材料的表界面

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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划材料的表界面材料表界面影响：材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、化学反应、复合等等。研究对象是不均匀的体系,是从一个相过渡到另一相的区域。具有多相性。应用领域：a.航空和航天器件b.民用各种涂料c.特种表面与界面功能材料d.界面是复合材料的重要特征LED发光：电致发光：Pt；日光灯：光致发光Hg+荷叶效应：1材料腊晶体2形貌第一章表面与界面基础知识1表面与界面概念通常把从凝聚相过渡到真空的区域称为表面;从一个相到另一个相之间的区域称为界面(interface).表界面尺寸

2、：可以是一个原子层或多个原子层。五种界面：液气，液液，固气，固液，固固。2.物质的分类：从形态上；从结构上。3.固体表面的分类根据物理表面特性可以分为理想表面(idealsurface)；清洁表面(cleansurface)：具体获得清洁表面的方法：a高温热处理，b离子轰击加退火c真空解理d真空沉积e场致蒸发等必须保持在1010Pa超高真空以下吸附表面(adsorptivesurface)4清洁表面发生的常见重要物理化学现象：(a)表面弛豫(relaxation)；(b)重构(rebuilding)(c)偏析又称偏聚或分凝(segregation)(d)台阶化(steps)(e)形成化合物(f

3、)吸附(adsorption)分类：物理吸附和化学吸附(a)物理吸附：由范德华力作用力引起。其本质：静电相互作用力。(b)化学吸附：由化学键作用力引起固体的表面特性：表面粗糙度r实际表面积与光滑表面积之比值表面粗糙度测定方法简介：轮廓算数平均偏差(Ra)Ra-在取样长度L内轮廓偏距绝对值的算术平均值，又称：平均粗糙度。微观不平度十点高度(Rz)在取样长度内5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最大的轮廓谷深的平均值之和。轮廓最大高度(Ry)在取样长度L内轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离。表面粗糙度测定方法:1)干涉法适合测量精密表面2)光学轮廓法3)探针法4比较法5感触法固-气表面吸附1.吸附等温线

4、吸附量可用单位质量吸附剂所吸附气体的量或体积来表示。恒温下，q=f(p),称为吸附等温式；恒压下，q=f(T),称为吸附等压式；恒q下，p=f(q),称为吸附等量式；五种吸附等温线吸附-脱附滞后环：在研究多孔固体物理吸附时，常常出现逐渐增加气体压力时得到的等温线与吸附后逐渐降低压力时得到的脱附等温线不相重合，这就是所谓的滞后现象2langmuir等温式基本假定：固体表面存在活化位置吸附是单分子层的。固体表面是均匀的。动态平衡。?bp称为Langmiur吸附等温式，b称为吸附系数。1?bp1）当压力足够低时，bp1,则1，即与p无关；3）当压力适中，。3BET多分子层吸附理论假设：吸附是多分子层

5、的。动态平衡。第一层吸附热。第二层以上吸附热接近凝聚热。BET三常数吸附等温式表面扩散和界面扩散1扩散规律和机理n=,上式成为二常数式；n=1,上式转化为Langmuir式?扩散是材料中存在有浓度梯度时产生的原子定向运动。(1)扩散定律稳定态：费克第一定律是联系扩散流(通量)和浓度梯度dC/dx间关系D0称为与温度无关的频率因子,E、Q称激活能。D为扩散系数非稳态：Fick第二定律：表面扩散分类若与浓度无关时(2)扩散机理：通过原子利用缺陷位置进行运动。如填隙原子、空位和原子团互换位置。(a)由于原子浓度梯度引起(b)由毛细管作用力引起。表面张力和表面自由能?=F/2L式中L为液膜边缘长度，液

6、膜有两个故取系数2。表面张力F，单位是mN/m。表面张力可以理解为系统增加单位面积时所需做的可逆功，单位为J/m2。?也可以理解为表面自由能，简称表面能。粘附功和内聚功把两本体相?和?的界面，从其平衡位置可逆地分离到无限远时则需做一份外功，称之为粘附功Wa。在等温、等压、等容下，粘附功Wa为：Wa?，界面相互作用力愈大，则界面张力?值就愈小。若两本体相相同，因此时的粘附功称之为内聚功:Wcj?2?j此为最佳粘附强度。粘附强度与微观作用1.两个中性分子之间的吸引力：吸引力等于排斥力，处于平衡状态。2.非极性范德华力：亦称为色散力，色散力EL是由瞬时偶极作用产生3.极性范得华作用力(1)偶极子偶极

7、子间的力2）偶极-诱导偶极间力4.氢键结合力：质子接受体与连接在电负性大的原子或基团上的质子形成氢键，可用偶极-偶极作用解释其性质。5.分子间各种作用力的加和性和作用分量线性加和性：将以上四种力中的非极性部分(EL)和极性部分(EL，ED，EH)加和，并把极性部分归纳为一项。表面和界面的张力的测定方法测定方法：有液滴法、悬滴法、毛细管上升法、气泡最大压力法、滴重法、吊片法和环吊法。Laplace方程固液界面张力Antonff关系公式：?12=?2-?1适用条件：两相接触角为零，且固液两相间处于液体饱和蒸汽吸附平衡状态。Good和Girifalco关系：?12=?2+?1适用条件：两相接触但没有

8、相互作用，通常两相存在相互作用力，修正为：?12=?2+?1-WaWa:粘附功相对极性理论关系：两相接触的各分子间的相互作用力可以线性加和。Wa=Wad+Wah+Wap+Wai+Wa?+Wada+Wae其中Wad、Wah、Wap、Wai、Wa?、Wada、Wae分别表示London色散力，氢键、偶极-偶极、偶极-诱导偶极、?键、施主-受主键、静电的相互作用而产生的粘附功通常情况：表面张力主要由色散力和偶极矩组成?=?d+?h粘附功也可表示为：Wa=Wad+Wap(4)影响界面张力的因数：a.温度b.极性c.分子量固体表面张力的测定方法：1）Zisman法2）熔体表面张力外推至室温方法第三节固体

9、表面的润湿现象一.液体的铺展液体A在与其不相溶的液体B上的铺展，由于界面张力的共同作用，使A铺展成“透镜形状”。润湿作用是一种流体置换表面上另一种流体的过程。润湿作用主要是指液体取代固体表面上的空气。此过程涉及方面：1）液-液铺展；2）两个液相和一个固相；3）三个互不相溶的液体相；固体表面润湿过程的热力学(重点、难点）1.常见的润湿过程a.沾湿过程：树脂粘附在玻璃纤维上形成玻璃钢为沾湿过程b.浸湿过程：将固体浸入到液体中谓之浸湿。c.铺展润湿：将一滴液体置于固体表面上，在恒温恒压条件下，液滴在固体表面上自动展开形成液膜的过程谓之铺张润湿。三类润湿过程的比较三类过程自发进行的条件为:粘附润湿Wa

10、=?SG+?LG-?SL?0；浸湿Wi=?SG-?SL?0；铺展润湿S?SG-?SL-?LG?01)润湿能的大小依次为WaWiS2)?SG和?SL主要对粘附润湿起作用,?SG愈大或?SL愈小，则差值愈大，愈有利于粘附润醒和铺展润湿。3)?LG增大，有利于粘附润湿，?LG减小，有利于铺展润湿，但?LG的变化对浸湿不起作用。2固体表面润湿与接触角的关系Young方程：粘湿：Wa?G?适用条件：组分均匀、平滑、各项同性的理想表面是表面化学的基本定律之一。?LV(1?cos?)?0?1800Wa?0浸湿：Wi?G?铺展：S?G?LVcos?0?900Wi?0?LV(cos?1)其中，=0或不存在，S0

11、。3）利用接触角来判断润湿发生的条件为：a.角愈小，愈有利于润湿b.把90作为润湿与否的标准，90为不润湿；c.1504)影响固体表面润湿行为的主要因素与构成表面材料本身的物理化学特性有关与构成表面形貌和结构密切相关3）与外部条件有关a、表面粗糙度的影响将一液滴置于一粗糙表面，有r(?SV?SL)?LVcos?或cos?r(?SV?SL)则cos?r?cos?LV此即Wenzel方程。式中r被称为粗糙因子，也就是真实面积与表观面积之比。对于粗糙表面，r总是大于1。90时，?，即在润湿的前提下，表面粗糙化后?变小，更易为液体所润湿。90时，?，即在不润湿的前提下，表面粗糙化后?变大，更不易为液体

12、所润湿。注意：Wenzel方程只适用于热力学稳定平衡状态。b.多组分表面cos?c?x1cos?1?x2cos?2此即Cassie方程。c为液体在组合表面上的接触角，1和2为液体在纯1和纯2表面上的接触角。如果组合小块面积变大，而且分布不均匀，则出现接触角滞后现象。C粗糙表面的接触角滞后现象在固-液界面扩展过程中存在一个前进角，以a表示，和收缩后的接触角称为后退角，以r表示一般，前进角往往大于后退角，两者之差值(a-r)称为接触角滞后现象描述公式Wenzel公式cos?r=r(?sg-?sl)/?lg=rcos?sr为粗糙度因子。适用条件：亚稳态固体表面能与表面润湿性的关系1.高能表面的润湿规

13、律：一般液体均能在高能表面上自动铺展润湿。2.低能表面的润湿规律：只有表面张力等于或小于固体的?c值的液体才可能在该固体表面铺展润湿。接触角的测定方法躺滴法/投影-切线法吊板法固体粉末接触角的测定Bartell静态法，称：位移压力法Washburn动态法第二章固体材料表面与界面电子过程半导体的基础知识1）本征半导体：纯净的、不含杂质的半导体。2）杂质半导体及分类：N型半导体中的多数载流子(多子)为电子。空穴为少数载流子。P型半导体中的多数载流子(多子)为空穴。电子为少数载流子3）扩散运动及扩散电流扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流称为扩散

14、电流。扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比4）漂移运动和漂移电流漂移运动：载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运动。漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。漂移电流大小与电场强度成正比1.pn结定义：把一块p型半导体和一块n型半导体结合在一起，由于P、N区载流子浓度不等，N区电子浓度向P区扩散，P区空穴向N区扩散，结果在交界面处积累电荷形成电偶极层，将该结构称为p-n结。2PN结基本特性1)空间电荷P区：带负电荷的电离受主与少量电子的负电荷严格平衡空穴电荷N区：带正电荷电离施主与少量空穴的正电荷严格平衡电子电荷空间电荷区的特点：a）内建电场：内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用。b）在无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移达到动态平衡，c）扩散电流和漂移电流的大小相等、方向相反而互相抵消。d）对于空穴，情况完全相似。e）没有电流流过p-n结。2)单向导电性PN结加正向电压：流过PN结的电流随外加电压U的增加而迅速上升，PN结呈现为小电阻。该状态称为PN结正向导通状态。