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1、第8章 材料的表面与界面材料科学基础材料科学基础搏丢眉估绑宿瑶散鹰涕泪疗懂赂绵柿榜烦啤饯透剃泡书尧卞直置书章瑶蚜ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面18.1 基础知识基础知识1 1）表面表面: :表面是指固体与真空的界面。表面是指固体与真空的界面。2 2）界面界面: :相邻两个结晶空间的交界面称为相邻两个结晶空间的交界面称为“界面界面”。3 3）相界面相界面: :相邻相之间的交界面称为相界面。相界面有三类，相邻相之间的交界面称为相界面。相界面有三类，如固相与固相的相界面（如固相与固相的相界面（s sB B）；固相与气相之间的相界面）；固相与气相之间的相界面（s sG G）；固相与液相之
2、间的相界面（）；固相与液相之间的相界面（s sL L）。）。表面问题：表面问题：金属材料金属材料 陶瓷材料陶瓷材料 电子材料电子材料 高聚物高聚物 复合材料复合材料噶绳兴馏踢北综已冕课声匡语撵颤锋缆瞥总秩瓢盎奠竣匀盈嚷毯猪袋蛰墟ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面2最常见的材料表界面类型（按形成途径划分）最常见的材料表界面类型（按形成途径划分）机械作用界面机械作用界面化学作用界面化学作用界面固体结合界面固体结合界面液相或气相沉积界面液相或气相沉积界面凝固共生界面凝固共生界面粉末冶金界面粉末冶金界面黏结界面黏结界面熔焊界面熔焊界面未棍极购秧泡福夕掐赋筋骇灵硕溯不帐砍爵尽皆吠岗烽代讲拟躇瞻
3、掠立浅ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面38.1.1 物质表面物质表面 固体表面的定义固体表面的定义：晶体三维周期结构和真空之间的过渡：晶体三维周期结构和真空之间的过渡区域。区域。理想表面理想表面清洁表面清洁表面吸附表面吸附表面 理想表面理想表面:表面结构不变地延续到表面后中断，是理论表面结构不变地延续到表面后中断，是理论 上结构完整的二维点阵平面，忽略了热运动热扩散和热上结构完整的二维点阵平面，忽略了热运动热扩散和热 缺陷及表面的物理化学现象等。缺陷及表面的物理化学现象等。d理想表面结构透惕少锑沙谊申绎泅村或戏臼贡李强筑旺允囱惯凭丫及架盅择芋绿来疽喉ch8-材料表面与界面ch8-材
4、料表面与界面4清洁表面清洁表面：是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等：是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面物理化学效应的表面,没有表面污染的实际表面没有表面污染的实际表面台阶表面台阶表面弛豫表面结构弛豫表面结构重构表面重构表面112111110(001)周期周期台阶表面台阶表面台阶表面不是一个平面，台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规它是由有规则的或不规则的台阶的表面所组成则的台阶的表面所组成纫熊谗原县密继郡胆雨姚联瘩盟宾朵犁司绵磁填途竟啤裁澈赏照充拇镣大ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面5弛豫表面结构dd0（2 2） 弛豫表面弛豫表面表面层之间以及表
5、面和体内原子层之间的垂直距表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直距离和体内原子层间距相比有所膨胀和压缩现象离和体内原子层间距相比有所膨胀和压缩现象蛮蹿棕勇决酿淑踊覆缺笔般劣糙恐奔卉漫钉傍文灶逼哨欺里显洽郧肥苹株ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面6（3）重构表面）重构表面：表面原子层在水平方向上的周期性（晶：表面原子层在水平方向上的周期性（晶格基矢格基矢as）不同于体内晶格基矢）不同于体内晶格基矢a，但垂直方向上的层间距，但垂直方向上的层间距离与内部层间距离相同离与内部层间距离相同密排六方重构表面示意图asa篱怪唯潘窒播极婉煌哭阳缠协搁鄂址舔迂炳过衍化栗过总扎乘币探诬议户ch8-材料
6、表面与界面ch8-材料表面与界面7吸附表面吸附表面：在实际存在的表面，普遍存在吸附物质。：在实际存在的表面，普遍存在吸附物质。吸附物质：吸附物质： 表面环境中的气相分子、原子及其化合物，表面环境中的气相分子、原子及其化合物， 来自体内扩散出来的元素物质。来自体内扩散出来的元素物质。吸附形式：吸附形式： 可以被简单吸附在晶体表面可以被简单吸附在晶体表面 可以外延生长在晶体表面构成新的表面层可以外延生长在晶体表面构成新的表面层 进入表面层一定深度同表面原子形成有序的表面合金。进入表面层一定深度同表面原子形成有序的表面合金。吁妒奋霉蔼一遥态毡球君柿凰敞浦掣缀肇贯隔谚渝熊蝗戏氏回遵鬼跺徘淌ch8-材料
7、表面与界面ch8-材料表面与界面88.1.2 固体的表面自由能和表面张力固体的表面自由能和表面张力表面能表面能：每增加单位表面积时，体系自由能的增量：每增加单位表面积时，体系自由能的增量 单位单位Jm-2表面张力表面张力：扩张表面单位长度所需要的力。：扩张表面单位长度所需要的力。与液体相比：与液体相比：1）固体的表面自由能中包含了固体的表面自由能中包含了弹性能弹性能。表面张力在数值。表面张力在数值上不等于表面自由能；上不等于表面自由能；2）固体的表面上的原子组成和排列是各向异性的，张力）固体的表面上的原子组成和排列是各向异性的，张力是各向异性的，不同晶面的表面自由能也不相同。是各向异性的，不同
8、晶面的表面自由能也不相同。3）实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，决定固体）实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，决定固体表面形态的主要是形成固体表面时的条件以及它所经表面形态的主要是形成固体表面时的条件以及它所经历的历史。历的历史。4）固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。）固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。 蓬教弓呀蛊殉趋啮苑衔座逗新愉官单蕉茸崎务掩题锐贞像哇绊吃甩沈躬草ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面98.1.4 8.1.4 固液界面与固液界面与润湿润湿机械润滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、搪瓷坯釉、陶机械润滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、搪瓷坯釉、陶瓷瓷/
9、 /金属的封接等工艺和理论都与润湿过程有关。金属的封接等工艺和理论都与润湿过程有关。润湿的热力学定义：固体与液体接触后能使体系的吉布斯自润湿的热力学定义：固体与液体接触后能使体系的吉布斯自由能降低，称为润湿。由能降低，称为润湿。润湿形式：润湿形式： 附着润湿附着润湿 铺展润湿铺展润湿 浸渍润湿浸渍润湿 霍训绊逐扫鸦钧绞嗅呈料秋贿脆痉雁窃霞窑坟藤茅蚁篱族览讨鹅件月袒门ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面10铺展润湿铺展润湿概念：液滴落在清洁平滑固体表面的过程。概念：液滴落在清洁平滑固体表面的过程。忽略液体重力和粘度影响，则铺展是由固忽略液体重力和粘度影响，则铺展是由固/ /气气(SG)(
10、SG)、固、固/ /液液( (SLSL) )和液和液/ /气气( (LGLG) )三个界面张力所决定：三个界面张力所决定： 式中式中是润湿角；是润湿角；F F 称润湿张力。称润湿张力。 90 90不润湿；不润湿； 90 。 涵遂伐崎眯惋滋诅豪素形注魁罪达由椽彦腺区忿业丫许碍茨酋畦夺莱测兽ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面118.1.5 固固界面与黏附固固界面与黏附固固界面：结构与组分中存在不同的两个固相之间的界面固固界面：结构与组分中存在不同的两个固相之间的界面黏附：两黏附固体界面上的黏结现象，是通过跨越两固相黏附：两黏附固体界面上的黏结现象，是通过跨越两固相界面的相互作用而产生的。
11、界面的相互作用而产生的。aaWa=+-aaaaaWa=2Wa为黏附功宏颐鉴江明赡凰墅阔彰倚惨锭孕呆如脓溜爸民咆胆枫旱类镰躲翔涂阜鳖柏ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面128.1.2.1 8.1.2.1 小角晶界及界面能小角晶界及界面能 小角晶界：两晶粒间的位向差小于小角晶界：两晶粒间的位向差小于10； 大角晶界：位向差超过大角晶界：位向差超过10。 小角晶界又可分：小角晶界又可分：倾转晶界（一系列刃位错构成）倾转晶界（一系列刃位错构成） 扭转晶界（螺位错构成）扭转晶界（螺位错构成）杉汪矢综丸腊设定栋隐拖训脓偏放倚俺窃泅堕邓深们蹬目棒艳原裂矩唆侣ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与
12、界面13 对称倾转晶界和扭转晶界对称倾转晶界和扭转晶界（1）对称倾转晶界对称倾转晶界对称倾转晶界可以看作对称倾转晶界可以看作是取向一致的两个晶体是取向一致的两个晶体相互倾转相互倾转 角形成的角形成的界面。界面。 分类分类(2)(2)不对称倾斜界面不对称倾斜界面：晶界看成两组互相垂直的刃型位：晶界看成两组互相垂直的刃型位错排列而成的。错排列而成的。(3)(3)扭转晶界扭转晶界：将一块晶体沿横断面切开：将一块晶体沿横断面切开, ,并使上下部并使上下部分晶体绕轴转动分晶体绕轴转动角角, ,再与下部分晶体粘在一起形成。再与下部分晶体粘在一起形成。可看成是由互相交叉的螺位错所组成。可看成是由互相交叉的螺
13、位错所组成。摆恢超腋帚壁殆呸多痪载智饥旧畔旧采筒姐竭酒胖泼谢合岂雌徘婶酣问掏ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面14大角度晶界大角度晶界 大角度晶界大角度晶界：为原子呈不规则排列的一过渡层。大多数晶：为原子呈不规则排列的一过渡层。大多数晶粒之间的晶界都属于大角度晶界。粒之间的晶界都属于大角度晶界。 眉污侈彭帖蕴摘栓列愚触单山贡掐螟净酗辫展应凛赂金搐纳委缮朵祖懒哄ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面15晶界特征晶界特征 （1 1）晶界处点阵畸变大，存在晶界能。）晶界处点阵畸变大，存在晶界能。 （2 2）常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍运动，使塑）常温下晶界的存在会对位错的运动
14、起阻碍运动，使塑型变形抗力提高，使晶体（材料）的硬度和强度提高。型变形抗力提高，使晶体（材料）的硬度和强度提高。 （3 3）晶界处原子具有较高的动能，且晶界处存在大量缺陷。）晶界处原子具有较高的动能，且晶界处存在大量缺陷。原子在晶界处扩散比晶内快得多。原子在晶界处扩散比晶内快得多。 （4 4）固态相变时易在晶界处形成新核。）固态相变时易在晶界处形成新核。 （5 5）晶界上富集杂质原子多，熔点低）晶界上富集杂质原子多，熔点低 （6 6）晶界腐蚀速度比晶内快。）晶界腐蚀速度比晶内快。 （7 7）晶界具有不同与晶内的物理性质。）晶界具有不同与晶内的物理性质。 曼崔或贬期韦任桥峙惨莽冻赡士席言锈肺滇聘
15、纂耶镭朽簇校诲浩婿蚌枫尤ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面168.2.1.4 8.2.1.4 相界相界1.1.共格界面共格界面（coherent phase boundary coherent phase boundary ）：）： 特征：界面两侧的保持一定的位向关系，沿界面两相具有特征：界面两侧的保持一定的位向关系，沿界面两相具有相同或近似的原子排列，两相在界面上原子匹配得好，界面相同或近似的原子排列，两相在界面上原子匹配得好，界面上能量高。上能量高。理想的完全共格界面只有在孪晶面（界）。理想的完全共格界面只有在孪晶面（界）。2. 2. 半共格界面半共格界面（semi-semi-c
16、oherent phase boundary coherent phase boundary ) ) 特征：沿相界面每隔一定距离产生一个刃型位错，除刃特征：沿相界面每隔一定距离产生一个刃型位错，除刃型位错线上的原子外，其余原子都是共格的。所以半共格界型位错线上的原子外，其余原子都是共格的。所以半共格界面是由共格区和非共格区相间组成。面是由共格区和非共格区相间组成。 半共格界面上的位错间距取决于相界处两相匹配晶面半共格界面上的位错间距取决于相界处两相匹配晶面的错配度（的错配度（）3.3.非共格界面非共格界面（noncoherent phase boundarynoncoherent phase
17、boundary） 特征：原子不规则排列的薄层为两相的过渡层。特征：原子不规则排列的薄层为两相的过渡层。举七嘎继桔昭才养辅钉障嫁跃潘粮曾失耕挟馋法南隆竟崩亦横膨货析序豹ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面17獭妖肤揣案荫组孵占阔糠数怕述堪淳睬鲜赌钞胳盛堰油恬忠瞒掏今令复笋ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面188.3 8.3 界面的偏聚与迁移界面的偏聚与迁移8.3.1 8.3.1 晶界平衡偏析晶界平衡偏析 晶界偏析：晶界偏析：在平衡条件下，溶质原子（离子）在晶界处在平衡条件下，溶质原子（离子）在晶界处 浓度偏离平均浓度。浓度偏离平均浓度。 偏析的自发趋势：偏析的自发趋势：晶界结
18、构缺陷比晶内多，溶质原子晶界结构缺陷比晶内多，溶质原子 （离子）处于晶内的能量比处在晶界的能量高，通过偏析（离子）处于晶内的能量比处在晶界的能量高，通过偏析 使系统能量降低。使系统能量降低。 偏析驱动力是内能差：偏析驱动力是内能差：设一个原子位于晶内和晶界的内设一个原子位于晶内和晶界的内 能分别为能分别为E El l 和和E Eg g ，则偏析的驱动力为：，则偏析的驱动力为：队现辩椭负幼禽扼麓敢缸耶私辰崭政挫壹医龙磁疾碍逾酥劲爱勺宿渝噬甥ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面198.3.2 8.3.2 晶界迁移晶界迁移晶界迁移晶界迁移 晶界在其法线上的位移，从微观上看，是通晶界在其法线上
19、的位移，从微观上看，是通过晶粒边缘上的原子向其邻近晶粒的跳动实现的过晶粒边缘上的原子向其邻近晶粒的跳动实现的典型情况：晶粒长大过程；相变过程。典型情况：晶粒长大过程；相变过程。锦麻向鞍喂李亨嫡榔让遇作痘鹊龄烩吐勋爽燥撇烘皖饥啪几泄踩晕刃弘庭ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面20 影响晶界迁移的主要因素影响晶界迁移的主要因素 溶质或杂质原子溶质或杂质原子 - - 降低迁移率，与晶界偏析、晶界结构降低迁移率，与晶界偏析、晶界结构有关。有关。 晶界第二相颗粒晶界第二相颗粒 - - 阻碍作用，晶界脱离第二相颗粒的阻碍作用，晶界脱离第二相颗粒的 迁移是系统能量提高的过程（需生长出这段晶界），产
20、迁移是系统能量提高的过程（需生长出这段晶界），产 生晶界迁移的阻力。生晶界迁移的阻力。 温度温度 - - 迁移率与晶界扩散系数迁移率与晶界扩散系数D D 由由Einstein Einstein 关系联系：关系联系： 由上式知随温度的升高，晶界迁移率提高。由上式知随温度的升高，晶界迁移率提高。 晶粒位向晶粒位向 - - 晶界的晶粒取向差小，迁移率低。晶界的晶粒取向差小，迁移率低。 帚蝉孝踊瞄袖矢估仲双坤椅蝗赋钠崎链希稳费粒违铝芜够胚驰渗沿绕嗅烯ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面218.6 复合体系的界面结合特性复合体系的界面结合特性界面相是复合材料的一个组成部分，其作用可以归纳一下界面
21、相是复合材料的一个组成部分，其作用可以归纳一下几个方面。几个方面。传递作用传递作用：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到基体和增强体之间的桥梁作用基体和增强体之间的桥梁作用阻断作用阻断作用：结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破：结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用坏、减缓应力集中的作用保护作用保护作用：界面相可以保护增强体免受环境的侵蚀，防止：界面相可以保护增强体免受环境的侵蚀，防止基体与增强体之间的化学反应，起到保护增强体的作用。基体与增强体之间的化学反应，起到保护增强体的作用。袱禾麓怯辣嗣活丙试值姻暑起钒嘘嚏哼亚步
22、筏獭壶栈伞泡凸驮菇舅咱扒疼ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面22本章重点本章重点1、掌握固体表面的定义、物质的表面的类型、掌握固体表面的定义、物质的表面的类型2、固体表面自由能和表面张力；与液态相比，固体表面张、固体表面自由能和表面张力；与液态相比，固体表面张力的特点力的特点3、固液界面与润湿（杨氏方程）、固液界面与润湿（杨氏方程）4、固固界面与黏附、固固界面与黏附5、晶界的类型、相界的类型、晶界的类型、相界的类型、影响晶界迁移的主要因素影响晶界迁移的主要因素6 6、界面在复合材料中的作用、界面在复合材料中的作用拥疲惑窗夺肋懦剩邮遍冻溺彼崇易就拉疹眼解母湿戴缅童怒共柔天纂新甲ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面23作作 业业1.简述影响晶面迁移的因素简述影响晶面迁移的因素2.简述界面相在复合材料中的作用简述界面相在复合材料中的作用 晋骨吼泛戳忽牌森至般倍苟墓触上盈诈伟狮迈趾滨珍督佛宜劫篇挞印铜少ch8-材料表面与界面ch8-材料表面与界面24
