材料表面界面 第一章 绪论

1、授课人：李立华授课人：李立华QQ:626873812QQ:6268738121343028749213430287492材料科学与工程系材料科学与工程系高分子材料表界面高分子材料表界面主要参考资料主要参考资料参考书：参考书：胡福增胡福增 等等 主编，材料表界面，上海：华东理工大学出版主编，材料表界面，上海：华东理工大学出版社，社，20112011。黄玉东黄玉东 编著，聚合物表面与界面技术，北京：化学工业编著，聚合物表面与界面技术，北京：化学工业出版社，出版社，20032003。3. 3. 英英 D D 布里格斯，聚合物表面分析，北京：化学工业布里格斯，聚合物表面分析，北京：化学工业出版社，出版

2、社，20032003。4. 4. 吴人洁吴人洁 等著，高聚物的表面与界面，北京：科学出版等著，高聚物的表面与界面，北京：科学出版社，社，19981998。5. 5. 华中一、罗维昂，表面分析，上海：复旦大学出版社，华中一、罗维昂，表面分析，上海：复旦大学出版社，19921992。6. 6. 顾惕人、朱步瑶、李外郎、马季铭、戴乐蓉、程虎民编顾惕人、朱步瑶、李外郎、马季铭、戴乐蓉、程虎民编著，表面化学，北京：科学出版社，著，表面化学，北京：科学出版社，19991999，第二版。，第二版。n主要内容主要内容 q第1章 绪论q第2章 液体界面q第3章 固液界面q第4章 表面活性剂q第5章 高分子材料的

3、表面张力q第6章 聚合物的表面改性q第7章 生物材料的表面改性q第8章 复合材料界面q第9章 高分子材料表面分析第一章 绪论 例：国产拉丝机与国外的主要差距在于拉丝轮的寿命：国产的为半年，国外先进的为五年。 原因：在于材料的表面处理，基体材料是一样的。在拉丝轮的外圈，涂一层高硬度、低摩擦系数的陶瓷涂层。国内的技术还不能达到。n材料表面的材料表面的结构结构和和化学化学组成，与材料内部有明组成，与材料内部有明显的差别；显的差别；（1 1）多组份材料；）多组份材料；（2 2）单组份材料。）单组份材料。 材料的制备和使用性能，会受到表面特性的材料的制备和使用性能，会受到表面特性的强烈影响。强烈影响。为

4、什么要学材料表界面？n材料科学、信息科学和生命科学材料科学、信息科学和生命科学是当前新技术革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。中有重要的地位。n材料表界面对材料整体性能具有决定性影响，材料表界面对材料整体性能具有决定性影响，材材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘料的腐蚀、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。结、复合等等，无不与材料的表界面密切有关。普通棉布蘸上水就湿了，普通棉布蘸上水就湿了，但经表面处理后却能成但经表面处理后却能成为防雨布。为防雨布。涂油漆时，要求油漆涂

5、油漆时，要求油漆能展成薄层又不脱落。能展成薄层又不脱落。印刷时要求油墨能润印刷时要求油墨能润湿纸张。湿纸张。鸡掉进河里就成为落鸡掉进河里就成为落汤鸡；而鸭子却能在汤鸡；而鸭子却能在水中漫游。水中漫游。荷花具有出污泥而不染的气节。荷花具有出污泥而不染的气节。例子例子镁合金AZ31有涂层样品任何两相（任何两相（phasephase）之间的交界称为界面（）之间的交界称为界面（InterfaceInterface），），包括气包括气- -液、液液、液- -液、气液、气- -固、固固、固- -液和固液和固- -固。固。习惯上，有习惯上，有气相气相参与的相界面称为表面（参与的相界面称为表面（Surface

6、Surface）。）。1.1 1.1 基本概念基本概念1.1.11.1.1表、界面定义表、界面定义气气-液界面液界面 表界面通常有五类：气表界面通常有五类：气-液界面（表面），气液界面（表面），气-固界面（表面固界面（表面），液），液-液界面，液液界面，液-固界面，固固界面，固-固界面。固界面。气气-固界面固界面液液-液界面液界面液液-固界面固界面固固-固界面固界面复合材料界面模型界面区域的化学组分、分子排列、结构、能界面区域的化学组分、分子排列、结构、能量、热性能、力学性能呈现连续的梯度性变量、热性能、力学性能呈现连续的梯度性变化！化！A相本体相本体B相本体相本体A相表面层相表面层B相表面层

7、相表面层层界面吸附层层界面吸附层界面区域但是，相与相之间没有截然的分界面但是，相与相之间没有截然的分界面。1. 物理表面定义：定义：三维规整点阵到体外空间之间的过渡区域。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。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。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。物理界面是不同于两相的第三相。1. 1. 物理表面物理表面 （1 1）理想表面：理想表面：指除了假设确定的一指除了假设确定的一套边界条件外，不发生任何变化的表面。套边界条件外，不

8、发生任何变化的表面。 （2 2）清洁表面：清洁表面：指不存在任何污染的指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应化学纯表面，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。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表面上会发生与体内结构和成分不同的变化，如：驰豫、重构、台阶化、偏析变化，如：驰豫、重构、台阶化、偏析和吸附等。和吸附等。 （3 3）吸附表面：吸附表面：吸附有外来原子的表吸附有外来原子的表面。面。清洁表面发生的常见重要物理化学现象清洁表面发生的常见重要物理化学现象（3 3）吸附表面）吸附表面 吸附(adsorption)是指在固相气相、固相

9、液相、固相固相、液相气相、液相液相等体系中，某个相的物质密度或溶于该相的溶质浓度在界面上发生改变（与本体相不同）的现象。 吸附有外来原子的表面成为吸附表面，吸附原子可以形成无序的或有序的覆盖层。2.2.材料表界面材料表界面n机械作用界面机械作用界面 切削，研磨，抛光，喷砂，磨损等切削，研磨，抛光，喷砂，磨损等n化学作用界面化学作用界面 反应，粘接，氧化，腐蚀等反应，粘接，氧化，腐蚀等n固体结合界面固体结合界面 真空，加热，加压，界面扩散等真空，加热，加压，界面扩散等n液相或气相沉积界面液相或气相沉积界面 物质以原子尺寸从液相或气相析出物质以原子尺寸从液相或气相析出n凝固共生界面凝固共生界面 两

10、个固相同时从液相中凝固析出两个固相同时从液相中凝固析出n粉末冶金界面粉末冶金界面 热压，热锻，烧结，热喷涂等热压，热锻，烧结，热喷涂等n粘结界面粘结界面 无机或有机粘结剂粘结两固体无机或有机粘结剂粘结两固体n熔焊界面熔焊界面 固体表面形成熔体，凝固而成固体表面形成熔体，凝固而成1.1.2表面能与表面张力表面能与表面张力1.1.表面层分子与内部分子表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不相比，它们所处的环境不同。同。2.2.气液表面的分子净受到指气液表面的分子净受到指向液体内部的力；向液体内部的力；表面张力表面张力本质是分子间相互作用本质是分子间相互作用3.从液体内部将分子移到表从液体内部将分

11、子移到表面要克服分子间引力而做面要克服分子间引力而做功，使系统自由焓增加；功，使系统自由焓增加；表面能表面能：每增加单位表面积时，体系自由能的增量：每增加单位表面积时，体系自由能的增量 单位单位J Jm m-2-2表面张力表面张力：扩张表面单位长度所需要的力。：扩张表面单位长度所需要的力。 表面张力是物体的主要表面性能之一，不同的物体由表面张力是物体的主要表面性能之一，不同的物体由于其组成和结构的不同，其表面张力也不同，但总是力于其组成和结构的不同，其表面张力也不同，但总是力图缩小物体的表面，趋向稳定。图缩小物体的表面，趋向稳定。n表面张力的本质是分子间的相互作用。表面张力的本质是分子间的相互

12、作用。皂膜皂膜dALXdxFn本质来源是：表面原子本质来源是：表面原子( (离子、分子离子、分子) )所处所处力场的不对称性力场的不对称性。1.1.3表面吸附表面吸附1. 1. 吸附与偏析吸附与偏析吸附吸附： 气相中的原子或分子聚集到气气相中的原子或分子聚集到气- -固或液固或液- -固界面上，而固界面上，而又不生成稳定的凝固相。又不生成稳定的凝固相。偏析偏析：溶液或固溶体溶质在相界、晶界或缺陷上的聚集。：溶液或固溶体溶质在相界、晶界或缺陷上的聚集。吸附一般发生在表面；偏析发生在界面吸附一般发生在表面；偏析发生在界面 固体表面具有吸附其他物质的能力。固体表面具有吸附其他物质的能力。 如果被吸附

13、物质深入到固体体相中，则如果被吸附物质深入到固体体相中，则 称为吸收（称为吸收（absorption）。）。 根据吸附力的本质，可将固体表面的吸根据吸附力的本质，可将固体表面的吸附作用区分物理吸附和化学吸附。附作用区分物理吸附和化学吸附。（adsorption）2. 吸附的类型吸附的类型1.1.4 表面扩散传质表面扩散传质 表面传质是基本的表面过程，包括沿表面和界面的扩散，穿越表面传质是基本的表面过程，包括沿表面和界面的扩散，穿越界面的扩散和界面移动等多种与界面原子运动相关的物质运输。界面的扩散和界面移动等多种与界面原子运动相关的物质运输。扩散机理扩散机理 扩散系数：扩散系数：/2lD 式中式

14、中为常数，对于体扩散为常数，对于体扩散=1/6，对于面扩散，对于面扩散=1/4，对于线扩散，对于线扩散=1/2l为原子跃迁平均自由程；为原子跃迁平均自由程； 为原子的跃迁平均弛豫时间为原子的跃迁平均弛豫时间187518751878 1878 Gibbs Gibbs 定律；奠定了表界面科学的基础定律；奠定了表界面科学的基础191319131942 1942 Langmuir Langmuir 的贡献；（的贡献；（获获19321932年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖） ( (蒸发、凝聚、吸附、单分子膜等表界面的研究）蒸发、凝聚、吸附、单分子膜等表界面的研究）2020世纪世纪4040年代前年代前 表面化

15、学成果大量应用生产表面化学成果大量应用生产；5050年代，年代，微型化、微型化、ITIT发展促进表面化学发展；发展促进表面化学发展；6060年代，年代，由于超高真空技术的发展，表面现象向微观领域发展；由于超高真空技术的发展，表面现象向微观领域发展；20072007年，年，格哈德格哈德埃特尔埃特尔, ,成功描述了在表面发生的化学反应细节，并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。以此方法为现代表面化学奠定了基础。获诺贝尔化学奖。1.2 表界面科学发展简史1.31.3表界面研究的重要性表界面研究的重要性 表、界面现象一览表表、界面现象一览表 分类 表、界面现象 作为表面活性剂 肥皂和洗涤剂（表面活性剂） 材料制造的产品 乳化剂和稳定剂（非表面活性剂） 除草剂和杀虫剂 织物软化剂 表界面现象的直接应用 润滑、粘接、泡沫、润湿和防水天然和合成材料的纯化或改性 三次采油、制糖、烧结 生理应用 呼吸、关节润滑、液体输送中的毛 细现象、动脉硬化1.31.3表界面研究的重要性表界面研究的重要性登月计划失败例液体燃料在失重空间对容器的浸润状态示意图 （阴影部分代表液体燃料）MDF（MacroDefectFree）