材料表面与界面.doc

《材料表面与界面.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、总分核分人吴崇刚严明二O一四—二O一五学年第一学期材料表面与界面家庭作业（14级化研1班用开卷）题号一二三四五六七八九十题分202020151015得分注意：学号、姓名和所在年级班级不写、不写全或写在密封线外者，试卷作废。一、表界面的定义是什么？举例说明研究材料表界面现象的重要意义。答：自然界的物质通常以气、液、固三相存在。任何两相或两相以上的物质共存时，分为5大类，分别为气-液、气-固、液-液、液-固、固-固接触面。我们把气-液、气-固接触面称为表面；把液-液、液-固、固-固接触面称为界面。材料的表面界面对材料整体性能具有决定性的影响,材料的硬化、腐蚀、印刷、涂膜、黏结、复合等都与材料

2、的表界面密切有关。二、溶质加到溶剂中可引起其表面张力的变化，简述溶质浓度对溶剂表面张力影响的三种类型。哪种类型的物质可以称为表面活性剂？表面活性剂如何分类？答：三种类型：1）表面张力随溶质浓度的增加几乎成直线关系上升；2）表面张力随溶质浓度的增加而下降；3）加入少量可显著降低溶液的表面张力。第三种类型的物质可以称为表面活性剂。按亲水基类型分类：阴离子、阳离子、两性、非离子按分子量分类：低分子量、中分子量、高分子量三、简述陶瓷材料表面结构、晶界、相界的特点。答：陶瓷为无机非金属粉末晶体在一定条件下形成的多晶聚集体。表面：无论经过多么精细的研磨、抛光处理，其表面都是相当不平整的，除明显起伏外

3、，还有裂纹和空洞。晶界：晶界可分为孪晶界、小角度晶界和大角度晶界三种。相界：相界并不是单纯的一个面而是一个过渡层，有多个分子层。陶瓷经过严格研磨抛光后，在距表面1微米内，晶粒尺寸与体内明显不同；特别在距表面0.1微米的范围，晶粒尺寸很细，相界区有非晶态存在。四、填空题（每小题3分，共15分）(1)已知某聚乙烯、某聚氯乙烯及某聚苯乙烯在20oC时的表面能分别为33.2、41.5及42.0mJ/m2，则它们在相同温度下的表面张力分别为33.2、41.5及42.0mN/m，在相同温度下的内聚能分别为66.4、83.0及84.0mJ/m2。若此三个聚合物在表面的形态均为无定形，且分子量均在表面张

4、力临界分子量以上，则此聚氯乙烯较聚乙烯表面能高主要是因为聚氯乙烯的极性使得其表面焓较大，而此聚苯乙烯较聚乙烯表面能高主要是因为大体积苯环的存在使其表面熵较小。解释：表面张力在数值上应与表面的自由能相等；克服内聚力所做的功等同于两个新表面的总表面能。(2)在20oC时，用已知表面张力（σLV）的正烷烃同系物作测试液测定其在聚四氟乙烯（PTFE）表面上的接触角（θ）；所测得cosθ~σLV数据点经最小二乘法可较完美回归为以下方程：cosθ=−0.0316σLV(mN/m)+1.567。则此PTFE在20oC时以正烷烃为参考液的临界表面张力（σc）为17.9mN/m（精确到三位有效数字）。再结

5、合考虑杨−杜普雷（Young−Dupré）方程和吉里法尔科−古德（Girifalco−Good）方程，在20oC时，选定一系列已知σLV的测试液，测定其在此PTFE表面上的θ角：若测得其中某σLV为58.3mN/m的测试液A在此PTFE表面上的θ角为93.8º，则此PTFE对应于测试液A的σc为12.7mN/m（精确到三位有效数字）；依此计算方法得到对应系列测试液中其它所有液体的σc~σLV数据点，经最小二乘法回归分析发现所得曲线较好地符合以下抛物线经验方程：σc=−0.0140σLV2+0.907σLV+7.4(mN/m)；则此PTFE在20oC时的表面张力（σS）为22.1mN/m（

6、精确到三位有效数字），测试液A与PTFE在20oC时的分子相互作用参数φ（即Girifalco−Good方程中的参数φ）为0.758（精确到三位有效数字）。临界状态时θ=0，即临界表面张力（σc）为17.9mN/m；(3)按照吉布斯（Gibbs）公式，聚合物格子流体模型中某层链段占据格子概率为n、链构象熵减小因子为r的单个格子所具有的统计（热）力学构象熵表达式为；此格子对应的比完全密集（占据）参考状态格子过量的构象熵表达式为。(4)简单（或聚合物）格子流体模型中作了邻近格子点占据率互不相关的假设，亦作了密度梯度较小的假设。在这些假设下，若单个格子的体积为Ω，尺寸为b，与邻近所有格子的配位

7、数为z，与紧邻上（或下）层格子的配位数为z′，格子被占据的概率为n，分子（或链段）间的相互作用势能为ε，界面厚度方向坐标变量用z表示，则格子的（势）能密度（即单位体积的能量）表达式为，其对应的单个完全密集（占据）参考状态格子的（势）能密度表达式为。（表达式中涉及到密度梯度时只允许出现平方梯度项，而不允许出现二阶导数项；请注意均用z表示的配位数和坐标变量的区别，勿混淆）。(5)将范德华（vanderWaals）理论、即平方梯度理论应用