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1、张其土版张其土版41作业P1631,5,8,10(1),1316,17(注意胶粒运动速度注意胶粒运动速度5.66改为改为5.6610-6cm/s). (1) 范得华力范得华力(分子引力分子引力) 是固体表面产生物理吸附或气体凝聚的原因。与液体内压、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。表面张力、蒸汽压、蒸发热等性质有关。 来源三方面：来源三方面：定向作用力定向作用力FK(静电力静电力) ,发生于极性分子之间。发生于极性分子之间。 诱导作用力诱导作用力FD ，发生于极性与非极性分子之间。发生于极性与非极性分子之间。 分散作用力分散作用力FL(色散
2、力色散力) ，发生于非极性分子之间。，发生于非极性分子之间。 表达式：表达式：F F范范范范F FKKF FD DF FL L 1/r1/r7 7 说明说明：分子间引力的作用范围极小，一般为：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。故范得华力只表现出引力作用。 (2) 静电力静电力： 静电力是表面吸附离子后带电，从而在二个表面间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。产生库仑作用力。 库仑作用是一种很强的长程作用，因此静电力是所有库仑作用是一种很强的
3、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。来决定。 表面力的作用表面力的作用表面力的作用表面力的作用： 液体液体液体液体: : 总是力图形成球形表面来降低系统的表面能。总是力图形成球形表面来降低系统的表面能。 固体固体: 使使固体固体表面处于较高的能量状态表面处于较高的能量状态(因为固体不能流动因为固体不能流动), 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降低表面能，其结果使固体表面层与内部结构存在差异。二
4、、晶体表面结构二、晶体表面结构1. 离子晶体表面离子晶体表面超细结构超细结构(微观质点排列微观质点排列)显微结构显微结构(表面几何状态表面几何状态)说明：说明：说明：说明： 1. 离子晶体离子晶体MX在表面在表面力作用下，处于表面层力作用下，处于表面层的负离子的负离子X在外侧不饱在外侧不饱和，和，负离子极化率大，负离子极化率大，通过电子云拉向内侧正通过电子云拉向内侧正离子一方的极化变形来离子一方的极化变形来降低表面能降低表面能。这一过程。这一过程称为称为松弛松弛，它是瞬间完，它是瞬间完成的，接着发生离子重成的，接着发生离子重排。排。 NaCl 晶 体图图31 离子晶体表面的电子云变形和离子重排
5、离子晶体表面的电子云变形和离子重排NaCl 晶 体图图31 离子晶体表面的电子云变形和离子重排离子晶体表面的电子云变形和离子重排2. 从晶格点阵稳定性从晶格点阵稳定性考虑，作用力较大，考虑，作用力较大，极化率小的正离子应极化率小的正离子应处于稳定的晶格位置处于稳定的晶格位置而易极化的负离子受而易极化的负离子受诱导极化偶极子排斥诱导极化偶极子排斥而推向外侧，从而而推向外侧，从而形形成表面双电层成表面双电层。重排重排结果结果使晶体表面能量使晶体表面能量趋于稳定。趋于稳定。 3、 NaCl形成形成双电层厚度双电层厚度为为0.02nm,在在Al2O3、SiO2、ZrO2等表面上也会形成双电层。等表面上
6、也会形成双电层。 4、当表面形成双电层后，它将向、当表面形成双电层后，它将向内层内层发生作用，并引发生作用，并引起内层离子的起内层离子的极化和重排极化和重排，这种作用随着向晶体的纵深推，这种作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，移而逐步衰减。表面效应所能达到的深度，与阴、阳离子与阴、阳离子的半径差有关的半径差有关，差愈大深度愈深。差愈大深度愈深。 5、离子极化性能愈大，双电层愈厚，从而表面能愈低离子极化性能愈大，双电层愈厚，从而表面能愈低。 化合物化合物表面能表面能（N/m）硬硬 度度PbI2PbF2BaSO4SrSO4CaF20.130.901.251.402.5012
7、2.53.533.54表表4-1 某些晶体中极化性能与表面能关系某些晶体中极化性能与表面能关系 实验观测表明：实验观测表明： 固体的实际表面是不规则和粗糙的，固体的实际表面是不规则和粗糙的， 最重要的表现为最重要的表现为表面粗糙度表面粗糙度和和微裂纹微裂纹。 表面粗糙度表面粗糙度表面粗糙度表面粗糙度：(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。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直接影响固体表面积，内、外表面积比值以及相 关的属性。关的属性。 (3)与两种材料间的封接和结合界面间的与两种材料间的封接和
8、结合界面间的啮合啮合和和结合结合 强度强度有关。有关。 表面裂纹表面裂纹表面裂纹表面裂纹因因晶体缺陷或外力晶体缺陷或外力而产生。表面裂纹在材料中起着而产生。表面裂纹在材料中起着应力倍增器应力倍增器的作用，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的公式：加的应力。格里菲斯关于微裂纹的公式：表面裂纹表面裂纹表面裂纹表面裂纹 格里菲斯用刚拉制的玻璃棒做试验，弯格里菲斯用刚拉制的玻璃棒做试验，弯曲强度为曲强度为6109N/m2，该棒在空气中放置几，该棒在空气中放置几小时后强度下降为小时后强度下降为4l08N/m2，他发现强度，他发现强度下
9、降的原因是由于大气腐蚀而形成表面微下降的原因是由于大气腐蚀而形成表面微裂纹。裂纹。 玻璃的钢化和预应力混凝土制品的增强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。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。能更充分地利用材料固有的强度。一、一、 弯曲表面效应弯曲表面效应弯曲表面弯曲表面:由于表面张力的存在而产生一个附加压力由于表面张力的存在而产生一个附加压力。 对于球面：对于球面： 2/r :为表面张力；为表面张力； 对于
10、非球面：对于非球面：(1/r1+1/r2) r :主曲率半径。主曲率半径。 讨论讨论：(1) 当当 r1 r2时，时， 2/r ； (2)当为两块相互平行的平板间的液体液面当为两块相互平行的平板间的液体液面 上上/r1 (因为因为r2)， 当当r1 很小时，此时压力称为毛细管力。很小时，此时压力称为毛细管力。 附加压力附加压力总是指向曲面的曲率中心总是指向曲面的曲率中心，当曲面为，当曲面为凸面时为正值，凹面时为负值。凸面时为正值，凹面时为负值。 与曲率半径成反比，与曲率半径成反比，而与表面张力成正比而与表面张力成正比。4.2 界面行为界面行为弯曲液面下的附加压力弯曲液面下的附加压力附加压力附加
11、压力Ps及及Laplace方程方程- Laplace方程方程毛细现象毛细现象90900 0, h0, , h0, 毛细管中的液面低于水平面。毛细管中的液面低于水平面。例如：例如：毛细管法毛细管法是测量表面张力的方法之一，是测量表面张力的方法之一， 该法为最古老的一种方法，该法为最古老的一种方法， 若使用得当，仍是最精确的一种。若使用得当，仍是最精确的一种。 测量表面张力的其他方法：测量表面张力的其他方法：气泡最大压力法气泡最大压力法；环法环法（界面张力仪）；（界面张力仪）；生活中的毛细现象生活中的毛细现象1. 煤油灯灯芯吸油煤油灯灯芯吸油2. 毛巾吸水毛巾吸水3. 锄地保墒锄地保墒大雨过后，通
12、过锄地保持土壤水分。大雨过后，通过锄地保持土壤水分。解释解释思考题思考题1思考题思考题2答答案案思考题思考题3思考题思考题4思考题思考题5思考题思考题8例例2例例3解解解例例4解解润湿现象润湿现象润湿及其量度润湿及其量度润湿定义润湿定义液体滴到固体上，有的容易铺展开，习液体滴到固体上，有的容易铺展开，习惯上称该固体能被液体润湿；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。能被液体润湿的固体称亲液性固体，如能被液体润湿的固体称亲液性固体，如亲水的有亲水的有-玻璃、石英；玻璃、石英；不能被液体润湿的固体称疏液性固体，不能
13、被液体润湿的固体称疏液性固体，如疏水的有如疏水的有-石蜡、硫磺、叶子、石墨。石蜡、硫磺、叶子、石墨。润湿的量度：润湿角（接触角）润湿的量度：润湿角（接触角） 在在g、l、s三相交界处，三相交界处，g - l界面与界面与l - s界面之界面之间（包含液体）的夹角。间（包含液体）的夹角。润湿与不润湿决定于液、固本性。润湿与不润湿决定于液、固本性。-Thomas Yong 方程方程三相平衡时：三相平衡时：（1）润湿与否取决于）润湿与否取决于sgsg和和slsl二者的二者的相对大小；相对大小；（2）润湿程度大小取决于三个）润湿程度大小取决于三个。讨论：讨论：（1）润湿，）润湿，90900 0，G0G9
14、0900 0，G0G0。结论：二者均自发。结论：二者均自发。完全润湿，完全润湿， 0o ，液体铺开液体铺开 一、晶界一、晶界 1、 定义定义：凡凡结构相同结构相同而而取向不同取向不同的晶的晶体相互接触，其接触界面称为晶界。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，则其接不相同，即它们代表不同的两个相，则其接触界面称为触界面称为相界面相界面或或界面界面。 2、晶界上的、晶界上的特性特性：晶界结构疏松晶界结构疏松，在，在多晶体中晶界是原子快速扩散的通道，并容多晶体中晶界是原子快速扩散的通道，并容易引
15、起杂质原子偏聚。晶界上有许多空位、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，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故能级较高，使晶界成为固态相变时优先成优先成核区域。核区域。4.3 4.3 晶界晶界晶界的观察AlN grainAlN graingrain boundary晶界的作用晶界的作用 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同于晶粒的特性。疏松，因而也使晶界具有一些不同于晶粒的特性。1.1.晶界上原子排列较晶粒内疏松，因而晶界受腐蚀晶界上原子排列较晶
16、粒内疏松，因而晶界受腐蚀(易易受热浸蚀、化学腐蚀受热浸蚀、化学腐蚀)后，很易显露出来；后，很易显露出来；2.2.由于晶界上结构疏松，在多晶体中，晶界是原子由于晶界上结构疏松，在多晶体中，晶界是原子(或或离子离子)快速扩散的通道快速扩散的通道; ;3.3.并容易引起杂质原子并容易引起杂质原子(或离子或离子)的偏聚的偏聚; ;4.4.同时也使晶界处熔点低于晶粒；同时也使晶界处熔点低于晶粒；5.5.晶界上原子排列混乱，存在着许多空位、位错和键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，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
17、先成核的区域。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：晶界结构的分类： (1). 按按两个晶粒之间夹角两个晶粒之间夹角的大小来分：的大小来分： 小角度晶界小角度晶界小角度晶界小角度晶界( (约约约约2 2o o33o o) ) 大角度晶界大角度晶界大角度晶界大角度晶界 (2). 根据晶界两边根据晶界两边原子排列的连贯性原子排列的连贯性来分：来分： 共格晶界共格晶界共格晶界共格晶界半共格晶界半共格晶界半共格晶界半共格晶界非共格晶界非共格晶界非共格晶界非共格晶界: :共格晶界共格晶界共格晶界共格晶界: :界面两侧的晶体具有非常相似的结构和类似的界面两侧的晶体具有非常相似的结构
18、和类似的取向，越过界面原子面是连续的取向，越过界面原子面是连续的 半共格晶界半共格晶界半共格晶界半共格晶界: :晶面间距比较小的一个相发生应变，在界面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位错线附近发生局部晶格畸变局部晶格畸变。 非共格晶界非共格晶界非共格晶界非共格晶界: :界面两侧结构相差很大且与相邻晶体间有畸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。变的原子排列。共格晶界共格晶界共格晶界共格晶界半共格晶界半共格晶界半共格晶界半共格晶界: :非共格晶界非共格晶界非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）
