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1、第四章 材料的表面与界面,作业,P163 1,5,8,10(1),1316, 17(注意胶粒运动速度5.66改为5.6610-6cm/s).,由于高分散系比低分散系能量高得多，必然使物系由于分散度的变化而使性质方面有很大差别。物理性质：熔点、沸点、蒸汽压、溶解度、吸附、烧结等化学性质：化学活性、催化、固相反应 等,总述,理想晶体和玻璃体 实际晶体和玻璃体,石英不同粒径性能对比,理想晶体和玻璃体：假定任一个原子或离子都处在三维无限连续的空间中，周围对它作用完全相同。 实际晶体和玻璃体：处于物体表面的质点，其境遇和内部是不同的，表面的质点由于受力不均衡而处于较高的能阶，所以导致材料呈现一系列特殊的
2、性质。,内容提要,4.1 固体的表面主要内容：固体表面的特征、结构和固体的表面能 。 定义 表面_一个相和它本身蒸汽或真空接触的分界面。界面_一相与另一相(结构不同)接触的分界面。,二、晶体表面结构,三、固体的表面能,一、固体表面的特征,(1) 绝大多数晶体是各向异性，因而同一晶体可以有许多性能不同的表面。 (2)同一种物质制备和加工条件不同也会有不同的表面性质。 (3)晶格缺陷、空位或位错而造成表面不均匀。 (4)在空气中暴露，表面被外来物质所污染，吸附外来原子可占据不同的表面位置，形成有序或无序排列，也引起表面不均匀。 (5) 固体表面无论怎么光滑，从原子尺寸衡量，实际上也是凹凸不平的。,
3、1. 固体表面的不均匀性，表现在：,一、固体表面的特征,晶体中每个质点周围都存在着一个力场，在晶体内部，质点力场是对称的。但在固体表面，质点排列的周期重复性中断，使处于表面边界上的质点力场对称性破坏，表现出剩余的键力，称之为固体表面力。,表面力的分类：,定义：,(1) 范德华力,(2) 静电力,2. 固体表面力场,(1) 范得华力(分子引力) 是固体表面产生物理吸附或气体凝聚的原因。与液体内压、表面张力、蒸汽压、蒸发热等性质有关。来源三方面：定向作用力FK(静电力) ,发生于极性分子之间。诱导作用力FD ，发生于极性与非极性分子之间。分散作用力FL(色散力) ，发生于非极性分子之间。表达式：F
4、范FKFDFL 1/r7 说明：分子间引力的作用范围极小，一般为35。当两个分子过分靠近而引起电子层间斥力约等于B/r3 , 故范得华力只表现出引力作用。,(2) 静电力： 静电力是表面吸附离子后带电，从而在二个表面间产生库仑作用力。 库仑作用是一种很强的长程作用，因此静电力是所有表面力中最强的一种，它存在时，系统的性质主要由它来决定。,表面力的作用：液体: 总是力图形成球形表面来降低系统的表面能。固体: 使固体表面处于较高的能量状态(因为固体不能流动),只能借助于离子极化、变形、重排并引起晶格畸变来降低表面能，其结果使固体表面层与内部结构存在差异。,二、晶体表面结构,1. 离子晶体表面,超细
5、结构(微观质点排列) 显微结构(表面几何状态),说明：1. 离子晶体MX在表面力作用下，处于表面层的负离子X在外侧不饱和，负离子极化率大，通过电子云拉向内侧正离子一方的极化变形来降低表面能。这一过程称为松弛，它是瞬间完成的，接着发生离子重排。,2. 从晶格点阵稳定性考虑，作用力较大，极化率小的正离子应处于稳定的晶格位置而易极化的负离子受诱导极化偶极子排斥而推向外侧，从而形成表面双电层。重排结果使晶体表面能量趋于稳定。,3、 NaCl形成双电层厚度为0.02nm,在Al2O3、SiO2、ZrO2等表面上也会形成双电层。4、当表面形成双电层后，它将向内层发生作用，并引起内层离子的极化和重排，这种作
6、用随着向晶体的纵深推移而逐步衰减。表面效应所能达到的深度，与阴、阳离子的半径差有关，差愈大深度愈深。5、离子极化性能愈大，双电层愈厚，从而表面能愈低。,表4-1 某些晶体中极化性能与表面能关系,实验观测表明：固体的实际表面是不规则和粗糙的，最重要的表现为表面粗糙度和微裂纹。表面粗糙度：(1)使表面力场变得不均匀，其活性及其它表面性质也随之发生变化。(2)直接影响固体表面积，内、外表面积比值以及相关的属性。(3)与两种材料间的封接和结合界面间的啮合和结合强度有关。,表面裂纹因晶体缺陷或外力而产生。表面裂纹在材料中起着应力倍增器的作用，使位于裂纹尖端的实际应力远大于所施加的应力。格里菲斯关于微裂纹
7、的公式：,表面裂纹,格里菲斯用刚拉制的玻璃棒做试验，弯曲强度为6109N/m2，该棒在空气中放置几小时后强度下降为4l08N/m2，他发现强度下降的原因是由于大气腐蚀而形成表面微裂纹。玻璃的钢化和预应力混凝土制品的增强原理就是使外层通过表面处理而处于压应力状态，从而闭合表面微裂纹。控制表面裂纹的大小、数目和扩展，就能更充分地利用材料固有的强度。,一、 弯曲表面效应 弯曲表面:由于表面张力的存在而产生一个附加压力。对于球面： 2/r :为表面张力；对于非球面：(1/r1+1/r2) r :主曲率半径。讨论：(1) 当 r1 r2时， 2/r ；(2)当为两块相互平行的平板间的液体液面上/r1 (
8、因为r2)，当r1 很小时，此时压力称为毛细管力。附加压力总是指向曲面的曲率中心，当曲面为凸面时为正值，凹面时为负值。 与曲率半径成反比，而与表面张力成正比。,4.2 界面行为,弯曲液面下的附加压力,附加压力Ps及Laplace方程,- Laplace方程,毛细现象,900, h0, 毛细管中的液面低于水平面。 例如：,毛细管法是测量表面张力的方法之一，该法为最古老的一种方法，若使用得当，仍是最精确的一种。测量表面张力的其他方法： 气泡最大压力法； 环法（界面张力仪）； ,生活中的毛细现象,1. 煤油灯灯芯吸油 2. 毛巾吸水 3. 锄地保墒,大雨过后，通过锄地保持土壤水分。,解释,思考题1,
9、思考题2,答案,思考题3,思考题4,思考题5,思考题8,例2,例3,解,解,例4,解,润湿现象,润湿及其量度,润湿定义,液体滴到固体上，有的容易铺展开，习惯上称该固体能被液体润湿； 相反，有的不容易铺展开，称该固体不能被液体润湿。 能被液体润湿的固体称亲液性固体，如亲水的有-玻璃、石英； 不能被液体润湿的固体称疏液性固体，如疏水的有-石蜡、硫磺、叶子、石墨。,润湿的量度：润湿角（接触角）,在g、l、s三相交界处，g - l界面与l - s界面之间（包含液体）的夹角。,润湿与不润湿决定于液、固本性。,-Thomas Yong 方程,三相平衡时：,（1）润湿与否取决于sg和sl二者的相对大小； （
10、2）润湿程度大小取决于三个。,讨论： （1）润湿，900，G0。 结论：二者均自发。 完全润湿， 0o ，液体铺开,一、晶界1、 定义：凡结构相同而取向不同的晶体相互接触，其接触界面称为晶界。 相邻晶粒不仅位向不同，而且结构、组成也不相同，即它们代表不同的两个相，则其接触界面称为相界面或界面。 2、晶界上的特性：晶界结构疏松，在多晶体中晶界是原子快速扩散的通道，并容易引起杂质原子偏聚。晶界上有许多空位、位错和键变形等缺陷使之处于应力畸变状态，故能级较高，使晶界成为固态相变时优先成核区域。,4.3 晶界,晶界的观察,晶界的作用,晶界上由于原子排列的不规则而造成结构比较疏松，因而也使晶界具有一些不
11、同于晶粒的特性。 晶界上原子排列较晶粒内疏松，因而晶界受腐蚀(易受热浸蚀、化学腐蚀)后，很易显露出来； 由于晶界上结构疏松，在多晶体中，晶界是原子(或离子)快速扩散的通道; 并容易引起杂质原子(或离子)的偏聚; 同时也使晶界处熔点低于晶粒； 晶界上原子排列混乱，存在着许多空位、位错和键变形等缺陷，使之处于应力畸变状态。故能级较高，使得晶界成为固态相变时优先成核的区域。,3、 晶界结构的分类：(1). 按两个晶粒之间夹角的大小来分： 小角度晶界(约2o3o)大角度晶界(2). 根据晶界两边原子排列的连贯性来分：,共格晶界 半共格晶界 非共格晶界:,共格晶界:界面两侧的晶体具有非常相似的结构和类似的取向，越过界面原子面是连续的半共格晶界:晶面间距比较小的一个相发生应变，在界面位错线附近发生局部晶格畸变。非共格晶界:界面两侧结构相差很大且与相邻晶体间有畸变的原子排列。,共格晶界 半共格晶界: 非共格晶界:,面缺陷,钢中的晶粒（其中黑线为晶界）,面缺陷,孪晶界,面缺陷,密堆积中的层错,面缺陷,小角倾侧晶界（由一列刃型位错构成）,
