材料科学基础-材料的表面与界面.ppt

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1、第七章材料的表面与界面材料制备及使用过程中发生的种种物理化学变化，都是由材料表面向材料内部逐渐进行的，这些过程的进行都依赖于材料的表面结构与性质。产生表面现象的根源在于材料表面质点排列不同于材料内部，材料表面处于高能量状态。这就使得物体表面呈现出一系列特殊的性质。因此，现在正在研究的纳米材料就是利用这一现象，改变材料性质。如：铁粉在纳米级时，只要向空中轻轻一撒，就能燃烧，这就显示了高能量。第一节　固体的表面一、固相表面的特征二、晶体表面结构三、固体的表面能第一节　固体的表面固体和液体一样都有表面，因而也具有表面能。但在通常状况下，因固体的非流动

2、性，使固体表面比液体表面要复杂的多。首先，固体表面通常是各向异性的，固体的实际外形与其周围的环境及所经历的历史有关。固体的界面可一般可分为表面、界面、相界面：1）表面:把一个相和它本身的蒸气（或在真空中）相接触的分界面。通常表面是指固体与真空的界面。表面问题在材料制备和使用过程中显得十分重要，如：固体物料之间的化学反应、溶质的浸润及吸附等现象都在表面进行。2）界面:一个相与另一个相之间相互接触的分界面。一般就是指相邻两个结晶空间的交界面。多晶材料中不同晶粒之间的晶界。3）相界面：任何两种不同状态之间的分界面称之为相界面，如固-气、固-液、固-固

3、、液-气和液-液界面。在固-固界面中还可以分为晶界和相界面：晶界:结构相同而取向不同的晶体相互接触时，其相互接触的界面称为晶界。相界面:如果相邻晶粒不仅取向不同，而且结构成份也不同（即代表不同的二个相），则其相互接触的界面称为相界面。一、固相表面的特征1、固相表面的不均一性原因：（1）由于晶体是各向异性的，因而同一个晶体可以有许多性能不同的表现。（2）同一种固体物质由于制备和加工条件不同也会有不同的表现性质。（3）实际晶体的表面由于晶格缺陷，空位或位错，而造成表面的不均一性。（4）由于表面会吸附外来原子而引起固体表面的不均一性。固体表面的不均一

4、性，使固体表面的性质悬殊较大，从而增加了固体表面结构和性质研究的难度。由于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，这就是固体表面力场。在晶体内部，质点处在一个对称力场中。但在晶体表面，质点排列的周期性重复中断，表面上的质点一方面受到内部质点的作用，另一方面又受到性质不同的另一相中物质分子（原子）的作用，使表面质点的力场对称性被破坏，表现出剩余的键力，这就是固体表面力的来源。表面力可分为：范德华力、长程力、静电力、毛细管表面力、接触力等。2、表面力场（1）范德华(vanderWalls)力：一般是

5、指固体表面与被吸附质点（例如气体分子）之间相互作用力。主要来源于三种不同效应：1）定向作用。主要发生在极性分子（离子）之间。2）诱导作用。主要发生在极性分子与非极性分子之间。3）分散作用。主要发生在非极性分子之间。对于不同物质，上述三种力都会存在，只是那一种强弱的问题。（2）长程力：它是二相之间的分子引力通过某种方式加合和传递而产生的，本质上仍是范德华力。（3）静电力：在二相表面间产生的库仑作用力。一个不带电的颗粒，只要它的介电常数比周围的介质大，就会被另一个带电颗粒吸引。（4）毛细管表面力：在二个表面间存在液相时产生的一种引力。粉体表面吸水并

6、产生毛细管力，会立即粘结成块。（5）接触力：短程表面力也称接触力，是表面间距离非常近时，表面上的原子之间形成化学键或氢键。表面力对材料工程有重要影响：石墨浆料陶瓷烧结由于固体表面上的质点所处的环境不同于内部，在表面力的作用下，会使表面层的结构也不同于内部。表面力的存在使固体表面处于较高能量状态。但系统总会通过各种途径来降低这部分过剩的能量。液体通过形成球形表面来降低系统的表面能。而固体是通过表面质点的极化、变形、重排并引起原来晶格的畸变，来降低表面能的。对于不同结构的物质，其表面力的大小和影响不同，因而表面结构状态也会不同。二、晶体表面结构（一

7、）清洁表面的结构1、清洁表面：是指表面经过特殊处理后，保持在10-9Pa以上的超高真空下的表面状态。处理方法有：离子轰击加退火处理、解理、热蚀和外延生长等。2、离子晶体的表面：固体表面结构可以从微观指点的排列状态和表面几何状态两方面来描述，前者属于原子尺寸范围的超细结构，后者属于一般的显微结构。由于晶体的质点不能象液体一样的自由流动，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，这样就造成表面层与内部结构差异，对于不同结构物质，其表面力的大小和影响不同，因而表面结构也不同。（1）MX型在表面力作用下，离子极化与重排后形成表面双电层，

8、一般来说，半径大的阴离子和半径小的阳离子组成的化合物，如金属氧化物：Al2O3、SiO2、ZrO2发生离子极化现象，固体表面好像被一层负离子所屏障，并