《材料表面与界面》教学大纲及授课计划


陆 海 鸣

一、课程目的与要求

适用领域:材料学、材料物理专业

先修课程:物理化学、材料热力学

课程学时:32

课程学分:2

教学对象:具有材料物理和材料化学基础的高年级本科生

教学目的:本课程主要讲授材料表面界面的基本知识及其近期的研究进展,具体包括液体表面、固体表面、固-液界面、金属材料的表面、无机非金属材料的表界面、高分子材料的表界面、复合材料的界面、生物材料的表界面和纳米材料的表界面。通过学习使学生掌握各种材料表面与界面的结构和性质及其基本研究方法,为研究涉及表面与界面的材料课题和开发新型材料提供理论与实验基础。



二、教学内容与课时安排

  1. 绪论 2课时

    1. 基本概念

      1. 表界面定义

      2. 表面能与表面张力

      3. 表面吸附

      4. 表面扩散传质

    2. 表界面科学的形成和发展

      1. Langmuir的贡献

      2. 表界面形成的背景

      3. 未来的发展空间


  1. 液体表面 3课时

    1. 表面张力和表面自由能

    2. 表面张力的热力学定义

    3. Laplace-Young方程

      1. 球面

      2. 任意曲面

    4. 液体表面张力的测定

      1. 毛细管法

      2. 最大气泡压力法

      3. 滴重法

      4. 吊环法

      5. 吊板法

    5. Kelvin公式

    6. Gibbs吸附等温式

      1. 溶液的表面张力

      2. Gibbs吸附等温式

      3. Gibbs吸附等温式的导出

      4. Gibbs吸附等温式的应用


  1. 固体表面 3课时

    1. 固体的表面特性

      1. 固体表面原子/分子的运动受缚性

      2. 固体表面的不均一性

      3. 固体表面的吸附性

    2. 固体表面的自由能

    3. -气界面吸附

      1. 吸附等温线

      2. Langmuir等温式

      3. Freundlish吸附等温式

      4. BET多分子层吸附理论


  1. -液界面 4课时

    1. Young方程和接触角

    2. 粘附功和内聚能

    3. Young-Dupre公式

    4. 接触角的测定方法

      1. 停滴法

      2. 吊片法

      3. 纤维对液体的接触角测定

    5. 接触角的滞后现象

      1. 前进角和后退角

      2. 表面粗糙性引起的滞后

      3. 表面不均匀性和多相性的滞后

      4. 表面污染

    6. 润湿过程的三种类型

      1. 粘附润湿过程

      2. 浸湿过程

      3. 铺展润湿过程

      4. 润湿过程的比较  


  1. 金属材料的表面 4课时

    1. 概述

      1. 清洁表面

      2. 真实表面

    2. 金属的表面反应

      1. 超点阵

      2. 吸附、扩散与脱附

      3. 表面反应

      4. 真空中金属的表面反应

    3. 常用气体在金属表面的吸附

      1. 氢的吸附

      2. 氮的吸附

      3. 氧的吸附

      4. 一氧化碳的吸附

      5. 二氧化碳的吸附

      6. 碳氢化合物的吸附

    4. 金属的表面腐蚀

      1. 腐蚀与钝化

      2. 腐蚀的分类

      3. 防止金属腐蚀的方法

    5. 金属的表面改性

      1. 激光束表面改性

      2. 离子注入表面改性

      3. 表面镀膜改性

      4. 化学热处理


  1. 无机非金属材料的表界面 4课时

    1. 陶瓷的表界面

      1. 陶瓷表界面结构

      2. 陶瓷表界面的特征与行为

      3. 表界面对陶瓷性能的影响和新材料开发

    2. 玻璃的表界面

      1. 玻璃表界面的结构

      2. 玻璃表界面的化学组成与化学反应

      3. 玻璃表界面的性能及其改进

      4. 玻璃表界面的表征


  1. 高分子材料的表界面 5课时

    1. 高分子材料的表面张力

      1. 表面张力与温度的关系

      2. 表面形态对表面张力的影响

      3. 表面张力与相对分子质量的关系

      4. 表面张力与分子结构的关系

      5. 表面张力与内聚能密度

      6. 共聚和共混对表面张力的影响

      7. 界面张力

      8. 临界表面张力

      9. 状态方程

    2. 聚合物与聚合物的相容性

      1. 聚合物-聚合物体系的相容性

      2. 固体聚合物表面张力的测定方法

      3. 改善聚合物间相容性的方法

    3. 聚合物的表面改性

      1. 电晕放电处理

      2. 火焰处理和热处理

      3. 化学处理

      4. 臭氧氧化

      5. 低温等离子体处理

      6. 表面接枝


  1. 复合材料的界面 2课时

    1. 复合材料概述

      1. 聚合物基复合材料基体

      2. 增强材料

      3. 复合材料的界面

    2. 复合材料界面理论

      1. 浸润性理论

      2. 化学键理论

      3. 过渡层理论

      4. 可逆水解理论

      5. 摩擦理论

      6. 扩散理论

      7. 静电理论

      8. 酸碱作用理论


  1. 生物材料的表界面 2课时

    1. 生物材料概述

    2. 生物的表面摩擦和粘附系统

    3. 昆虫的摩擦装置

    4. 抗粘附机制


  1. 纳米材料的表界面 4课时

    1. 纳米粒子的表面化学特性

      1. 纳米粒子的成核与张大

      2. 纳米粒子的稳定性

    2. 粒子表面的纳米工程

      1. 聚合物涂层

      2. 无机和复合物涂层

      3. 生物大分子

    3. 纳米结构薄膜材料的表面与界面行为

      1. 纳米结构半导体薄膜的制备

      2. 纳米结构半导体薄膜的性质


三、教材及主要参考书

教材:胡福增,陈国荣,杜永娟,材料表界面(第二版),华东理工大学出版社,2008

主要参考书: R.W. Cahn, 《材料科学与技术丛书》, 科学出版社,1998

胡福增,材料表面与界面,华东理工大学出版社,2008

叶恒强,材料界面结构及强度,科学出版社,2000

李恒德等,材料表面与界面,中国科学出版社,1990


授课计划


周 次

章 节 内 容 提 要(学 时 数)

学 习 要 求

1

绪论:基本概念、表界面科学的形成和发展(2)

掌握表界面的定义及其表面能与表面张力;表面吸附和表面扩散;了解表界面科学的形成背景及其未来发展空间

2

第二章 液体表面:表面张力和表面自由能、表面张力的热力学定义、Laplace方程(1)、表面张力的测定、Kelvin公式(1

掌握液体表面张力及其表面自由能的定义;球面和任意曲面Laplace-Young方程的推导;液体表面张力的测定方法;Kelvin公式;Gibbs吸附等温室的推导及其应用

3

Gibbs吸附等温式(1

第三章 固体表面:固体的表面特性(1

掌握材料对称性、有序性、周期性的概念;无序结构的基本特征;短程序与长程序的概念;非晶体的玻璃化转变;对偶分布函数的数学基础;非晶固体的硬球模型;原子间有效作用势

4

固体表面的自由能(1)、固-气界面吸附(1

掌握固体表面能的定义及其计算方法;固-气界面吸附特性

5

第四章 固-液界面:Young方程和接触角、粘附功和内聚能、Young-Dupre公式(1)接触角的测定方法(1

掌握Young方程;接触角、粘附功和内聚能的定义;接触角的不同测定方法

6

接触角的滞后现象(1)、润湿过程的三种类型(1

掌握接触角滞后现象的影响因素;粘附润湿过程;浸润过程;铺展润湿过程;不同润湿过程的比较

7

第五章 金属材料的表面:概述、金属的表面反应(1)、常用气体在金属表面的吸附(1

了解清洁表面和真实表面;超点阵;吸附、扩散与脱附;表面吸附态结构;表面反应;氢、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳和碳氢化合物在金属表面的吸附

8

金属的表面腐蚀(1)、金属的表面改性(1

掌握腐蚀与钝化;腐蚀的种类;防止腐蚀的方法;激光束表明改性;离子注入改性;表面镀膜改性;化学热处理

9

第六章 无机非金属材料的表界面:

陶瓷的表界面(2

掌握陶瓷表界面结构;陶瓷表界面的特征与行为;表界面对陶瓷性能的影响和新材料的开发

10

玻璃的表界面(2

掌握玻璃表界面的结构;化学组成与化学反应;玻璃表界面的性能及其改进;玻璃表界面的表征

11

第七章 高分子材料的表界面:高分子材料的表面张力(2

掌握高分子材料表面张力与温度、表面形态、相对分子质量、分子结构、内聚能密度的关系;无规共聚、嵌断与接枝共聚、共混对表面张力的影响Antoff规则、Good-Girofalco理论、几何和调和平均法;临界表面张力;状态方程

12

聚合物与聚合物的相容性(1)、聚合物的表面改性(1

掌握聚合物-聚合物体系的相容性;固体聚合物表面张力的测试方法;改善聚合物间相容性的方法;各种不同的聚合物表面改性方法

13

第八章 复合材料的界面:复合材料概述(1)、复合材料界面理论(1

掌握聚合物基复合材料基体;增强材料;复合材料的界面;各种复合材料的界面理论

14

第九章 生物材料的表界面:生物材料概述、生物的表面摩擦和粘附系统(1)、昆虫的摩擦装置、抗粘附机制(1

掌握生物材料的定义;了解生物材料的发展及其分类;了解生物的表面摩擦装置及其抗粘附机制

15

第十章 纳米材料的表界面:纳米粒子的表面化学特性(1)粒子表面的纳米工程(1

掌握纳米粒子的成核与生长;纳米粒子的稳定性;聚合物涂层、无机和复合物涂层、生物大分子等粒子表面的纳米工程;纳米结构半导体薄膜的制备及其性质

16

纳米结构薄膜材料的表面与界面行为(2