《材料结构与性能》有机无机材料期末复习提纲和要点.docx

徐伟 E-mail: wexu@fudan.edu.cn 徐伟 E-mail: wexu@fudan.edu.cn 《材料结构与性能》有机无机材料复习提纲和要点 第一部分 包括：化学键和结构基础、有机分子的结构和性质、分子间相互作用和组装、分子功能材料、高分子化学、高分子物理、高分子材料及结构与性能，以及共轭聚合物和导电聚合物及应用等。 第二部分 1, 表面界面基础 常见的界面：气-液界面、气-固界面、液-液界面、液-固界面、固-固界面； 清洁表面的原子排列：表面处原子排列中断, 表面原子受力 (化学键) 发生变化，总效应是增大体系的自由能。为了降低体系能量，表面附近原子的排列必须进行调整。 降低表面能有二种典型调整方法： (1) 自行调整, 表面处原子排列与内部有明显不同 ； (2) 靠外来因素, 如吸附杂质, 生成新相等。表面调整涉及：弛豫、重构、偏析、化学吸附、化合物、台阶等。 弛豫：产生原子位置偏移，主要在垂直表面方向。因此，弛豫后表面原子排列的平移对称性不变，只是微观对称性发生了变化。表面弛豫后常会存在电矩 (电偶极子)。 重构：表面原子排列有较大幅度的调整，与衬底晶面原子的平移对称性明显不同。二类典型重构: (1) 表面晶面与体内完全不一样，称超晶格或超结构; (2) 表面原胞的尺寸大于体内，即晶格常数增大。 表面吸附：扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的杂质所构成的表面 。存在四种典型的吸附：填充吸附、中心吸附、顶吸附、桥吸附。 表面偏析：杂质由体内偏析到表面，使多组分材料体系的表面组成与体内不同。 实际表面：其形态复杂，除了外表面, 还有内表面。采用粗糙系数 R 来表示（实际表面积除以几何表面积）。实际表面使用时，其真实接触面积与表观接触面积差别较大；且真实接触面积会随受力负荷而改变. 了解两个固体表面接触时的情况，也是搞清摩擦和磨损的基础。 实际表面经过加工而成，材料表面微观结构也与体内明显不同. 金属材料经研磨抛光后，表面结构和组成会发生变化。对于金属和合金来说，抛光表面大都有一层贝尔比层，其成分是金属和它的氧化物的混合物。贝尔比层通常为非晶态，可起到耐蚀和强化的作用。厚度一般为 50～l000?。 金属和合金的表面成分：“金属/过渡层/空气”，其中，过渡层情况很复杂。过渡层通常为氧化物，(也可以是硫化物和碳化物)。如果过渡层是氧化物，一般的特征为：“ 空气/非化学计量层/氧化物”，即在氧化物表面上还有非化学计量的氧化物！ 氧化物表面容易存在电偶极矩，即表面有极性，因此容易发生明显的吸附效应。 实际固体通常具有多晶晶界结构，晶界是一个过渡区，是缺陷的密集地区。多晶材料中晶粒间的交界过渡区称晶粒间界，简称晶界。晶界对材料的力学、光学、磁学和电学性质影响很大。 单晶的表面原子能量大、活性高，熔融会首先在表面上发生。对于多晶材料，晶界和表面原子的能量和活动性较体内大，熔融会首先从表面和晶界处发生。多晶材料晶界的面积远大于它的表面积。 晶界电荷：对于离子晶体，结构单元是带电的，缺陷也会带电。因此，晶界处通常会带电。晶界电荷有时会形成晶界空间电荷区，并直接影响到材料的电学、光学和磁学等性能。 陶瓷的晶界：陶瓷是多成分、多晶体系，晶界是陶瓷重要的微观结构特征之一。 分界面：指两个或数个凝集相的交界面。主要考虑具有宏观二维尺寸条件下层与层间的界面。分界面的通常成因：由氧化、腐蚀等化学作用生成的分界面(基体与表面层的界面)；薄膜与基板间的界面；块与块结合界面，如熔焊或粘接的界面等。 2, 表面张力、表面吸附和表面润湿（超疏水和超润湿表面） 表面张力单位是：N/m（牛顿/米）；表面自由能的单位是 J/m2（焦耳/平方米）。 表面张力的微观模型：动态表面层分子稀疏模型。 参考文献：尹振兴, 孔辉, 王海川, 章俊, 廖直友, 李媛. 关于表面张力和表面自由能的讨论. 大学化学, 31 (9), 77-82 (2016) 物质组成不同，作用方式不同，表面张力不同。化学键和金属键强度大，表面能大。常见液体相互作用较弱，表面能小。 不同溶质水溶液的表面张力等温线大致分为三种类型：（1）无机盐类等强电解质和蔗糖、甘油等多羟基化合物，溶质分子和水之间有很强的溶剂化作用，它们的存在增大了水溶液的表面张力。随着浓度的增加，这类溶液的表面张力略有上升。 （2）一些极性较强的小分子有机物如醇、醛、酸、酯等，虽然也溶于水，但和溶剂间的相互作用力相比较弱。这一类溶液的表面张力随浓度的增大而缓慢下降。 （3）表面活性剂溶液在低浓度时，溶液的表面张力随浓度的增加而急剧下降，当达到一定浓度后，表面张力值趋于稳定，不再随浓度的增加而改变。 溶质在溶液表层与体相浓度