《材料表界面》课件:第一章.pptx
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材料表界面尹杰材料科学与工程学院电话:
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总课时数:
32课时学分:
2学分课程性质:
专业基础课教材:
胡福增材料表界面(第二版)上海:
华东理工大学出版考核方式:
闭卷考试课程简介考核方式平时成绩:
20(包括考勤10和作业10)期末考试:
80课程主要内容一、绪论二、液体界面三、固体表面四、固液界面五、表面活性剂六、高分子材料的表面张力七、聚合物的表面改性八、金属材料的表面九、无机非金属材料的表界面十、复合材料的界面表界面基础知识材料表界面一、绪论1.表界面科学研究的重要性2.表界面科学发展历程3.表界面的基本概念能源科学材料表界面对材料整体性能具有决定性影响。
材料科学各种材料的性能和制造过程:
腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、三涂大膜、前粘沿结科、复学合等等信,息无科不学与材料的表界面密切有关。
1.表界面研究的重要性表界面现象一览表1.表界面研究的重要性1.表界面研究的重要性至油泵至油泵图:
液体燃料在失重空间对容器的浸润状态示意图(阴影部分代表液体燃料)美国登月行动失败例驱动火箭的液态燃料在一次断路周期后未能按原定计划执行第二次点火而遭失败对容器不浸润对容器浸润良好1.表界面研究的重要性纳米材料的发展也正是源于其独特的表界面特性表面原子数随粒径的减小迅速增加,原子配位不足及高的表面能,使这些表面原子具有高活性,容易与其他原子结合。
1.表界面研究的重要性纳米材料的发展也正是源于其独特的表界面特性颗粒表面原子随粒径的变化%表面原子数随粒径的减小迅速增加,原子配位不足及高的表面能,使这些表面原子具有高活性,容易与其他原子结合。
1.表界面研究的重要性“道理非常简单,由于催化反应总是在催化剂表面发生,而对于相同质量的物质,被分散得越细小时,可以暴露的表面原子越多,表面积总和越大,因而制制备高分散贵金属催化剂自然成了科学家提高贵金属利用效率的首选方案。
”我国研发首例单原子铂催化剂(中科院大连化学物理研究所张涛院士课题组)Nat.Chem.,3(2011)634-6411.表界面研究的重要性催化基础国家重点实验室纳米与界面催化研究组将基于模型体系的表面催化研究和真实催化材料中的界面催化研究相结合,创新性地在金属表面构建纳米结构氧化物形成“Oxide-on-metal”反转催化体系,实现担载的纳米氧化物直接催化表面反应。
由于氧化物与金属之间的相互作用,在金属表面上形成的氧化物为单层分散、亚稳态结构,在氧化物-金属边界处形成了配位不饱和的过渡金属阳离子活性中心,能够高效活化O2、H2O等分子,成功地用于低温催化氧化等反应,并由此发展出“界面限域催化”的概念。
1.表界面研究的重要性“TiO2表面异相结结构促进光催化产氢”,TiO2表面酸碱性对其CO的产生有很大影响,其机理类似传统催化中甲酸的分解反应,即酸性表面有利于CO的产生。
EnergyEnviron.Sci.,2012,5,6345-6351TiO2晶相-三种晶相金红石锐钛矿板钛矿TiO2表面异相结结构促进光催化产氢Angew.Chem.Int.Ed.2008,47,17661769F117、F22隐形飞机水泥基表面的树脂涂层1.表界面研究的重要性陶瓷涂层柱塞、阀座用耐磨总之,无论是金属材料、无机非金属材料还是高分子材料,表界面对材料的性能都起着重要的作用。
可以预见,随着表界面研究的深入,材料的应用领域将不断拓展,材料表界面的理论也将不断丰富、发展。
微型化、IT发展微型材化料、表面性能IT发展50年代以后Gibbs定律理论基础超微高观领域真技术的发展2.大量应用生成表面化学成果Langmuir的贡献1932诺贝尔化学奖198以728前在早在2在01世9118纪37至5前-11498047年28年年内间期,间表美,面国著化科名学学科得家学到L家迅an吉速gm布发ui斯展r对首,蒸先大发用量、数研凝学究聚物成、理果吸方被附法广、导泛单出应分界用子面于膜区各等物生表质产界的领面浓域,现这象对的食研品度究、一做土般出壤不了化同杰学于出、各的造本贡纸体献、相,涂的为料浓此、度荣橡,获胶由1、此93建奠2年材定诺、了贝冶表尔金界化、面学能科奖源学,等的被行理誉业论为的基表发础面展。
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门独立的学科得到公众承认。
3.表界面的基本概念3.1表界面的定义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。
表界面区的结构、能量、组成等都呈现连续的梯度变化。
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。
3.1表界面的定义
(1)气-液界面3.表界面的基本概念3.1表界面的定义
(2)气-固界面3.表界面的基本概念3.1表界面的定义(3)液-液界面3.表界面的基本概念3.1表界面的定义(4)液-固界面3.表界面的基本概念3.1表界面的定义(5)固-固界面3.表界面的基本概念3.2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。
理想表面清洁表面吸附表面3.表界面的基本概念点阵是为集中反映晶体结构的周期性而引入的概念。
晶体结构是在三维空间伸展的点阵结构。
点阵是一组无限的点,点阵中每个点都具有完全相同的周围环境。
在平移的对称操作下,(连结点阵中任意两点的矢量,按此矢量平移),所有点都能复原,满足以上条件的一组点称为点阵。
3.2.1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。
d内部表面理想表面示意图理论前提:
1、不考虑晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响;2、不考虑表面原子的热运动、热扩散、热缺陷等;3、不考虑外界对表面的物理-化学作用等;4、认为体内原子的位置与结构是无限周期性的,则表面原子的位置与结构是半无限的,与体内完全一样。
3.表界面的基本概念3.2.2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。
3.表界面的基本概念清洁表面原子排列中断,表面原子受到力变化;表面能变化。
驰豫:
点阵常数变化,非平衡态;重构:
原子重排,不同于本体内的晶面;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3.表界面的基本概念3.2.2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。
ds内部表面d0指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距ds和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。
可能涉及几个原子层。
驰豫d0内部表面d0指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内,但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。
重构表面附近的点阵常数不变,晶体结构也不变,而形成相梯度表面。
台阶化表面结构变化3.2.2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。
驰豫:
点阵常数变化,非平衡态;重构:
原子重排,不同于本体内的晶面;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3.表界面的基本概念偏析固溶体中的溶质原子富集在表面或者界面,也就是表面或界面附近某种原子离子或化合物的浓度高于内部。
吸附表面存在大量具有不饱和键的原子或离子,对外来的原子或离子能产生吸附。
化学组成变化3.2.2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。
驰豫:
点阵常数变化,非平衡态;重构:
原子重排,不同于本体内的晶面;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3.表界面的基本概念3.2.3吸附表面:
吸附有外来原子的表面。
吸附原子可以形成无序的或有序的覆盖层。
覆盖层可以具有和基体相同的结构,也可以形成重构表面层。
顶吸附桥吸附填充吸附中心吸附俯视图剖面图3.表界面的基本概念3.2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。
理想表面清洁表面吸附表面3.表界面的基本概念3.表界面的基本概念3.3材料表面定义:
各种表面作用和过程所涉及的区域,其空间尺度和状态决定于作用影响范围的大小和材料与环境条件的特性。
3.表界面的基本概念3.3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表面反应,粘接,氧化,腐蚀等固态结合界面真空,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,凝固而成一、绪论1.表界面科学研究的重要性2.表界面科学发展历程3.表界面的基本概念
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- 材料表界面 材料 界面 课件 第一章