固体材料界面化学与物理.doc

1.表面、界面、表面张力、表面能的基本涵义，表面张力和表面能在固态下有何差别？答： 表面和界面通常是指一个相到另一个相的过渡区域。习惯上把凝聚相和气相之间（固相-气相、液相-气相）的分界面称为表面，把凝聚相之间（固相-固相、液相-液相、固相-液相）的分界面称为界面。 界面张力是指引起物体表面收缩的单位长度上的力，单位N m-1；表面能是指系统增加单位表面积所需的可逆功，单位Jm-2。所以表面能与表面张力在数值上不相等，因为固体的表面能中包含了弹性能，但量纲相同。2.一般来说，同一物质，其固体的表面能要比液体的表面能大，试说明原因。答： 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，液体的表面张力等于表面能。固体的表面张力是各向异性的。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，以及他所经历的历史。固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。3.固体的真实表面具有怎样的结构和特点？答：从原子尺度上看，实际固体表面并非光滑的而是凹凸不平的。绝大多数晶体是各向异性的，因而同一晶体可以有许多性能不同的表面。同一物质制备和加工条件不同也会有不同的表面性质。晶格缺陷、空位或者位错会造成表面不均匀。在空气中暴露，表面被外来物质所污染，吸附外来原子占据不同的表面位置，形成有序或无序排列，也会引起表面不均匀。无论表面进行多么严格的清洁处理，总会有一些杂质由体内偏析到表面上，从而使固体表面组成与体内不同，由于表面偏析造成表面不均匀。4粗糙度的概念和作用？答：表面粗糙度用来描述表面不平整的程度，是指加工表面上具有的由较小间距的谷峰所组成的微观几何形状特性。其作用：使表面力场发生变化；直接影响固体的表面积以及内外表面积的比值，以及相关的属性；与两种材料间的峰接和啮合强度有关。5.吸附的基本概念及物理吸附与化学吸附的特点。答：吸附是指一种或几种物质在另一种物质表面自动发生积累或浓集的过程。主动吸附的为吸附剂，被动吸附的为吸附质。吸附特点：物理吸附化学吸附吸附力范德华力化学键吸附热较小（液化热）较大（反应热）选择性无选择性有选择性稳定性不稳定，易解吸（可逆）稳定（不可逆）分子层单分子层或多分子层单分子层吸附速率较快，受温度影响小较慢，受温度影响大吸附活化能不需要需要而且很高吸附层结构基本同吸附质结构形成新的化合态吸附温度低温高温6.固体在溶液中吸附有哪些规律性？答：能使固体表面自由能降低的多的物质较易被吸附。与固体有相同性质或与固体晶格大小适当的离子较易被吸附，极性的吸附剂易于吸附极性的溶质，非极性的吸附剂易于吸附非极性的溶质。当有强电解质存在时可是吸附量发生变化，无机盐的存在可使有机物水溶液中溶质的吸附量增加。吸附过程多数是放热的，故吸附量常随温度升高而下降。吸附剂的化学组成及其表面性质对吸附作用有很大影响。溶解度小或吸附后生成配合物的物质易被吸附，溶解度越小的溶质越易被吸附。固体表面带电时，较易吸附反离子或易被极化的离子。7.热喷涂技术的特点？答：优点：取材范围广；可用于各种基体（金属、陶瓷、高分子）；可使基体保持较低的温度；功效高；被喷涂物体的大小一般不受限制；涂层厚度较易控制；可赋予普通材料以特殊的表面性能；成本低，经济效益显著。缺点：结合力低，孔隙率高，涂层均匀性差；喷涂环境差，粉尘污染严重；涂层材料利用率低。8.溶胶-凝胶涂层的特点？答：反应可在较低温度下进行；能制备高纯度、高均匀涂层；可通过简单的设备在体积较大、形状复杂的衬底表面形成涂层；可制备别的方法不能制备的材料，如有机-无机复合涂层；可获得狭窄粒径分布、纳米级粒子尺寸的涂层；很容易均匀定量的掺入一些微量元素，实现分子水平的均匀掺杂；可通过多种方法改变薄膜的表面结构和性能。9.化学气相沉积（CVD）的特点？答：可以形成多种金属、合金、陶瓷和化合物的涂层；可以控制晶体的结构和结晶的方向排列；可以控制镀层的密度和纯度；镀层的化学成分可以改变，从而获得梯度沉积物或者混合镀层；能在复杂形状的基体上及颗粒材料上镀料，也可以在硫化床系统中进行；涂层均匀、组织细微致密、纯度高、涂层与基体结合牢固。（缺点：涂层薄、速度慢）10.电镀的特点？答：电镀镀层的镀液成分复杂、有污染，而且要求基材必须导电，非导电材料可以先进行表面金属化处理，结合强度高，一般不需要再加工。11.复合镀需要满足的条件？答：粒子在镀液中是充分稳定的，既不会发生任何化学反应，也不会促使镀液分解；粒子在镀液中要充分润湿，形成分散均匀的悬浮液。为此，粒子都需要经过亲水处理，尤其是那些疏水粒子，更应该做充分的亲水处理，并要降低镀液的表面张力，在这样才能形成悬浮性好的镀液；镀液的性质要有利于固体粒子带正电荷，即有利于粒子吸附阳离子表面活性剂及金属离子；粒子的粒度要适当，粒子过粗，易于沉淀，且不易被沉积金属包覆，镀层粗糙，粒子过细，易于结团成块，不能均匀悬浮；要有适当的搅拌，这就是保持微粒均匀悬浮的必要措施，也是使粒子高效率输送到阴极表面并与阴极碰撞的必要条件。12.与电镀相比，化学镀有何特点？答：镀覆过程不需要外电源驱动；均镀能力好，形状复杂、有内孔、内腔的镀件均可获得均匀镀层；孔隙率低；镀液通过维护、调整可反复使用，但使用周期是有限的；可在金属、非金属以及有机物上个沉积镀层。13.激光表面改性的特点？答：灵活、残余应力及变形小；可在大气、真空及各种气氛中处理，制约条件少，而且不造成化学污染；通常，激光表面处理的改性效果比普通处理方法更显著；激光束能量集中、密度大、速度快、效率高、成本低；可缩短工艺流程，处理过程中工件可以运动，故特别适合组织自动化处理线；激光束便于通过导光系统准确地输入与定位，亦能导向多个工作台，可大大提高激光的使用率和处理的效率。14.电子束表面改性的特点？答：功率大，能量转换效率高，成本低；工件表面不需要特殊处理，操作维修方便；在真空条件下进行，工件表面质量高，但限制了工件尺寸。15.粒子束表面改性的特点？答：可注入任何元素，不受固溶度和扩散系数的影响，且进入晶格的离子浓度不受热力学平衡条件的限制。注入是无热过程，可在室温或低温下进行，不引起材料热变形。注入离子的浓度和深度可控。通过离子注入可获得两层甚至多层性能不同的复合材料，且注入离子与基体间没有明显的界面，注入层不会脱落。不受固溶度的限制，可注入互不相溶的离子。离子注入层相对于基体材料没有边缘清晰的界面，因此表面不存在粘附破裂或剥落问题，与基体结合牢固。16.表面活性剂的定义及结构特点？答：原始定义降低溶液表面张力的物质称为表面活性剂；广义定义甲能明显降低乙的表面张力或能改变其表面性质，就称甲物质是乙物质的表面活性剂。结构特点：任何一种表面活性剂分子都是由两种不同性质的基团所组成，一种是非极性的亲油基团，另一种是极性的亲水基团。三个表征值：HLB值（亲水亲油平衡值）= 亲水基质量亲水基质量+憎水基质量1005 （非离子型表面活性剂）；C20降低溶液表面张力20 mN m-1时所需的表面活性剂浓度；有效值能够把水的表面张力降低到的最小值。17.胶束的相关概念？答：胶束表面活性剂是两亲分子，溶解在水中达到一定浓度时，其非极性部分会自相结合，形成聚集体，使憎水基向外，这种多分子聚集体称为胶束。临界胶束浓度（CMC）随着表面活性剂在水中浓度的增大，表面上聚集的活性分子形成定向排列的紧密的单分子层，多余的分子在体内也三三两两的以憎水基互相靠拢，聚集在一起形成胶束，这一开始形成胶束的最低浓度称为临界胶束浓度。18.表面活性剂的作用？答：润湿作用、起泡作用、增溶作用、乳化作用、洗涤作用。19.表面活性剂的污染？答;表面活性剂是水体中主要污染物，长期分散在水中，水中产生大量的泡沫，难降解；促进水中难降解的有机污染物分散，增加水处理的难度；含有聚磷酸盐作为增净剂，引起水体富营养化。表面活性剂进入水体后，主要依靠微生物降解来消除。水的感官状态受到影响；使废水中含有大量的磷；表面活性剂可促进不溶性有机物的乳化、分散，增加废水处理的难度；阳离子表面活性剂具有一定的杀菌能力，在浓度高时，可能破坏水体微生物的群落。20偶联剂的定义？答：一种同时具有分别与无机物和有机物反应的两种性质不同的基团的低分子化合物。其分子结构最大的特点是分子中含有化学性质不同的两个基团，一个基团的性质亲无机物，易于与无机物表面起化学反应，另一个基团亲有机物，能与聚合物起化学反应，生成化学键，或者能相互融合在一起。主要包括：硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂两大类，此外还有铬络合物偶联剂、硼酸酯偶联剂及含磷偶联剂等。21.偶联剂的作用？答：用于表面处理剂，以改善室温固化硅橡胶与金属的粘合性能；用于无机填料填充塑料时，可以改善其分散性和粘合性；用于作增粘剂在水电站工程中提高水泥与环氧树脂的粘合性；用于密封剂，具有耐水、耐高温、耐气候的性质。22.界面类型及晶界特点？答：a.界面按其形成分类：机械作用界面、化学作用界面、固体结合界面、液相或气相沉积界面、凝固共生界面、粉末冶金界面、粘结界面、焊接界面等；b根据材料的类型进行划分：金属-金属界面、金属-陶瓷界面、树脂-陶瓷界面等；c根据材料的相组成进行划分：晶界和相界面。晶界特点：晶界处点阵畸变大，存在着晶界能；强度和硬度和晶体内不同；晶界处原子的扩散速度比晶内快得多；固态相变时，在晶界处新相易成核；由于杂质偏析和吸附作用，晶界处杂质较多，故晶界熔点较低，产生过热现象；晶界处容易腐蚀；晶界处结构疏松，容易引起杂质原子偏聚，是扩散的通道。23.润湿类型及sl、sg、lg在界面润湿中的作用？答：润湿的类型有：附着润湿、浸渍润湿和铺展润湿。三种润湿的条件：附着：Wa=sg-sl+lg0浸渍：Wi=sg-sl0铺展：S=sg-sl-lg0由此可见，sl与sg对三者的贡献是一样的，sg越大，sl越小，即（sg-sl）差值就越大，越有利于润湿，液体表面张力对三种润湿贡献是不同的，对附着润湿，增大lg有利，对于浸渍润湿，lg的大小不起作用，对于铺展润湿，减少lg是有利的。24.一般怎样表征润湿与否？为什么？答：一般用接触角来表征润湿与否。习惯上规定，=90为润湿与否的标准，即90为不润湿，=180为完全不润湿，90为润湿，润湿角越小越润湿，=0或不存在时为铺展。25.陶瓷界面特殊性及晶界在陶瓷材料制备和应用中的作用？答：陶瓷晶界的特殊性：晶界处存在静电场，有大量的杂质凝聚，晶界缺陷，晶界上有非化学计量化合物，新相生成，晶界宽度比其他材料大。应用：利用晶界偏析制造透明陶瓷；利用晶界偏析制造高强度陶瓷；利用晶界扩散制备晶界层陶瓷电容器，利用晶界势垒制造敏感功能陶瓷；利用晶界变化促进材料烧结，提高材料强度。26.陶瓷材料界面与金属材料界面的异同？答：相似性：界面能及其受热力学规律的制约相同；晶界的滑移导致形变；晶界杂质的偏析，分凝及其影响相同；晶界是点阵缺陷的源及壑；晶界有较大的扩散系数等。因为关于陶瓷晶界结构及其有关的理论，很多是从金属借用过来的，与金属材料相比，陶瓷材料的晶界及相界的结构、作用及理论的研究更为复杂。不同处：从化学键角度看：陶瓷与金属有本质的不同。多数陶瓷材料是以离子键和共价键为主。荷电的缺陷通常局限在某些位置和区域，极少量自由电子或空穴作载流子外，不像金属中存在着自由电子气，总体中不荷电的陶瓷块材可以在局部区域形成静电场，如在晶界有空间电荷及晶界电位，金属中则不存在。在铁电体这样的陶瓷材料中，共晶胞具有自发极化的特点，其自发极化方向可以因外电场而改变。而且材料在不同温度具有顺电相（无自发极化强度）与铁电相的转变，在多晶铁电材料的相变过程中小，往往不是所有晶胞都在同一个方向产生自发极化，而是形成一些自发极化方向不同的而且又有一定规律的小区域，这种微区就称为电畴，两个电畴之间形成畴界，铁电畴和畴界的存在及其运动影响铁电材料的一系列性能，成为陶瓷界面研究的一个专门领域。烧成是陶瓷材料制品的最重要工艺步骤，很少有陶瓷材料是不依赖烧结来制成的，在烧结过程中存在有非常复杂的物理化学反应，除粉料预烧工艺外，有不少材料，烧成阶段仍旧有合成反应需要最终完成，致密化则是陶瓷烧成的主要目标，因此烧结过程伴有固-固、固-液相反应，都有晶粒的重排、合并、长大及晶界的变迁。研究这个过程不仅对于陶瓷材料的形成过程及其特征的了解是必要的，而且是陶瓷工艺理论的主要内容。陶瓷晶界还有另外的特点，例如：即使是最纯的陶瓷，非本征缺陷的浓度往往比本征缺陷的浓度要高出几个数量级，而在很纯的金属材料中，本征缺陷的浓度却可能比非本征缺陷高出几个数量级。这样，杂质在陶瓷材料中的固溶行为及其晶界的分凝、偏析在陶瓷中比在金属中要复杂得多。27.复合材料对界面的要求？答：界面相与纤维和基体要有很好的物理化学相容性；界面相与纤维和基体要