材料表面与界面-1PPT课件

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。
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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)。
（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。
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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”
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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
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？
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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；
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。
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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。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
（5）固-固界面
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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
• 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。
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• 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）
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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；
材料表面与界面
胡福增 主编
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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
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
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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。
内部
d0
内部 内部
d0
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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。
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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
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
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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
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。