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第六章纤维的表面性质
纤维的表面性状是构筑纤维集合体的客观基础。
纤维的表面是外力,光、热辐射,电磁和液、汽体作用的直达部位和主要载体。
纤维表面同时也是发生老化、破坏、产生缺陷的主体。

表 6-1 不同尺度材料表面结构所占体积比
材料体积比
1m 直径的圆柱体(4~6)×10-9
1mm 直径的圆柱体(4~6)×10-6
纤维(1μm~100μm) (4~6)×10-4
纳米材料(10nm~100nm) ~
本章仅介绍一些基本概念及现象,并以传统的摩擦和浸润表达为主。

第一节纤维表面的内涵
一、表面的基本概念
纤维表面的表达与物理或物理化学所述表面一致,包括表面结构、表面性质和表面状态。
1. 纤维表面的定义
所谓纤维表面是指纤维表层 ~5nm 内的组成、结构和其亚微米尺度及其以下的表观形态。显
然,是微尺度(micro-scale),确切地说是形态亚微米尺度(submicro-scale)、厚度纳米尺度(nanoscale)
和分子尺度(molecular scale)。

表层厚度表面轮廓
粒子

图 6-1 表面结构、形态及相互作用

纤维表面结构与组成是非对称和不均匀的,如图 6-1 所示。
相对来说,界面要厚得多,因为其至少有两个“表面”完成过渡,见图 6-2。但两个表面的过
渡互为“溶合”,或晶体缺陷的界面,其厚度亦可与纯表面一样,甚至更小。
LA
界
面 L
层 AB
LB

图 6-2 A/B 物质的界面层示意图

2. 表面能
所谓表面能,又称表面自由能,是指形成单位面积表面所消耗的功。
∂G W
E = = = γ(6-1)
∂l ΔA
F
ΔA
L
肥皂液膜(W=FlΔ)
Δ l

图 6-3 液体表面增大所作的功

二、纤维表面涉及的内容
纤维表面主要涉及表面结构、表面性质和表面表征方法。
1. 纤维表面结构内涵
纤维表面结构包括要素:表面厚度、表面形态、表面组成和表面结构(狭义的)。
表面形态是表层的外轮廓,同样是微尺度的,但跨度较大,在原子尺度~亚微米尺度范围内,
如扫描隧道电子显微镜 STM(Scanning tunneling microscope)或原子力显微镜 AFM(Atomic force
microscope)所看到的表面原子排列轮廓,见图 6-4,以及羊毛鳞片表面和兔毛的鳞片形态,分别
见图 6-5(a)和(b)。


图 6-4 AFM 的表面原子像


(a) 羊毛
(b) 兔毛
图 6-5 羊毛和兔毛的鳞片像(SEM)

2. 纤维表面所涉及的基本物理性质
纤维表面性质主要涉及人们所熟悉的摩擦性质,;浸润性质。还有纤维表面的热学、光学、电
学性质,以及表面缺陷引起的力学性质劣化等。
纤维
孔
表洞
面 B A
缺裂
陷口
裂隙

(a) (b) (c)

图 6-6 纤维表面缺陷导致的断裂

3. 纤维表面结构与性质的一般分析方法
表面分析是一个专门化的学科,涉及分析理论、测量方法和仪器设计与应用技术。
电子束
电子
中性离子
粒子
光子
二次电子
发射区背散射
电子区
特征X射
电子线产生区
吸收

图 6-7 电子束激发的各类信息示意图

表 6-2 常用表面分析方法名称及用途
探针表面分析方法用途激发粒子能量或分析深度
低能电子衍射 LEED 表面及吸附层结构能量E0 50~500eV
反射高能电子衍射 RHEED 表面结构 E0 10~100 keV
俄歇电子谱 AES 表面组分,结合能 E0 2~5 keV
电子
扫描电子显微镜 SEM 表面形貌全膜覆盖表面
透射电子显微镜 TEM 表面形貌表面复制膜形态
扫描隧道显微镜 STM 表面轮廓、结构与成分表面轮廓<10nm
紫外光电子能谱 UPS 电子束缚能,吸附态深度 ~
光子
X 射线光电子能谱 XPS 电子能态表面吸附深度 ~
离子二次离子质谱 SIMS 表面元素分析 E0>500eV
“探针”原子力显微镜 AFM 表面结构、轮廓和成分<10nm
(1) 表面组成分析
(2) 表面结构分析
(3) 表面形态分析
(4)表面电子能态分析
(5)表面性质分析

4. 纤维的表面改性
纤维表面改性是纤维表面分析研究的