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1、简论课程论文：探讨科技创新实验中涉及材料表面与界面问题 简论课程论文：探讨科技创新实验中涉及材料表面与界面问题 导读：课程论文：探讨科技创新实验中涉及材料表面与界面问题-12乳状液的稳定性-13乳化剂的选择与应用-13 简论课程论文：探讨科技创新实验中涉及材料表面与界面问题 导读：课程论文：探讨科技创新实验中涉及材料表面与界面问题 是相同的，而处在材料表面的原子所受到的力场却是不平衡的，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
2、界面对材料整体性能具有决定性的影响，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。因此研究材料的表界面现象具有重要的意义。 3 一、液体的表面张力1.奇特的现象在石蜡表面上的小水滴会自动呈现出球形;在水面上可以让金属钱币漂浮;插入水中的毛笔的毛是分散开的,当把笔从水中提出时发现毛并拢成一体状.说明:(1)液体表面与体相液体的性质不完全相同;(2)液体表面似乎存在一个弹性膜;(3)液体表面有自动缩小的本能.力学角度分析（1）液体内部分子的移动无需做功.处于液体体相内的任一分子受到其周围四面八方分子的作用力是相等的,可以互相抵消.（2）自然形成的液滴总是倾向
3、于形成表面积最小的球形或类球形.处于液体表面的分子受到液体内部分子的作用力远大于另一侧气体分子的作用力,因此,液体表面的分子有自动向液体内部迁移的趋势,这样液体表面的水减少,液体表面自动缩小。（3）表面张力与温度、压力及液体组成相关把液体表面看作厚度为零的均匀伸缩的弹性膜，表面张力是作用于液体表面上任何部分单位长度直线上的收缩力，力的方向是与该直线垂直并于液面相切。表面张力是温度、压力、和液体组成的函数。即，温度、压力、组成恒定时，液4 体表面张力也是恒定值。能量角度分析当液体表面增大时，是体相中分子迁移至表面，这时就需要对体系做功。已知在恒温、恒压条件下扩大液体表面，外界对体系做的功等于体系
4、自由能的增量，若体系液面面积改变，则扩大单位面积，体系自由能增量为比表面自由能（简称表面自由能，也含糊地叫做表面能）：即（mJ.m2）表面自由能是单位液面上物质比其在液体体相内自由能的增量，因此它是过剩量。对于纯液体，在只做膨胀功和表面功的可逆过程中，热力学关系式为：dU= TdS-pdV+ ?dAdH= TdS+Vdp+ ?dAdF= -SdT-pdV+ ?dAdG= -SdT+Vdp+ ?dA式中：U 体系的内能；H 体系的焓；F Helmholtz 自由能；G Gibbs 自由能；p 压力；V 体积；T 热力学温度；S 熵；? 表面张力；A 体系表面积。U?H?F?G?S,VS,pT,V
5、T,p 因此， ? 是在不同的指定条件下，扩大单位面积、体系内能、焓、 Helmholtz5 自由能、Gibbs 自由能的增量。(?U/?A)S,p 是液体的总表面能增量，或简称表面能。而(? 3 4 5 6 7 8 简论课程论文：探讨科技创新实验中涉及材料表面与界面问题 导读：课程论文：探讨科技创新实验中涉及材料表面与界面问题零.凸液面:表面张力合力方向指向液体内部；凹液面：合力方向指向液体上方。为了保持弯曲液面的存在与平衡，弯曲液面内外两侧有压力差：弯曲液面突向一侧的压力总是小于另一侧的。或者说：液面两侧有压力差时，能够形成弯曲液面，液面突向的一侧压力小，两侧压力差与液体表面张力和弯曲液面
6、的曲率半径有关。根据水中的气泡受到的 G/?A)T,p 是液体表面张力或表面（过剩）自由能。总的表面能包括扩大单位面积时体系以功的形式得到的能量?（表面自由能）和以热的形式得到的能量T(?/?T)A. p.对于纯液体， (?/?T)A. p<0,因此T(?/?T)A. p>0.即，总表面能总是大于表面自由能。 液体表面张力的影响因素1. 物质的本质液体表面张力是指将液体分子从体相中拉到表面上所做功的大小，因此它与液体分子之间的相互作用力的性质与大小有关。相互作用强烈，不易脱离体相，表面张力就大。如水分子间有氢键作用，并可形成结构，因此水是常见液体中表面张力最大的。一般情况下：（1）
7、液态金属的表面张力大是由于金属键的强度大，使其相对移动困难，在室温液态物质中以汞的表面张力最高；（2）有机液体的表面张力一般都小于50mN.m-1，其中非极性液体（如烷烃）分子间仅有vander Waals力作用，表面张力比含极性基团的有机液体（如醇、酸）等的要低。（3）在同系有机物中分子量大的表面张力较高。2.温度的影响由于温度升高使分子热运动加剧，分子间作用力减弱，表面张力多随着温度升高而减小。即，纯液体的表面张力系数均为负值。同时升高温度使液体的6 饱和蒸汽压增大，气相中分子密度增加，也使气相分子对液体表面分子的作用力增大，导致液体表面张力减小。当温度达到临界温度Tc时，液相和气相界线消
8、失，表面张力为零。3. 压力的影响压力对液体表面张力的影响很小，即使实际观测到压力对表面张力有某些影响也极可能由于气体的吸附与溶解而引起的。 弯曲液面内外压力差与曲率半径关系Laplace公式1. Laplace公式弯曲液面与平液面不同,弯曲液面表面张力在法线方向的合力不等于零. 凸液面:表面张力合力方向指向液体内部；凹液面：合力方向指向液体上方。为了保持弯曲液面的存在与平衡，弯曲液面内外两侧有压力差：弯曲液面突向一侧的压力总是小于另一侧的。或者说：液面两侧有压力差时，能够形成弯曲液面，液面突向的一侧压力小，两侧压力差与液体表面张力和弯曲液面的曲率半径有关。根据水中的气泡受到的内外压力差与体系
9、自由能变化情况，得到球形界面的Laplace公式：?p?2?/r对于主曲率半径为R1和R2的任一曲面，可以得到Laplace公式的普遍形式： ?p?R1?R2?7 （1）当?p指弯曲液面的内外压力差： ?p=p内-p外， p内通常指曲率半径为正值一侧压力，如气泡内的压力；曲率半径的正负号要取正确。（2）对于弯曲液面，若将液相作为内侧，液面的曲率半径可能是正的，也可能是负的。如水中的气泡，气液界面曲率半径为-r，液面称为凹液面；若考虑空气中的小液滴，以液相为内侧，曲率半径为r，这种液面称为凸液面。（3）形成凸液面时, ?p>0,液相内压力大于另一侧气相的压力； 形成凹液面时， 3 4 5
10、6 7 8 简论课程论文：探讨科技创新实验中涉及材料表面与界面问题 导读：课程论文：探讨科技创新实验中涉及材料表面与界面问题葡萄糖苷、失水山梨醇脂肪酸酯、聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯等。（Tphiphilic molecules，amphiphiles）。9 表面活性剂在水或油中的溶解度受这两类基团相对强弱的影响。如18碳以上表面活性剂在水中的溶解度很小。 常用的亲水基团：羰基、磺酸基、硫酸酯基、聚氧乙烯基、季铵基、吡啶基、多元醇基等。 常用的疏水基团：碳氢烷烃链、碳氟烷烃链、聚硅氧烷链、聚氧丙烯基、烷基苯基等。表面活性剂分类：一般根据其在水中是否电离和电离时形成的具有表面活性的离子带电符号分类
11、： 非离子型：脂肪醇聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、烷基葡萄糖苷、失水山梨醇脂肪酸酯、聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯等。 （TWEEN 20,40,60,80, PEO-PPO-PEO） 阴离子型：烷基硫酸钠、烷基苯磺酸钠、烷基聚氧乙烯醚磺酸钠、烷基羧酸钠、琥珀酸二异辛酯磺酸钠等。（SDS） 阳离子型：烷基三甲基溴化 3 4 5 6 7 8 简论课程论文：探讨科技创新实验中涉及材料表面与界面问题 导读：课程论文：探讨科技创新实验中涉及材料表面与界面问题相成为内相.(3)液滴聚结动力学将乳化剂、水12345678 铵、烷基三甲基氯化铵、二烷基二甲基溴化铵等。 （CTAB, CTAC） 两性型：烷基甜菜
12、碱、磺基甜菜碱、羰基咪唑啉、氨基羧酸等。 （如，羟基磺丙基甜菜碱） 表面活性剂在液体表面的吸附1. 表面过剩无论纯液体或多组分溶液，表面上的分子受到构成界面的两相分子作用力的不平衡，总会有表面张力的存在，即表面自由能，同时也导致表面区域物质的密度与体相中的不相同， 这种现象叫做吸附。10 表面活性剂在水中,根据相似相容原则,表面活性剂分子中的极性分子倾向于留在水中,而疏水部分则倾向于伸出水面,或朝向非极性的有机溶剂中.因此表面活性剂分子自发地从溶液内部迁移至表面或界面,并在此富集,整齐地排列取向.这个富集的过程称为吸附.表面活性剂的吸附作用可以分成两类:(1) 在溶液界面的吸附,与起泡-消泡、
13、乳化-去乳化、铺展、增溶、表面膜等界面现象相关；（2）固-液界面的吸附，与润湿、分散、固体表面改性等有关。表面活性剂对纳米颗粒的分散机理1. 电离质点本身有可电离的基团，如，在酸性条件下，氨基会因接受H而形成NH2使蛋白质分子带正电，而在水中电离使蛋白质带负电。类似的，淀粉、藻酸等质点上的电荷大多是表面基团电离而带电。2. 吸附带电离子石蜡、油珠、纤维等虽然自身在水中不能电离而带电，但却可以从水中吸附H和OH等离子而带电。阳离子因其离子半径小而水化能力强，不容易被吸附，因此固-水界面往往因吸附阴离子而带负电。Fajans规则：能与晶体的组成离子形成不溶物的离子将被优先吸附。可以根据此规则判断质
14、点所带电荷的性质。3. 油介质中质点的带电现象在油体系中，电离理论不能应用于质点的带电，但油分散体系中的质点存在电动现象。如，油介质中质点表面电荷来自两相对电子的亲和力不同。由于11+-+质点的热运动相当于质点与介质之间的摩擦，在碰撞过程中电子可以从一相流入另一相，而使得质点带电。 乳状液类型及影响因素乳化作用:在一定条件下使不能相互混溶的两种液体形成有一定稳定性的液液分散体系的作用.乳化剂是制备具有稳定性乳液的基本条件。乳状液的类型: O/W, W/O影响因素: 油,水相的性质及体积比,乳化剂和添加剂的性质, 周边环境如温度,器壁等.能够形成乳状液的原因(1) 能量因素（定向楔理论）乳化剂在
15、油/水界面形成两个界面膜,有两个界面张力,界面张力小的一侧界面易扩大,易构成外相或连续相,界面张力大的一侧就成为内相或分散相.即水溶性好的乳化剂在亲水端界面有比较小的界面张力,易扩大该界面,形成O/W型的乳状液,较高界面张力的油相一侧形成内相.(2) 几何因素若在油水界面上乳化剂呈单层紧密排列,乳化剂亲水基和疏水基截面积大小对乳状液的类型产生影响. 截面积大的一端亲和的液体将成为乳状液的外相,另一相成为内相.(3) 液滴聚结动力学将乳化剂、水 3 4 5 6 7 8 简论课程论文：探讨科技创新实验中涉及材料表面与界面问题 导读：课程论文：探讨科技创新实验中涉及材料表面与界面问题降低油/水表面张力；?乳化剂形成的界面膜，且膜的黏度及力学性能；?油溶性乳化剂容易得到OS电路的锁定（7）实现各种材质的多种薄膜外延 二、单晶硅的气相外延生长方法，属于半导体制造领域，包括以下步骤：a、提
