材料表面與界面課程教學大綱.doc

材料表面與界面課程教學大綱課程編碼：ZB0820825課程名稱：材料表面與界面/surface and interface of materials課程總學時/學分：48/3適用專業(yè)：無機非金屬材料工程一、課程簡介材料表面與界面課程系統(tǒng)地闡述高分子及其復合材料的表界面特點和基礎理論，重點介紹了液體表面特性，固體表面特性，固液界面特性，表面活性活性劑，聚合物表面改性以及聚合物界面理論等。本課程為專業(yè)課，是一門從基礎學科學習向實際專業(yè)研究工作過渡的重要課程。在材料科學與技術專業(yè)的教學計劃中開設。二、教學目的和任務本課程是在物理化學、材料物理化學基礎上進一步闡述高分子及其復合材料的表界面現(xiàn)象特點和理論基礎，以及高分子復合材料中由于界面狀況的不同對復合材料性能的重要影響。表界面問題涉及到高分子改性的幾乎所有方向，如高分子增強、填充復合材料、高分子共混復合材料、高分子的粘接、涂裝及印刷、高分子的表面改性等。通過本課程的學習，可以使材料科學與工程專業(yè)的同學具備高分子材料改性技術的理論基礎和實用方法。本課程的實踐教學環(huán)節(jié)通過實驗完成，培養(yǎng)學生對所學知識的綜合運用能力和分析能力。三、教學基本要求四、教學內(nèi)容與學時分配序號章節(jié)教學內(nèi)容學時理論實踐合計1第一章 緒論4 42第二章 液體界面2.1 表面張力和表面自由能2.2 表面張力的熱力學定義2 2 2.3 Laplace 方程2.4 液體表面張力的測定2 2 2.5 Kevin 方程2.6 吉布斯等溫吸附式2 23第三章 固體界面3.1 固體表面特性3.2 固體表面自由能2 2 3.3 固氣界面吸附2 24第四章 固液界面4.1 Young方程和接觸角4.2 黏附功與內(nèi)聚能4.3 Young-Dupro 公式2 2 4.4 接觸角的測定方法4.5 接觸角的滯后現(xiàn)象2 2 4.6 潤濕過程的三種類型2 25第五章 表面活性劑4 46第七章 聚合物表面改性4 47第八章 復合材料界面4 48實驗 88合計 32840五、教學方法及手段采用課堂講授的教學方法。注重因材施教，引導學生積極思考，培養(yǎng)學生探索和發(fā)現(xiàn)問題的能力。六、實驗或上機內(nèi)容七、先修課程、后續(xù)課程材料科學基礎，物理化學，普通物理、材料物理化學均為本課程的專業(yè)基礎課，只有上述課程完成講授后，本課程才能進行教學。八、考核方式 閉卷筆試九、教材及主要參考資料1.選用教材胡福增，陳國榮，杜永娟. 材料表界面.上海.華東理工大學出版社.2000.2.參考書目胡福增，聚合物及其復合材料的表界面。北京。輕工出版社.2001.十一、主要教學內(nèi)容、重點和難點第一章 緒論一、學習目的通過本章的學習，使學生了解表、界面科學研究的發(fā)展過程及其研究的重要性，理解表界面的定義，表面張力和表面自由能以及表面吸附與擴散。本章計劃4學時。二、課程內(nèi)容第一節(jié) 基本概念（一）表、界面定義 主要掌握物理表面和材料界面。（二）表面能與表面張力 主要理解表面能與表面張力及其二者的關系。（三）表面吸附主要掌握表面吸附的類型。（四）表面擴散傳質(zhì) 主要理解擴散機理，掌握表面擴散和界面擴散。第二節(jié) 表界面科學研究的發(fā)展過程及其研究重要性（一）發(fā)展過程（二）研究重要性三、重點、難點提示和教學手段（一）教學重點重點是表界面的定義，表面張力和表面自由能以及表面吸附與擴散。（二）教學難點難點是表面吸附與擴散。（三）教學手段及教學環(huán)節(jié)課堂講授四、思考與練習1.表面張力的定義。2.常見表界面的類型。第二章 液體界面一、學習目的使學生掌握液體表面張力和表面自由能及其液體表面張力的測定方法，理解Laplace 方程、Kevin 方程和吉布斯等溫吸附式的物理意義。本章計劃6學時。二、課程內(nèi)容第一節(jié) 表面張力和表面自由能（一）表面張力 主要掌握液體表面張力的定義及其公式推導。（二）表面自由能主要掌握液體表面張力的定義及其公式推導。第二節(jié) 表面張力的熱力學定義從熱力學角度分析表面張力的含義，闡述了表面張力與比表面自由焓的關系。第三節(jié) Laplace 方程（一）球面 在彎曲面為球面的特殊情況下，分析了表面彎曲液體的附加壓差與表面張力、曲率半徑的關系，即Laplace 方程的推導。（二）任意曲面在彎曲面為任意曲面的特殊情況下，分析了表面彎曲液體的附加壓差與表面張力、曲率半徑的關系，即Laplace 方程的推導。第四節(jié) 液體表面張力的測定（一）毛細管法（二）最大氣泡壓力法（三）吊環(huán)法（四）滴重法（五）吊板法第五節(jié)Kevin 公式分析了液滴半徑與蒸汽壓的關系，即Kevin 公式的推導。第六節(jié) 吉布斯吸附等溫式（一）溶液的表面張力 主要掌握溶質(zhì)對溶液表面張力的影響。（二）吉布斯吸附等溫式主要掌握溶液濃度與溶液表面張力的關系。（二）吉布斯吸附等溫式的應用主要掌握該公式在氣固表面，氣液表面的應用。三、重點、難點提示和教學手段（一）教學重點：重點是液體表面張力和表面自由能及其液體表面張力的測定方法，理解Laplace 方程、Kevin 方程和吉布斯等溫吸附式的物理意義。（二）教學難點Laplace 方程、Kevin 方程和吉布斯等溫吸附式的物理意義。（三）教學手段及教學環(huán)節(jié)課堂講授四、思考與練習1.表面張力產(chǎn)生原因。2.表面張力的熱力學定義。3.毛細管測定表面張力的原理。第三章 固體表面一、學習目的通過學習使學生掌握固體的表面特性及固體表面自由能，理解固氣界面吸附。本章計劃4學時。二、課程內(nèi)容第一節(jié) 固體的表面特性（一）固體表面分子（原子）的運動束縛性（二）固體表面的不均一性（三）固體表面的吸附性第二節(jié) 固體表面自由能主要掌握固體表面自由能的定義及其公式推導。第三節(jié) 固氣界面吸附（一）吸附等溫線 主要掌握吸附等溫線的含義及其類型。（二）Langmuir 等溫式 主要掌握固體表面未被吸附的面積分數(shù)與平衡壓力的關系，從而推導Langmuir 等溫式。（三）BET多分子層理論 主要理解固體表面對氣體的吸附并不是單分子層吸附，而多數(shù)式多分子層吸附。三、重點、難點提示和教學手段（一）教學重點：重點是固體的表面特性及固體表面自由能。（二）教學難點難點是理解固氣界面吸附。（三）教學手段及教學環(huán)節(jié)課堂講授四、思考與練習1.討論固體表面特性。2.比較物理吸附和化學吸附的區(qū)別。第四章 固液界面一、學習目的通過學習使學生理解Young方程的含義以及黏附功和內(nèi)聚能，掌握接觸角的測定方法及其滯后現(xiàn)象，同時掌握潤濕過程的類型。本章計劃6學時。二、課程內(nèi)容第一節(jié) Young方程和接觸角 主要掌握固液氣三相界面的表面張力關系，即Young方程的推導。第二節(jié) 黏附功與內(nèi)聚能（一）黏附功主要掌握黏附功的定義及其公式推導。（二）內(nèi)聚能主要掌握內(nèi)聚能的定義及其公式推導。第三節(jié) Young-Dupro 公式主要介紹黏附功與接觸角的關系。第四節(jié) 接觸角的測定方法（一）停滴法（二）吊片法（三）纖維對液體的接觸角測定第五節(jié) 接觸角的滯后現(xiàn)象（一）前進角和后退角主要掌握前進角和后退角的定義（二）引起接觸角滯后的原因主要掌握由于表面粗糙性引起的滯后，由于表面不均勻性引起的滯后以及由于表面污染引起的滯后。第六節(jié) 潤濕過程的三種類型（一）黏附潤濕過程（二）浸濕過程（三）鋪展?jié)櫇襁^程（四）潤濕過程的比較 主要掌握上述三種潤濕過程的比較。三、重點、難點提示和教學手段（一）教學重點：重點是Young方程的含義，黏附功和內(nèi)聚能，接觸角的測定方法及其滯后現(xiàn)象，潤濕過程的類型。（二）教學難點難點：接觸角的滯后現(xiàn)象，潤濕過程。（三）教學手段及教學環(huán)節(jié)課堂講授四、思考與練習1 .什么是 Young方程和接觸角。2. 黏附功與內(nèi)聚能的關系。3. 接觸角的滯后現(xiàn)象的原因。4.為什么說鋪展是潤濕的最高形式。第五章 表面活性劑一、學習目的通過學習使學生掌握表面活性劑的概念、分子結構特點及其分類，理解表面活性劑的物理化學性能。本章計劃4學時。二、課程內(nèi)容第一節(jié) 概述（一）表面活性劑的概念（二）表面活性劑分子的結構特點第二節(jié) 表面活性劑的分類（一）陰離子表面活性劑 主要掌握羧酸酯類、硫酸酯鹽類等表面活性劑的分子結構及特點。（二）陽離子表面活性劑主要介紹胺鹽類、季胺鹽類表面活性劑的分子結構及特點。（三）兩性表面活性劑 主要介紹兩性表面活性劑的分子結構及特點。（四）非離子型表面活性劑主要介紹聚已二醇型非離子表面活性劑和多元醇型非離子表面活性劑的分子結構及特點。（五）其他表面活性劑主要介紹高分子表面活性劑和氟系表面活性劑的分子結構及特點。第三節(jié) 表面活性劑的物理、化學性能（一）親疏平衡值（HLB） 主要掌握親疏平衡值的定義、物理意義以及親疏平衡值的確定。（二）相轉型溫度（PIT）主要掌握相轉型溫度的定義、物理意義。（三）臨界膠束濃度（CMC）主要掌握臨界膠束濃度的定義、物理意義以及影響臨界膠束濃度的因素。第四節(jié) 表面活性劑的溶解度（一）Krafft點主要掌握Krafft點的定義、物理意義。（二）濁點主要掌握Krafft點的定義、物理意義。三、重點、難點提示和教學手段（一）教學重點：重點是表面活性劑的概念、分子結構特點以及表面活性劑的物理化學性能。（二）教學難點難點：表面活性劑的物理化學性能。（三）教學手段及教學環(huán)節(jié)課堂講授四、思考與練習1. 什么是表面活性劑。2. 表面活性劑的分類。3. 什么是親疏平衡值。4. 親疏平衡值與相轉型溫度的關系。第六章 聚合物表面改性一、學習目的通過本章的學習，使學生掌握聚合物表面改性的方法。本章計劃2學時。二、課程內(nèi)容第一節(jié) 電暈放電處理 主要掌握電暈放電處理對聚合物改性的原理以及改型后的聚合物性能的改善情況。第二節(jié) 火焰處理與熱處理主要掌握火焰處理與熱處理對聚合物改性的原理以及改型后的聚合物性能的改善情況。第三節(jié) 化學處理（一）含氟聚合物主要介紹含氟聚合物如何進行化學處理使其表面得到改善。（二）聚烯烴的液態(tài)氧化處理 主要介紹聚烯烴的液態(tài)氧化處理方法。第四節(jié) 臭氧氧化 主要介紹臭氧氧化對聚合物表面的改性。第五節(jié) 低溫等離子體處理 （一）等離子體概述主要介紹等離子體的定義、特點以及類型。（二）等離子體處理對聚合物表面的改性效果主要掌握等離子體處理對聚合物表面的改性可以使表面交聯(lián)、引入極性基團、對潤濕性的影響、對粘性的影響等。第六節(jié) 表面接枝主要掌握表面接枝的方法。三、重點、難點提示和教學手段（一）教學重點：重點掌握聚合物表面改性的方法。（二）教學難點難點：低溫等離子體處理和表面接枝。（三）教學手段及教學環(huán)節(jié)課堂講授四、思考與練習1. 聚合物表面處理的目的2. 討論液態(tài)氧氧化法處理聚合物表面的優(yōu)缺點3. 表面接枝有哪些方法第七章 復合材料界面一、學習目的通過本章的學習，使學生理解玻璃纖維增強塑料界面、先進復合材料界面以及復合材料界面理論。本章計劃4學時。二、課程內(nèi)容第一節(jié) 復合材料概述主要掌握復合材料的定義、組成、分類、特點及界面。（一）基體材料主要掌握常用聚合物基復合材料基體的類型及特點。（二）增強材料主要掌握常用增強材料的類型及特點。（三）復合材料界面主要掌握復合材料界面形成及特點。第二節(jié) 玻璃纖維增強塑料界面主要掌握偶聯(lián)劑處理對玻璃纖維增強塑料界面的改善。第三節(jié) 先進復合材料界面（一）高性能增強纖維主要介紹常用高性能增強纖維的特點。（二）高性能增強纖維的表面處理 主要介紹高性能增強纖維的表面處理方法。第四節(jié) 復合材料界面理論 （一）浸潤理論（二）化學鍵理論（三）過渡層理論（四）可逆水解理論（五）摩擦理論（二）擴散理論（三）靜電理論（四）酸堿作用理論三、重點、難點提示和教學手段（一）教學重點：重點掌握玻璃纖維增強塑料界面、先進復合材料界面。（二）教學難點難點：復合材料界面理論。（三）教學手段及教學環(huán)節(jié)課堂講授四、思考與練習1. 復合材料的組成及特點。2. 復合材料界面理論。 材料表面與界面實驗大綱一、實驗總學時：8二、先修課程材料科學基礎，物理化學，普通物理，材料表面與界面三、實驗目的學生在完成大學物理、物理化學、材料科學基礎和材料表面與界面等課程后，培養(yǎng)學生動手能力、實驗操作基本方法和綜合分析方法及能力。鞏固所學理論課程的基本概念，學會應用材料表面與界面的基礎理論來分析材料的表面及材料中不同相之間的界面，初步建立材料表面與界面與材料性能之間的聯(lián)系，形成利用材料結構設計來設計材料性能的基本手段和基本思路。掌握最基本的實驗操作技巧，達到綜合培養(yǎng)人才的目的。四、實驗內(nèi)容及學時分配1.材料表面性能測試內(nèi)容：觀察材料表面在不同情況下及不同材料表面的性能學時：4學時主要儀器：表面接觸角測定儀、四探針測定儀、萬能力學試驗機、原子力顯微鏡具體目標：通過課程的理論學習和實驗前的準備，了解普通材料表面的浸潤性的一般測試方法、材料表面力學性能的測試方法、材料凈面的超微觀察方法；初步掌握材料表面性能對材料整體性能及材料復合工藝影響等方面的知識。2.材料界面結構的超微觀察學時：4學時主要儀器：掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、端面密度儀具