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复合材料界面 关瑞芳 陈娟 教材 材料表面与界面 胡福增主编， 华东理工大学出版社 2008.1出版 参考文献： 主要内容 第1章 表界面基础知识 第2章 表面活性剂 策3章 高分子材料的表界面 第4章 聚合物合金的界面 第5章 复合材料界面理论 第7章 偶联剂 第8章 玻璃纤维增强塑料界面 第1章 表界面基础知识 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占有重要的地位。 何谓表界面? 表界面是多相体系中相与相之间的过渡区域。 根据物质的聚集态不同，表界面通常可以分为以下五类： 固-气 液-气 固-液 液-液 固-固。 气体和气体之间总是均相体系，因此不存在界面。习惯上把固—气为表面，而把固—液，液—液．固—固的过渡区域称为界面。 实际上两相之间并不存在截然的分界面, 相与相之间是个逐步过渡的区域，界面区域结构、能量、组成等都呈现连续性梯度的变化。因此，表界面不是几何学上的平面，而是一个结构复杂，厚度约为几个分子线度的准三维区域，因此常把界面区域当作一个相或层来处理，称作界面相或界面层。 研究材料的表界面现象的重要意义 材料的表面与其内部本体，无论在结构上还是在化学组成上都有明显的差别，这是因为材料内部原子受到周围原子的相互作用是相同的，而处在材料表面的原子所受到的力场是不平衡的，因此产生了表面能。对于有不同组分构成的材料，组分与组分之间可形成界面，某一组分也可能富集在材料的表界面上。即使是单组分的材料，由于内部存在的缺陷，如位错等，或者晶态的不同形成晶界，也可能在内部产生界面。材料的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。 1.1 表面张力和表面自由能 处在液体表面层的分子与处在液体内部的分子所受的力场是不同的。 分子之间存在短程的相互作用力，称为范德华力。处在液体内部的分子受到周围同种分子的相互作用力，从统计平均来说分子间力是对称的，相互抵消。但是处在液体表面的分子没有被同种分子完全包围，在气液界面上的分子受到指向掖体内部的液体分子的吸引力，同时也受到指向气相的气体分子的吸引力。 由于气体方面的吸引力比液体方面小得多，因此气液界面的分子净受到指向液体内部并垂直于界面的引力。这种分子间的引力主要是范德华力，它与分子间距离的7次方成反比。所以表面层分子所受临近分子的引力只限于第一、二层分子，离开表面几个分子直径的距离，分子受到的力基本上就是对称的了。 为什么液体表面具有自动收缩的能力？ 从液相内部将一个分子一道表面层要克服这种分子间引力做功，从而使系统的自由焓增加；反之，表面层分子移入液体内部，系统自由焓下降，因为系统的能量越低越稳定，故液体表面具有自动收缩的能力。 设在一边可自由活动的金属丝框中有一层浓膜。如果不在右边施加一个如图所示方向的外力F，液膜就会收缩。这就表明，在沿液膜的切线方向上存在一个与外力方向相反，大小相等且垂直于液膜边缘的力作用着。实验表明，外力F与液膜边缘的长度成正比，比例常数与液体表面特性有关，以σ表示，称为表面张力，即 在图1-1中，设在F力的作用下金属丝移动了dx的距离，则所作的功为： Laplace 方程 表面弯曲的液体在表面张力的作用下，界面上承受着一定的附加压力，在两根玻璃毛细管中，(a)中储汞，呈凸面，在凸面与毛细管壁的交界线上作用的表面张力指向液体内部；(b)中储水，呈凹面，在交界线上作用的表面张力指向液体上方。对平面液体来说，表面张力是沿平面切线方向作用的，所以附加压力为零。由图可知，附加压力的方向总是指向曲率中心一边，且与曲率大小有关，Laplace方程阐明了这种关系。 1.3.1 球面 总表面能为4πr2σ。假如在附加压力Δp的作用下，半径减小了dr，表面能的变化为8πrdr。当半径收缩dr时，压差所做的功： 1.3.2 任意曲面 需用两个曲率半径R1、R2来描述任意曲面。任意曲面的Lapalace方程一般形式为： 1.4 液体表面张力的测定 1.4.1 毛细管法 如图1-4所示，当毛细管浸在液体中，若液体能完全浸润管壁，则会发生毛细上升现象液面呈凹月形。反之，若液体完全不浸润管壁，则液面下降呈凸液面。 毛细升高现象可用Laplace方程处理。假定毛细管截面是圆周形，且管径不太大，井假定凹月面可近似看作半球形，此时不仅两个曲率半径相等，而且都等于毛细管半径r。由Laplace公式可得： 式中Δp为液气两相密度差，g为重力加速度。 （1-18）式也可以改写成： 更普遍的情况是液体与管壁之间的接触角介于0-180o之间，若弯月面仍为球面，则有： 推导过程有如下的问题。 ①对凹月面作了是球面的近似处理。事实上凹月面不