材料表面界面 第一章 緒論

1、授課人：李立華授課人：李立華QQ:626873812QQ:6268738121343028749213430287492材料科學(xué)與工程系材料科學(xué)與工程系高分子材料表界面高分子材料表界面主要參考資料主要參考資料參考書：參考書：胡福增胡福增 等等 主編，材料表界面，上海：華東理工大學(xué)出版主編，材料表界面，上海：華東理工大學(xué)出版社，社，20112011。黃玉東黃玉東 編著，聚合物表面與界面技術(shù)，北京：化學(xué)工業(yè)編著，聚合物表面與界面技術(shù)，北京：化學(xué)工業(yè)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：化學(xué)工業(yè)布里格斯，聚合物表面分析，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，出版

2、社，20032003。4. 4. 吳人潔吳人潔 等著，高聚物的表面與界面，北京：科學(xué)出版等著，高聚物的表面與界面，北京：科學(xué)出版社，社，19981998。5. 5. 華中一、羅維昂，表面分析，上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，華中一、羅維昂，表面分析，上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，19921992。6. 6. 顧惕人、朱步瑤、李外郎、馬季銘、戴樂蓉、程虎民編顧惕人、朱步瑤、李外郎、馬季銘、戴樂蓉、程虎民編著，表面化學(xué)，北京：科學(xué)出版社，著，表面化學(xué)，北京：科學(xué)出版社，19991999，第二版。，第二版。n主要內(nèi)容主要內(nèi)容 q第1章 緒論q第2章 液體界面q第3章 固液界面q第4章 表面活性劑q第5章 高分子材料的

3、表面張力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 復(fù)合材料界面q第9章 高分子材料表面分析第一章 緒論 例：國產(chǎn)拉絲機(jī)與國外的主要差距在于拉絲輪的壽命：國產(chǎn)的為半年，國外先進(jìn)的為五年。 原因：在于材料的表面處理，基體材料是一樣的。在拉絲輪的外圈，涂一層高硬度、低摩擦系數(shù)的陶瓷涂層。國內(nèi)的技術(shù)還不能達(dá)到。n材料表面的材料表面的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)和和化學(xué)化學(xué)組成，與材料內(nèi)部有明組成，與材料內(nèi)部有明顯的差別；顯的差別；（1 1）多組份材料；）多組份材料；（2 2）單組份材料。）單組份材料。 材料的制備和使用性能，會(huì)受到表面特性的材料的制備和使用性能，會(huì)受到表面特性的強(qiáng)烈影響。強(qiáng)烈影響。為

4、什么要學(xué)材料表界面？n材料科學(xué)、信息科學(xué)和生命科學(xué)材料科學(xué)、信息科學(xué)和生命科學(xué)是當(dāng)前新技術(shù)革是當(dāng)前新技術(shù)革命中的三大前沿科學(xué)，材料的表界面在材料科學(xué)命中的三大前沿科學(xué)，材料的表界面在材料科學(xué)中有重要的地位。中有重要的地位。n材料表界面對(duì)材料整體性能具有決定性影響，材料表界面對(duì)材料整體性能具有決定性影響，材材料的腐蝕、老化、硬化、破壞、印刷、涂膜、粘料的腐蝕、老化、硬化、破壞、印刷、涂膜、粘結(jié)、復(fù)合等等，無不與材料的表界面密切有關(guān)。結(jié)、復(fù)合等等，無不與材料的表界面密切有關(guān)。普通棉布蘸上水就濕了，普通棉布蘸上水就濕了，但經(jīng)表面處理后卻能成但經(jīng)表面處理后卻能成為防雨布。為防雨布。涂油漆時(shí)，要求油漆涂

5、油漆時(shí)，要求油漆能展成薄層又不脫落。能展成薄層又不脫落。印刷時(shí)要求油墨能潤印刷時(shí)要求油墨能潤濕紙張。濕紙張。雞掉進(jìn)河里就成為落雞掉進(jìn)河里就成為落湯雞；而鴨子卻能在湯雞；而鴨子卻能在水中漫游。水中漫游。荷花具有出污泥而不染的氣節(jié)。荷花具有出污泥而不染的氣節(jié)。例子例子鎂合金AZ31有涂層樣品任何兩相（任何兩相（phasephase）之間的交界稱為界面（）之間的交界稱為界面（InterfaceInterface），），包括氣包括氣- -液、液液、液- -液、氣液、氣- -固、固固、固- -液和固液和固- -固。固。習(xí)慣上，有習(xí)慣上，有氣相氣相參與的相界面稱為表面（參與的相界面稱為表面（Surface

6、Surface）。）。1.1 1.1 基本概念基本概念1.1.11.1.1表、界面定義表、界面定義氣氣-液界面液界面 表界面通常有五類：氣表界面通常有五類：氣-液界面（表面），氣液界面（表面），氣-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。氣氣-固界面固界面液液-液界面液界面液液-固界面固界面固固-固界面固界面復(fù)合材料界面模型界面區(qū)域的化學(xué)組分、分子排列、結(jié)構(gòu)、能界面區(qū)域的化學(xué)組分、分子排列、結(jié)構(gòu)、能量、熱性能、力學(xué)性能呈現(xiàn)連續(xù)的梯度性變量、熱性能、力學(xué)性能呈現(xiàn)連續(xù)的梯度性變化！化！A相本體相本體B相本體相本體A相表面層相表面層B相表面層

7、相表面層層界面吸附層層界面吸附層界面區(qū)域但是，相與相之間沒有截然的分界面但是，相與相之間沒有截然的分界面。1. 物理表面定義：定義：三維規(guī)整點(diǎn)陣到體外空間之間的過渡區(qū)域。三維規(guī)整點(diǎn)陣到體外空間之間的過渡區(qū)域。厚度隨材料種類而異，從一個(gè)到多個(gè)原子層不等。厚度隨材料種類而異，從一個(gè)到多個(gè)原子層不等。在過渡區(qū)域，周期點(diǎn)陣遭到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，甚至完全變異。在過渡區(qū)域，周期點(diǎn)陣遭到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，甚至完全變異。物理界面是不同于兩相的第三相。物理界面是不同于兩相的第三相。1. 1. 物理表面物理表面 （1 1）理想表面：理想表面：指除了假設(shè)確定的一指除了假設(shè)確定的一套邊界條件外，不發(fā)生任何變化的表面。套邊界條件外，不

8、發(fā)生任何變化的表面。 （2 2）清潔表面：清潔表面：指不存在任何污染的指不存在任何污染的化學(xué)純表面，即不存在吸附、催化反應(yīng)化學(xué)純表面，即不存在吸附、催化反應(yīng)或雜質(zhì)擴(kuò)散等物理化學(xué)效應(yīng)的表面。或雜質(zhì)擴(kuò)散等物理化學(xué)效應(yīng)的表面。 表面上會(huì)發(fā)生與體內(nèi)結(jié)構(gòu)和成分不同的表面上會(huì)發(fā)生與體內(nèi)結(jié)構(gòu)和成分不同的變化，如：馳豫、重構(gòu)、臺(tái)階化、偏析變化，如：馳豫、重構(gòu)、臺(tái)階化、偏析和吸附等。和吸附等。 （3 3）吸附表面：吸附表面：吸附有外來原子的表吸附有外來原子的表面。面。清潔表面發(fā)生的常見重要物理化學(xué)現(xiàn)象清潔表面發(fā)生的常見重要物理化學(xué)現(xiàn)象（3 3）吸附表面）吸附表面 吸附(adsorption)是指在固相氣相、固相

9、液相、固相固相、液相氣相、液相液相等體系中，某個(gè)相的物質(zhì)密度或溶于該相的溶質(zhì)濃度在界面上發(fā)生改變（與本體相不同）的現(xiàn)象。 吸附有外來原子的表面成為吸附表面，吸附原子可以形成無序的或有序的覆蓋層。2.2.材料表界面材料表界面n機(jī)械作用界面機(jī)械作用界面 切削，研磨，拋光，噴砂，磨損等切削，研磨，拋光，噴砂，磨損等n化學(xué)作用界面化學(xué)作用界面 反應(yīng)，粘接，氧化，腐蝕等反應(yīng)，粘接，氧化，腐蝕等n固體結(jié)合界面固體結(jié)合界面 真空，加熱，加壓，界面擴(kuò)散等真空，加熱，加壓，界面擴(kuò)散等n液相或氣相沉積界面液相或氣相沉積界面 物質(zhì)以原子尺寸從液相或氣相析出物質(zhì)以原子尺寸從液相或氣相析出n凝固共生界面凝固共生界面 兩

10、個(gè)固相同時(shí)從液相中凝固析出兩個(gè)固相同時(shí)從液相中凝固析出n粉末冶金界面粉末冶金界面 熱壓，熱鍛，燒結(jié)，熱噴涂等熱壓，熱鍛，燒結(jié)，熱噴涂等n粘結(jié)界面粘結(jié)界面 無機(jī)或有機(jī)粘結(jié)劑粘結(jié)兩固體無機(jī)或有機(jī)粘結(jié)劑粘結(jié)兩固體n熔焊界面熔焊界面 固體表面形成熔體，凝固而成固體表面形成熔體，凝固而成1.1.2表面能與表面張力表面能與表面張力1.1.表面層分子與內(nèi)部分子表面層分子與內(nèi)部分子相比，它們所處的環(huán)境不相比，它們所處的環(huán)境不同。同。2.2.氣液表面的分子凈受到指氣液表面的分子凈受到指向液體內(nèi)部的力；向液體內(nèi)部的力；表面張力表面張力本質(zhì)是分子間相互作用本質(zhì)是分子間相互作用3.從液體內(nèi)部將分子移到表從液體內(nèi)部將分

11、子移到表面要克服分子間引力而做面要克服分子間引力而做功，使系統(tǒng)自由焓增加；功，使系統(tǒng)自由焓增加；表面能表面能：每增加單位表面積時(shí)，體系自由能的增量：每增加單位表面積時(shí)，體系自由能的增量 單位單位J Jm m-2-2表面張力表面張力：擴(kuò)張表面單位長度所需要的力。：擴(kuò)張表面單位長度所需要的力。 表面張力是物體的主要表面性能之一，不同的物體由表面張力是物體的主要表面性能之一，不同的物體由于其組成和結(jié)構(gòu)的不同，其表面張力也不同，但總是力于其組成和結(jié)構(gòu)的不同，其表面張力也不同，但總是力圖縮小物體的表面，趨向穩(wěn)定。圖縮小物體的表面，趨向穩(wěn)定。n表面張力的本質(zhì)是分子間的相互作用。表面張力的本質(zhì)是分子間的相互

12、作用。皂膜皂膜dALXdxFn本質(zhì)來源是：表面原子本質(zhì)來源是：表面原子( (離子、分子離子、分子) )所處所處力場(chǎng)的不對(duì)稱性力場(chǎng)的不對(duì)稱性。1.1.3表面吸附表面吸附1. 1. 吸附與偏析吸附與偏析吸附吸附： 氣相中的原子或分子聚集到氣氣相中的原子或分子聚集到氣- -固或液固或液- -固界面上，而固界面上，而又不生成穩(wěn)定的凝固相。又不生成穩(wěn)定的凝固相。偏析偏析：溶液或固溶體溶質(zhì)在相界、晶界或缺陷上的聚集。：溶液或固溶體溶質(zhì)在相界、晶界或缺陷上的聚集。吸附一般發(fā)生在表面；偏析發(fā)生在界面吸附一般發(fā)生在表面；偏析發(fā)生在界面 固體表面具有吸附其他物質(zhì)的能力。固體表面具有吸附其他物質(zhì)的能力。 如果被吸附

13、物質(zhì)深入到固體體相中，則如果被吸附物質(zhì)深入到固體體相中，則 稱為吸收（稱為吸收（absorption）。）。 根據(jù)吸附力的本質(zhì)，可將固體表面的吸根據(jù)吸附力的本質(zhì)，可將固體表面的吸附作用區(qū)分物理吸附和化學(xué)吸附。附作用區(qū)分物理吸附和化學(xué)吸附。（adsorption）2. 吸附的類型吸附的類型1.1.4 表面擴(kuò)散傳質(zhì)表面擴(kuò)散傳質(zhì) 表面?zhèn)髻|(zhì)是基本的表面過程，包括沿表面和界面的擴(kuò)散，穿越表面?zhèn)髻|(zhì)是基本的表面過程，包括沿表面和界面的擴(kuò)散，穿越界面的擴(kuò)散和界面移動(dòng)等多種與界面原子運(yùn)動(dòng)相關(guān)的物質(zhì)運(yùn)輸。界面的擴(kuò)散和界面移動(dòng)等多種與界面原子運(yùn)動(dòng)相關(guān)的物質(zhì)運(yùn)輸。擴(kuò)散機(jī)理擴(kuò)散機(jī)理 擴(kuò)散系數(shù)：擴(kuò)散系數(shù)：/2lD 式中式

14、中為常數(shù)，對(duì)于體擴(kuò)散為常數(shù)，對(duì)于體擴(kuò)散=1/6，對(duì)于面擴(kuò)散，對(duì)于面擴(kuò)散=1/4，對(duì)于線擴(kuò)散，對(duì)于線擴(kuò)散=1/2l為原子躍遷平均自由程；為原子躍遷平均自由程； 為原子的躍遷平均弛豫時(shí)間為原子的躍遷平均弛豫時(shí)間187518751878 1878 Gibbs Gibbs 定律；奠定了表界面科學(xué)的基礎(chǔ)定律；奠定了表界面科學(xué)的基礎(chǔ)191319131942 1942 Langmuir Langmuir 的貢獻(xiàn)；（的貢獻(xiàn)；（獲獲19321932年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)） ( (蒸發(fā)、凝聚、吸附、單分子膜等表界面的研究）蒸發(fā)、凝聚、吸附、單分子膜等表界面的研究）2020世紀(jì)世紀(jì)4040年代前年代前 表面化

15、學(xué)成果大量應(yīng)用生產(chǎn)表面化學(xué)成果大量應(yīng)用生產(chǎn)；5050年代，年代，微型化、微型化、ITIT發(fā)展促進(jìn)表面化學(xué)發(fā)展；發(fā)展促進(jìn)表面化學(xué)發(fā)展；6060年代，年代，由于超高真空技術(shù)的發(fā)展，表面現(xiàn)象向微觀領(lǐng)域發(fā)展；由于超高真空技術(shù)的發(fā)展，表面現(xiàn)象向微觀領(lǐng)域發(fā)展；20072007年，年，格哈德格哈德埃特爾埃特爾, ,成功描述了在表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)細(xì)節(jié)，并成功描述了在表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)細(xì)節(jié)，并以此方法為現(xiàn)代表面化學(xué)奠定了基礎(chǔ)。獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。以此方法為現(xiàn)代表面化學(xué)奠定了基礎(chǔ)。獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1.2 表界面科學(xué)發(fā)展簡史1.31.3表界面研究的重要性表界面研究的重要性 表、界面現(xiàn)象一覽表表、界面現(xiàn)象一覽表 分類 表、界面現(xiàn)象 作為表面活性劑 肥皂和洗滌劑（表面活性劑） 材料制造的產(chǎn)品 乳化劑和穩(wěn)定劑（非表面活性劑） 除草劑和殺蟲劑 織物軟化劑 表界面現(xiàn)象的直接應(yīng)用 潤滑、粘接、泡沫、潤濕和防水天然和合成材料的純化或改性 三次采油、制糖、燒結(jié) 生理應(yīng)用 呼吸、關(guān)節(jié)潤滑、液體輸送中的毛 細(xì)現(xiàn)象、動(dòng)脈硬化1.31.3表界面研究的重要性表界面研究的重要性登月計(jì)劃失敗例液體燃料在失重空間對(duì)容器的浸潤狀態(tài)示意圖 （陰影部分代表液體燃料）MDF（MacroDefectFree）