材料表面与界面第一章学习教案.pptx

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1、会计学 1材料(cilio)表面与界面第一章第一页，共109页。2一.学和用的转换(zhunhun)并非轻松 研究生课程学习(xux)的特点二.增强研究生的研究性思维例如高分子晶体理论的建立(jinl)：缨状微束 折叠链 松散折叠链 隧道折叠链 插线板模型三.尊重客观实际不畏权威 第1页/共108页第二页，共109页。3为什么在反应釡中要控制苯乙烯转化率为 20%而不让转化率提高一些，以增加(zngji)设备的利用率？什么叫自动加速(ji s)效应？它是如何产生的？第2页/共108页第三页，共109页。4为什么要学材料(cilio)表界面？n n 材料科学、信息科学和生命科学是当前新技术革 材

2、料科学、信息科学和生命科学是当前新技术革命 命(g(g mng)mng)中的三大前沿科学，材料的表界面 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。在材料科学中有重要的地位。n n 材料表界面对材料整体性能具有决定性影响，材 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 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。结、复合等等，无不与材料的表界面密切有关。第3页/共108页第四页，共109页。51875 1875 1878 Gibbs 1878 Gibbs 定律；奠定了表界面科学的基础 定律；奠定了表界

3、面科学的基础1913 1913 1942 Langmuir 1942 Langmuir 的贡献；（获 的贡献；（获1932 1932年诺贝尔化学奖）年诺贝尔化学奖）(蒸发、凝聚、吸附、单分子膜等表界面的研究）蒸发、凝聚、吸附、单分子膜等表界面的研究）20 20世纪 世纪40 40年代前 年代前 表面化学成果 表面化学成果(chnggu)(chnggu)大量应用生产；大量应用生产；50 50年代，微型化、年代，微型化、IT IT发展促进表面化学发展；发展促进表面化学发展；60 60年代，由于超高真空技术的发展，表面现象向微观领域发 年代，由于超高真空技术的发展，表面现象向微观领域发展；展；200

4、7 2007年，格哈德 年，格哈德 埃特尔 埃特尔,成功描述了在表面发生的化学反应细 成功描述了在表面发生的化学反应细节，并以此方法为现代表面化学奠定了基础。获诺贝尔化学 节，并以此方法为现代表面化学奠定了基础。获诺贝尔化学奖。奖。表界面科学(kxu)发展简史第4页/共108页第五页，共109页。6表界面是由一个相到另一个相的过渡区域。若其中一相为气体(qt)，这种界面通常称为表面（surface)。表界面区的结构、能量、组成等都呈现连续的梯度变化(binhu)，相与相之间没有截然的分界面。1、表界面(jimin)的定义(surface，interface，interphase)AB什么是表界

5、面？第5页/共108页第六页，共109页。7（1）气-液界面(jimin)表界面(jimin)通常有五类：气-液界面(jimin)（表面），气-固界面(jimin)（表面），液-液界面(jimin)，液-固界面(jimin)，固-固界面(jimin)。第6页/共108页第七页，共109页。8（2）气-固界面(jimin)第7页/共108页第八页，共109页。9（3）液-液界面(jimin)第8页/共108页第九页，共109页。10（4）液-固界面(jimin)第9页/共108页第十页，共109页。11（5）固-固界面(jimin)第10页/共108页第十一页，共109页。12材料(cilio)

6、表界面的形成1.1.机械 机械(jxi)(jxi)作用界面 作用界面 切削，研磨，抛光，喷砂，磨 切削，研磨，抛光，喷砂，磨损等 损等2.2.化学作用界面 化学作用界面 反应，粘接，氧化，腐蚀等 反应，粘接，氧化，腐蚀等3.3.固体结合界面 固体结合界面 真空，加热，加压，界面扩散等 真空，加热，加压，界面扩散等4.4.液相或气相沉积界面 液相或气相沉积界面 5.5.凝固共生界面 凝固共生界面 6.6.粉末冶金界面 粉末冶金界面 热压，热锻，烧结，热喷涂等 热压，热锻，烧结，热喷涂等7.7.粘结界面 粘结界面 无机或有机粘结剂粘结两固体 无机或有机粘结剂粘结两固体8.8.熔焊界面 熔焊界面 固

7、体表面形成熔体，凝固而成 固体表面形成熔体，凝固而成第11页/共108页第十二页，共109页。13表界面(jimin)研究的重要性分 类 表、界面现象作为表面活性剂材料制造的产品肥皂和洗涤剂（表面活性剂）乳化剂和稳定剂、灭草剂和杀虫剂,织物软化剂表、界面现象的直接应用 润滑、黏接、泡沫、湿润和防水复合材料的偶联剂天然和合成材料的纯化和/或改性 三次采油、烧结生理与医学应用 呼吸、关节润滑、液体输运中的毛细现象、动脉硬化纳米材料 比表面积急剧增加，表面原子数目增多，特殊的表面效应第12页/共108页第十三页，共109页。14第 1 章 表界面(jimin)基础知识第13页/共108页第十四页，共

8、109页。15表面(biomin)张力和表面(biomin)自由能1.表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境(hunjng)不同。2.气液表面的分子净受到指向液体内部(nib)的力；表面张力本质是分子间相互作用3.从液体内部将分子移到表面要克服分子间引力而做功，使系统自由焓增加；第14页/共108页第十五页，共109页。16定义：外力F与液膜边缘的长度(chngd)成正比，比例常数与液体表面特性有关，以表示，称为表面张力：式中，L为液膜边缘长度，因为(yn wi)液膜有两面故取系数2。表面张力是单位长度上的作用力，单位是N/m，它是反抗表面扩大的一种收缩力，使系统具有最小的表面积。第15页/

9、共108页第十六页，共109页。17在上图中，设在 在上图中，设在F F力作用 力作用(zuyng)(zuyng)下金属丝移动 下金属丝移动dx dx的距离，则所作 的距离，则所作的功为：的功为：n n 但2L*dx等于液膜的面积增量(zn lin)dA,所以:n n 将上式改写成如下形式：第16页/共108页第十七页，共109页。181.2 表面张力(biominzhngl)的热力学定义 n n 热力学第一定律告诉我们可逆条件下生成单位表面时内 热力学第一定律告诉我们可逆条件下生成单位表面时内能的变化 能的变化:n n 系统 系统(xt(xt ng)ng)功包括膨胀功和表面功 功包括膨胀功和

10、表面功:n n 由热力学第二定律，由热力学第二定律，dQR=TdS dQR=TdS，得：，得：第17页/共108页第十八页，共109页。19根据 根据(gnj)(gnj)焓：焓：H=U+pV H=U+pV dH=dU+pdV+Vdp,dH=dU+pdV+Vdp,自由能：自由能：F=U-TS dF=dU-TdS-SdT F=U-TS dF=dU-TdS-SdT自由焓：自由焓：GH-TS dG=dH-TdS-SdT GH-TS dG=dH-TdS-SdTn n 导出表界面张力(zhngl)的热力学方程：第18页/共108页第十九页，共109页。20由此四个热力学基本方程可以得出表界面 由此四个热力

11、学基本方程可以得出表界面(jimin)(jimin)张力的热力学定义为：张力的热力学定义为：n n 上式表明表面张力是在特定条件下改变单位 上式表明表面张力是在特定条件下改变单位(dnwi)(dnwi)面积所引起的 面积所引起的U,H,F,G U,H,F,G的变化值。由于 的变化值。由于经常在恒温、恒压下研究表面性能，故常用下式 经常在恒温、恒压下研究表面性能，故常用下式表示 表示.第19页/共108页第二十页，共109页。21n n 令 令Gs Gs为单位面积的自由焓，简称 为单位面积的自由焓，简称(ji(ji nchng)nchng)比表面自 比表面自由焓，由焓，A A为总表面积，则总表面

12、自由焓为：为总表面积，则总表面自由焓为：n n G=GsA(1-12)G=GsA(1-12)n n 代入式（代入式（1-11 1-11）可得：）可得：第20页/共108页第二十一页，共109页。22n n 纯液体的分子是可流动的，表面改变并不引起表面结构、纯液体的分子是可流动的，表面改变并不引起表面结构、分子间平均距离及排列情况变化，因此 分子间平均距离及排列情况变化，因此(ync(ync)：n n 由此得：由此得：n n 单组分液体的表面张力等于比表面自由焓。单组分液体的表面张力等于比表面自由焓。第21页/共108页第二十二页，共109页。23对于(duy)球面 在附加(fji)压力p的作用

13、下，半径减小dr，表面能的变化为：压差(y ch)所作功为：1.3 Laplace方程第22页/共108页第二十三页，共109页。241.3 Laplace1.3 Laplace方程方程(fngchng)(fngchng)1.附加压力与表面张力成正比，与曲率半径成反比2.凸液面，液滴的曲率半径r为正，P为正，附加压力指向液体内部(nib)，r越小，P越大；3.平液面，r趋向无穷大，P为零，跨越平液面不存在压力差；4.凹液面，r为负，P为负，附加压力指向空气。达到(ddo)平衡时：第23页/共108页第二十四页，共109页。25对于任意(rny)曲面 如果(rgu)将该曲面由ABCD向外推移一个

14、小小的距离dz成ABCD,其面积变化为：形成这部分新表面积做的功为：1.3 Laplace方程(fngchng)第24页/共108页第二十五页，共109页。26 当曲面 当曲面(qmin)(qmin)向外位移 向外位移dz dz时，作用在 时，作用在xy xy面积上的 面积上的压差 压差p p做功为：做功为：由相似(xins)三角形原理1.3 Laplace方程(fngchng)第25页/共108页第二十六页，共109页。27 达到(ddo)平衡时，W1=W2,即：化简后得：上式Laplace方程的一般(ybn)形式，是表面化学的基本定律之一。注：（1）若：r1r2r，则曲面为球面(qimin

15、)，回到（215）式；（2）若：r1r2无穷大，则液面为平面，压差为0。1.3 Laplace方程第26页/共108页第二十七页，共109页。28毛细管法 毛细管法 当液体完全 当液体完全(wnqun)(wnqun)浸润 浸润毛细管壁时 毛细管壁时由Laplace方程可得：若定义(dngy)h为凹月面底部距平液面的高度，则压差p应等于毛细管内液柱的静压强，即 为气液两相的密度(md)差1.4 液体表面张力的测定第27页/共108页第二十八页，共109页。29上式也可以 上式也可以(ky)(ky)改写成 改写成式中a为毛细常数(chngsh)，它是液体的特性常数(chngsh)。两个前提:1.小

16、直径(zhjng)毛细管2.液体与毛细管完全或完全不浸润1.4 液体表面张力的测定第28页/共108页第二十九页，共109页。30当液体(yt)与管壁接触角介于0-180之间，若弯月面仍为球面，则有：完全(wnqun)浸润，接触角为0，cos1；完全(wnqun)不浸润，接触角为180，cos-11.4 液体表面张力(biominzhngl)的测定第29页/共108页第三十页，共109页。31n n 上面(shng min)的推导过程可发现如下问题n n（1）对凹月面看作为球面的近似处理；n n（2）只有在凹月面的最低一点毛细上升高度才是 h，在其他各点上，毛细上升高度都大于 h。n n 必须

17、考虑对以上两个偏差作修正。1.4 液体(yt)表面张力的测定第30页/共108页第三十一页，共109页。32修正方法之一是 修正方法之一是Rayleigh Rayleigh提出的级数 提出的级数(j sh)(j sh)近似法 近似法式中第一项是基本的 式中第一项是基本的Laplace Laplace方程，第二项是考虑弯月 方程，第二项是考虑弯月面液体质量的修正，其余各项是对偏离球形的修正 面液体质量的修正，其余各项是对偏离球形的修正1.4 液体表面张力(biominzhngl)的测定第31页/共108页第三十二页，共109页。33例：25，101.325kPa下将直径为1m的毛细管插入水中，问

18、需要外加多大的压力才能防止水面(shu min)上升？（已知25 时水的表面张力为71.9710-3 N*m-1)1.4 液体(yt)表面张力的测定第32页/共108页第三十三页，共109页。34滴重法1864年，Tate 提出液滴质量mg与表面张力(biominzhngl)的关系：在恒温的条件下，使管端缓慢形成的液滴滴入杯中，在收集到适量的液体后称重(chn zhn)其质量，由此精确地测得每滴液重。1.4 液体表面张力(biominzhngl)的测定第33页/共108页第三十四页，共109页。35Harkins引入修正(xizhng)系数 f并且得出，f是液滴体积V的函数。使用时r/v1/3

19、范围最好在 0.6-1.2 以内，因为该区间 f 之变化最为缓慢，结果也更加精确。液滴落下过程(guchng)的快速摄影图 1.4 液体(yt)表面张力的测定第34页/共108页第三十五页，共109页。36n n Wilkenson Wilkenson等用实验数据拟合得到 等用实验数据拟合得到(d do)(d do)下面的经 下面的经验方程 验方程n n 上式是用于 上式是用于0.3 0.3（r/v1/3)1.2 r/v1/3)1.2的区间。的区间。n n 吴树森与王飞鸿则提出下面的经验方程：吴树森与王飞鸿则提出下面的经验方程：n n 上式的适用于 上式的适用于0.058 0.058（r/v1

20、/3)0.3 r/v1/3)0.3区间 区间1.4 液体(yt)表面张力的测定第35页/共108页第三十六页，共109页。37最大气泡(qpo)压力法Pmax=gh=2/r（2-24）Pmax=gh Pt（2-25）适用(shyng)于很细的毛细管跳过1.4 液体表面张力(biominzhngl)的测定第36页/共108页第三十七页，共109页。381 1）由毛细升高法测得毛细管半径）由毛细升高法测得毛细管半径r r和毛细上升高度 和毛细上升高度h h；2 2）由）由a12=rh a12=rh，求出毛细常数的一级近似值，求出毛细常数的一级近似值a1 a1；3 3）求）求r/a1 r/a1，查表得，查表得r/b r/b，从而得到，从而得到b b值；值；4 4）a22=bh a22=bh，求出毛细常数的二级近似值，求出毛细常数的二级近似值a2 a2；5 5）重复上述计算过程，直至）重复上述计算过程，直至(zhzh)a(zhzh)a值恒定；值恒定；6 6）由）由=a2=a2 g/2 g/2，求出，求出。数据(shj)逼近法跳过1.4 液体(yt)表面张力的测定第37页/共108页第三十八页，共109页。