界面反应

　　界面反应是根据两相之间接触表面的特性及表面上的各种化学物质种类、含量、存在状态及性质，且在一定的条件下发生的各种化学反应。

　　界面反应的类型

　　界面反应分几种类型：两相的界面有液-液、固-液、固-气、液-气和固-固5种类型。在环境中比较普遍存在的是气-液界面反应，如大气与海洋、江河的交界面，空气与颗粒物表面的接触面，常有可溶性化学物质或挥发性化学物质发生化学反应，而使污染物发生变化，并转移到另一种环境介质中去。某些水体与土壤、底泥的接触表面上也常有重金属及某些有机物发生吸附、催化、络合、降解、氧化还原等各种物理化学变化。所以界面反应已成为研究化学污染在大气、水及土壤环境中迁移转化规律和循环过程等问题的重要内容。

　　AlAl合金-SiCSiCox界面反应与结构演变

　　以高温下熔融Al与SiC之间发生的界面反应为研究对象，以控制Al/SiC界面反应、抑制有害脆性相Al4C3形成为目标，采用浸渍法，研究了在不同反应条件下纯铝及添加合金元素后的Al/SiC界面反应情况、在不同预氧化条件下Al/SiCox界面反应情况。揭示出反应温度、反应时间、Si、Mg、Cu元素对于Al/SiC界面反应和结构演变的影响规律，SiC表面预氧化对于Al/SiCox界面反应和结构演变的影响规律以及作用机制，优化出较优的反应工艺与氧化工艺参数，为SiC/Al基复合材料的制备提供理论基础和实验依据。1

　　界面性质对复合材料性能的影响

　　为了获得良好的界面结合强度以提高材料的综合性能，常用的增强相一般均为具有密度小，强度及硬度较高的陶瓷，但是，由于陶瓷与金属基体间的热膨胀系数不同，故会导致在复合材料的界面处形成剪切应力，进而降低材料性能。此外，由于复合材料的制备温度通常都接近或高于金属基体的熔点，即金属处于熔化或半固态状态，且陶瓷在较高的温度条件下会发生溶解，故在复合材料的界面处会发生金属基体与增强体间的界面反应，形成界面反应层。因为陶瓷增强相本身的物理特性，导致界面层处的界面产物通常呈脆性，如SiC/Al 基复合材料。当界面反应程度较大时，陶瓷相本身的增强效果会有所减弱，且金属基体本身受到损伤，故会导致陶瓷增强金属基复合材料性能的恶化；当界面反应程度较轻时，由于陶瓷与金属间的润湿性较差，此时形成的界面层不能将基体与增强相紧密的连接起来，载荷传递作用有所减弱，界面结合强度较小，故也会导致材料的力学性能有所下降。因此，为了更好的提高材料的综合力学性能，需要对复合材料的界面处的界面反应加以控制，以获得具有良好的界面结合强度的较优界面。人们通常采用粘着功来衡量界面结合强度的强弱，较高的界面粘着功意味着此处的界面结合强度较高，间接的反映了材料的性能较好。1

　　添加Si元素对AlSiC界面反应的影响

　　根据化学平衡原理，在Al/SiC界面处存在着化学势梯度，这些梯度作为驱动力推动着界面反应在温度较高时发生。其中，Si为反应生成产物，当熔体中的Si含量增加时，势必会降低界面反应3SiC+4Al=Al4C3+3Si向右进行的反应速率，因此可以有效的抑制Al4C3的生成，只要Si的含量足够多，即可以完全抑制Al/SiC界面处界面反应的发生。此外，由于含Si量高，SiC的溶解反应将会受到有效的抑制，故可以阻止Al4C3的生成。所以，向Al基体中添加Si元素是控制界面反应发生的有效措施。1

　　向金属Al基体中添加的Si元素不仅可以抑制界面反应的发生，还会影响SiC增强相与Al基体之间的润湿性。但是众多研究者关于Si元素的添加对Al/SiC之间的湿性的影响存在着许多异议。郭等人的研究结果显示，当温度高于 900℃时，Si可以明显的改善Al/SiC之间的润湿性，这是由于铝液表面所形成的氧化膜在900℃以下温度时较为稳定，而在温度高于900℃时会发生自分解，故促进了SiC与Al之间的润湿。Laurent等人则在研究中指出在700-900℃的温度条件下，当向Al中添加5-12wt·%Si时，不会影响体系的润湿性，但当基体中的Si含量达到18wt%时，在Al/SiC界面处没有界面反应的发生，且改善了体系的高温润湿性。

　　由表面覆有Si的SiC增强Al基复合材料的断裂模量要比没有经过Si表面涂覆的SiC增强Al基复合材料的低。此外，Si的添加还会影响合金的流动性以及降低合金的熔点。在SiC/Al-Si基复合材料中的Si元素会在界面处形成偏聚，而复合材料熔体的流动性对于Si在界面处的偏聚情况有着显著的影响。因此，可以通过减少熔体的流动性来减少有效抑制有害界面反应发生所需要的临界Si含量。1

　　液－液界面反应制备近红外荧光Ag2S量子点

　　基于对液－液界面反应的认识，进一步发展了利用微流控液滴界面反应体系可控制备Ag2S量子点。采用PDMS－玻璃芯片作为液滴形成及界面反应装置。为形成稳定的0/W型液滴，采用一种 ‘’吸附－干燥－加热固定‘’ 聚乙烯醇 （ PVA） 至PDMS通道表面的方法，对通道壁进行亲水化修饰。水滴接触角实验表明水相可以更好地浸润PVA修饰的PDMS。通过在PVA改性的PDMS－玻璃芯片中进行流速调拉 可化得到不同大小和形貌的液滴。在固定的流速和前体物浓度下，制备出Ag2S量子点 ，其荧光发射峰波长位于1056nm。2

　　乳化与液－液界面的形成

　　130年前 ，Schotten和Baumann首次提出液－液界面反应的概念，使得难以融合至一相 的反应物可以在两相界面接触并发生反应。从此，界面反应在现代化学的研究中有着广泛的应用。

　　界面反应可在宏观的两相界面处发生。例如在没有搅拌的静态条件下 ，分布在两相中的反应物仅通过扩散作用转移至界面并发生反应。然而，由于较低的比表面积，这种宏观的界面反应效率一般较低。因此，提高两相间接触面积即增大比表面积具有重要的意义。两相乳化可有效提高比表面积。2

　　液－液界面合成量子点

　　1994年，Brust等首次报道了利用液－液界面方法制备出金纳米晶体。通过相转移试剂将水溶性金前体物转移至油相，再使其与NaBH4水溶液混合，在水－油界面处金前体物和BH4发生反应，历经成核与生长过程，最终制备出金纳米晶体。此外，该方法成功应用于制备Ag，Pt和Pd等贵金属纳米晶体。

　　An等较早地将液－液界面法拓展到量子点的制备。通过将溶解有十四烷酸镉的甲苯溶液与溶解有硫脲的水溶液混合，置于高温反应釜中反应，在水－ 甲苯界面制备出CdS量子点。该量子点粒径分布十分均一，荧光半峰宽仅为17nm，荧光量子产率达到57% 。此外，CdSe量子点的制备还可采用不同活性的硒前体物例如 NaHSe、Na2SeS〇3以及硒脲。2

　　本词条内容贡献者为:

　　陈红 - 副教授 - 西南大学