材料表界面(华东理工大学)-1教学内容.ppt

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1、材料表界面(华东理工大学)-1课程内容绪论液体表面固体表面固液表面表面活性剂高分子材料的表面张力聚合物的表面改性复合材料的界面绪论材料科学、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、复合等等，无不与材料的表界面密切有关。绪论例：国产拉丝机与国外的主要差距在于拉丝轮的寿命：国产的为半年，国外先进的为五年。原因：在于材料的表面处理，基体材料是一样的。在拉丝轮的外圈，涂一层高硬度、低摩擦系数的陶瓷涂层。国内的技术还不能达到。绪论普通单螺杆挤出机

2、的结构与特性示意图绪论材料表面的结构和化学组成，与材料内部有明显的差别；（1）多组份材料；（2）单组份材料。材料的制备和使用性能，会受到表面特性的强烈影响。绪论表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。若其中一相为气体，这种界面通常称为表面（surface)。表界面通常有五类：气-液界面（表面），气-固界面（表面），液-液界面，液-固界面，固-固界面。表界面区的结构、能量、组成等都呈现连续的梯度变化。1、表界面的定义(surface，interface，interphase,interlayer)表界面（1）气-液界面表界面（2）气-固界面表界面（3）液-液界面表界面（

3、4）液-固界面表界面（5）固-固界面1.1.1物理表面定义：三维规整点阵到体外空间之间的过渡区域。厚度随材料种类而异，从一个到多个原子层不等。在过渡区域，周期点阵遭到严重扰动，甚至完全变异。物理界面是不同于两相的第三相。1.1.1物理表面理想表面：指除了假设确定的一套边界条件外，不发生任何变化的表面。清洁表面：指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等物理化学效应的表面。表面上会发生与体内结构和成分不同的变化，如：驰豫、重构、台阶化、偏析和吸附等。吸附表面：吸附有外来原子的表面。1.1.1物理表面驰豫：点阵常数变化，非平衡态；重构：原子重排，不同于

4、本体内的晶面；台阶化：有规律的非完全平面结构；偏析：溶液或溶质在相界、晶界或缺陷上的聚集；吸附：气相原子或分子在气－固界面上的聚集。结构变化化学组成变化1.1.1物理表面吸附(adsorption)是指在固相－气相、固相－液相、固相－固相、液相－气相、液相－液相等体系中，某个相的物质密度或溶于该相的溶质浓度在界面上发生改变（与本体相不同）的现象。吸附概念的另一个观点：1.1.2材料表面机械作用界面切削，研磨，抛光，喷砂，磨损等化学作用界面反应，粘接，氧化，腐蚀等固体结合界面真空，加热，加压，界面扩散等液相或气相沉积界面凝固共生界面粉末冶金界面热压，热锻，烧结，热喷涂等粘

5、结界面无机或有机粘结剂粘结两固体熔焊界面固体表面形成熔体，凝固而成1.2表界面科学发展史1875～1878Gibbs定律；1913～1942Langmuir的贡献；（获1932年诺贝尔化学奖）(蒸发、凝聚、吸附、单分子膜等表界面的研究）20世纪40年代前表面化学成果大量应用生产；50年代以后，微型化、IT发展促进表面化学发展；60年代末～，由于超高真空技术的发展，电子光学仪器的发展，能谱仪的发展，表面现象向微观领域发展；2007年，格哈德·埃特尔获诺贝尔化学奖。关于格哈德·埃特尔：获奖原因：“固体表面化学过程的研究”；氮是生命体的基本元素，存在与氨基酸蛋白质和核酸中，空

6、气中也富含氮气。固氮法：自然界固氮法：（1）闪电：10％；（2）固氮细菌：65％；最后的25％，是合成氨的方法（哈伯－博施法）。进一步制成化肥。奠定了现代农业的基础。哈伯获1918年诺贝尔化学奖。氮原子还是氮分子？（1）表面化学在哈伯－博施过程发挥了重要作用。因为这个过程必须以精细的铁粉作为催化剂，让氮气与氢气同时被吸附到铁粉表面，然后进行反应。（2）早期的研究表明，氢分子在铁粉表面立即断裂，并以氢原子的形式吸附在表面。（3）埃特尔在增加氢气的同时测量了铁粉表面氮原子的浓度，发现氢增加得越多，铁表面氮原子的浓度就越低，这表明氮是以原子而不是分子的形式与氢反应。找出最慢的

7、一步：（1）发现氮分子分裂成氮原子这一过程限制了整个反应过程的速度，而且，一旦两个氮原子从彼此的束缚中解放出来，它们立刻与周围的氢原子结合生成氨。氮分子分裂的速度大大慢于反应中的其他步骤，这意味着后续反应都是在瞬间进行的，很难再寻找方法来研究这些步骤。如何研究后续的反应步骤？埃特尔对哈伯－博施过程的研究，表明了他的实验思想和方法的建立过程。利用高度受控的系统，他成功测量了每一个反应步骤的速率和反应动能，这些数据又被用于更有实际应用价值的反应过程的计算。这就是埃特尔的方法学不仅对基础研究，而且对工业模型的建立也极为重要的原因。1.3表界面研