材料表界面思考题答案汇总

《材料表界面》复习思考题答案汇总 《材料表界面》复习思考题 刘玉飞 张硕 摘要：本文依据课本上的内容进行整理，只作为考试用的参考资料，不能完全取 代课本。 关键词：思考题 考试 答案 第一章：序言 1. 何谓表界面？为什么说表界面不是几何学上的平面？ P1 （1）表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域，由物质的具体聚集态表界面可以分为：表面（固 —气、液—气）；界面（固—液、液—液、固—固） （2）表界面是相与相之间的过渡区域，其结构、能量、组成等都呈现出连续性变化，是一个结构复杂， 厚度约为几个分子维度的准三维区域，因此，表界面并不是几何学上的平面。 第二章：液体表面 2. 试述表面张力（表面能）产生的原因。 P6 原因为液体表面层的分子所受的力不均匀而产生的。液体表面层即气液界面中的分子受到指向液体内 部的液体分子的吸引力，也受到指向气相的气体分子的吸引力，由于气相吸引力太小，这样，气液界面的分 子净受到指向液体内部并垂直于表面的引力作用，即为表面张力。这里的分子间作用力为范德华力。 3. 将1kg 密度为 的水缓慢地等温喷雾成平均半径为 的水滴，试求此喷雾操作 所需最小功。设水的表面张力为 。 3998.2kg/m m10-6 mN /108.72 3−× P7 3 14 6 3 14 3 1 6 2 1 1kg 998.2kg/m 2.39 104 (10 ) 3 W=n w 2.39 10 72.8 10 4 (10 ) 218.79 V n V m n A N m J π σ π − − − − = = = × × = = × × × • × × × = 总 液滴 液滴数 个 4. 试求 ，质量 的水形成一个球形水滴时的表面自由能 E1。若将该水滴分散成直 径 的微小水滴，其总表面能 E2 又是多少？（已知 时水的表面自由能 为 ） C°25 gm 1= nm2 C°25 sG 3 272 10 J m− −× ⋅ 注：1、由于水平有限，不可避免会有些低级错误。 2、非常感谢张硕同学在本文输入过程中给予了大量的帮助。 共 12 页 当前第 1 页 《材料表界面》复习思考题答案汇总 3 6 3 2 2/3 4 2 3 3 3 5 3 9 3 27 3 1 6 20 2 9 2 17 2 127 1 10 3(1) 10 ; 4 4 ( ) 4.84 10 1000 / 4 72 10 4.84 10 3.48 10 4 4(2) (2 10 / 2) 4.2 10 3 3 10 2.38 10 4 4 (10 ) 1.26 10 4.2 10 s kg VV m A r m kg m G G A J V r m A r π π π π π π π − − − − − − − − − − − − ×= = = = × × = × = = × × × = × = ⋅ = × × = × = = × = = × = ×× i 1 V水滴数n= V 20 3 17 1 2.38 10 72 10 1.26 10 215.9sG nG A J − −= = × × × × × = m 5. 弯曲面的附加压力 PΔ 与液体表面张力和曲率半径之间存在怎样的关系？若弯曲面为球 面，平面又怎样？ P9 (1) 关系为：Laplace 方程 1 2 1 1( )p r r σΔ = + 1 2 1 2 22 (3) 0 r r p r r r p σ= Δ = = = ∞ Δ = （ ） 球面 平面 即跨越平面没有压差。 6. 毛细管法测定液体表面张力的原理是什么？为什么要对毛细管法进行修正？请对教科 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf P11 例题按(2-23)式进行计算。 P10 )0 0 2 cos1 gh 1 r 0 ,180 . 1 2cos r gr σ θρ ρ θ θ ρσ σ θ Δ ⎡Δ ∈⎣ Δ= （ ） 原理：液体在毛细管中易产生毛细现象。由Laplace方程推广到一般情况: = 其中的 为气液两相密度之差, 为液体与管壁之间的接触角, 为毛细管的半径由式 可知从毛细管升高或下降的高度h,可以求出液体的表面张力 即 h 。 (2)修正的原因：①把凹凸月面当作球面近似处理。②只有在凹月面的最低点毛细上升的高度才是 h ，凸月 面的最高下降才为 h ，其余各点均大于 h 。 （3）由 P11 可知： 2 3 2 2 2 6 2 2 2 0.1288 0.1312( ) 3 26.7 10 1 2.938 10 / 2 r r ra r h h h a m g a g N m σ ρ σ ρ − − = + − + = × = Δ = Δ = × 2代入数据可得: 由a 可以得到 7. ， 下将直径为C°25 kPa325.101 mμ1 的毛细管插入水中，问需要外加多大的压力才能防止水 面上升？（已知 时水的表面张力为 ） C°25 131097.71 −− ⋅× mN 共 12 页 当前第 2 页 《材料表界面》复习思考题答案汇总 3 5 6 2 2 71.97 10 2.88 10 0.5 10 p Pa r σ − − × ×Δ = = = ×× 8. 时，水的饱和蒸汽压为 ,求该温度下比表面积为 时球形水滴的蒸 汽压（水在 时的表面张力为 ） C°25 kPa168.3 12610 −⋅ kgm C°25 131097.71 −− ⋅× mN 2 9 0 3 0 3 3 3 9 0 0 4 3 3 3 104 3 2 2 71.97 10 18 10ln 0.348 8.3145 298.15 10 3 10 1.416 4.488 rA r m r Ar p MKelvin p RT r p p kPa p π ρ ρρ π σ ρ − − − − = = ∴ = = × × × × ×= = =× × × × ∴ = ∴ = 由 方程 9. 在 下水的密度 ，表面张力为，若水滴的半径为 ，求水的过饱 和度。 C°20 3/2.998 mkg=ρ cm610 − ( ) ( ) ( )2ln 0.108 1.113 0.113r r C C CM C RT r C C σ ρ r C−= = ∴ = =过饱和度为 10. 已知 时大粒块二硝基苯在水中的溶解度为 ，又固液两相的表面张力为 ，计算当颗粒直径为 C°25 Lmol /10 3− mN /107.25 3−× mμ01.0 时的溶解度。二硝基苯密度为 。 1587.1 ( ) 3 ( ) 2ln 0.6 1.84 10 /r r C M C m C RT r σ ρ −= = ∴ = × ol L 11. 试比较二维理想气体定律和理想气体状态方程的异同。 P25 二维理想气体定律 理想气体状态方程 A=RTπ pv=RT 忽略了分子间互相作用力，利用理想化模型推导公式 表面压较小的情况下成立 低压、高温条件下成立 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf ： 共 12 页 当前第 3 页 《材料表界面》复习思考题答案汇总 1 2 0 1 2 2 2 2 : 1 1: ( ) 2Kelvin : ln 1Gibbs : ( ) ( ) ln : cos T T SG SL LG Laplace p r r p M p rRT c RT c RT c Young σ σ ρ σ σ σ σ σ θ Δ = • + = ∂ ∂Γ = − = −∂ ∂ = + 界面化学四大定律 方程 公式 吸附等温式 方程 第三章：固体表面 12. 讨论固体的表面特性。 P27 (1) 固体表面原子（分子）的运动受缚性（迁移性）：表面原子（分子）的运动受到束缚，不能像液 体分子那样自由移动。（2）固体表面不均一性。（3）固体表面的吸附性：吸附其他物质的能力。 13. 比较物理吸附和化学吸附的区别。 项目 物理吸附 化学吸附 吸附力 范德华力 化学键力 吸附热 小，接近液化热 大，接近反应热 选择性 无 有 吸附层 单、多分子层 单分子层 吸附速度 快，不需要活化能 慢，需要活化能 可逆性 可逆性 不可逆性 发生吸附速度 低于吸附质临界温度 远高于吸附质沸点 14. 用活性炭吸附 ，符合Langmuir吸附等温式，在 时的饱和吸附量为 。 已知 的分压为 时的平衡吸附量为。试计算 的分压为 时的平衡 吸附量。 3CHCl C°0 138.93 −− ⋅ kgdm 3CHCl kPa4.13 3CHCl kPa67.6 P33 3 1 3 1 4 3 1 : . 1 : 93.8 82.5 13.4 82.5 13.4 5.45 10 93.8 1 13.4 6.67 73.56 93.8 1 6.67 m bpLangmiur bp V dm kg V dm kg p kP b b b V b V dm kg b θ θ − − − − = + = ⋅ = ⋅ = ×= ⇒ = ×+ × ×= ⇒ = ⋅+ × 吸附等温式 是指表面被吸附的面积分数 由题意可知 a 15. 已知 下 在某种硅胶上的吸附数据如下：（折算成标准状态） K77 2N 共 12 页 当前第 4 页 《材料表界面》复习思考题答案汇总 Pap / 0.07603 0.09687 0.1567 0.2213 0.2497 )( 3cmV 0.8984 0.9298 1.076 1.166 1.258 已知试验的的质量为 ，用 BET 法求此硅胶的比表面积。 g5978.0 P37 0 0 1 1 , 1 1.0048 0.01684 0.9788 22400 m m m m m A s C p p K b V C V C p p V K b V K b V NA w ω −= + ⋅ = = = =+ ⋅ ⋅= = 0 0 p p由BET模型: 将 对 作图 求斜率 和截距V(p -p) V(p -p) 处理后的结果为 第四章：表面活性剂 16. 什么是表面活性剂？表面活性剂的分子结构有什么特点？ P40 （1）表面活性剂是指能使溶剂表面张力降低，且使表面呈现活性状态的物质。 （2）分子结构是由两种不同性质的基团所组成。一种为非极性亲油基团，另外一种为极性亲水基团，即表 面活性剂既具有亲水性又有疏水性，形成一种所谓的“两亲结构”的分子。 17. 表面活性剂的浓度对溶液的表面张力有怎样的影响？为什么有这样的影响？ P41 (1)随着表面活性剂浓度的增加，表面张力而下降，当达到临界浓度时，表面张力就不 再发生变化。 （2）表面活性剂其亲水端向水，亲油段相空气，其浓度的上升会使分子聚集在表面，这样， 空气和水的接触面减小，表面张力急剧下降，与此同时，水中的表面活性剂也聚集在一起，排 列成憎水基向里，亲水基向外的胶束。表面活性剂浓度进一步增加，水溶液表面聚集了足够多 的表面活性剂的分子，无间隙地布满在水溶液表面上，形成单分子膜。此时，空气和水完全处 于隔绝状态，表面张力趋于平缓。 18. 表面活性剂按亲水剂类型可怎样分类？ P43 表面活性剂溶于水能电离成离子的叫做离子型表面活性剂，R 基不能电离的叫做非离子型 表面活性剂。 其中离子型表面活性剂可分成阴离子、阳离子和两性表面活性剂。 HLB= 7 38.7 (12 6) 0.47 7 37.24H L− + = − + × + =∑ ∑ 19. 何谓 HLB 值？HLB 值对表面活性剂的选用有何指导意义？ P54 （1） HLB 值是指表面活性剂的亲水性与亲油性的相对大小。 （2）HLB 越大表示该表面活性剂的亲水性越强,HLB 值越低,则亲油性越强.由此,可根据表面活性剂的 HLB 值 的大小,初步选择我们所需要的活性剂类型. 20. 试求下列表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的 HLB 值。 十二烷基苯磺酸钠 HLB= 7 38.7 (12 6) 0.47 7 37.24H L− + = − + × + =∑ ∑ 21. 什么是相转型温度？用 PIT 表示表面活性剂的亲水亲油性较 HLB 值有什么优点？ P56 （１）相转型温度是指非离子型表面活性剂在低温下可形成水包油(O/W)型乳状液,随着温度升高,溶解 度降低,HLB 值下降,使得乳状液从原来的（Ｏ／Ｗ）型转变为油包水型（Ｗ／Ｏ）所对应的温度．又称为亲 水-亲油平衡温度． 共 12 页 当前第 5 页 《材料表界面》复习思考题答案汇总 （２） ＰＩＴ与ＨＬＢ都可以反映出亲水亲油性，但是，ＰＩＴ可以反映出油的种类、水溶液性质、温度 和相体积等的影响。 同时 PIT 测定简单、精度高。 22. 什么是 cmc 浓度？试讨论影响 cmc 的因素。请设计一种实验测定 cmc 的方法。 P57（1）CMC 浓度是指随着表面活性剂浓度上升，溶液的表面张力逐渐下降，直至表面张力几乎不变时所 发生转折时的浓度。 （2）疏水基的影响、亲水基、温度、添加剂（电解质、有机物）。 （3）测定方法：测定电导率、渗透压、冰点、增溶性、洗净力等物理量发生显著变化的转折点 23. 温度对离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂溶解度的影响有什么不同？为什么离子 型表面活性剂在 K.P 点以上溶解度迅速增大，而非离子型表面活性剂在 C.P 点变成浑浊？ P60 （1）离子型：在足够低的温度下，溶解度随温度升高而慢慢增大，当温度达到一定值后，溶解度会突 然增大——Krafft 现象 非离子型：溶解度随温度升高而下降，当温度升高到一定温度时，溶液会突然变浑浊 （2）离子型：表面活性剂以胶束形式溶解 非离子型：温度上升时，氢键被削弱，达到 C.P.点时，氢键断裂，表面活性剂从溶液中析出，溶液变得浑 浊。 第五章：固-液界面 24. 什么是 Young’s 方程？接触角的大小与液体对固体的湿润性好坏有怎样的关系？ 0 0 0 0 0 0 1 : cos 2 0 0 90 90 180 180 SG SL LGYoung σ σ σ θ θ θ θ θ θ θ = + ⋅ < < < < = （ ） 方程为 其中的 为三相交界处自固-液界面经液体内部到 气液界面的夹角,又称接触角。 （ ） = 完全浸润，液体在固体表面铺展。 液体可浸润固体且 越小，润湿性越好。 液体不浸湿固体。 完全不浸湿，液体在固体表面凝聚成小球。 25. 根据 Young-Dupre 方程，请设计测定固液界面粘附功的方法。 P71 2 2 2 (1) : (1 cos ) (2) (1 cos ) 2tan SL LG SL LG SL SL Young Dupre W W W hr r r h W σ θ σ θ θ θ θ θ − = + = + =+ −2 方程 由 知测出 角即可求出表面粘附功 具体的方法: 在光滑、均匀的固体表面上放一个小液滴，重力作用可以忽略， 将液滴视作球形的一部份，测出液滴的高度h与宽度2r 2hr由sin = h 求出 角，计算出 26. 证明停滴法测定接触角的方程： 22 2sin rh hr +=θ 22 2tan hr hr −=θ 27. 为什么说铺展是湿润的最高形式。 共 12 页 当前第 6 页 《材料表界面》复习思考题答案汇总 P79 / / / / 0 A 0 0 , 0 0 a SG LG SL i SG SL L S SG LG SL a L S S L a S L W W S W A S S W A S σ σ σ σ σ σ σ σ = + − ≥ = − = − ≥ = − − ≥ > > ≥ > > 对于同一系统： 粘附润湿： 浸湿： 铺展润湿： 显然 若 必有， 即凡能铺展的必定能粘附润湿与浸湿，反之，则未必。 因此，铺展是润湿程度的最高形式。通常用 作为系统润湿程度的指标。 28. 下水的表面张力为 ，汞的表面张力为 ，而汞和水的界 面张力 ，请判断： (a) 水能否在汞的表面铺展？ (b) 汞能否在水的表面铺展？ C°20 mN /108.72 3−× mN /10483 3−× mN /10375 3−× 2 2 2 2 3 3 3 3 3 1 ( ) 483 10 (72.8 10 375 10 ) 35.2 10 ( ) ( ) 785.2 10 Hg H O H O Hg H O Hg H O Hg N m b N m σ σ σ σ σ σ 1− − − − − − − − = − + = × − × + × = × ⋅ = − + = − × ⋅ L/S L/S （a）S 因此，能铺展。 S 因此，不能铺展。 − 第六章：高分子材料的表界面 29. 怎样用表面张力与温度或分子量的关系间接测定高分子材料的表面张力？ P86 （ 1 ） 11 2 09 9 0 2 3 T 11 T T1 : (1 ) (1 ) 1 T 9 T T , T T 2 M M c T T T T σσσ σ σ σ σ σ σ σ σ σ σ− − ∂= − ⇒ − = −∂ � ∼ ∼ c c c （ ）温度： 与 的关系 在正常的温度的范围内 与 为线性关系。在高温下，使固态聚合物熔融，测定不同温度 下聚合 物表面张力 。 用 对 作图得到直线，外推到室温，即可求得固态聚合物表面张力 。 （ ）分子量：同系物高聚物的 表面张力 随分子量的增大而增大，测量不同分子量液体同系物的表面张力 。 用 或 1 , , σ作图并外推到高分子量的区域内可以间接求得固态高聚物的表面张力 。 30. 分别用等张比容和内聚能密度法估算下列高分子化合物的表面张力。 1)聚苯乙烯 2)聚乙二醇（聚氧化乙烯） 共 12 页 当前第 7 页 《材料表界面》复习思考题答案汇总 4 m m 3 1 3 1 1.85 1.52 3 1 P1 P V V 10 N m 33.9 10 N m ( ) (2) 0.327 [ ] [ ] F 35 67 10 N m 2 s s c s s s s F n n V n V σ σ − − − − = × ⋅ × ⋅ = × × × ⋅ ∑ - - （ ） （ ） 式中 指的是原子团的等张比容、 指聚合物的摩尔体积。 代入数值计算：聚苯乙烯为42.96 聚乙二醇为 内聚能 式中 为结构单元色散力常数, 为高聚物结构单元的原子数, 为重复单元的摩尔体积。 代入数据可以得到：聚苯乙烯为 . 聚乙二醇为 3 19.1 10 N m− −× ⋅ 注意：计算表面张力一定注意温度，选择不同温度下的常数进行计算会得到不同的答案。 本题的答案肯定会与众不同。 31. 怎样用几何平均法和调和平均法来测定聚合物的表面张力及其分量？对课本 P102 的例题， 请用调和平均法进行计算。 P102 1 1 2 2 S L L L L L L L 1 ( ) ( )1 2 4 41 cos L L L d p S S S d p S S d d p p S S d d p p S S d p σ σ σ σθ σ σ σσ σ σ σ σ θ σ σ σ σ σ σ σσ θ σ σ σ σ σ σ θ ⋅ ⋅ + ++ + d d p p s L s L d p L L （ ）几何平均法 ： +cos =2[ + ] = 两种已知的 、 、 的液体，分别测出其对固体的接触角 由上式解两个联立方程即可求出固体表面张力 及其分量 和 。 （ ）调和平均法 （+ ）= 与 已知的两种液体，分别测出其在固体表面接触角 S d p S Sσ σ σ 。 由上式解两个联立方程即可求出固体表面张力 及其分量 和 32. 怎样测定固体材料的临界表面张力？临界表面张力是否等于固体的表面张力？ P104 (1) 测 定 ： 若 试 液 为 同 系 物 cos LVθ σ对 为 线 性 关 系 ， 测 定 不 同 的 LV LVcosθ σ θ σ对应的 ，用 对 作图得到直线，推到cos 1θ = 时即得到临界的表面张力 cσ 。 若试液为非同系物，测定不同的 LV LVcosθ σ θ σ对应的 ，用 对 作图得到一条离散的直带或一条曲线，直带 中最低的那根线与cos 1θ = 交点的横坐标即临界的表面张力 cσ 。 （2）不等于。 0 limc LV SV SL S SL S c SL e θ eσ σ σ σ σ σ σ σ σ π →= = − = − − ∴ − = + π 33. 总结固体聚合物表面张力的测试方法。 P106 （1） 温度与表面张力的关系。（2） 分子量与表面的关系（3） 等张比容估算 （4） 内聚能估算 (5) 测定液体对聚合物的接触角θ 2 2 (1 cos ) 4SV LV θσ σ φ += 求取 SVσ 共 12 页 当前第 8 页 《材料表界面》复习思考题答案汇总 （6） 几何平均法、调和平均法计算 （7）用同系物液体测出其对高聚物的接触角θ 以 cos LVθ σ− 作图，求临界表面张力 cσ 。（8）用一系列测试液测定其对高聚物的接触角θ由式 2 , , , 1 (1 cos ) 4c LV c c LV sφ φ φ σ θ σ σ σ σ σ= + 求出 ，用 对 作图，求 的状态方程法。 第七章：高聚物的表面改性 34. 聚烯烃薄膜经电晕处理后表面性能可能发生怎样的变化？ P108 经过电晕处理后，聚合物表面可形成各种的极性基团，改善聚合物的粘接性和润湿性，对油墨的附 着力显著改善，表面张力、剥离力明显提高。 35. 试讨论用液态氧化法处理聚合物的优缺点。 P111 优点：（1）可润湿性大大增加（2）表面张力增大（3）与各种液体接触角明显减小，粘接性能大大增 加。 缺点：氧化处理会有大量的酸废液产生，污染严重。 36. 低温等离子处理对聚合物的表面改性能产生些什么效果？ p113 （1）表面交联：等离子体中高能粒子轰击聚合物表面，产生了大量的自由基，自由基间的相互作用， 在表面形成致密的交联结构，同时也形成了大量的不饱和键。（2）极性基团的引入 ：等离子体表面氧化反 应为自由基链反应，氧的介入，可以引入大量的含氧基团，如羧基、羰基、羟基。（3）对润湿性的影响 改 善表面的润湿性，使聚合物表面张力增大，接触角变小。（4）对粘接性的影响 极性基团的引入使其与其它 的材料的粘结强度大大增强。（5）其它作用 引起聚合物失重、表面形成小坑。裂解产物中分子量较大的降 解聚合物，与未降解的相比，分子量较低，其玻璃化温度和粘度较低，因此可以通过界面的流动性和相互的 扩散改善可粘结性。 37. 聚合物表面接枝有哪些方法？其原理各是什么？ （1）表面接枝聚合 大分子偶合 添加接枝共聚物 （2）表面接枝聚合：在光、辐射线、紫外线、等离子体使聚合物表面产生活性种，引发乙烯 基单体自由基聚合，进行表面接枝。 大分子偶合： 聚合物表面产生反应性活性基团，使之与带有反应基团的大分子反应偶 合，实现其表面接枝。 添加接枝共聚物 在欲改性的高聚物中添加有界面活化性能的共聚物成型，共聚物亲基 材段嵌入到基材内部，留下接枝段在基质聚合物的表面上，达到表面改性的目的。 第八章和第九章 金属材料的表面 无机非金属的表界面 38. 叙述固体表面驰豫现象，表面驰豫对无机超细粉体性能的影响。 弛豫是指表面区原子或离子间的距离偏离体内的晶格常数，但晶胞结构基本不变。离子晶体的主要作用 力是库仑静电力，是一种长程作用，因此表面容易发生弛豫，弛豫的结果产生表面电矩。例如 NaCl 晶体的 弛豫，在表面处离子排列发生中断，体积大的负离子间的排斥作用，使 Cl－向外移动，体积小的 Na+则被拉 向内部，同时负离子易被极化，屏蔽正离子电场外露外移，结果原处于同一层 Na+和 Cl－分成相距为 0.026nm 的两个亚层，但晶胞结构基本没有变化，形成了弛豫。弛豫主要发生在垂直表面方向，又称为纵向弛豫，弛 豫时的晶格常数变化将取决于材料的特征和晶向。弛豫不仅于表面一层，而且会延伸到一定范围，例如 NaCl(100)面的离子极化是发生在距表面 5 层的范围。许多金属氧化物的表面都容易发生弛豫，并使表面带 负电，产生表面电矩。 当金属氧化物以粉体形式存在时，颗粒尺寸为亚微米极超细粉，则表面非常大，弛豫产生的表面电矩使 粉体难以紧密接触，给成型工艺带来困难。对于大多数粉体来说，表面原子都有不同程度的弛豫，V 族元素 原子向外移动，Ⅲ族元素原子向内移动，弛豫使键能发生旋转，并对表面态产生影响。 39. 何谓晶界偏析？举例说明晶界偏析对 PTC 陶瓷性能的影响。 共 12 页 当前第 9 页 《材料表界面》复习思考题答案汇总 晶界附近的组分与晶粒内部不同。产生的原因：第一是晶粒内部总是存在或多或少的杂质离予， 但是 环绕杂质的弹性应变场较强，而晶界区由于开放结构及弱弹性应变场，因此在适当的高温下下杂质将从晶粒 内向晶界扩散而导效偏析以降低应变能。第二是晶界上电荷随温度下降而增加， 因此在降温过程中也会引 起杂质的偏析。例如 MgO 饱和的 A1203 中， 晶界电荷符号为正，引起化合价比 Al3+低的 Mg2+的偏析，以降 低静电势。第三是固溶界限， 当温度降低时，溶质在晶格中的固溶度降低， 偏析量也随之增加，一般氧化 物固溶体中的固溶热(固溶时所需能量)都较大， 固溶界限就较低， 易引起溶质偏析。 BaTiO3陶瓷是否具有 PTC 效应，完全是由其晶粒和晶界的电性能决定，没有晶界的单晶是不具有 PTC 效应。 晶粒和晶界都充分半导化及晶粒半导化而晶界或边界层充分绝缘化的 BaTiO3 陶瓷都不具有 PTC 效应，而只 有晶粒充分半导化，晶界适当绝缘化的 BaTiO3 陶瓷才具有显著的 PTC 效应。一般是通过掺杂制备 PTC 陶瓷， Mn 对 PTC 效应的影响最为显著。Mn 离子提高 PTC 效应是在晶界层的偏析。对 Mn，Nb 共掺杂的 BaTiO3 陶瓷 进行观察，发现 Mn 在晶界处的偏析行为。 40. 何谓金属的清洁表面与真实表面？ 清洁表面是指表面经过特殊处理后，保持在 10－9~10－10 超高真空下的状态。特殊处理的方法很多， 有离子轰击和退火热处理，解理，热蚀，外延，场效应蒸发等，其中离子轰击加退火热处理是目前最普遍采 用的方法。 实际表面是指经过研磨，抛光处理后的状态。在电子显微镜下观察，其表面都是相当不平整的，表面除 出现明显的起伏，还可能伴有裂纹和空洞。表面的不平整性，对光刻，细微加工，磁记录，电位器噪声都有 很大的影响，而且与材料的润湿，摩擦，抗蚀等也密切相关。 金属经抛光后，其表面组织为氧化物（0.01~0.1μm）－贝尔比层（5~100nm）－严格变形区（1~2μm） －明显变形区（5~10μm）－微小变形区（20~50μm）。一个经过严格研磨抛光的金属，在距表面 1μm 内， 晶粒尺寸与体内明显不同，特别在距表面 0.1μm 的范围，晶粒尺寸很细，表面层上有非晶态存在，这是研 磨抛光过程引起局部升温，使该区局部熔化，强烈变形和再结晶，晶粒变细。有非晶态存在的表面层称为贝 尔比层，它是一个薄层，厚度为 5~100nm，其成分是金属和它的氧化物的混合物，与体内性质有明显差别。 贝尔比认为抛光是一种表面张力效应，表面层原子被抛光剂撕去，下面一层在瞬时保持它的流动性，并且在 凝固之前，由于表面张力的作用变得平滑。非晶态是不稳定的，表面层在放置过程中有可能重新结晶。 41. 试述离子注入对金属表面进行改性的机理。 P136 当用一定能量的离子轰击金属表面时，其中一部分离子被金属表面反射，形成溅射离子，而另一部分 将射入金属的表面层中，这称为注入离子。这个过程称为离子注入，它可以改变金属的表面结构，从而改变 金属材料表面物理、化学、力学等性质，可以用此法来进行金属的表面改性。 当离子注入能量较低时，通过弹性碰撞传递给原子的能量小于阈值能 Ed，金属原子只能在原位置重 复发生振动，并将此振动能传递给相邻原子，产生热峰效应；当离子能量超过 Ed，使被碰撞的原子离开平 衡位置；原位置被注入离子所占据，它进入填隙位，或者在原位置留下空位。如果碰撞的原子获得的能仍相 当大，仍大于 Ed，则可能继续与其他原子相撞，串级碰撞，于是金属形成大量缺陷和热峰效应。 42. 玻璃表面组成与实际（内部）组成的差异的原因？ 玻璃表面的化学组成与玻璃主体的化学组成有一定的差异，即沿着玻璃表面的垂直方向的个组成含量不 是恒值，也就是说组成随深度变化而变化。 造成玻璃表面与主体组成上的差异，主要有熔制、成形、热加工以及玻璃表面受大气、水和其他溶液侵蚀等 不同原因造成的。在熔制、成形和热加工过程中，由于高温时一些组成的挥发，或各组分对表面能的贡献大 小不同，而造成表面中某些成分的富集，某些成分的减少。当玻璃处在粘滞状态下，使表面能减少的组分， 就会富集到玻璃表面，以使玻璃表面能尽可能低；相反，赋予表面能高的组分，就会迁离玻璃表面内部移动， 所以这些组分在表面比较少。常用的玻璃成分中的 Na+、B3+是容易挥发的。Lyon 认为 Na+在成形温度范围 内，Na+自表面向周围介质挥发的速度大于 Na+从玻璃内部向表面迁移的速度。故用拉制法或吹制法成形玻 共 12 页 当前第 10 页 《材料表界面》复习思考题答案汇总 璃的表面还是少碱的。他认为只有在退火温度下，Na+从内部迁移到表面的速度大于 Na+从表面挥发的速度。 但实际生产中，退火时对迁移到表面的高 Na+层与炉气中的 SO2 结合生成 Na2SO4 白霜。而这层白霜和容易 洗去，结果表面层还是少碱。 43. 玻璃表面结构与玻璃力学性质的关系？ 玻璃的实际强度要比理论强度低几个数量级，这是因为实际玻璃存在着微观和宏观 缺陷，特别是表面微裂纹，使实际强度大大降低。 Weyl 的玻璃亚表面理论解释了玻璃理论强度大大小于实际强度。假设了玻璃表面亚表面层厚度为胶 体粒子大小，不完全对称，配位不全，有缺陷。特点为：几何表面熵值最高，向内部成梯度降低；原子或质 点表面不对称，缺陷多，空隙大，成为微多孔性；表面的无序高于内部；表面易析晶。 44. 比较玻璃镀膜与玻璃表面改性。 玻璃表面镀膜是玻璃表面处理常用的方法，通过镀不同的膜，以改善玻璃的光学、热学、电学、力学、 化学等性能，有些膜也能起装饰作用，所以膜层既有功能性的，也有装饰性的。特点是不改变玻璃原来的表 面组成。 根据玻璃表面镀膜的方法，可分为化学镀膜和物理镀膜二种。 1）化学镀膜:(a) 化学还原法；（b）化学气相沉积法；（c）热喷涂法；(d) 溶胶-凝胶法。 2）物理镀膜：(a) 真空蒸发沉积法；(b) 溅射法；(c) 离子镀法。 玻璃表面改性通常指的是表面离子注入和离子交换，它与镀膜不同在改变玻璃原来的表面组成和结构。 第十章：复合材料的界面 45. 为什么说界面对复合材料的性能起着重要的作用？ P170 （1）复合材料界面包含着两相之间的过渡区域的三维界面相，界面相内的化学组分、分子排列、热 性能、力学性能等呈连续性变化。（2）复合材料的性能并非组分材料的性能简单加和，而是产生了 1+1〉2 的协同效应。（3）两相复合过程中，会出现热应力（导热系数、膨胀系数的不同）、界面化学效应（官能团 之间的作用或反应）和界面结晶效应（成核诱发结晶、横晶）。这些效应引起的界面微观结构和性能特征， 对复合材料的性能产生直接的影响。 46. 何谓偶联剂？说明硅烷偶联剂对玻璃纤维增强塑料的作用机理。 （1） P172 偶联剂是分子含有两种不同性质基团的化合物，其中一种基团可与增强材料发生物 理或化学作用，另一种基团可与基体发生物理或化学作用。 （2） P172 ①X 基团的水解，形成硅醇； ②硅醇的羟基之间以及硅醇的羟基与玻璃纤维表面 的羟基形成氢键； ③硅羟基间脱水形成硅氧键。 47. 若玻璃纤维增强塑料的基体是不饱和聚酯树脂，宜选用怎样结构的硅烷偶联剂？为什么？ 若基体是环氧树脂呢？ P173 （1）基体是不饱和聚酯树脂选用 R 基为 C C− = − 因为 C C− = −可与不饱和聚酯树 脂发生固化反应。（2）基体是环氧树脂选用 R 基为 2 2NH CH CH− − − 2NH− 与环氧基， 因为固化反应。 48. 举例说明钛酸酯偶联剂的作用机理。 P178 49. 复合材料界面力学性能标准有哪些方法？用单丝模型和宏观力学性能测试复合材料的界 面力学性能各有什么优缺点？ P201 （1）复合材料界面力学性能标准可归纳为两大类：一是常规材料力学实验法 如 短梁弯曲、层间 剪切。二是单丝模型法 如 单丝拔脱实验法 断片实验法 界面粘接能测试。 （2）单丝模型法：即用单纤维埋在基体中制样，考察外力作用下的界面破坏过程。 共 12 页 当前第 11 页 《材料表界面》复习思考题答案汇总 优点：排除了其它非主要的因素的干扰，直接研究纤维与基体的界面。 缺点：试验材料与实际材料性能相 差较远。 宏观力学性能测试： 优点：方法简单易行，试验材料性能与实际材料性能很接近。 缺点：材料在常规宏观力学性能测试中的破坏不完全是界面破坏过程，而是多种破坏因素综合结果，不利于 研究界面的微观破坏过程。 50. 什么是化学键理论？化学键理论有什么缺陷？举例说明化学键理论在碳纤维表面处理中 的应用。 P206（1）化学键理论认为两相之间实现有效的粘接，两相的表面应含有能相互发生化学反应的活性基团， 通过官能团的反应以化学键合形成界面。若两相不能进行化学反应，也通过偶联剂的媒介作用以化学键相互 结合。 （2）缺陷：不能解释以下现象 ① 有些偶联剂不含有与基体树脂起反应的活性基团，却有很好的处理效果。 ②偶联剂在增强纤维表面有多层结构而并非由化学键理论推导的单层结构， ③ 基体树脂固化，热应力松弛 效应。 （3）应用：在表面氧化或等离子、辐射等处理过程中，纤维表面产生了羧基、羟基等含氧活性基团，提高 了与环氧等基体树脂的反应能力，使界面形成了化学键，大大提高了粘接强度。 参考文献： [1] 材料表界面 胡福增 华东理工大学 2001：1-209 [2] 材料表界面课堂 笔记 哲学笔记pdf明清笔记pdf政法笔记下载课堂笔记下载生物化学笔记PDF 共 12 页 当前第 12 页