界面反應

界面反應是根據兩相之間接觸表面的特性及表面上的各種化學物質種類、含量、存在狀態及性質，且在一定的條件下發生的各種化學反應。

基本介紹

• 中文名：界面反應
• 外文名：The interfacial reaction
• 類型：液-液、固-液
• 定義：指異相間的化學反應

界面反應的類型

界面反應分幾種類型：兩相的界面有液-液、固-液、固-氣、液-氣和固-固5種類型。在環境中比較普遍存在的是氣-液界面反應，如大氣與海洋、江河的交界面，空氣與顆粒物表面的接觸面，常有可溶性化學物質或揮發性化學物質發生化學反應，而使污染物發生變化，並轉移到另一種環境介質中去。某些水體與土壤、底泥的接觸表面上也常有重金屬及某些有機物發生吸附、催化、絡合、降解、氧化還原等各種物理化學變化。所以界面反應已成為研究化學污染在大氣、水及土壤環境中遷移轉化規律和循環過程等問題的重要內容。

AlAl合金-SiCSiCox界面反應與結構演變

以高溫下熔融Al與SiC之間發生的界面反應為研究對象，以控制Al/SiC界面反應、抑制有害脆性相Al₄C₃形成為目標，採用浸漬法，研究了在不同反應條件下純鋁及添加合金元素後的Al/SiC界面反應情況、在不同預氧化條件下Al/SiC_ox界面反應情況。揭示出反應溫度、反應時間、Si、Mg、Cu元素對於Al/SiC界面反應和結構演變的影響規律，SiC表面預氧化對於Al/SiC_ox界面反應和結構演變的影響規律以及作用機制，最佳化出較優的反應工藝與氧化工藝參數，為SiC/Al基複合材料的製備提供理論基礎和實驗依據。

界面性質對複合材料性能的影響

為了獲得良好的界面結合強度以提高材料的綜合性能，常用的增強相一般均為具有密度小，強度及硬度較高的陶瓷，但是，由於陶瓷與金屬基體間的熱膨脹係數不同，故會導致在複合材料的界面處形成剪下應力，進而降低材料性能。此外，由於複合材料的製備溫度通常都接近或高於金屬基體的熔點，即金屬處於熔化或半固態狀態，且陶瓷在較高的溫度條件下會發生溶解，故在複合材料的界面處會發生金屬基體與增強體間的界面反應，形成界面反應層。因為陶瓷增強相本身的物理特性，導致界面層處的界面產物通常呈脆性，如SiC/Al 基複合材料。當界面反應程度較大時，陶瓷相本身的增強效果會有所減弱，且金屬基體本身受到損傷，故會導致陶瓷增強金屬基複合材料性能的惡化；當界面反應程度較輕時，由於陶瓷與金屬間的潤濕性較差，此時形成的界面層不能將基體與增強相緊密的連線起來，載荷傳遞作用有所減弱，界面結合強度較小，故也會導致材料的力學性能有所下降。因此，為了更好的提高材料的綜合力學性能，需要對複合材料的界面處的界面反應加以控制，以獲得具有良好的界面結合強度的較優界面。人們通常採用粘著功來衡量界面結合強度的強弱，較高的界面粘著功意味著此處的界面結合強度較高，間接的反映了材料的性能較好。

添加Si元素對AlSiC界面反應的影響

根據化學平衡原理，在Al/SiC界面處存在著化學勢梯度，這些梯度作為驅動力推動著界面反應在溫度較高時發生。其中，Si為反應生成產物，當熔體中的Si含量增加時，勢必會降低界面反應3SiC+4Al=Al₄C₃+3Si向右進行的反應速率，因此可以有效的抑制Al₄C₃的生成，只要Si的含量足夠多，即可以完全抑制Al/SiC界面處界面反應的發生。此外，由於含Si量高，SiC的溶解反應將會受到有效的抑制，故可以阻止Al₄C₃的生成。所以，向Al基體中添加Si元素是控制界面反應發生的有效措施。

向金屬Al基體中添加的Si元素不僅可以抑制界面反應的發生，還會影響SiC增強相與Al基體之間的潤濕性。但是眾多研究者關於Si元素的添加對Al/SiC之間的濕性的影響存在著許多異議。郭等人的研究結果顯示，當溫度高於 900℃時，Si可以明顯的改善Al/SiC之間的潤濕性，這是由於鋁液表面所形成的氧化膜在900℃以下溫度時較為穩定，而在溫度高於900℃時會發生自分解，故促進了SiC與Al之間的潤濕。Laurent等人則在研究中指出在700-900℃的溫度條件下，當向Al中添加5-12wt·%Si時，不會影響體系的潤濕性，但當基體中的Si含量達到18wt%時，在Al/SiC界面處沒有界面反應的發生，且改善了體系的高溫潤濕性。

由表面覆有Si的SiC增強Al基複合材料的斷裂模量要比沒有經過Si表面塗覆的SiC增強Al基複合材料的低。此外，Si的添加還會影響合金的流動性以及降低合金的熔點。在SiC/Al-Si基複合材料中的Si元素會在界面處形成偏聚，而複合材料熔體的流動性對於Si在界面處的偏聚情況有著顯著的影響。因此，可以通過減少熔體的流動性來減少有效抑制有害界面反應發生所需要的臨界Si含量。

液－液界面反應製備近紅外螢光Ag2S量子點

基於對液－液界面反應的認識，進一步發展了利用微流控液滴界面反應體系可控制備Ag₂S量子點。採用PDMS－玻璃晶片作為液滴形成及界面反應裝置。為形成穩定的0/W型液滴，採用一種 ‘’吸附－乾燥－加熱固定‘’ 聚乙烯醇 （ PVA） 至PDMS通道表面的方法，對通道壁進行親水化修飾。水滴接觸角實驗表明水相可以更好地浸潤PVA修飾的PDMS。通過在PVA改性的PDMS－玻璃晶片中進行流速調拉 可化得到不同大小和形貌的液滴。在固定的流速和前體物濃度下，製備出Ag₂S量子點 ，其螢光發射峰波長位於1056nm。

乳化與液－液界面的形成

130年前 ，Schotten和Baumann首次提出液－液界面反應的概念，使得難以融合至一相 的反應物可以在兩相界面接觸並發生反應。從此，界面反應在現代化學的研究中有著廣泛的套用。

界面反應可在巨觀的兩相界面處發生。例如在沒有攪拌的靜態條件下 ，分布在兩相中的反應物僅通過擴散作用轉移至界面並發生反應。然而，由於較低的比表面積，這種巨觀的界面反應效率一般較低。因此，提高兩相間接觸面積即增大比表面積具有重要的意義。兩相乳化可有效提高比表面積。

液－液界面合成量子點

1994年，Brust等首次報導了利用液－液界面方法製備出金納米晶體。通過相轉移試劑將水溶性金前體物轉移至油相，再使其與NaBH₄水溶液混合，在水－油界面處金前體物和BH₄發生反應，歷經成核與生長過程，最終製備出金納米晶體。此外，該方法成功套用於製備Ag，Pt和Pd等貴金屬納米晶體。

An等較早地將液－液界面法拓展到量子點的製備。通過將溶解有十四烷酸鎘的甲苯溶液與溶解有硫脲的水溶液混合，置於高溫反應釜中反應，在水－ 甲苯界面製備出CdS量子點。該量子點粒徑分布十分均一，螢光半峰寬僅為17nm，螢光量子產率達到57% 。此外，CdSe量子點的製備還可採用不同活性的硒前體物例如 NaHSe、Na₂SeS〇₃以及硒脲。