材料表面与界面课程教学大纲.doc

材料表面与界面课程教学大纲课程编码：ZB0820825课程名称：材料表面与界面/surface and interface of materials课程总学时/学分：48/3适用专业：无机非金属材料工程一、课程简介材料表面与界面课程系统地阐述高分子及其复合材料的表界面特点和基础理论，重点介绍了液体表面特性，固体表面特性，固液界面特性，表面活性活性剂，聚合物表面改性以及聚合物界面理论等。本课程为专业课，是一门从基础学科学习向实际专业研究工作过渡的重要课程。在材料科学与技术专业的教学计划中开设。二、教学目的和任务本课程是在物理化学、材料物理化学基础上进一步阐述高分子及其复合材料的表界面现象特点和理论基础，以及高分子复合材料中由于界面状况的不同对复合材料性能的重要影响。表界面问题涉及到高分子改性的几乎所有方向，如高分子增强、填充复合材料、高分子共混复合材料、高分子的粘接、涂装及印刷、高分子的表面改性等。通过本课程的学习，可以使材料科学与工程专业的同学具备高分子材料改性技术的理论基础和实用方法。本课程的实践教学环节通过实验完成，培养学生对所学知识的综合运用能力和分析能力。三、教学基本要求四、教学内容与学时分配序号章节教学内容学时理论实践合计1第一章 绪论4 42第二章 液体界面2.1 表面张力和表面自由能2.2 表面张力的热力学定义2 2 2.3 Laplace 方程2.4 液体表面张力的测定2 2 2.5 Kevin 方程2.6 吉布斯等温吸附式2 23第三章 固体界面3.1 固体表面特性3.2 固体表面自由能2 2 3.3 固气界面吸附2 24第四章 固液界面4.1 Young方程和接触角4.2 黏附功与内聚能4.3 Young-Dupro 公式2 2 4.4 接触角的测定方法4.5 接触角的滞后现象2 2 4.6 润湿过程的三种类型2 25第五章 表面活性剂4 46第七章 聚合物表面改性4 47第八章 复合材料界面4 48实验 88合计 32840五、教学方法及手段采用课堂讲授的教学方法。注重因材施教，引导学生积极思考，培养学生探索和发现问题的能力。六、实验或上机内容七、先修课程、后续课程材料科学基础，物理化学，普通物理、材料物理化学均为本课程的专业基础课，只有上述课程完成讲授后，本课程才能进行教学。八、考核方式 闭卷笔试九、教材及主要参考资料1.选用教材胡福增，陈国荣，杜永娟. 材料表界面.上海.华东理工大学出版社.2000.2.参考书目胡福增，聚合物及其复合材料的表界面。北京。轻工出版社.2001.十一、主要教学内容、重点和难点第一章 绪论一、学习目的通过本章的学习，使学生了解表、界面科学研究的发展过程及其研究的重要性，理解表界面的定义，表面张力和表面自由能以及表面吸附与扩散。本章计划4学时。二、课程内容第一节 基本概念（一）表、界面定义 主要掌握物理表面和材料界面。（二）表面能与表面张力 主要理解表面能与表面张力及其二者的关系。（三）表面吸附主要掌握表面吸附的类型。（四）表面扩散传质 主要理解扩散机理，掌握表面扩散和界面扩散。第二节 表界面科学研究的发展过程及其研究重要性（一）发展过程（二）研究重要性三、重点、难点提示和教学手段（一）教学重点重点是表界面的定义，表面张力和表面自由能以及表面吸附与扩散。（二）教学难点难点是表面吸附与扩散。（三）教学手段及教学环节课堂讲授四、思考与练习1.表面张力的定义。2.常见表界面的类型。第二章 液体界面一、学习目的使学生掌握液体表面张力和表面自由能及其液体表面张力的测定方法，理解Laplace 方程、Kevin 方程和吉布斯等温吸附式的物理意义。本章计划6学时。二、课程内容第一节 表面张力和表面自由能（一）表面张力 主要掌握液体表面张力的定义及其公式推导。（二）表面自由能主要掌握液体表面张力的定义及其公式推导。第二节 表面张力的热力学定义从热力学角度分析表面张力的含义，阐述了表面张力与比表面自由焓的关系。第三节 Laplace 方程（一）球面 在弯曲面为球面的特殊情况下，分析了表面弯曲液体的附加压差与表面张力、曲率半径的关系，即Laplace 方程的推导。（二）任意曲面在弯曲面为任意曲面的特殊情况下，分析了表面弯曲液体的附加压差与表面张力、曲率半径的关系，即Laplace 方程的推导。第四节 液体表面张力的测定（一）毛细管法（二）最大气泡压力法（三）吊环法（四）滴重法（五）吊板法第五节Kevin 公式分析了液滴半径与蒸汽压的关系，即Kevin 公式的推导。第六节 吉布斯吸附等温式（一）溶液的表面张力 主要掌握溶质对溶液表面张力的影响。（二）吉布斯吸附等温式主要掌握溶液浓度与溶液表面张力的关系。（二）吉布斯吸附等温式的应用主要掌握该公式在气固表面，气液表面的应用。三、重点、难点提示和教学手段（一）教学重点：重点是液体表面张力和表面自由能及其液体表面张力的测定方法，理解Laplace 方程、Kevin 方程和吉布斯等温吸附式的物理意义。（二）教学难点Laplace 方程、Kevin 方程和吉布斯等温吸附式的物理意义。（三）教学手段及教学环节课堂讲授四、思考与练习1.表面张力产生原因。2.表面张力的热力学定义。3.毛细管测定表面张力的原理。第三章 固体表面一、学习目的通过学习使学生掌握固体的表面特性及固体表面自由能，理解固气界面吸附。本章计划4学时。二、课程内容第一节 固体的表面特性（一）固体表面分子（原子）的运动束缚性（二）固体表面的不均一性（三）固体表面的吸附性第二节 固体表面自由能主要掌握固体表面自由能的定义及其公式推导。第三节 固气界面吸附（一）吸附等温线 主要掌握吸附等温线的含义及其类型。（二）Langmuir 等温式 主要掌握固体表面未被吸附的面积分数与平衡压力的关系，从而推导Langmuir 等温式。（三）BET多分子层理论 主要理解固体表面对气体的吸附并不是单分子层吸附，而多数式多分子层吸附。三、重点、难点提示和教学手段（一）教学重点：重点是固体的表面特性及固体表面自由能。（二）教学难点难点是理解固气界面吸附。（三）教学手段及教学环节课堂讲授四、思考与练习1.讨论固体表面特性。2.比较物理吸附和化学吸附的区别。第四章 固液界面一、学习目的通过学习使学生理解Young方程的含义以及黏附功和内聚能，掌握接触角的测定方法及其滞后现象，同时掌握润湿过程的类型。本章计划6学时。二、课程内容第一节 Young方程和接触角 主要掌握固液气三相界面的表面张力关系，即Young方程的推导。第二节 黏附功与内聚能（一）黏附功主要掌握黏附功的定义及其公式推导。（二）内聚能主要掌握内聚能的定义及其公式推导。第三节 Young-Dupro 公式主要介绍黏附功与接触角的关系。第四节 接触角的测定方法（一）停滴法（二）吊片法（三）纤维对液体的接触角测定第五节 接触角的滞后现象（一）前进角和后退角主要掌握前进角和后退角的定义（二）引起接触角滞后的原因主要掌握由于表面粗糙性引起的滞后，由于表面不均匀性引起的滞后以及由于表面污染引起的滞后。第六节 润湿过程的三种类型（一）黏附润湿过程（二）浸湿过程（三）铺展润湿过程（四）润湿过程的比较 主要掌握上述三种润湿过程的比较。三、重点、难点提示和教学手段（一）教学重点：重点是Young方程的含义，黏附功和内聚能，接触角的测定方法及其滞后现象，润湿过程的类型。（二）教学难点难点：接触角的滞后现象，润湿过程。（三）教学手段及教学环节课堂讲授四、思考与练习1 .什么是 Young方程和接触角。2. 黏附功与内聚能的关系。3. 接触角的滞后现象的原因。4.为什么说铺展是润湿的最高形式。第五章 表面活性剂一、学习目的通过学习使学生掌握表面活性剂的概念、分子结构特点及其分类，理解表面活性剂的物理化学性能。本章计划4学时。二、课程内容第一节 概述（一）表面活性剂的概念（二）表面活性剂分子的结构特点第二节 表面活性剂的分类（一）阴离子表面活性剂 主要掌握羧酸酯类、硫酸酯盐类等表面活性剂的分子结构及特点。（二）阳离子表面活性剂主要介绍胺盐类、季胺盐类表面活性剂的分子结构及特点。（三）两性表面活性剂 主要介绍两性表面活性剂的分子结构及特点。（四）非离子型表面活性剂主要介绍聚已二醇型非离子表面活性剂和多元醇型非离子表面活性剂的分子结构及特点。（五）其他表面活性剂主要介绍高分子表面活性剂和氟系表面活性剂的分子结构及特点。第三节 表面活性剂的物理、化学性能（一）亲疏平衡值（HLB） 主要掌握亲疏平衡值的定义、物理意义以及亲疏平衡值的确定。（二）相转型温度（PIT）主要掌握相转型温度的定义、物理意义。（三）临界胶束浓度（CMC）主要掌握临界胶束浓度的定义、物理意义以及影响临界胶束浓度的因素。第四节 表面活性剂的溶解度（一）Krafft点主要掌握Krafft点的定义、物理意义。（二）浊点主要掌握Krafft点的定义、物理意义。三、重点、难点提示和教学手段（一）教学重点：重点是表面活性剂的概念、分子结构特点以及表面活性剂的物理化学性能。（二）教学难点难点：表面活性剂的物理化学性能。（三）教学手段及教学环节课堂讲授四、思考与练习1. 什么是表面活性剂。2. 表面活性剂的分类。3. 什么是亲疏平衡值。4. 亲疏平衡值与相转型温度的关系。第六章 聚合物表面改性一、学习目的通过本章的学习，使学生掌握聚合物表面改性的方法。本章计划2学时。二、课程内容第一节 电晕放电处理 主要掌握电晕放电处理对聚合物改性的原理以及改型后的聚合物性能的改善情况。第二节 火焰处理与热处理主要掌握火焰处理与热处理对聚合物改性的原理以及改型后的聚合物性能的改善情况。第三节 化学处理（一）含氟聚合物主要介绍含氟聚合物如何进行化学处理使其表面得到改善。（二）聚烯烃的液态氧化处理 主要介绍聚烯烃的液态氧化处理方法。第四节 臭氧氧化 主要介绍臭氧氧化对聚合物表面的改性。第五节 低温等离子体处理 （一）等离子体概述主要介绍等离子体的定义、特点以及类型。（二）等离子体处理对聚合物表面的改性效果主要掌握等离子体处理对聚合物表面的改性可以使表面交联、引入极性基团、对润湿性的影响、对粘性的影响等。第六节 表面接枝主要掌握表面接枝的方法。三、重点、难点提示和教学手段（一）教学重点：重点掌握聚合物表面改性的方法。（二）教学难点难点：低温等离子体处理和表面接枝。（三）教学手段及教学环节课堂讲授四、思考与练习1. 聚合物表面处理的目的2. 讨论液态氧氧化法处理聚合物表面的优缺点3. 表面接枝有哪些方法第七章 复合材料界面一、学习目的通过本章的学习，使学生理解玻璃纤维增强塑料界面、先进复合材料界面以及复合材料界面理论。本章计划4学时。二、课程内容第一节 复合材料概述主要掌握复合材料的定义、组成、分类、特点及界面。（一）基体材料主要掌握常用聚合物基复合材料基体的类型及特点。（二）增强材料主要掌握常用增强材料的类型及特点。（三）复合材料界面主要掌握复合材料界面形成及特点。第二节 玻璃纤维增强塑料界面主要掌握偶联剂处理对玻璃纤维增强塑料界面的改善。第三节 先进复合材料界面（一）高性能增强纤维主要介绍常用高性能增强纤维的特点。（二）高性能增强纤维的表面处理 主要介绍高性能增强纤维的表面处理方法。第四节 复合材料界面理论 （一）浸润理论（二）化学键理论（三）过渡层理论（四）可逆水解理论（五）摩擦理论（二）扩散理论（三）静电理论（四）酸碱作用理论三、重点、难点提示和教学手段（一）教学重点：重点掌握玻璃纤维增强塑料界面、先进复合材料界面。（二）教学难点难点：复合材料界面理论。（三）教学手段及教学环节课堂讲授四、思考与练习1. 复合材料的组成及特点。2. 复合材料界面理论。 材料表面与界面实验大纲一、实验总学时：8二、先修课程材料科学基础，物理化学，普通物理，材料表面与界面三、实验目的学生在完成大学物理、物理化学、材料科学基础和材料表面与界面等课程后，培养学生动手能力、实验操作基本方法和综合分析方法及能力。巩固所学理论课程的基本概念，学会应用材料表面与界面的基础理论来分析材料的表面及材料中不同相之间的界面，初步建立材料表面与界面与材料性能之间的联系，形成利用材料结构设计来设计材料性能的基本手段和基本思路。掌握最基本的实验操作技巧，达到综合培养人才的目的。四、实验内容及学时分配1.材料表面性能测试内容：观察材料表面在不同情况下及不同材料表面的性能学时：4学时主要仪器：表面接触角测定仪、四探针测定仪、万能力学试验机、原子力显微镜具体目标：通过课程的理论学习和实验前的准备，了解普通材料表面的浸润性的一般测试方法、材料表面力学性能的测试方法、材料净面的超微观察方法；初步掌握材料表面性能对材料整体性能及材料复合工艺影响等方面的知识。2.材料界面结构的超微观察学时：4学时主要仪器：扫描电子显微镜、透射电子显微镜、端面密度仪具