张力大小 相等方向相反，则金属丝不再滑 动。
F 2 l
l 是滑动边的长度，因膜有两个面， 所以边界总长度为2l， 就是作用 于单位边界上的表面张力。
在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张 力，这种力垂直于表面的边界，指向液体方向并 与表面相切。 把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用 或 表示。 表面张力的单位是：
表面自由能定义
G ( )T , P ,nB As
其物理意义是在等温等压以及恒组成条件下,每增加 单位表面时系统吉布斯自由能的增加
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
又可称为表面Gibbs自由能
2
表面自由能的单位： J m
表面张力 （surface tension）
表面自由能 (surface free energy)
界面能
实验证明，界面能 γab约为 1/4～1/2(γa＋γb)。如果a、 b两物质 能相互溶解或能形成金属间化合物，其界面能较小，约为
1 ( a b ) 4
若a、b 两物质不能相互溶解，其界面能较大，约为 a、b为同一物质 a、b相互溶解 a、b不能相互溶解
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。
材料表面与界面
可采用红外光谱法分析表面官能团的种类。
透射法――abrasion法； 表面反射法： ATR法（attenuated total internal reflection）衰减全反射法MIR法（multiple internal reflection）多重内 反射法
FT－IR法： FT－IR －ATR差谱、FT－IR高灵敏度反射法、 FT－IR－扩散反射法等。
③结晶性的评价 聚合物表面结晶情况如何将大大影响聚合物的表面性质。是什么样的结晶？结晶度如何？对结晶度定量化 目前很难，只能采取定性的方法。
1)由表面张力进行推测 通常，在结晶性高的表面上单位面积上的原子或分子的密度大。 分子密度大的表面分子间力大于内部分子间力之和，表面的分子间力通常用表面张力来表示。
材料表面与界面
第七章 聚合物表面与界面概述 （Polymer Surface and Interface） 7.1 概述 随着聚合物制品的品种不断的增多，人们不仅希望制品存在优异的内在性能，而且对其表面性质的要求也越来越高。 要求制品有精美的外观以提高制品的商品价值； 要求制品具有某些特殊的表面性能以满足制品的各种使用要求。 这除了需要开发新品种以满足要求外，主要靠材料的表面改性来实现。
α
A
A′
S
S′
B
B′
β
α与β为不同的两个物质，它们接触到一起就会产生界面。
SS′为两相接触的面（相界面），为了方便处理，通常将界面看作一个虚构的几何面。
AA′与BB′之间的部分为界面相，很薄，几个分子厚。
许多研究者已经证实：处于两相间的交界部分乃是一个具有一定厚度（厚度很小，一般只有零点几纳米到几纳 米，通常小于0.1μm）的区域，物质的组分和能量可以通过这个区域从一个相连续地变化到另一个相。这层的结构和 性质与相邻两相的结构和性质都不一样。在界面区域内压力是不均一的，在垂直于界面的方向上存在压力梯度。与此 相反，在本体相区域内压力是均一的，不存在着梯度，并且是各向同性的。在本体相区域内可逆地输送物质不会消耗 净能量。
材料表面与界面
材料表面与界面主要参考书：1、胡福增等编著，《材料表面与界面》，华东理工大学出版社，20012、李恒德，萧纪美编著，《材料表面与界面》，清华大学出版社, 19903、赵文轩主编，《材料表面工程导论》，西安交通大学出版社, 20014、Arthur W Adamson，Alice P Gast．《Physical Chemistry ofSurfaces》．Sixth Edition．New York John Wiley & Sons．Inc，1997.(A. W. 亚当森著，顾惕人译，《表面的物理化学》，科学出版社，1986)5、S. R. Morrison, 《The Chemical Physics of Surfaces》. Plenum Press,New York and London, 1977.(S. R. Morrison著，赵璧英等译，《表面化学物理》，北京大学出版社，1986)第一章绪论1-1 材料表界面的定义材料科学、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，材料的表面与界面在材料科学中占有重要的地位。
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。
单组分的材料，由于内部存在的缺陷，如位错等，或者由于晶态的不同形成晶界，可能在内部产生界面。
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。
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。
研究材料的表界面现象具有重要的意义。
表界面的定义：表界面研究的对象是不均匀的体系，具有多相性，即该体系中存在两个或两个以上不同性能的相，表界面是由—个相过渡到另一相的过渡区域。
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。
材料表面与界面ppt课件
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。
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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
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第 1 章 表界面基础知识
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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；
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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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Ni涂层及无涂层SiC颗粒复合材料弯曲应力应变曲线
第5章 金属基复合材料中的界面
5.6 金属基复合材料界面微观结构
0.75μm
0.75μm
5μm
0.3μm
SiCp/2014Al复合材料热处理后提取SiC颗粒扫描电镜观察到的反应产物 (a)铸态复合材料, (b ,c ,d) 620℃热处理2h后复合材料
特别样品台示意图
单纤维顶出细观模型
第5章 金属基复合材料中的界面
5.4 金属基复合材料界面性能测试
5.4.1 界面强度的测试方法
（1）连续增强金属基复合材料界面强度的测试方法 原位测试法
三种SiC(nicalon)/Al复合材料界面强度
试件编 号
1-5N0 2-1NA 3-5N7
测试 次数
平均顶出 载荷（N）
临界纤维长度法也称断片试验方法，是一种比较常用的复合材料的试验方法。将单纤维埋在 基体内，沿纤维方向对基体施加拉伸载荷。随应变的逐渐增加，在纤维端部由基体通过 界面传递的剪应力线性增大。当纤维应力超过局部断裂应力时，纤维断裂，拉伸载荷继 续增大，纤维的断头随之增加，当断裂长度达到临界纤维长度Lc时，纤维不会再继续断 裂，也就是说界面传递的剪应力不再使纤维断裂。通过声发射技术可测得断裂纤维的长 度。
单纤维拔出示意图Βιβλιοθήκη 第5章 金属基复合材料中的界面
5.4 金属基复合材料界面性能测试
5.4.1 界面强度的测试方法
（1）连续增强金属基复合材料界面强度的测试方法
原位测试法
原位测试法的基本原理是在光学显微镜下借助精密定位装置，利用金刚石探针对复合材料试 样中选定的单纤维施加轴向载荷，使得这根受压纤维端部与周围基体发生界面微脱粘， 记录脱粘时的轴向压力，然后建立以此纤维为中心的微观力学模型，通过有限元分析并 输入纤维、基体和复合材料的弹性参数和纤维直径、基体厚度及微脱粘力计算出界面剪 切强度。
临界纤维长度法示意图
第5章 金属基复合材料中的界面
5.4 金属基复合材料界面性能测试
5.4.1 界面强度的测试方法
（2）非连续增强金属基复合材料界面强度的测试方法
时至今日，已有的测试技术还局限在长纤维增强金属基复合材料的测试上，对非连 续增强金属基复合材料界面强度还没有确切的试验方法。只有一些学者从原子 角度或力学角度对非连续增强金属基复合材料界面强度进行估计计算和模拟， 但这些方法还很不成熟，没有统一的结论，需要进一步的探索和研究。
第5章 金属基复合材料中的界面
5.4 金属基复合材料界面性能测试
5.4.1 界面强度的测试方法
（1）连续增强金属基复合材料界面强度的测试方法 宏观测试方法
宏观实验方法是指利用复合材料宏观性能来评价纤维与基体之间界面应力状态的试验方法。 该试验是在纤维基体界面共同作用下进行的，结果除了与复合材料界面结合状况有关外， 与复合材料中的纤维、基体、孔隙及缺陷的含量与分布也有关系，所以这些方法相对来 说较粗糙，只能定性的分析评价复合材料界面性质。
复合材料界面强度细观试验方法的研究是界面细观力学的一个重要方面。它一方面可以有助 于揭示界面的物理本质, 验证理论模型的可靠性, 另一方面可以确定界面参数, 为复合材 料的设计提供依据。界面强度的研究是必须以有效的测试、表征手段为前提的。
目前尚无直接测量金属基复合材料界面结合强度的方法。对连续纤维增强金属基复合材料， 可采用较易测量的界面剪切强度来表征界面结合强度。而对非连续增强金属基复合材料， 界面变得更加复杂，影响因素也增加了很多，这给界面强度的测量带来了更大的困难， 这种剪切强度已无法测量。
材料的表面与界面 Surfaces and Interfaces
in Materials
第5章 金属基复合材料中的界面
第5章 金属基复合材料中的界面
5.4 金属基复合材料界面性能测试
界面性能主要包括力学性能（界面结合强度，区域界面硬度）和界面物理性能（导电、导热 等）。界面结合强度是指使基体与增强体从界面结合态脱开所需要的作用在界面上的应 力，它是复合材料力学性能的重要指标，是连接复合材料界面的微观性质与复合材料的 宏观性质的纽带，对复合材料的性能具有重要的影响，一直是复合材料研究领域中十分 活跃的课题。
l
P 基体
纤维
P d
断裂部位
纤维临界长径比计算示意图
第5章 金属基复合材料中的界面
5.5 界面结合状态对金属基复合材料性能的影响
5.5.1 界面反应对金属基复合材料性能的影响
Al18B4O33w/AC8A复合材料拉伸性能与挤压铸造温度关系曲线
第5章 金属基复合材料中的界面
5.5 界面结合状态对金属基复合材料性能的影响
样品平 均厚度 （μ m）
界面结合 强度
（Mpa）
9
0.523
180
68.51
12
0.662
180
86.72
9
0.654
180
85.67
离散系数 （%）
4.0 5.6 7.8
第5章 金属基复合材料中的界面
5.4 金属基复合材料界面性能测试
5.4.1 界面强度的测试方法
（1）连续增强金属基复合材料界面强度的测试方法 临界纤维长度法
第5章 金属基复合材料中的界面
5.4 金属基复合材料界面性能测试
5.4.2 增强相的临界长径比
在复合材料发生断裂时，增强相是否发生断裂取决于如下三个因素：（1）增强相的断裂强 度；（2）增强相的形状和尺寸；（3）增强相和基体界面单位面积能够传递的最大载荷。
对于一个给定的短纤维增强的金属基复合材料体系，短纤维若能在复合材料断裂时发生破断， 其长径比需要大于某一个临界值。也就是说，长径比低于该临界值的短纤维在复合材料 断裂时不可能发生破断，而只有那些长径比大于该临界值的短纤维在复合材料断裂时才 有可能发生破断。我们称该临界值为短纤维增强金属复合材料增强相的临界长径比 。
宏观试验方法，a) 短梁剪切， b) 横向或45o 拉伸， c) 导槽剪切， d) 圆筒扭转
第5章 金属基复合材料中的界面
5.4 金属基复合材料界面性能测试
5.4.1 界面强度的测试方法
（1）连续增强金属基复合材料界面强度的测试方法 单纤维拔出方法
单纤维拔出试验是将增强纤维单丝垂直埋入基体之中，然后将单丝从基体中拔出，测定纤维 拔出应力，从而求出纤维与基体间的界面剪切强度