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材料表界面复习思考题答案汇总 材料表界面复习思考题材料表界面复习思考题 刘玉飞 张硕 刘玉飞 张硕 摘要：本文依据课本上的内容进行整理，只作为考试用的参考资料，不能完全取 代课本。 关键词：思考题 考试 答案 摘要：本文依据课本上的内容进行整理，只作为考试用的参考资料，不能完全取 代课本。 关键词：思考题 考试 答案 第一章：序言 1. 何谓表界面？为什么说表界面不是几何学上的平面？ P1 1. 何谓表界面？为什么说表界面不是几何学上的平面？ P1 （1）表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域，由物质的具体聚集态表界面可以分为：表面（固 气、液气） ；界面（固液、液液、固固） （2）表界面是相与相之间的过渡区域，其结构、能量、组成等都呈现出连续性变化，是一个结构复杂， 厚度约为几个分子维度的准三维区域，因此，表界面并不是几何学上的平面。 第二章：液体表面 2. 试述表面张力（表面能）产生的原因。2. 试述表面张力（表面能）产生的原因。 P6 原因为液体表面层的分子所受的力不均匀而产生的。液体表面层即气液界面中的分子受到指向液体内 部的液体分子的吸引力，也受到指向气相的气体分子的吸引力，由于气相吸引力太小，这样，气液界面的分 子净受到指向液体内部并垂直于表面的引力作用，即为表面张力。这里的分子间作用力为范德华力。 3. 将3. 将1kg密度为的水缓慢地等温喷雾成平均半径为的水滴， 试求此喷雾操作 所需最小功。设水的表面张力为。 密度为的水缓慢地等温喷雾成平均半径为的水滴， 试求此喷雾操作 所需最小功。设水的表面张力为。 3 998.2kg/mm10-6 mN /108 .72 3 P7 3 14 63 143162 1 1kg 998.2kg/m 2.39 10 4 (10) 3 W=nw2.39 1072.8 104(10 )218.79 V n V m n ANmJ = = = 总 液滴 液滴数个 4. 试求，质量的水形成一个球形水滴时的表面自由能 E1。若将该水滴分散成直 径的微小水滴，其总表面能 E2 又是多少？（已知时水的表面自由能为 ） 4. 试求，质量的水形成一个球形水滴时的表面自由能 E1。若将该水滴分散成直 径的微小水滴，其总表面能 E2 又是多少？（已知时水的表面自由能为 ） C25gm1= nm2C25 s G 32 72 10J m 注：1、由于水平有限，不可避免会有些低级错误。 2、非常感谢张硕同学在本文输入过程中给予了大量的帮助。 注：1、由于水平有限，不可避免会有些低级错误。 2、非常感谢张硕同学在本文输入过程中给予了大量的帮助。 共 12 页 当前第 1 页 材料表界面复习思考题答案汇总 3 6322/342 3 335 393273 1 6 20292172 1 27 1 103 (1)10;44()4.84 10 1000/4 72 104.84 103.48 10 44 (2)(2 10/2)4.2 10 33 10 2.38 1044(10 )1.26 10 4.2 10 s kgV VmArm kg m GG AJ Vrm Ar = = = = i 1 V 水滴数n= V 20317 1 2.38 1072 101.26 10215.9 s GnG AJ = m 5.5. 弯曲面的附加压力弯曲面的附加压力P与液体表面张力和曲率半径之间存在怎样的关系？若弯曲面为球 面，平面又怎样？ 与液体表面张力和曲率半径之间存在怎样的关系？若弯曲面为球 面，平面又怎样？ P9 P9 (1) 关系为：Laplace 方程 12 11 ()p rr =+ 12 12 2 2 (3)0 rrp r rrp = = = = （ ） 球面 平面即跨越平面没有压差。 6.6. 毛细管法测定液体表面张力的原理是什么？为什么要对毛细管法进行修正？请对教科书 P11 例题按(2-23)式进行计算。 毛细管法测定液体表面张力的原理是什么？为什么要对毛细管法进行修正？请对教科书 P11 例题按(2-23)式进行计算。 P10 P10 ) 00 2 cos 1gh1 r 0 ,180.1 2cos r gr = （ ） 原理：液体在毛细管中易产生毛细现象。由Laplace方程推广到一般情况:= 其中的为气液两相密度之差, 为液体与管壁之间的接触角,为毛细管的半径由式 可知从毛细管升高或下降的高度h,可以求出液体的表面张力即h 。 (2)修正的原因：把凹凸月面当作球面近似处理。只有在凹月面的最低点毛细上升的高度才是 h ，凸月 面的最高下降才为 h ，其余各点均大于 h 。 （3）由 P11 可知： 23 2 2 262 22 0.12880.1312 () 3 2 6.7 10 1 2.938 10/ 2 rrr ar h hh am g agN m =+ = = 2 代入数据可得:由a可以得到 7.7. ，下将直径为，下将直径为C25kPa325.101m1的毛细管插入水中，问需要外加多大的压力才能防止水 面上升？（已知时水的表面张力为） 的毛细管插入水中，问需要外加多大的压力才能防止水 面上升？（已知时水的表面张力为） C25 13 1097.71 mN 共 12 页 当前第 2 页 材料表界面复习思考题答案汇总 3 5 6 22 71.97 10 2.88 10 0.5 10 pPa r = 8.8. 时，水的饱和蒸汽压为,求该温度下比表面积为时球形水滴的蒸 汽压（水在时的表面张力为） 时，水的饱和蒸汽压为,求该温度下比表面积为时球形水滴的蒸 汽压（水在时的表面张力为） C25kPa168. 3 126 10 kgm C25 13 1097.71 mN 2 9 0 3 0 33 39 0 0 433 3 10 4 3 22 71.97 1018 10 ln0.348 8.3145 298.15 103 10 1.4164.488 r Arm rA r pM Kelvin pRT r p pkPa p = = = 由方程 9.9. 在下水的密度，表面张力为，若水滴的半径为，求水的过饱 和度。 在下水的密度，表面张力为，若水滴的半径为，求水的过饱 和度。 C20 3 /2 .998mkg=cm 6 10 ( )( )( ) 2 ln0.1081.1130.113 rr CCC M CRT rCC r C =过饱和度为 10.10. 已知时大粒块二硝基苯在水中的溶解度为，又固液两相的表面张力为 ，计算当颗粒直径为 已知时大粒块二硝基苯在水中的溶解度为，又固液两相的表面张力为 ，计算当颗粒直径为 C25Lmol/10 3 mN/107 .25 3 m01. 0时的溶解度。二硝基苯密度为。 时的溶解度。二硝基苯密度为。 1587. 1 ( )3 ( ) 2 ln0.61.84 10/ r r C M Cm CRT r =ol L 11.11. 试比较二维理想气体定律和理想气体状态方程的异同。 试比较二维理想气体定律和理想气体状态方程的异同。 P25 P25 二维理想气体定律 理想气体状态方程 A=RT pv=RT 忽略了分子间互相作用力，利用理想化模型推导公式 表面压较小的情况下成立 低压、高温条件下成立 总结： 总结： 共 12 页 当前第 3 页 材料表界面复习思考题答案汇总 12 0 1 2 2 22 : 11 :() 2 Kelvin:ln 1 Gibbs:()() ln :cos TT SGSLLG Laplacep rr pM prRT c RTcRTc Young =+ = = = =+ 界面化学四大定律 方程 公式 吸附等温式 方程 第三章：固体表面 12.12. 讨论固体的表面特性。 讨论固体的表面特性。 P27 P27 (1) 固体表面原子（分子）的运动受缚性（迁移性） ：表面原子（分子）的运动受到束缚，不能像液 体分子那样自由移动。 （2）固体表面不均一性。 （3）固体表面的吸附性：吸附其他物质的能力。 13.13. 比较物理吸附和化学吸附的区别。 比较物理吸附和化学吸附的区别。 项目 物理吸附 化学吸附 吸附力 范德华力 化学键力 吸附热 小，接近液化热 大，接近反应热 选择性 无 有 吸附层 单、多分子层 单分子层 吸附速度 快，不需要活化能 慢，需要活化能 可逆性 可逆性 不可逆性 发生吸附速度 低于吸附质临界温度 远高于吸附质沸点 14.14. 用活性炭吸附， 符合Langmuir吸附等温式， 在时的饱和吸附量为。 已知的分压为时的平衡吸附量为。 试计算的分压为时的平衡 吸附量。 用活性炭吸附， 符合Langmuir吸附等温式， 在时的饱和吸附量为。 已知的分压为时的平衡吸附量为。 试计算的分压为时的平衡 吸附量。 3 CHClC0 13 8 .93 kgdm 3 CHClkPa4 .13 3 CHClkPa67. 6 P33 P33 3131 4 31 :. 1 :93.882.513.4 82.513.4 5.45 10 93.8113.4 6.67 73.56 93.81 6.67 m bp Langmiur bp VdmkgVdmkgpkP b b b Vb Vdmkg b = + = = + = + 吸附等温式是指表面被吸附的面积分数 由题意可知a 15.15. 已知下在某种硅胶上的吸附数据如下： （折算成标准状态） 已知下在某种硅胶上的吸附数据如下： （折算成标准状态） K77 2 N 共 12 页 当前第 4 页 材料表界面复习思考题答案汇总 Pap/ 0.07603 0.09687 0.1567 0.2213 0.2497 )( 3 cmV 0.8984 0.9298 1.076 1.166 1.258 已知试验的的质量为，用 BET 法求此硅胶的比表面积。 已知试验的的质量为，用 BET 法求此硅胶的比表面积。 g5978. 0 P37 P37 00 11 , 1 1.00480.016840.9788 22400 mm mm mA s Cpp Kb V CV Cpp VKbV Kb VN A w =+ = + = 00 pp 由BET模型:将对作图求斜率 和截距 V(p -p)V(p -p) 处理后的结果为 第四章：表面活性剂 16.16. 什么是表面活性剂？表面活性剂的分子结构有什么特点？ 什么是表面活性剂？表面活性剂的分子结构有什么特点？ P40 P40 （1）表面活性剂是指能使溶剂表面张力降低，且使表面呈现活性状态的物质。 （2）分子结构是由两种不同性质的基团所组成。一种为非极性亲油基团，另外一种为极性亲水基团，即表 面活性剂既具有亲水性又有疏水性，形成一种所谓的“两亲结构”的分子。 17.17. 表面活性剂的浓度对溶液的表面张力有怎样的影响？为什么有这样的影响？ 表面活性剂的浓度对溶液的表面张力有怎样的影响？为什么有这样的影响？ P41 P41 (1)随着表面活性剂浓度的增加，表面张力而下降，当达到临界浓度时，表面张力就不 再发生变化。 （2）表面活性剂其亲水端向水，亲油段相空气，其浓度的上升会使分子聚集在表面，这样， 空气和水的接触面减小，表面张力急剧下降，与此同时，水中的表面活性剂也聚集在一起，排 列成憎水基向里，亲水基向外的胶束。表面活性剂浓度进一步增加，水溶液表面聚集了足够多 的表面活性剂的分子，无间隙地布满在水溶液表面上，形成单分子膜。此时，空气和水完全处 于隔绝状态，表面张力趋于平缓。 18.18. 表面活性剂按亲水剂类型可怎样分类？ 表面活性剂按亲水剂类型可怎样分类？ P43 P43 表面活性剂溶于水能电离成离子的叫做离子型表面活性剂，R 基不能电离的叫做非离子型 表面活性剂。 其中离子型表面活性剂可分成阴离子、阳离子和两性表面活性剂。 HLB=738.7(126) 0.47737.24HL+=+= 19.19. 何谓 HLB 值？HLB 值对表面活性剂的选用有何指导意义？ 何谓 HLB 值？HLB 值对表面活性剂的选用有何指导意义？ P54 P54 （1） HLB 值是指表面活性剂的亲水性与亲油性的相对大小。 （2） HLB 越大表示该表面活性剂的亲水性越强,HLB 值越低,则亲油性越强.由此,可根据表面活性剂的 HLB 值 的大小,初步选择我们所需要的活性剂类型. 20.20. 试求下列表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的 HLB 值。 试求下列表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的 HLB 值。 十二烷基苯磺酸钠 十二烷基苯磺酸钠 HLB=738.7(126) 0.47737.24HL+=+= 21.21. 什么是相转型温度？用 PIT 表示表面活性剂的亲水亲油性较 HLB 值有什么优点？ 什么是相转型温度？用 PIT 表示表面活性剂的亲水亲油性较 HLB 值有什么优点？ P56 P56 （）相转型温度是指非离子型表面活性剂在低温下可形成水包油(O/W)型乳状液,随着温度升高,溶解 度降低,HLB 值下降,使得乳状液从原来的（）型转变为油包水型（）所对应的温度又称为亲 水-亲油平衡温度 共 12 页 当前第 5 页 材料表界面复习思考题答案汇总 （） 与都可以反映出亲水亲油性，但是，可以反映出油的种类、水溶液性质、温度 和相体积等的影响。 同时 PIT 测定简单、精度高。 22.22. 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。 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。 P57P57（1）CMC 浓度是指随着表面活性剂浓度上升，溶液的表面张力逐渐下降，直至表面张力几乎不变时所 发生转折时的浓度。 （2）疏水基的影响、亲水基、温度、添加剂（电解质、有机物） 。 （3）测定方法：测定电导率、渗透压、冰点、增溶性、洗净力等物理量发生显著变化的转折点 23.23. 温度对离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂溶解度的影响有什么不同？为什么离子 型表面活性剂在 K.P 点以上溶解度迅速增大，而非离子型表面活性剂在 C.P 点变成浑浊？ 温度对离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂溶解度的影响有什么不同？为什么离子 型表面活性剂在 K.P 点以上溶解度迅速增大，而非离子型表面活性剂在 C.P 点变成浑浊？ P60 （1）离子型：在足够低的温度下，溶解度随温度升高而慢慢增大，当温度达到一定值后，溶解度会突 然增大Krafft 现象 非离子型：溶解度随温度升高而下降，当温度升高到一定温度时，溶液会突然变浑浊 （2）离子型：表面活性剂以胶束形式溶解 非离子型：温度上升时，氢键被削弱，达到 C.P.点时，氢键断裂，表面活性剂从溶液中析出，溶液变得浑 浊。 第五章：固-液界面 24.24. 什么是 Youngs 方程？接触角的大小与液体对固体的湿润性好坏有怎样的关系？ 什么是 Youngs 方程？接触角的大小与液体对固体的湿润性好坏有怎样的关系？ 0 00 00 0 1:cos 20 090 90180 180 SGSLLG Young =+ 对于同一系统： 粘附润湿： 浸湿： 铺展润湿： 显然若必有， 即凡能铺展的必定能粘附润湿与浸湿，反之， 则未必。 因此，铺展是润湿程度的最高形式。通常用作为系统润湿程度的指标。 28. 下水的表面张力为，汞的表面张力为，而汞和水的界 面张力，请判断： (a) 水能否在汞的表面铺展？ (b) 汞能否在水的表面铺展？ 下水的表面张力为，汞的表面张力为，而汞和水的界 面张力，请判断： (a) 水能否在汞的表面铺展？ (b) 汞能否在水的表面铺展？ C20mN/108 .72 3 mN/10483 3 mN/10375 3 22 22 3333 31 ()483 10(72.8 10375 10 )35.2 10 ( )()785.2 10 HgH OH O Hg H OHgH O Hg N m bN m 1 =+=+= =+= L/S L/S （a）S 因此，能铺展。 S 因此，不能铺展。 第六章：高分子材料的表界面 29.29. 怎样用表面张力与温度或分子量的关系间接测定高分子材料的表面张力？ 怎样用表面张力与温度或分子量的关系间接测定高分子材料的表面张力？ P86 （1）P86 （1） 112 0 99 0 2 3 T11TT 1:(1)(1)1 T9TT ,T T 2 MM c T TT T = = ? ccc （ ）温度：与 的关系 在正常的温度的范围内与 为线性关系。在高温下，使固态聚合物熔融，测定不同温度 下聚合 物表面张力 。 用 对 作图得到直线，外推到室温，即可求得固态聚合物表面张力 。 （ ）分子量： 同系物高聚物的 表面张力 随分子量的增大而增大，测量不同分子量液体同系物的表面张力 。 用或 1 ,作图 并外推到高分子量的区域内 可以间接求得固态高聚物的表面张力。 30.30. 分别用等张比容和内聚能密度法估算下列高分子化合物的表面张力。 1)聚苯乙烯 2)聚乙二醇（聚氧化乙烯） 分别用等张比容和内聚能密度法估算下列高分子化合物的表面张力。 1)聚苯乙烯 2)聚乙二醇（聚氧化乙烯） 共 12 页 当前第 7 页 材料表界面复习思考题答案汇总 4 m m 3131 1.851.52 31 P 1PV V 10 N m33.9 10 N m () (2)0.327 F 3567 10 N m2 s s c ss ss F n nV nV = = - - （ ）（） 式中 指的是原子团的等张比容、指聚合物的摩尔体积。 代入数值计算：聚苯乙烯为42.96聚乙二醇为 内聚能式中 为结构单元色散力常数, 为高聚物结构单元的原子数,为重复单元的摩尔体积。 代入数据可以得到：聚苯乙烯为.聚乙二醇为 31 9.1 10 N m 注意：计算表面张力一定注意温度，选择不同温度下的常数进行计算会得到不同的答案。 本题的答案肯定会与众不同。 31.31. 怎样用几何平均法和调和平均法来测定聚合物的表面张力及其分量？对课本 P102 的例题， 请用调和平均法进行计算。 怎样用几何平均法和调和平均法来测定聚合物的表面张力及其分量？对课本 P102 的例题， 请用调和平均法进行计算。 P102 P102 11 22 S LL L LL LL 1 ()() 1 2 44 1cos LL L dp SSS dp SS ddpp SS ddpp SS dp + + + ddpp sLsL dp LL （ ）几何平均法 ： +cos =2+= 两种已知的、的液体，分别测出其对固体的接触角 由上式解两个联立方程即可求出固体表面张力及其分量和。 （ ）调和平均法 （ + ）= 与已知的两种液体，分别测出其在固体表面接触角 S dp SS 。 由上式解两个联立方程即可求出固体表面张力及其分量和 32.32. 怎样测定固体材料的临界表面张力？临界表面张力是否等于固体的表面张力？ 怎样测定固体材料的临界表面张力？临界表面张力是否等于固体的表面张力？ P104 (1) P104 (1) 测 定 ： 若 试 液 为 同 系 物cos LV 对为 线 性 关 系 ， 测 定 不 同 的 LVLV cos对应的，用对作图得到直线，推到cos1=时即得到临界的表面张力 c 。 若试液为非同系物，测定不同的 LVLV cos对应的，用对作图得到一条离散的直带或一条曲线，直带 中最低的那根线与cos1=交点的横坐标即临界的表面张力 c 。 （2）不等于。 0 lim cLVSVSLSSL ScSLe e = =+ 33.33. 总结固体聚合物表面张力的测试方法。 总结固体聚合物表面张力的测试方法。 P106 P106 （1） 温度与表面张力的关系。 （2） 分子量与表面的关系（3） 等张比容估算 （4） 内聚能估算 (5) 测定液体对聚合物的接触角 2 2 (1 cos ) 4 SVLV + =求取 SV 共 12 页 当前第 8 页 材料表界面复习思考题答案汇总 （6） 几何平均法、调和平均法计算 （7）用同系物液体测出其对高聚物的接触角 以 cos LV 作图，求临界表面张力 c 。 （8）用一系列测试液测定其对高聚物的接触角由式 2 , 1 (1cos ) 4 cLVccLVs =+求出，用对作图，求的状态方程法。 第七章：高聚物的表面改性 34.34. 聚烯烃薄膜经电晕处理后表面性能可能发生怎样的变化？ 聚烯烃薄膜经电晕处理后表面性能可能发生怎样的变化？ P108 P108 经过电晕处理后，聚合物表面可形成各种的极性基团，改善聚合物的粘接性和润湿性，对油墨的附 着力显著改善，表面张力、剥离力明显提高。 35.35. 试讨论用液态氧化法处理聚合物的优缺点。 试讨论用液态氧化法处理聚合物的优缺点。 P111P111优点： （1）可润湿性大大增加（2）表面张力增大（3）与各种液体接触角明显减小，粘接性能大大增 加。 缺点：氧化处理会有大量的酸废液产生，污染严重。 36.36. 低温等离子处理对聚合物的表面改性能产生些什么效果？ 低温等离子处理对聚合物的表面改性能产生些什么效果？ p113 p113 （1）表面交联：等离子体中高能粒子轰击聚合物表面，产生了大量的自由基，自由基间的相互作用， 在表面形成致密的交联结构，同时也形成了大量的不饱和键。 （2）极性基团的引入 ：等离子体表面氧化反 应为自由基链反应，氧的介入，可以引入大量的含氧基团，如羧基、羰基、羟基。 （3）对润湿性的影响 改 善表面的润湿性，使聚合物表面张力增大，接触角变小。 （4）对粘接性的影响 极性基团的引入使其与其它 的材料的粘结强度大大增强。 （5）其它作用 引起聚合物失重、表面形成小坑。裂解产物中分子量较大的降 解聚合物，与未降解的相比，分子量较低，其玻璃化温度和粘度较低，因此可以通过界面的流动性和相互的 扩散改善可粘结性。 37.37. 聚合物表面接枝有哪些方法？其原理各是什么？ 聚合物表面接枝有哪些方法？其原理各是什么？ （1）表面接枝聚合 大分子偶合 添加接枝共聚物 （2）表面接枝聚合：在光、辐射线、紫外线、等离子体使聚合物表面产生活性种，引发乙烯 基单体自由基聚合，进行表面接枝。 大分子偶合： 聚合物表面产生反应性活性基团，使之与带有反应基团的大分子反应偶 合，实现其表面接枝。 添加接枝共聚物 在欲改性的高聚物中添加有界面活化性能的共聚物成型，共聚物亲基 材段嵌入到基材内部，留下接枝段在基质聚合物的表面上，达到表面改性的目的。 第八章和第九章 金属材料的表面 无机非金属的表界面 38.38. 叙述固体表面驰豫现象，表面驰豫对无机超细粉体性能的影响。 叙述固体表面驰豫现象，表面驰豫对无机超细粉体性能的影响。 弛豫是指表面区原子或离子间的距离偏离体内的晶格常数，但晶胞结构基本不变。离子晶体的主要作用 力是库仑静电力，是一种长程作用，因此表面容易发生弛豫，弛豫的结果产生表面电矩。例如 NaCl 晶体的 弛豫，在表面处离子排列发生中断，体积大的负离子间的排斥作用，使 Cl向外移动，体积小的 Na+则被拉 向内部， 同时负离子易被极化， 屏蔽正离子电场外露外移， 结果原处于同一层 Na+和 Cl分成相距为 0.026nm 的两个亚层，但晶胞结构基本没有变化，形成了弛豫。弛豫主要发生在垂直表面方向，又称为纵向弛豫，弛 豫时的晶格常数变化将取决于材料的特征和晶向。弛豫不仅于表面一层，而且会延伸到一定范围，例如 NaCl(100)面的离子极化是发生在距表面 5 层的范围。许多金属氧化物的表面都容易发生弛豫，并使表面带 负电，产生表面电矩。 当金属氧化物以粉体形式存在时，颗粒尺寸为亚微米极超细粉，则表面非常大，弛豫产生的表面电矩使 粉体难以紧密接触，给成型工艺带来困难。对于大多数粉体来说，表面原子都有不同程度的弛豫，V 族元素 原子向外移动，族元素原子向内移动，弛豫使键能发生旋转，并对表面态产生影响。 39.39. 何谓晶界偏析？举例说明晶界偏析对 PTC 陶瓷性能的影响。 何谓晶界偏析？举例说明晶界偏析对 PTC 陶瓷性能的影响。 共 12 页 当前第 9 页 材料表界面复习思考题答案汇总 晶界附近的组分与晶粒内部不同。产生的原因：第一是晶粒内部总是存在或多或少的杂质离予， 但是 环绕杂质的弹性应变场较强，而晶界区由于开放结构及弱弹性应变场，因此在适当的高温下下杂质将从晶粒 内向晶界扩散而导效偏析以降低应变能。第二是晶界上电荷随温度下降而增加， 因此在降温过程中也会引 起杂质的偏析。例如 MgO 饱和的 A1203 中， 晶界电荷符号为正，引起化合价比 Al3+低的 Mg2+的偏析，以降 低静电势。第三是固溶界限， 当温度降低时，溶质在晶格中的固溶度降低， 偏析量也随之增加，一般氧化 物固溶体中的固溶热(固溶时所需能量)都较大， 固溶界限就较低， 易引起溶质偏析。 BaTiO3陶瓷是否具有 PTC 效应，完全是由其晶粒和晶界的电性能决定，没有晶界的单晶是不具有 PTC 效应。 晶粒和晶界都充分半导化及晶粒半导化而晶界或边界层充分绝缘化的 BaTiO3陶瓷都不具有 PTC 效应，而只 有晶粒充分半导化，晶界适当绝缘化的 BaTiO3 陶瓷才具有显著的 PTC 效应。一般是通过掺杂制备 PTC 陶瓷， Mn 对 PTC 效应的影响最为显著。Mn 离子提高 PTC 效应是在晶界层的偏析。对 Mn，Nb 共掺杂的 BaTiO3 陶瓷 进行观察，发现 Mn 在晶界处的偏析行为。 40.40. 何谓金属的清洁表面与真实表面？ 何谓金属的清洁表面与真实表面？ 清洁表面是指表面经过特殊处理后，保持在 1091010 超高真空下的状态。特殊处理的方法很多， 有离子轰击和退火热处理，解理，热蚀，外延，场效应蒸发等，其中离子轰击加退火热处理是目前最普遍采 用的方法。 实际表面是指经过研磨，抛光处理后的状态。在电子显微镜下观察，其表面都是相当不平整的，表面除 出现明显的起伏，还可能伴有裂纹和空洞。表面的不平整性，对光刻，细微加工，磁记录，电位器噪声都有 很大的影响，而且与材料的润湿，摩擦，抗蚀等也密切相关。 金属经抛光后，其表面组织为氧化物（0.010.1m）贝尔比层（5100nm）严格变形区（12m） 明显变形区（510m）微小变形区（2050m） 。一个经过严格研磨抛光的金属，在距表面 1m 内， 晶粒尺寸与体内明显不同，特别在距表面 0.1m 的范围，晶粒尺寸很细，表面层上有非晶态存在，这是研 磨抛光过程引起局部升温，使该区局部熔化，强烈变形和再结晶，晶粒变细。有非晶态存在的表面层称为贝 尔比层，它是一个薄层，厚度为 5100nm，其成分是金属和它的氧化物的混合物，与体内性质有明显差别。 贝尔比认为抛光是一种表面张力效应，表面层原子被抛光剂撕去，下面一层在瞬时保持它的流动性，并且在 凝固之前，由于表面张力的作用变得平滑。非晶态是不稳定的，表面层在放置过程中有可能重新结晶。 41.41. 试述离子注入对金属表面进行改性的机理。 试述离子注入对金属表面进行改性的机理。 P136 P136 当用一定能量的离子轰击金属表面时，其中一部分离子被金属表面反射，形成溅射离子，而另一部分 将射入金属的表面层中，这称为注入离子。这个过程称为离子注入，它可以改变金属的表面结构，从而改变 金属材料表面物理、化学、力学等性质，可以用此法来进行金属的表面改性。 当离子注入能量较低时，通过弹性碰撞传递给原子的能量小于阈值能 Ed，金属原子只能在原位置重 复发生振动，并将此振动能传递给相邻原子，产生热峰效应；当离子能量超过 Ed，使被碰撞的原子离开平 衡位置；原位置被注入离子所占据，它进入填隙位，或者在原位置留下空位。如果碰撞的原子获得的能仍相 当大，仍大于 Ed，则可能继续与其他原子相撞，串级碰撞，于是金属形成大量缺陷和热峰效应。 42.42. 玻璃表面组成与实际（内部）组成的差异的原因？ 玻璃表面组成与实际（内部）组成的差异的原因？ 玻璃表面的化学组成与玻璃主体的化学组成有一定的差异， 即沿着玻璃表面的垂直方向的个组成含量不 是恒值，也就是说组成随深度变化而变化。 造成玻璃表面与主体组成上的差异，主要有熔制、成形、热加工以及玻璃表面受大气、水和其他溶液侵蚀等 不同原因造成的。在熔制、成形和热加工过程中，由于高温时一些组成的挥发，或各组分对表面能的贡献大 小不同，而造成表面中某些成分的富集，某些成分的减少。当玻璃处在粘滞状态下，使表面能减少的组分， 就会富集到玻璃表面， 以使玻璃表面能尽可能低； 相反， 赋予表面能高的组分， 就会迁离玻璃表面内部移动， 所以这些组分在表面比较少。常用的玻璃成分中的 Na+、B3+是容易挥发的。Lyon 认为 Na+在成形温度范围 内，Na+自表面向周围介质挥发的速度大于 Na+从玻璃内部向表面迁移的速度。故用拉制法或吹制法成形玻 共 12 页 当前第 10 页 材料表界面复习思考题答案汇总 璃的表面还是少碱的。他认为只有在退火温度下，Na+从内部迁移到表面的速度大于 Na+从表面挥发的速度。 但实际生产中，退火时对迁移到表面的高 Na+层与炉气中的 SO2 结合生成 Na2SO4 白霜。而这层白霜和容易 洗去，结果表面层还是少碱。 43.43. 玻璃表面结构与玻璃力学性质的关系？ 玻璃表面结构与玻璃力学性质的关系？ 玻璃的实际强度要比理论强度低几个数量级，这是因为实际玻璃存在着微观和宏观 缺陷，特别是表面微裂纹，使实际强度大大降低。 Weyl 的玻璃亚表面理论解释了玻璃理论强度大大小于实际强度。假设了玻璃表面亚表面层厚度为胶 体粒子大小，不完全对称，配位不全，有缺陷。特点为：几何表面熵值最高，向内部成梯度降低；原子或质 点表面不对称，缺陷多，空隙大，成为微多孔性；表面的无序高于内部；表面易析晶。 44.44. 比较玻璃镀膜与玻璃表面改性。 比较玻璃镀膜与玻璃表面改性。 玻璃表面镀膜是玻璃表面处理常用的方法，通过镀不同的膜，以改善玻璃的光学、热学、电学、力学、 化学等性能，有些膜也能起装饰作用，所以膜层既有功能性的，也有装饰性的。特点是不改变玻璃原来的表 面组成。 根据玻璃表面镀膜的方法，可分为化学镀膜和物理镀膜二种。 1）化学镀膜:(a) 化学还原法； （b）化学气相沉积法； （c）热喷涂法；(d) 溶胶-凝胶法。 2）物理镀膜：(a) 真空蒸发沉积法；(b) 溅射法；(c) 离子镀法。 玻璃表面改性通常指的是表面离子注入和离子交换，它与镀膜不同在改变玻璃原来的表面组成和结构。 第十章：复合材料的界面 45.45. 为什么说界面对复合材料的性能起着重要的作用？ 为什么说界面对复合材料的性能起着重要的作用？ P170 P170 （1）复合材料界面包含着两相之间的过渡区域的三维界面相，界面相内的化学组分、分子排列、热 性能、力学性能等呈连续性变化。 （2）复合材料的性能并非组分材料的性能简单加和，而是产生了 1+12 的协同效应。 （3）两相复合过程中，会出现热应力（导热系数、膨胀系数的不同） 、界面化学效应（官能团 之间的作用或反应）和界面结晶效应（成核诱