06-12级材料表面与界面聚合物部分总结1
聚合物材料的表面与界面特性
聚合物材料的表面与界面特性随着材料科学的不断发展，聚合物材料已经成为了很多领域的核心材料。
聚合物材料通常具有良好的可塑性，高强度和化学稳定性。
特别是在电子、光电、能源等领域，聚合物材料已经得到了广泛的应用。
然而，聚合物材料的性能很大程度上取决于其表面和界面特性。
本文将从表面和界面两个方面，探讨聚合物材料的特性。
一、聚合物材料的表面特性表面特性是指一种物体在表面的某些性质，与体积内大不相同。
在聚合物材料中，表面特性对于其性能影响很大，常常占据主导地位。
1.接触角接触角是指家在液滴与固体表面的夹角。
对于聚合物材料而言，接触角的大小与其表面的疏水性有关。
通常情况下，疏水性较强的聚合物表面会使接触角变大，表面的润湿性较弱，易产生近似于球形的液滴。
相反，疏水性较弱的聚合物表面会使接触角变小，表面的润湿性较强，液滴更容易在其上展开。
2.表面能表面能是指表面分子在膜层表面留下的自由表面能。
聚合物材料的表面能可以影响其表面吸附性（如对水气泡、尘埃和异物的起伏状况）和粘附性（如与别的聚合物、金属、涂料等接触时的反应强度）。
疏水性的聚合物表面，表面能往往较低；而疏水性较差的聚合物表面，表面能通常较高。
3.形貌结构聚合物表面的形貌结构也是其表面特性之一。
如表面粗糙度、表面纹理等。
这些形貌结构变化不仅影响聚合物表面的外观，还会影响聚合物的力学性能、光学性能等。
二、聚合物材料的界面特性除了表面特性外，聚合物材料的界面特性也很重要。
界面是两个或更多物体或相转移层之间的分界面。
在聚合物材料中，界面是很常见的，如聚合物复合材料、聚合物涂料等。
1.粘附强度粘附强度是指界面两侧所负责粘附的抵抗分子间互相分离的强度。
聚合物材料的粘附强度与其界面粘合性能密切相关。
通常情况下，聚合物材料的粘附强度越高，其界面粘合性能也会越好。
2.界面应力界面应力是指交界处材料和结构间不同应力场所产生的现象。
聚合物材料的界面应力对于聚合物的力学性能、热学性能、及光学性能有着重要意义。
聚合物表面与界面技术.1
第1章聚合物表面的表征物体的表面是物质存在的一种客观形式，固体从体相延伸到表面，最终在表面形成原子及其电子分布的终端，从而导致表面具有体相所不具备的新的特点和新的特征。
同时也破坏了物体的连续性，因此，研究物体的表面比研究物体的体相有更大的难度。
在表面分析中，由于表面层的光学干涉、表面缺陷、粒度大小等表面变化为微观变化，实测结果往往与常规观察的判断有很大的区别。
表面分析实际上是物质的近表面区域的分析(表面分析、薄膜分析和体相分析)。
聚合物因自身的特点，其表面的特性在许多技术中都是非常重要的。
就聚合物商品的最终用途而言，许多情况下表面性质是关键，其中包括黏结性能、电性能、光学性能和生物体的相容性，以及透气性、化学反映能力等。
这些性质的优劣将取决于聚合物表面具有的物理和化学结构。
而理解表面特性就需要对聚合物的表面从成分和结构上进行表征，对聚合物进行改性及加入添加剂以满足所需的要求同样需要对聚合物表面进行分析。
聚合物表面分析研究的范围很广，主要包括：①表面的组成和表面状态的研究，即对表面上的元素定性、定量分析、元素存在的价态及化学键的研究；②表面电子结构和几何结构的研究；③聚合物的黏性、改性、老化、接枝等的性能和结构方面的信息。
现在应用于聚合物表面分析的技术有很多，基于一个时期以来谱仪的开发，仪器性能及谱图阐释方面的诸多进展，许多表面表征方法趋于成熟。
本章将分别介绍红外光谱、X射线能谱、二次质子离谱、扫描电镜显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜等技术在聚合物表面表征方面的应用。
1.1 红外光谱1．1．1 红外光谱基本原理红外光谱简称IR。
通过红外光照射到物质分子只能激发分子内原子核之间的振动和转动能级的跃迁，因此红外光谱是通过测定这两种能级跃迁的信息来研究分子结构。
在红外光谱中，以波长或波数为横坐标，以强度或其他随波长变化的性质为纵坐标。
红外辐射光的波数可分为近红外区(10000—4000cm-1)、中红外区(4000—400cm-1)和远红外区(400—10 cm-1)。
材料表面与界面（1）
材料表⾯与界⾯（1）材料表⾯与界⾯第⼀章绪论§1-1表⾯与界⾯的概念表⾯：通常把⼀个相和它本⾝的蒸汽（或在真空中)相接触为界⾯。
界⾯：两个不同的相或取向不同的材料相接触的分界⾯。
§1-2表⾯科学及其应⽤理想晶体（⽆限连续体）：晶胞（能反映晶体特征的最⼩单元）在三维空间上的周期性重复。
实际晶体：有边界⼀、表⾯与体内的差别1、组成上的差别―表⾯偏析(表⾯富集、表⾯偏析、晶界偏析）2、表⾯质点排列与体内的差别（表⾯结构分析）3、表⾯原⼦的电⼦结构与体内的不同表⾯上的原⼦的电⼦云空间分布变化表⾯物理化学性质变化表⾯原⼦的电⼦结构与能级变化能量和空间分布状态XPS测内层电⼦UPS测价电⼦⼆、表⾯科学的实际应⽤光学性质：增透膜、减反膜催化作⽤：1、改善材料的机械性能、腐蚀性能SiN4-SiN2O预氧化2、催化问题3、界⾯的研究固-固界⾯、固-液界⾯（润湿）4、能源的利⽤§1-3表⾯研究⽅法⼀、常⽤表⾯分析技术AES 俄歇电⼦谱AEAPS 俄歇电⼦出现电势谱SEM 扫描电⼦显微镜EPMA 电⼦探针微区分析（微探针）EELS 电⼦能量损失谱ESCA 化学分析电⼦谱（XPS）EXAFS 扩展X射线吸收精细结构HREELS ⾼分辨电⼦能量损失谱IMMA 离⼦微探针质量分析器IRRAS 红外反射吸收谱LEED 低能电⼦衍射MEED 中能电⼦衍射RHEED 反射⾼能电⼦衍射SIMS ⼆次离⼦质谱STM 扫描隧道显微镜UPS 紫外光电⼦谱XPS X射线光电⼦谱⼆、表⾯分析分类1、根据测量物理基础分类a、以电学、光学技术为基础b、表⾯电⼦谱⽅法2、表⾯电⼦谱优点：a)电⼦容易产⽣⽽且价廉b) 电⼦的荷质⽐很⼤，很容易被聚束或偏转c) 电⼦有合适的⾮弹性散射平均⾃由程（能够带回来⾮常丰富的近表⾯层的信息） d) 电⼦和原⼦、分⼦、离⼦不同，它在使⽤过程中不会影响系统的真空度，不会存在“记忆”效应 e) 电⼦能有效地加以检测缺点：a) 电⼦对样品不是完全⽆损的b) 电⼦谱探测的深度依赖于电⼦的能量和材料的特性c) 电⼦携带的信息⼀般来⾃近表⾯约1nm 的深度，所以电⼦谱包含有某些体内的性质d) 电⼦不像光束那么容易做到“偏振化”和单⾊化，并且容易受外界磁场的影响。
聚合物的表面与界面
1、聚合物表面张力大小的影响因素：
（1）温度影响聚合物材料表面张力，一般情况下，表面张力随着温度升高而降低，而且近似一种线性关系。
（2）相对分子质量影响表面张力，一般情况，表面张力随分子量增大而降低。
（3）聚合物种类、聚合物物态、内聚能、溶解度参数。
界面张力小的含义：聚合物与聚合物相容性较好、界面层厚度较厚、溶解度参数接近。
反之，界面之间张力越大，两相之间相容性越差。
两相质点间结合力越大，界面能越小，界面张力就越小；两相间结合力小，界面张力就大。
相反，同一金属（或合金）液固之间，由于两者容易结合，界面张力就小
9．表面张力与界面张力有何异同点？界面张力与界面两侧（两相）质点间结合力的大小有何关系？答：界面张力与界面自由能的关系相当于表面张力与表面自由能的关系，即界面张力与界面自由能的大小和单位也都相同。
表面与界面的差别在于后者泛指两相之间的交界面，而前者特指液体或固体与气体之间的交界面，但更严格说，应该是指液体或固体与其蒸汽的界面。
广义上说，物体（液体或固体）与气相之间的界面能和界面张力为物体的表面能和表面张力。
当两个相共同组成一个界面时，其界面张力的大小与界面两侧（两相）质点间结合力的大小成反比，两相质点间结合力
越大，界面能越小，界面张力就越小；两相间结合力小，界面张力就大。
相反，同一金属（或合金）液固之间，由于两者容易结合，界面张力就小。
物体的界面张力不变,界面自由能不变,界面结合力不变。
材料表界面知识点汇总
材料表界面知识点汇总1.表，界面是指一个相到另一个相的过渡区域。
2.表界面可以分为一下五类：固-气，液-气，固-液，液—液，固—固。
3.把凝聚相和气相之间（固-气,液-气）的分界面称为表面；把凝聚相之间（固—液，液-液，，固-固）的分界面称为界面.4.理想表面的定义：指除了假设确定的一套边界条件外，系统不发生任何变化的表面。
特点：表面的原子位置和电子密度都和在体内一样，且在实际生活中理想表面是不可能存在的。
5.清洁表面的定义: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一系列物理，化学效应的表面.特点：可以发生多种与体内不同的结构和成分变化.6.吸附表面的定义：吸附有外来原子的表面称之为吸附表面.特点：吸附原子可以形成无序的或有序的覆盖层。
7.材料表面的分类：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，粘接界面,熔焊界面.8.表面张力的定义:在液体表面膜中,存在着使液体表面积缩小的张力，这种张力称为表面张力.9.吸附是组分在热力学体系的各相中偏离热力学平衡组成的非均匀分布现象。
通常将被吸附的分子成为吸附质，固体则称为吸附剂.10.吸附类型分为物理吸附和化学吸附。
11.表面张力计算公式:12.表面张力产生的根本原因是分子间相互作用力的不平衡引起的。
13.表面张力本质上是由分子间相互作用力，即范德瓦尔斯力，单位为:J/m2place方程:附加压力的方向总是指向曲率中心一边，且与曲率大小有关。
place方程：球面: 与曲率半径成反比任意曲面：；对于平液面，两个曲率半径都为无限大，p=0，表示跨过平液面不存在压差。
16.当毛细管浸在液体中，若液体能浸润管壁，则会发生毛细上升现象，液面呈凹月形。
反之，若液体不能浸润管壁，则液面下降呈凸液面。
17.Kelvin公式：po为T温度下,平液面的蒸汽压；P为T温度下,弯液面的蒸汽压；V为液体摩尔体积；r为弯液面的曲率半径。
材料的表面与界面第一章 表面与界面的基础知识
表面张力和表面自由能是对同一表面现象从 力学和热力学角度所做的描述。
表面张力的力学概念直观、易应用，在分析 各种界面同时存在的各界面张力的平衡关 系时容易理解。
表面自由能的概念反映现象的本质，讨论表 面现象的各种热力学关系时应用表面自由 能概念更贴切和方便。
在采用适宜的单位时（如表面张力用mN.m-1, 表面自由能用mJ.m-2），同一体系的表面 张力和表面自由能数值相同。
的高度h服从washburn方程：h2=ctrcos/2η 和η为液体的表面张力和黏度；c为毛细管因子，r为与粉体
柱相当的毛细管平均半径，一般将cr作为仪器常数。
五. 浮选与接触角
测定接触角后可以用来计算固体的表面能， 润湿热，吸附量等有用的数据。
在工业上接触角的研究的最大应用在泡沫浮 选：在矿浆中加入起泡剂等后通入空气形 成泡沫，由于水对矿石粉不同组成的润湿 性质不同，有用矿粉体附着在泡沫上并上 浮分离，无用的矿粉体则沉入水底。每年 全世界用浮选法分离的矿石达到10亿吨以 上。
材料表面与界面研究的意义 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，这是因为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，因此产生了表面 能。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。即使是单组分的材料，由于内部 存在的缺陷，如位错等，或者晶态的不同形成晶界，也可能在内部产 生界面。材料的表界面对材料整体性能具有决定性的影响，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。因此研究材料的表界面现象具有重要的意义。
-GS=sg - lg - sl = S
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
聚合物表面与界面科学
聚合物表面与界面科学
2013年8月1日12时20分
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表面张力=分子间作用力(关系以下讨论) 晶态分子间力>非晶态 因此，晶态表面张力>非晶态表面张力 如PE，晶态σ=66.8mN/m(20℃)，非晶态 σ=35.7mN/m(20℃)。但控制和测定聚合物 的表面结晶态并不容易。(p66，PE在不同表 面上结晶) 为了保持低能量状态，晶相会自动转入内部
多元体系中，表面张力低的级份优先吸附(迁 移)到表面(以降低表面能[张力])
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表面张力符合线性加合规则： σ=σ1x1+σ2x2
σ、σ1、σ2--分别为共聚物、组分1和组分2的 表面张力 x1、x2--分别为组分1和组分2的主要摩尔分 数 无规共聚物都是短链，在分子链的牵制下无 法迁移到表面
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表面张力=凝聚态自身分子间力-凝聚态分子 与气态分子作用力 分子间力∝（分子间距）-7 气态分子间距大，与凝聚态物质作用可以忽略， 因此，表面张力=凝聚态物质自身分子间力 物质表面积增加=将一部分分子移到表面=克服 表面张力做功=能量提高=不稳定=物质有自动 减小表面积的趋势
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按照物质的三态，气、液、固，互相和自身之 间都有界面，应该有六种界面。但所有气体 之间都是可以互溶的，即不存在气-气界面。 所以，剩下五种分为两类： 表面：液-气、固-气 界面： 液-液、液-固、固-固
材料科学-材料的表面与界面
8.2 晶体中的界面结构
8.2.1 界面的类型与结构
晶界
相界
Mg-3Al-0.8Zn合金中的晶界
Pb-Sn合金中的相界
8.2 晶体中的界面结构
一、界面的自由度 晶界的性质取决于它的结构，而晶界的结构在很大程度上取
决于与其相邻的两个晶粒的相对取向和晶界相对于其中一个晶 体的相对位向。 从几何角度，晶界定义： （1）获得相对取向的旋转轴μ取向； （2）最小旋转角度θ值； （3）晶界（假设平面）在晶体中的位置。 从几何上描述一个晶界需要5个自由度。
8.2 晶体中的界面结构
二、小角晶界 小角晶界： 两个晶粒的位相差在10°以下 典型－亚晶界 晶粒平均直径一般在微米量级，而亚晶粒的平
均直径则通常在纳米量级。 简单小角晶界： 倾转晶界－由刃型位错构成 扭转晶界－由螺型位错构成
8.2 晶体中的界面结构 （1）对称倾转晶界
8.2 晶体中的界面结构 对称倾转晶界可看成是由 一列平行的刃型位错所构成， 很明显，位错间距D与柏氏 矢量b之间的关系为：
可见，晶界上位错密度为： ρ = 1/D = θ/b（单位面积上的位错长度）。
8.2 晶体中的界面结构
当b=0.25nm θ=1°时，D=14.3nm； θ=10°时，D = 1.4nm ≈ 5b（5个原子间距）
一般说来，只有当θ < 5°时，位错才可分辨，此时D = 12b 。在θ = 10°时，5－6个原子间距就有一个位错。位错密度过 大，此时的晶界将全部是位错心，这种结构显然是不稳定的。 因此，θ大时，这个模型不适用。
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
表面与界面知识点总结 -回复
表面与界面知识点总结 -回复
表面与界面知识点总结：
1. 表面现象：由于固体表面分子的结构不同于其内部，故表面分子有一些特殊的性质，如表面张力、表面能、界面张力等。
2. 表面张力：由于表面分子受到相邻分子的吸引力而对内聚性较强。
表面张力可由液滴的形态及表面积变化计算出来。
3. 表面能：由表面分子吸引而形成的表面存在着一定能量，该能量称为表面能。
表面能越大，表面张力越强。
4. 界面张力：液体与气体、液体与固体之间的接触面上会形成界面张力。
液体-气体界面张力使液体产生球形，液体-固体界面张力使液滴变成半球形。
5. 单层分子膜：将一种分子吸附在固体表面上形成的单层分子膜，具有一定的表面活性和润湿性。
6. 表面增强拉曼散射（SERS）：将分子吸附在纳米金属表面上，可在表面增强的作用下使与特定振动光谱相关的光谱峰增强数千倍。
7. 多相反应催化剂：多相反应催化剂是将催化剂固定在固体表面上，可在多相催化反应中提高反应速率和选择性。
8. 界面化学：研究不同相之间的相互作用及二者之间的交换现
象的学科，包括了表面化学、胶体化学等方面的研究。
9. 分散体系：由于存在各种散体而形成的体系，如泡沫、乳液等。
在这些分散体系中，表面的性质是十分重要的。
材料科学基础-材料的表面与界面
n is u is n ib u ib n ib u ib 2 2 2 n is U 0 n is 1 1 n ib N n ib
如果用LS表示l m2表面上的原子数，从上式得到：
LS U 0 N nis 1 U SV LS 0 nib
NJ University of Technology
如：固体物料之间的化学反应、溶质的浸润 及吸附等现象都在表面进行。 2）界面:一个相与另一个相之间相互接触的分 界面。 一般就是指相邻两个结晶空间的交界面。 多晶材料中不同晶粒之间的晶界。 3）相界面：任何两种不同状态之间的分界面 称之为相界面，如固-气、固-液、固-固、 液-气和液-液界面。
一、固相表面的特征
• 1、固相表面的不均一性 • 原因：（1）由于晶体是各向异性的，因而同 一个晶体可以有许多性能不同的表现。 （2）同一种固体物质由于制备和加工条件不 同也会有不同的表现性质。 （3）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。 （4）由于表面会吸附外来原子而引起固体表 面的不均一性。 固体表面的不均一性，使固体表面的性 质悬殊较大，从而增加了固体表面结构和性 质研究的难度。
下面介绍两种近似的计算方法
1. 共价键晶体表面能 共价键晶体不必考虑长程力的作用，表面能 (us)即是破坏单位面积上的全部键所需能量之一半。
us 1 ub 2
以金刚石表面能计算为例，若解理面平行于 (111)面，可计算出每平方米上有1.83×1019个键， 若取键能为：376.6kJ· －1，则可算出表面能为： mol
重排过程
这是松驰作用的一个后继过程，表面质点 在松驰之后通过重排来进一步降低表面能。 从晶格点阵排列的稳定性考虑：（1）作用 力较大、极化率小的正离子应处于稳定的晶格位 置。（2）为降低表面能，重排过程必须使各离 子周围的作用能尽量趋于对称。
表面与界面总结
表面热流强化 采用近代技术（如激光束，电子束等）对金属零件的表面进行快速加热，然 后快速冷却，使金属表面、亚表面发生相变，形成表面强化区。如：感应加 热表面淬火、激光表面淬火、电子束表面淬火、流态床表面硬化。
表面合金化 将金属或非金属（溶质原子）沉积在基体金属表面上，通过扩散作用渗入到 基体金属表面内，改变表面的化学组成、相结构，从而达到提高表面性能的 作用。如：提高表面抗高温氧化、抗热腐蚀、抗电化学腐蚀、耐摩擦磨损、 耐酸、耐碱等。
光学薄膜 阳光控制膜 低辐射系数膜 防激光致盲膜─ Al2O3、SiO2、 、TiO、TiO2 、Ta2O5、 Cr2O3、NiAl、金刚石和类金刚石薄膜 以及 Au、 Ag、 Cu、 Al 薄膜 反射膜 增反膜 选择性反射膜 窗口薄膜
微电子学薄膜 电极膜 电器元件膜─ Si、GaAs、GeSi 5
化学转化 化学转化技术，是指采用化学处理液，使金属表面与溶液界面上产生化学或 电化学反应，生成稳定化合物的薄膜处理技术。
电化学转化 一种在电解质溶液中在外电流的作用下，在制件表面形成氧化膜的技术，称 为阳极氧化，也称为阳极化。 离子注入 4
利用真空系统中离化出的离子，在高电压下加速，直接注入材料表面，形成 很薄的离子注入层，从而改变材料表面的组成与结构，达到改善材料表面性 能的作用。
a) 深入开展了表面失效分析研究 梳理划分了机械零件的 11 类 38 种失效形式（如弹、塑性变形，塑、脆性 断裂，疲劳，腐蚀，磨损，蠕变等） ；研究机械零件在宏微观尺度下表面从微损 伤发生到连续晶体内部裂纹萌生的过渡过程，揭示零件疲劳裂纹产生机制，阐明 裂纹演化的本真溯源；掌握结构、材料、载荷等特征对零件跨尺度损伤的影响机 理及损伤演变规律，揭示零件表面损伤与多物理表征参量（力、磁、电、热等） 之间的映射关系，建立零件损伤的量化表征机制。 b) 深入开展了表面摩擦与磨损理论研究 针对表面涂层的特殊表面/界面结构特征，研究相对运动中的表面涂层的摩 擦匹配行为，揭示硬度、韧性、红硬性等表面性能在特定服役工况下适应摩擦匹 配需求（硬/硬匹配、软/硬匹配等）的作用机理，优化表面涂层的材料学匹配设 计； 研究表面涂层在润滑油膜及固体润滑膜作用下的润滑行为，揭示表面材料特 性对 Stribeck 润滑曲线的影响机制， 阐述固体润滑薄膜中润滑原子在摩擦剪切作 用下于对摩擦零件间的粘附与转移机理。 c) 深入开展了表面腐蚀与防护理论研究 针对表面涂层特殊的孔隙效应及耐蚀需求，研究腐蚀过程中，宏观腐蚀电池 和多元微观腐蚀电池间的相互作用机制， 建立多元微区电位和宏观腐蚀电流间的 映射关系，研究氯离子与其它化学离子的协同作用，分析涂层的表/界面成分、 相结构、 应力状态及微观缺陷等对腐蚀介质穿透行为的影响机理；研究耐蚀合金 及耐蚀颗粒等增强相对表面涂层腐蚀寿命的增强行为， 揭示表面涂层多相材料体 系中增强相在抵抗无机离子溶解扩散腐蚀的作用机理及增强相与基质相间的协 同效应。 d) 深入开展了表面与界面的结合理论研究 研究高能量密度束流作用下零件基体材料与熔覆材料间的原子键合行为， 揭 示跨温度、 跨形态的晶体分布规律与键合机理；研究熔覆材料在熔池中的稀释行 为与涂层快冷凝固过程中的冶金动力学行为， 揭示熔滴的温度变化规律及其对零 件的热影响规律； 研究凝固过程中温度场与应力场之间的映射关系，揭示熔池质 量场的变化规律及涂层应力场的演变特征； 研究非高能量密度热源作用下零件基 体材料与添加材料间的原子嵌合动力学行为， 揭示嵌合界面原子非对称扩散机理； 2
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。
聚合物界面和表面
碳纤维
碳纤维表面有很多的孔隙、凹槽、杂 质等，主要由碳和少量的氮、氧、氢 等元素组成。 碳纤维的表面只含有碳、氢、氧三种 元素，未经表面处理的碳纤维表面含 有少量的羟基和羰基，由于其极性基 团的含量很少，不利于其与基体树脂 的黏结。
碳纤维SEM形貌
PBO纤维
聚对苯撑苯并二噁唑，简称PBO，化学结构为：
（1）玻璃纤维表面吸水，生成羟基；同时有机硅烷水解生成硅醇。
（2）硅醇与吸水的玻璃纤维表面反应生成氢键，以及硅醇分子间 生成氢键作用。
（3）进行低温干燥，硅醇之间发生醚化反应。
（4）进行高温干燥，硅醇与吸水的玻璃纤维表面间进行醚化反应。
以上是理想的单分子反应机制。实际处理过程中，有机硅烷偶 联剂由于表面吸附等原因，常以多分子层的形式结合于玻璃纤维表 面。有机硅烷中的X基团只影响反应的第一步，即硅烷的水解阶段； 而R基团存在于处理后的玻璃纤维表面，将与基体树脂发生化学反 应，其反应活性决定了偶联剂与树脂的反应速率，活性越大，与树 脂基体反应的概率就越大，处理效果就越好。 硅烷偶联剂对玻璃纤维表面处理 后，可显著改善其复合材料的力学 性能及耐环境介质稳定性。右图是 玻璃纤维表面经过 A-151（乙烯基 三乙氧基硅烷）和A-174（γ-甲基丙 烯酸丙酯基三甲氧基硅烷）处理后， 复合材料弯曲强度随水煮时间的变 化。
作用机理：臭氧热分解生成活性极强的新生态氧，进而与碳 纤维表面不饱和碳原子反应，生成含氧官能团，使其含氧官 能团大幅度增加，其中增加最多的是羧基，而羧基可与树脂 的活性基团结合生成很强的化学键，从而能够提高材料的界 面强度。 工艺参数：处理温度：100-180℃；处理时间：30-200s； 臭氧含量：0.5%-3.0%； 含臭氧的氧化性气体流向与碳纤维运行方向同向
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举例说明聚合物表面处理的应用和意义。
研究聚合物表面与界面的意义： （1）要求制品有精美的外观以提高制品的商品价值； （2）要求制品具有某些特殊的表面性能以满足制品各种使 用要求。 （3）多组分多相聚合物的性质优劣在很大程度上取决于界 面相互作用的结果。
表面（surface）：真空下的物体的最外层。
聚合物表面化学处理方法有哪些？举例说明聚合物表面化学处理 方法的应用。
（1）化学药品处理法
（2）偶联剂处理 （3）气体处理 采用火焰处理时，采用如下方法来控制制品的处理效果
调整火焰的大小、强弱； 调整火焰与制品表面的距离； 控制火焰处理时间等。
机械处理法包括切削、磨削、抛光、滚光、喷砂、揉面等。
等离子体引发聚合：引发单体或其他气体产生自由基，在表面 进行沉积并聚合成膜。 等离子体聚合：单体自身成为等离子体，在高分子表面形成聚合 膜。
辉光放电处理优缺点。
电晕放电处理优缺点。
氩等离子体处理：PE表面含氧。 氮等离子体处理：PE表面含氧，同时含氮。 C—N键为化学键，可以测到弱的峰。 PTFE也得到同样结果。 用于印刷和粘接的PE电晕处理后的临界表面张力应大于43 dyn/cm。
等离子体聚合膜的特性： 良好的物理机械性能：密度大、机械强度高、耐热、耐化学药品性、 与基片密接性好； 良好的介电特性、绝缘击穿特性； 良好的感光性和导电性。 应用：主要应用于微电子领域。 ①介电特性与薄膜电容器： ②绝缘击穿特性与绝缘保护膜： ③感光性与光刻胶膜： ④导电性与在器件上的应用。
真空蒸镀法表面处理的应用： 制品优异性能，价廉，应用广泛。 具体应用： （1）装饰方面；（2）光学方面；（3）电气方面；（4） 农业方面；（5）建筑方面；（6）包装方面。
真空蒸镀对聚合物基材有什么要求？不满足条件情况下有什么改 善方法？真空蒸镀材料的应用有哪些？
对聚合物基材要求： （1）真空中释放的气体应该小（或不释放）：气体：水分、 残留溶剂、增塑剂、稳定剂、紫外吸收剂、未反应单体等。 （2）与蒸镀金属附着力要大：极性大小、结晶度大小、粗糙 度大小。（3）热稳定性：不分解，尺寸稳定。（4）薄膜表 面摩擦系数要适当。 若不满足，可采取下述方法处理进行改善： （1）予干燥以减小气体的释放； （2）电晕处理以增加极性； （3）牢固地涂布一层涂料。 制品优异性能，价廉，应用广泛。 具体应用： （1）装饰方面；（2）光学方面；（3）电气方面；（4）农 业方面；（5）建筑方面；（6）包装方面。
非反应型增容剂的作用原理为： ①降低两相之间界面能；②在聚合物共混过程中促进相的分散；③ 阻止分散相的凝聚；④强化相间粘结。 非反应型增容作用模型示意图如下：
添加剂表面处理法：通过添加少量助剂的方法，依靠添加剂 的扩散等作用而制成具有新的表面的方法。 添加有机硅的优点为：（1）不渗出、（2）对热变形温度 和维卡软化点无影响、（3）对脱模性能有利，不需要再加 入外脱模剂、（4）改性后的热塑性塑料，可与未改性材料 一样进行印刷、粘接、电镀、焊接等二次加工等。 塑料电镀工艺过程包括： 表面处理工艺，镀金工艺。 （Ⅰ）表面处理工艺 a）整面；b）脱脂；c）刻蚀（腐蚀）： (Ⅱ)镀金工艺 a)光敏处理；b)激活、活化；c)化学镀；d)电镀。
聚合物表面与界面总结
一、名词解释：（每个2分，共10分）-这部分我出 二、填空题（每个1分，共10分）-这部分我出。
三、简答题（共50分） 4个题每题5分，5个题每题6分，合计9个题 我出20分题。4个题每题5分； 刘敬肖老师和姜老师合出5个共30分。刘敬肖4个，姜老师1 个。 四、论述题（每题10分，共30分） 各出1个。
磨削方法中有干磨和湿磨两种。 干磨 优点是磨削后无须清洗和干燥。 缺点为粉尘飞扬，容易过热，严重时甚至影响制品质量。 有燃烧、爆炸的可能，必须配备排尘设备，另外，砂带使 用寿命短。 湿磨 优点是磨后表面细洁，克服干磨的缺点。 但磨削后的制品必须清洗和干燥。 紫外线照射处理原理：利用紫外线或室外太阳光经较长时间 暴晒聚烯烃表面。可以引发氧化反应，临界表面张力增高， 粘合性能改善。 润湿性质没有太大变化，但粘接性大大提高，粘接强度变得 非常大。
增容剂分为反应型和非反应型 两类。
增容作用：增容作用有两方面涵义：一是使聚合物之间易于相互分 散以得到宏观上均匀的共混产物；另一是改善聚合物间相界面的性 能、增加相间的粘合力，从而使共混物具有长期稳定的优良性能。
反应增容：外加反应性增容剂与共混聚合物组分反应而增容； 也包括使共混聚合物组分官表面活性剂 （二）阳离子表面活性剂 （三）两性离子表面活性剂 二、非离子表面活性剂 临界胶束浓度（CMC）：表面活性分子缔合形成胶束的最低 浓度。CMC的大小与物质的结构、组成有关。 HLB值：是表面活性剂中亲水和亲油基团对油或水的综合亲合 力，是用来表示表面活性剂的亲水亲油性强弱的数值。
现代表面分析包括表面组成、表面结构、表面能态和表 面形貌等四方面的内容。 工业上表面处理效果的常用检测方法包括接触角的测定、临 界表面张力的测定、划格法等。
表面活性剂(surfactant)，是指具有固定的亲水亲油基团， 在溶液的表面能定向排列，并能使表面张力显著下降的物 质。
表面活性剂的分类。举例说明表面活性剂的作用和应用。
为使PE的粘接强度提高进行紫外线照射处理时，波长至少要 选用比254nm小的波长，气氛种类最好是氦气那样的惰性气 体；压力在1mmHg左右，时间在30min以上。
等离子体：是除了固态、液态、气态的物质第四态，是物质 存在的另一种形态。是一种气态物质，总的来说，等离子体 就是电离气体，是电子、离子、原子、分子或自由基等粒子 组成的集合体。其中含有原子、分子、离子亚稳态和它们的 激发态，还有电子，而正电荷类物质（质点）与负电荷类物 质（质点）的含量大致相等。
什么是等离子体？等离子体聚合物膜与传统的聚合物膜结构上 有什么区别？有何特性？谈谈确定其结构的一些测试方法和依据。
等离子体：是除了固态、液态、气态的物质第四态，是物质存在的另一种形 态。是一种气态物质，总的来说，等离子体就是电离气体，是电子、离子、原子、 分子或自由基等粒子组成的集合体。其中含有原子、分子、离子亚稳态和它们的 激发态，还有电子，而正电荷类物质（质点）与负电荷类物质（质点）的含量大 致相等。 结构上为网状结构。 实验依据： ①IR法： 普通PE膜有720cm-1峰等离子体聚合的PE膜无此峰。。 ②热分解气相色谱法： 普通PE膜的（CH2）n，n>20；而等离子体聚合的PE膜，n<10。 ③元素分析： 等离子体聚合的PE，H/C=2.7/2 。与直链PE相比，H原子数目严重不足。 （直链PE的H/C约为2/1）。 ④耐化学药品性： 等离子体聚合的PE膜在沸腾的二甲苯中无变化。 差热分析：普通PE，Tm为120～140℃；等离子体聚合的PE到330℃时形态、 色调均无变化。 ⑤介电损耗—温度特性：tanδ经时变大。
解决聚合物表面起雾的方法有： ①表面疏水法：设法使塑料表面不被水所润湿，形成高疏水性结构。当满 足起雾条件时，表面即使是已开始结露，也会因为生成粗大水滴而很快脱 落，使表面保持透明。 ②表面亲水法：设法使塑料表面的润湿性良好，对水的接触角减小。当表 面吸附液态水时，水分即在表面铺展开来，形成水膜，水膜对于自然光线 有良好的透射性，因而克服了漫反射现象，使表面透明。 ③内部添加活性剂法，在聚合物制品的生产过程中，在配方内加进某些表 面活性剂，形成制品时活性剂从内部逐渐向表面扩散并重新排列，使亲油 基团指向聚合物内部，亲水基团伸向表面，从而使表面达到亲水化的目的。 ④聚合物表面温差法：设法使聚合物表面温度始终保持在露点之上，以防 止发生雾化现象。通常可采用在聚合物制品生产配方中添加活性物质的方 法，提高聚合物的恒压热容，增加制品的吸热性能，以起到这一功效。 ⑤聚合物整体活化法：在聚合物配方体系中加入少量含结晶水的盐类添加 剂，制品在白天因环境气温较高而失去结晶水，在夜晚因环境温度低而吸 收水分。吸附水可以从表面吸收进聚合物内部又可以从内部转移至聚合物 表面而形成水膜进而防止雾化。
机械处理法 （磨削、切削抛光、滚光、喷砂、揉面等） 化学处理法 （化学药品处理、溶剂处理、偶联剂处理、表面接枝等） 物理处理法 （紫外线处理、等离子体处理、溅射刻蚀、表面金属化等）
按照使用方法性质可分为
聚合物表面处理的目的： 1）美观装饰及标志作用； 2）二次加工； 3）提高材料抵御外界环境作用的能力； 4）赋予材料特殊的功能－－功能高分子。
玻璃纤维增强塑料时，玻璃纤维为什么要进行表面处理？有哪几种 处理方法？ 答：需要除掉表面吸附水层和表面的其他物质。 （1）玻璃纤维的高度吸水性 玻璃纤维表面的不平衡状态，产生了具有强烈吸附类似状态的极性 分子的倾向。 水膜对增强塑料的影响： ①影响玻璃纤维与高分子树脂的粘结强度（形成弱边界层）。 ②水会渗入玻璃纤维表面的裂缝中，使玻璃水解成硅酸胶体，降低 玻璃纤维强度。 ③含碱越高，水解性越强，强度降低得越厉害。 （2）为了满足纺织要求，拉丝时采用石蜡乳化型浸润剂（含油脂 类和一些亲水性化学物质），是影响界面粘合的因素（弱边界层）。 通常有： （1）热－化学处理法： 1)洗涤法－用溶剂洗涤；用碱洗涤；2)烘 烧法；3)高温热处理法。 （2）前处理法；（3）迁移法。
界面（interface）：两个物体的相态相接触的分界层。即两 相间的交界部分。 按每两种相态相互接触生成的界面，就会有五种界面： 液体/气体界面；液体/液体界面；固体/气体界面；固体/液体 界面；固体/固体界面。
表面粗糙度：固体表面的微观不平度的定量尺度。
聚合物表面处理是指用物理、化学、机械等方法对聚合物制品 表面进行处理，根据应用的需要有目的地改变聚合物表面的物 理化学性质的过程。
等离子体聚合机理： 单体经放电发生等离子体后，生成的自由电子具有较高的能量。通过碰撞 激励产生了大量的氢原子、自由基和衍生单体等。这些基团化学活性相当 高，可参与各种反应。 除进行直链聚合外，在链增长的过程中，还会受到荷能电子的撞击， 随机地在主链的某个位置上产生自由基，以至形成支化或交联。 如此生成的膜往往具有网状结构，每3～5个单元就可能有一个支化结构