材料表面与界面第一章

1、材料表面与界面第一章第1页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四2材料科学、信息科学和生命科学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中有重要的地位材料表界面对材料整体性能具有决定性影响，材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、化学反应、复合等等，无不与材料的表界面密切有关。 第2页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四31) 18751878 Gibbs定律 描述固-气和固-液界面吸附关系；2) 19131942 Langmuir的贡献(吸附)；3) 20世纪40年代前 表面化学成果大量应用 生产(多相催化剂）；4) 50年代，微型

2、化、IT发展促进表面化学发展；5)60年代，表面现象向微观领域发展。表界面科学发展史第3页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四4 表面与界面的研究对象是不均匀的体系,通常把从一个相（固相、液体）过渡到另一相的区域。具有多相性，表面与界面的定义在物理学中是以几何学的观点给出的.研究对象及其应用界面表面多相材料的表界面示意图第4页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四5a. 航空和航天器件b. 民用 各种涂料；显示屏的发光材料；液晶显示屏许多传 感器：湿度，各种气体传感器（sensor）c. 特种表面与界面功能材料：生物表界面具有特殊功能和特殊微结构；超疏水，

3、超亲水，超双亲材料，超双疏水材料d. 界面是复合材料的重要特征应用领域：第5页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四6 F22、F117 隐形飞机（复合材料-取代金属材料+吸波涂层)隐形涂料：这种涂料含有大量的铁氧体粉末材料，依靠其自身自由电子的重排来消耗雷达波的能量。铁氧体隐形涂料的缺点也是比较明显的：吸波频带较窄，单一涂料只对特定频段的雷达波起作用；对环境要求高，需要为隐形飞机配备昂贵的空调机库，加重了后勤负担；重量大，会对飞机的机动性能产生影响。因此，很多国家都把目光瞄准了新一代的隐形涂料。第6页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四7 水泥基表面的树

4、脂涂层 第7页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四8彩色钢板涂层示意图 第8页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四9柱塞、阀座用耐磨陶瓷涂层 第9页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四10LED发光图（左）以及用它制备的城市装饰图案（右） 第10页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四11第11页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四12 图7 荷叶的表面结构：由微米级的乳突组成，乳突结构又由纳米级的精细结构构成（见右图）该表面为超疏水特性第12页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星

5、期四13Surface structure of SharkFig. Simulated sharks surface was applied on airplane.参见微/纳米生物磨察学李健等译。第13页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四14甲虫的外观金龟子及其表面微结构第14页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四15C 对光的调控第15页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四16科学家发现蝴蝶翅膀是天然发光二极管非洲燕尾蝶翅膀上鳞状物的光学显微图象第16页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四课程主要内容第一章

6、 表面与界面基础知识 第二章表面活性剂第三章聚合物表界面第四章无机非金属材料表界面第五章复合材料界面第六章材料表面与界面的表征第17页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四phasephase相接触两相间的过渡区，称为界面相物质内部，称为本体相第18页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四第一章 表面与界面基础知识1.1 表面与界面概念表面：在真空状态下，物体内部和真空之间的过渡区域，是物体最外面的几层原子和覆盖其上的外来原子和分子所形成的表面层。 表面层有其独特的性质,和物体内部的性质完全不同. 几何概念：表面是具有二维因次的一块面积，无厚度、体积。界面：

7、两个物体的相态相接触时的过渡区域，由于分子间的相互作用，形成在组成、密度、性质上和两相有交错并有梯度变化的过渡区域。 几何概念：它不同于两边相态的实体，有独立的相、占有一定空间，有固定的位置，有相当的厚度和面积。第19页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四界面类型根据物质三种状态，每两相相接触形成界面. Liquid/Gas, Liquid/Liquid, Solid/Gas, Solid/Liquid, Solid/Solid五种界面.界面现象G/L 蒸发，蒸馏，表面张力，泡沫，雾L/L 乳液、界面张力S/G 气体吸附，气蚀，升华，尘，烟，催化反应，气体与固体 间的化学反

8、应S/L 从溶液中吸附溶质，电解，高分子胶体，焊接，润湿， 防水，接触角，浮选，粘合，润滑，催化，摩擦S/S 粘合，摩擦，磨损，吸铁石，合金，固相反应第20页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四1.2 表面张力宏观：液体表面象一张绷紧了的弹性膜，沿着表面有种收缩倾向的力。是一种很普通的现象。微观：稳定平衡应有最小位能，但表面分子位能最大，有尽量挤入内部趋势，使液面越小，位能越小。液体有尽可能缩小其表面的趋势。例如：玻板上的水银，蜡纸上的水滴，表面张力促使收缩成球型。第21页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四表面张力- 液/气表面、液/液界面最重要的性质

9、之一.表面张力分子理论认为: 厚度约等于液体表面分子作用半径的一层液体,称为液体表面层.表面层分子受力：液体内部分子内聚力作用液体外部气体分子作用可忽略不计受不平衡力作用液体表面分子液体内部分子处于受力平衡状态表面层分子较液体内部分子有较大的位能, 这种表面分子所特有的位能-表面能第22页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四表面张力的定性解释第23页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四由于物质表面上分子与本体中分子所受的相互作用力不同，产生表面收缩的力。第24页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四NMf1f2(1)(2)NM=L= f

10、 / L，表面张力系数，N/m量值上等于沿液面作用在分界线单位长度上的表面张力XLADBCMMNNF = E/ S增加单位表面积时所需的可逆功，或表面能的增量， J/m2表面张力系数与表面能增量数值相同定义：与表面相切，单位长度收缩表面的力为表面张力系数，简称表面张力( )第25页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四 表面张力和表面自由能分别是用力学方法和热力学方法研究液体表面现象时采用的物理量，具有不同的物理意义，却又具有相同的量纲。（朱步瑶，赵振国等，“界面化学基础”，化学工业出版社，北京，1996）第26页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四影响表

11、面张力的因素液体化学结构液体温度/(mN/m)全氟戊烷209.28全氟庚烷2013.19庚烷2020.3甲苯2028.5乙醇2022.39水20/2572.8/72.0Hg2086.5第27页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四金属表面张力大，有机物表面张力小分子极性大，表面张力大芳烃较烷烃表面张力大相对分子量大者表面张力大含氟化合物表面张力小水表面张力第28页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四相对分子质量的影响PolymerT/ /(mN/m)KePIB2435.62382.7PS17629.97372.7PDMS2021.261661= -KeM-

12、2/3第29页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四温度影响温度升高，密度下降，分子间作用力下降，表面张力下降(1-T/Tc)n第30页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四压力影响表面张力不随压力变化第31页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四1.3 弯曲液面下的附加压强液面水平，则表面张力也是水平的f = 0fff平面内的弯曲液膜，在表面张力作用下，有取平面形状的趋势。f = (+)f = ( - )附加压强的方向指向曲率中心一边第32页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四表面张力与附加压强关系Laplace方程的

13、一般形式：P = (1/R1 + 1/R2)圆柱体 R1 = , P = /R2平面 R1 = R2 = ，P = 0球体 R1 = R2 = R， P = 2 /R 弯曲液面半径小，附加压力大 弯曲液面半径大，附件压力小第33页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四液体表面张力的测试方法-毛细现象毛细管插入液体内，则管内外液面会产生高度差的现象。液体能润湿管壁，则管内液面升高；液体对管壁润湿不良，则管内液面会低于管外液面。 Jurin 方程 h = 2cos / rghhRr第34页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四 毛细现象的实质是液面曲率差导致流体

14、内部压力差，按照流体力学规律发生从压力高处向压力低处的流动。毛细现象举例原油和水在地层中的流动以及纺织品的润湿性、渗透性泡沫和乳状液的稳定性压汞法测定孔性固体孔隙度第35页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四最大气泡法maxgh=2/r限于毛细管半径很细的情况（物理化学实验）第36页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四1.3 Kelvin公式由于弯曲液面有附加压力，所以不同曲率状态的液体物理状态不同Kelvin公式液体存在曲率与蒸汽压的关系第37页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四大块液体液滴蒸气1 蒸气压p0蒸气2蒸气压p1第38

15、页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四恒温条件下：1、液体蒸发为恒压过程2、大块液体变为小液滴=2M/r第39页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四3、蒸气2到蒸气1第40页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四Kelvin公式2M/r第41页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四液滴越小，蒸气压力越大Kelvin公式第42页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四溶液的表面张力 H2O C2H5OH (aq) NaCl (aq)1.4 溶液的表面吸附溶液的表面张力不仅与温度、压力有关，并且还与溶液的种

16、类和浓度有关。第43页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四溶质对表面张力的影响1. 非表面活性物质 无机盐、不挥发酸碱 2. 表面活性物质 短链脂肪酸、醇、醛 3. 表面活性剂：明显降低水的表面张力的两亲性质 的有机化合物c20123d/dc0d/dc0第44页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四 能使水的表面张力明显升高的溶质称为非表面活性物质。如无机盐和不挥发的酸、碱等。 这些物质的离子有水合作用，趋向于把水分子拖入水中，非表面活性物质在表面的浓度低于在本体的浓度。 如果要增加单位表面积，所作的功中还必须包括克服静电引力所消耗的功，所以表面张力升高。

17、第45页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四表面活性物质(surface active substance) 溶液表面张力随浓度增加而逐渐减小。 低分子量的极性有机物，如：醇、醛、 酸、酯、胺等.Traube规则：脂肪酸同系物的稀水溶液每增加一个CH2表面活性约增加3.2倍。希士科夫斯基给出脂肪酸同系物溶液表面张力与体积浓度间的关系。第46页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四表面活性剂surface active agent (surfactant): 当浓度很小时，溶液的表面张力便急剧减小，但减小到一定值后就不再随浓度增加而变化。具有长碳链（碳原子数

18、大于8）的极性有机化合物.从结构上看，表面活性物质是两亲分子，一端亲水（OH,COOH,SO3Na等),另一端亲油（憎水）（R等）。第47页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四 溶液的表面吸附现象溶质溶剂Surface inactive substanceCCB负吸附Surface active substanceCCB正吸附C：表面相浓度CB：本体相浓度第48页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四 极性端称为头基，非极性端称为尾基。 正因为表面活性物具有两亲性结构，极性端极力进入水相，而非极性端受到水的排斥，有逃出水相的趋势，于是它被排向水面，在水面上

19、浓集，将憎水部分伸向空气。微观上看，表面层表面活性物分子所受的向内的拉力比水分子的要小些，即表现出表面活性物质溶液的表面张力低于水的表面张力。第49页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四表面热力学基本关系式:表面集合公式: 吉布斯等温吸附式上标s表示表面(surface)，令A为溶剂，B为溶质。d第50页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四上两式对比，可得：溶液相, 由吉布斯-杜亥姆方程 Gibbs-Duhem equation平衡时，有 表面吉布斯-杜亥姆方程 Gibbs-Duhem equationd第51页，共74页，2022年，5月20日，22点

20、35分，星期四在溶液中，1mol溶剂A中所含溶质B的摩尔数单位面积表面层中的溶剂A在溶液中所应含溶质B的摩尔数单位面积表面层实际所含溶质的摩尔数dd第52页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四定义：Is called (relative) surface excess or amount of surface adsorption(表面超额或表面吸附量)物理意义:单位面积表面层中溶剂所含溶质的物质的量与同样数量的溶剂在溶液中所含溶质的物质的量的差值.第53页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四稀溶液中吉布斯吸附等温式d第54页，共74页，2022年，5月

21、20日，22点35分，星期四讨论：表面活性物质,正吸附 非表面活性物质, 负吸附应用吉布斯公式,先要由实验或经验公式得到 c之间的关系,然后求出 ( /c)T,p,再求值 . 第55页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四1.5 固体和液体之间的界面 固体表面的润湿 液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿。能被水润湿的物质叫亲水物质，如玻璃，石英。不能被水润湿的物质叫疏水物质，如石蜡，石墨。 润湿角定义：当固液气三相接触达到平衡时，从三相接触的公共点沿液气界面作切线，切线与固液界面的夹角为润湿角。（1）润湿现象及润湿角 润湿角大小与润湿程度的关系： 90 o：不润湿 =0 o：

22、完全润湿 =180o：完全不润湿 s-gl-gs-l第56页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四 润湿角公式：s-g=s-l+l-g cos 所以: cos（s-gs-l）/l-g-Yong 方程当s-gs-l时，cos0，90 o，s-g与s-l差越大，润湿性越好。当s-gs-l时，cos90 o，s-g与s-l差越大，润湿性越差。以上方程的使用条件：s-gs-ll-g，s-g为固体的表面能 第57页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四 表面能高的固体比表面能低的固体更容易被液体所润湿。表面能低于0.1Nm-1的物质为低能表面，如：有机物，高聚物。表面

23、能为110Nm-1的物质为高能表面，如：金属，金属氧化物，无机盐。 低能表面不易被液体润湿，但表面张力很低的液体也可能润湿，甚至完全润湿低能表面。对于某一低能表面的固体，当液体的表面张力达到c时，可完全润湿该固体，则c称为该固体被完全润湿的临界表面张力。 （2）临界表面张力 例如：聚四氯乙烯的c为0.018 Nm-1，而水的表面能为0.072 Nm-1，所以，水在聚四氯乙烯表面的润湿角为128 o。 c是固体材料的一个特征值，其物理意义是：只有表面张力小于c的液体，才能对该固体完全润湿。大于c的液体，有一定的值。 由此又提出一个计算的经验公式： cos=1(1-gc )其中的单位是：Nm-1；3040第58页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四 在液体中加入使1-s和1-g减小的物质，可提高其润湿性表面活性物质。反之，使润湿程度下降。应用：液态金属在浇铸模中，两者的润湿性对浇铸质量影响很大。 如果润湿性差：金属与模具不吻合，尖角变圆角。如果润 湿性强：深入模具缝隙，表面不光滑。加入Si可以调整， 改变值。第59页，共74页，2022年，5月20日，22点35分，星期四 润湿作用可以从分子间作用力来分析：液体分子间相互吸引力内聚力，液固分子间吸引力粘附力。 内聚力粘附力：不润湿 内聚力0时，B在A表面上会自动铺展开，S值越大，铺展越容