无机材料科学基础表面与界面知识讲解.ppt

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1、无机材料科学基础表面与界面2、固体表面力场原因：质点周期性排列的中断产生剩余键力（1）范得华力源于a定向力（静电力）极性分子之间两极化电矩因极性不同而发生的作用力b诱导作用力：发生于极性与非极性分子之间c色散力发生于非极性分子之间电子云不对称（2）长程力本质属范德华力a依靠离子间的电场传播、可加和b通过分子间逐个传播,随层数增加而按指数关系衰减二、晶体表面结构（一）、离子晶体的表面结构1、微观质点的排列状态：表面双电层（1）、形成：松弛、重排（2）、作用：降低表面能（3）、表面双电层厚度取决于:阴、阳离子半径差大，厚度大极化性能强，厚度大2晶体表面的几何结构同

2、一晶体的不同结晶面上，表面原子密度差异较大构造结晶面表面密度简立方（100）0.785（110）0.555（111）0.453体心立方（110）0.833（100）0.589（111）0.340面心立方（111）0.907（100）0.785（110）0.555面心立方晶格的低指数面（2）、表面粗糙、不规则a表面粗糙度：表面力场不均匀影响固体比表面积、内/外表面比及相关性质微裂纹：降低材料的机械强度4.2晶界定义：晶界：结构相同而取向不同的晶体相互接触的界面相界：取向、组成与结构都不同相邻晶粒间的界面4.2.1晶界结构与分类结构特点：原子排列不规则，结构疏松2

3、、晶界分类（1）、按两晶粒夹角大小大角度晶界小角度晶界（错合角小于2—30）（2）、按晶界两边原子排列的连续性a共格晶界：界面两侧的晶体具有相似的结构和类似的取向，越过界面原子面是连续的失配度=（C2－C1）/C1b半共格晶界：界面间距小的一相发生应变c非共格晶界：结构相差很大的固相间的界面4.2.2、多晶体的组织1、晶界构型：晶界在多晶体中的形状、构造、和分布图4—18多晶粒界面上的原子2、晶界形状（二面角）4.2.3、晶界应力当温度T0→T△T=T0－T材料1：ε1=α1△T材料2ε2=α2△Tε1≠ε2处于(C)状态时复合体必须取一个中间的α值，则一种材

4、料的净压力等于另一材料的净拉力设：σ1、σ2为两相的应力V1、V2、为两相的体积分数如：E1=E2µ1=µ2两相的热应变差△ε=ε2－ε1=△α△T第一相的应力为2△α△T上式是令合力为零时得出的,σ1A1=-σ2A2A1、A2分别为第一、二晶界面积合力σ1A1+σ2A2产生平均晶界剪应力τ平均=（σ1A1）平均/局部的晶界面积晶界面积∝V/d式中：L–层状物长度对于一定的系统E、V、μ为定值τ=K△α△Td/L4.3粘土——水系统胶体化学4.1、粘土的电荷1、负电荷源于粘土晶格内同晶不等价置换、表面吸附的腐殖质离解位置：粘土颗粒板面2、两性电荷电性决定于PH

5、值位置：粘土颗粒边面（破键带点）3、净电荷粘土的正电荷与负电荷的代数和4.2粘土的离子吸附于交换特点：（1）、同号离子等当量交换，过程可逆，不影响结构（2）、吸附与交换是同一反应中同时进行的两个不同过程Na+粘土+Ca2+Ca2+粘土+2Na+2、阳离子交换容量（1）、表征：100克干粘土吸附的阳离子毫克当量数（2）、影响因素Na+a,矿物组成：决定阳离子吸附量蒙脱石＞伊利石＞高岭石（同晶置换数量较多）（位于边面的K+）(破键吸附的阳离子)b,粘土的细度：越细，交换容量越大c,腐殖质含量：多，大d,溶液离子浓度：大，大e,溶液PH值：碱性，大(3)、阳离子交换

6、顺序电价不同，高价离子置换能力大于低价电价相同，半径大的离子置换能力强H+＞Al3+＞Ba2+＞Sr2+＞Ca2+＞Mg2+＞NH4+＞K+＞Na+＞Li+4.3粘土胶体的电动性质4.3.1，粘土与水的作用1、方式：氢键结合粘土颗粒吸附阳离子的水化2、胶团结构胶核：表面带电的粘土颗粒（–）胶粒：胶核+牢固结合水及水化阳离子（–）胶团：胶粒+疏松结合水及水化阳离子（0）3、胶体中水的分类：牢固结合水：完全定向排列疏松结合水：定向程度较差自由水：无规则排列4、响粘土结合水量的因素（1）矿物组成蒙脱石＞伊利石＞高岭石（2）分散度：（对高岭石）越大，结合水量越大（3）

7、吸附阳离子种类不同电价：一价阳离子＞二价阳离子＞三价阳离子同电价：半径增大，结合水量减少4.3.2粘土胶体的电动电位（Zeta电位）1、扩散双电层：吸附层+扩散层2、影响Zeta电位因素ζ=4πσd/Dζ:电动电位（Zeta电位）σ:表面电荷密度d:双电层厚度D:介质的介电常数（1）、吸附阳离子种类不同价阳离子：M+粘土﹥M2+粘土﹥M3+粘土同价阳离子:半径增大，ζ降低（2）阳离子浓度，大小（3）腐殖质含量：越多，ζ越大（4）粘土矿物组成（5）电解质阴离子作用（6）粘土胶粒的形状、大小、表面光滑程度4.3.3粘土——水系统的胶体性质一、流变学基础1、流变学：

8、研究物体流动和变形的一门科学2、流变类