“材料表面與界面”特色課程建設及思考

吳楨干* 楊學禹 潘友康 張 騁

（上海應用技術大學材料科學與工程學院 上海 201418）

0 前言

“材料表面與界面”課程是為復合材料與工程專業學生開設的一門專業基礎課，目的是使學生在掌握已有物理化學及材料熱力學知識的基礎上，進一步學習和掌握表界面的基本概念和基本理論以及相關定理，并應用這些理論分析解決各種材料體系的表界面問題，特別是復合材料的表界面問題，熟悉材料表面與界面所涉及的主要分析測試方法和它們在復合材料研究領域中的具體應用，以培養學生對復合材料復雜工程問題進行初步研究的能力。

本課程的主要內容有：表界面的概念，液體、固體及固-液的表界面理論，表面化學的四大定理，液體表面張力與接觸角的測定方法與應用，高分子材料表面張力的影響因素，復合材料的界面理論及其應用，復合材料界面力學性能的表征等。同時在課程中強調本課程涉及的課程思政內容，如材料表面與界面的設計與改性，是當前隱身飛機、傳感器、催化劑領域新材料研發的核心問題，關系到實現中華民族偉大復興的戰略目標。

1 課程目標

通過本課程的學習，要求學生了解表面化學的基本理論及其具體應用，掌握彎曲液體表面承受的附加壓力、彎曲液面的蒸氣壓或細小顆粒的溶解度、表面吸附量等的計算。熟悉液-固界面潤濕性的評定、高分子材料表面張力的影響因素，液體表面張力和接觸角的測定方法，多孔和粉末固體材料比表面積的測定方法。掌握復合材料界面基礎、增強纖維表面處理及偶聯劑、復合材料界面力學性能的表征、復合材料界面理論。為復合材料的設計、界面結合的改進、制備工藝的優化提供理論支撐。培養學生識別、表達和分析復合材料與工程領域復雜工程問題的能力。

課程目標與畢業要求指標點對應矩陣見表1。

2 課程內容及教學要求

2.1 液體界面

主要內容：表面張力的熱力學定義、Laplace方程、Kelvin方程、吉布斯（Gibbs）吸附等溫式、液體表面張力的測定方法；要求能夠運用表面化學的三大基本定律計算毛細管中液體的表面張力、微小水滴的過飽和度、微小顆粒的溶解度、溶液的表面吸附量及其分子的橫截面積等實際問題。

表1：課程目標與畢業要求指標點對應矩陣

2.2 固體表面

主要內容：固體的表面特性、固體表面的自由能、Langmuir吸附等溫式、Freundlish吸附等溫式、BET吸附等溫式；要求能夠解釋固體表面物理吸附和化學吸附的差別，運用Langmuir吸附等溫式進行固體對氣體平衡吸附量的計算，應用BET模型測定固體比表面積的方法和計算。

2.3 固-液界面

主要內容：Young方程和接觸角、黏附功和內聚能、Young-Dupre公式、接觸角的測定方法和滯后現象、潤濕過程的三種類型；要求能夠運用Young方程計算液-固界面的接觸角，判斷液-固潤濕的類型，應用潤濕理論通過改變固體表面張力和表面粗糙度來調控潤濕性。

2.4 高分子材料的表面張力

主要內容：表面張力與溫度、分子量、等張比容、內聚能密度的關系，臨界表面張力，狀態方程；要求能夠運用高分子材料表面張力與各種參數的關系用測量外推或者估算的方法近似獲得固體高分子材料的表面張力。

2.5 復合材料的界面

主要內容：玻璃纖維增強塑料界面、先進復合材料的界面、復合材料界面力學性能的表征、復合材料界面理論；要求能夠解釋復合材料界面對其性能影響的重要性、偶聯劑改善復合材料界面結合的機制、碳纖維表面改性影響復合材料界面結合的機制、并將界面理論應用到復合材料的制備工藝中。

3 特色課程建設的思考

課程建設教師隊伍做到各個專業方向教師取長補短，老教師和新教師相結合。教學內容符合一流學科建設要求，符合工程教育專業認證達成度計算要求，知識結構合理，注意學科交叉，及時把學科最新發展成果引入教學。結合工程教育專業認證相關要求，達成度。密切關注國內外材料表面與界面領域的最新發展動態，選用本課程國內外的優秀教材，體現教學內容的先進性。將傳統教學方法與現代教學方法，優勢互補、有機結合，推廣應用形象生動的多媒體課件，提高課堂教學效果。并充分利用網絡教學資源，把本課程建成在線課程為目標。

本課程配套獨立實驗“復合材料表面與界面實驗”建設，充分利用現有實驗條件，編寫相關的實驗指導書。通過實驗使學生對所學表面與界面的理論知識有更深入的體會和理解，同時培養學生的實際動手操作能力，提高對專業基礎知識的掌握程度。通過參加全國大學生復合材料設計與制作大賽，運用所學的復合材料界面理論，制備出高延展復合材料構件。

在原有的基礎上，進一步改進和完善多媒體課件的制作，并借助網絡進行擴展。為了配合課堂教學內容，通過專題的形式，使學生將課本理論知識與實際應用緊密結合。建立科學的考核體系，包括理論知識考試和實驗操作的考核。在教學方法上注意培養學生的創新思維和獨立分析問題、解決問題的能力。理論聯系實際，融知識傳授、能力培養、素質教育于一體。增加相關的配套獨立實驗，可以進一步提高學生對表面界面理論的感性認識。另外，在教學中注重應用研究性學習、探究性學習、互動協作學習等現代教育理念。充分利用互聯網對知識的傳播作用，培養學生利用互聯網查找收集學習資料的能力。尤其是在新冠疫情期間，在超星網絡教學平臺上建設了課程網站，方便學生進行課外線上自學。

4 結束語

材料表面與界面課程涉及材料熱力學方面的內容，是復合材料與工程專業重要的專業基礎課程，課程涉及的界面化學基本理論應用范圍廣。在特色課程建設中，以專業認證為導向，對教學大綱和教學內容就行了修改，各種測驗和考試在達成度計算中都達到了要求的指標。在教學過程中，采用新穎的案例來啟發學生的創新想象力，讓學生課后積極參加高性能樹脂基復合材料構件制備項目，加深對界面理論的應用體會。總之，通過課程建設，達到培養學生科技創新必備素質和能力的目的。