无机材料科学基础 第五章固体表面与界面ppt课件.ppt

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1、第五章表面与界面总述理想晶体和玻璃体/实际晶体和玻璃体理想晶体和玻璃体：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：有限处于物体表面的质点，其境遇和内部是不同的，表面的质点受力不均衡而处于较高的能阶。固体分散度的变化例如：石英的粉碎。1kg直径为1cm米变成1nm米，表面积和表面能增加143倍。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。表面质点不对称结构表面质点不对称受力能量升高物理性质熔点、沸点、蒸汽压、溶解度、吸附、

2、润湿和烧结等化学性质化学活性、催化、固相反应等内容提要固体表面力场与表面能。离子晶体在表面力场作用下，离子的极化与重排过程。多相体系中的界面化学：如弯曲效应、润湿与粘附，表面改性。多晶材料中的晶界分类，多晶体的组织，晶界应力与电荷。第一节固体的表面表面: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。一、固体表面的特征二、晶体表面结构三、固体的表面能固体表面的不均匀性，表现在：(1)绝大多数晶体是各向异性，同一晶体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

3、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，引起表面不均匀。(5)固体表面宏观光滑，原子尺寸衡量，实际上也是凹凸不平的。一、固体表面的特征固体表面力定义：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。2.固体表面力场内部原子对称配位受力平衡表面原子不对称配位受力不平衡范得

4、华力(分子引力)长程力表面力的分类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。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。(1)范得华力(分子引力)TransientdipolesElectronstouringthroughorbitalspaceEvenlydistributedaboutnucleusOnoverageNodipoleAtanyinstantE

5、lectronsareunevenlydistributedDipoleTransient:aninstantlater,electronswillhavemovedDipolepointingindifferentdirectionInducedDipolesTheeffectofonedipoleonaneighboringatom:Electronsofatom2drawntowards+vesideofatom1“Induced”dipoleinatom2Alignedantiparallel

6、AtleastatendencyTransientInducedDipolesAninstantlater…ElectronsmovedDipolealignedparallelUnfavorableLikechargesrepelOrpointingincompletelydifferentdirectionOnaverage,moretimealignedfavorablyNetattractiveforce表达式：F范＝FK＋FD＋FL1/r7说明：分子间引力的作用范围极小，一般为3～5埃。当

7、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)长程力：属固体物质之间相互作用力，本质仍是范得华力。按作用原理可分为：A.依靠粒子间的电场传播的，如色散力，可以加和B.一个分子到另一个分子逐个传播而达到长距离的。诱导作用力表面力的作用：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

8、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。NaCl晶体图3－1离子晶体表面的电子云变形和离子重排NaCl晶体图3－1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