材料表面与界面(3)

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1、材料的表面与界面 Surfaces and Interfaces in Materials第2章 材料表面与界面的基础知识 第2章 材料表面与界面的基础知识2.1 液体的表面 2.1.2 液体的表面能 液体中溶质原子向液体 表面偏聚可以降低液体 的表面能，因此是自发 进行的过程。表面能随组成液体的比 例变化越大，产生表面 偏聚倾向性越大。 一些二元液态合金的表面能（） 随合金组成的变化规律 （4）液体的表面偏聚 5010001000500015002000 Cu-Sn(1150) Fe-Sn(1550)NiAuCdCuFeFeAgSn合金元素含量(wt%)表 面 能 (mJ /m2) Ni-F

2、e(1550) Au-Ag(1108) Cd-Sn(450)第2章 材料表面与界面的基础知识2.1 液体的表面 2.1.2 液体的表面能 溶质含量较少的液态合金产生表面偏聚的倾向性与液态合金的等温压缩率（ Isothermal compressibility，用表示）有关。使液体增大的溶质原子具有产生表面偏聚的倾向性，因此产生表面偏聚的条件为： 式中C为溶质的浓度。也就是说，在液体中，如果溶质的等温压缩率高于溶 剂，则该溶质将具有向液体表面偏聚的倾向性。另外，溶质原子是否发生 表面偏聚，还受到溶质原子和溶剂原子的尺寸差影响。 （4）液体的表面偏聚 (d/dC)C=0 0 第2章 材料表面与界面

3、的基础知识2.1 液体的表面 2.1.2 液体的表面能 合金元素对一些低合金含量二元液态金属产生表面偏聚倾向性的影响溶剂溶质溶质与溶剂等温压缩率比较（10-11 m2/N）是否发生表面偏聚HgCd, Ag, Sn, Pb, Mg, Tl, Sr, Ba, Na, Li, K,Rb, CsCo, Bi, Zn, Cu2 = 3.8; Sr, Ba和碱金属：1 2； 其它元素：1 2 Cd元素：1 2；其它元素：1 2 所有元素：1 2 发生表面偏聚 不发生表面偏聚AlZn, Li, Bi, Pb Mg, Sb, Sn2 = 1.4; 所有元素：1 2 所有元素：1 2发生表面偏聚 不发生表面偏聚

4、CuSb, Sn, Ag, Au2 = 0.75; Sb, Sn和Ag：1 2； Au：1 2 发生表面偏聚 不发生表面偏聚PbBi, K, Na, Ca Sn2 = 2.3; 所有元素：1 2 1 0时，表面应力值大于表面能； 当 Gs /e 0时，表面应力值小于表面能。 第2章 材料表面与界面的基础知识2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能 影响固体表面能的主要因素有：固体原子间的结合能、固体表面原子的晶面取向和温度 。 （2）固体的表面能的影响因素 Gs = Hs - TSs 固体表面能随温度的变化关系主要来源于固体表面熵的变化。由于与固体内部原子 相比，固体表面原子的运动自由度和

5、表面点缺陷密度都较大，所以固体产生单位表面积 的熵是增加的，即Ss为正值。因此(/T)p为负值。因此，随温度升高，固体的表面能下 降。 第2章 材料表面与界面的基础知识2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能 从Cu，Au和Ag三种面心立方金属的表面能 随温度的变变化关系可以看出三种金属固态时态时的表 面能与温度之间间的直线线关系的斜率(/T)p分别别 为为：-0.5, -0.47和-0.43 mJ/m2K。对对于许许多固态态金 属，(/T)p一般取值为值为-0.45 mJ/m2K。另外，各 金属在其熔点温度下固态态表面能（S）是液态态表面 能（L）的1.2倍左右。因此可以通过测过测量液态

6、态金属 在其熔点温度的表面能来推测测其在固态态状态态熔点 温度的表面能，再通过过固态态金属表面能与温度的 线线性关系和斜率值值（-0.45 mJ/m2K），来估算不同 温度下固态态金属的表面能，其经验经验表达式如下：S = 1.2(L)m + 0.45(Tm T) 式中，S为固态金属在熔点温度以下某一温度（ T）的表面能，(L)m为液态金属在熔点温度（Tm）的表面能。 （2）固体的表面能的影响因素 AgAuCu温度 ()S , L (mJ/ m2)Cu， Au和Ag三种面心立方金属的表面能随温度的变变化关系 第2章 材料表面与界面的基础知识2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能 固体的表

7、面能与其升华热、弹性模量和熔点 等物理性能之间基本呈线性关系。 主要是因为 这些物理量都与固体内部原子间结合力大小密切相关。 （3）固体的表面能与物理性能之间的关系 升华热 (kJ/mole)摩 尔 表 面 能 (kJ/ mol e)一些固态金属的表面能与 其升华热之间的关系。弹 性 模 量 (1 05 kg/ m m2 )表面能 (kJ/mole)一些固态金属或合金的弹性模量与 表面能之间的关系。第2章 材料表面与界面的基础知识物质表面能 (mJ/m2)测量温度 ()W (固体) Nb (固体) Au (固体) Au (液体) Ag (固体) Ag (液体) Fe (固体) Fe (液体)

8、Pt (固体) Cu (固体) Cu (液体) Ni (固体) Hg (液体)2900 2100 1410 1140 1140 879 2150 1880 2340 1670 1300 1850 4871727 2250 1027 1338 907 1100 1400 1535 1311 1047 1535 1250 16.52.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能 一些固态陶瓷和有机物液体的表面能测量结果 （3）固体的表面能与物理性能之间的关系 一些固态和液态金属的表面能测量结果 金属的表面能一般在1000-2000 mJ/m2，陶瓷晶体的表面能一般是金属 的一半，而有机物液体的表面能非常低，一般比金属表面能低2个数量级。 物质表面能 (mJ/m2)测量温度 () LiF (固体) NaCl (固体) KCl (固体) MgO (固体) CaF2 (固体) BaF2 (固体)He N2 乙醇 水 苯 n-辛烷 四氯化碳 溴 醋酸 苯甲醛 硝基苯340 227 110 1200 450 2800.31 9.71 22.75 72.75 28.88 21.80 26.95 41.50 27.80 15.50 25.20-195 25 25 25 -195 -195-270.5 -195 20 20 20 20 20 20 20 20 20