固体表面与界面行为29.doc

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1、第六章固体表面与界面行为固体表面与界面行为，对固体材料的物理化学性质和工艺过程具有重要意义。6-1固体表面结构一、表面力场固体表面力——化学力和分子间力（一）化学力：本质上为静电力，来自表面质点的不饱和价键用表面能表达。（二）分子间力：固体表面与被吸附质点之间物理作用力，为固体产生物理吸附和凝聚的原因。分子间力来源于三种不同效应。1、定向作用：发生在极性分子之间本质上为静电力。2、诱导作用：发生在极性分子与非极性分子之间，极性分子诱导非极性分子产生作用。3、分散作用：发生在非极性分子之间。二、晶体表面结构表面不同于内部结构可以表示微观质点的排列状况和表面状态

2、方面。表面力存在使固体具有较高能量状态，但系统通过各种途径降低过剩能量，导致表面结构极化变形和原来晶格的畸变。固体，形式极化变形降低表面能如图三、粉体表面结构粉体：微细的固体微料集合体大小，表面材料工艺中，原料加工成微细颗粒以利于成型和烧结。粉体制备：反复粉碎形成一系列新表面，离子极化变形重排畸变有序性降低，随粒子的微细化从表面增大，无序性增大并向纵深发展，不影响内部结构——表面层的无定形结构和粒度极小的微晶结构的玻璃表面结构。玻璃表面力场同晶体类似，玻璃内能晶体内能表面力场作用更为明显。玻璃表面化学成分结构中内部质点的性质，表面相对率，化学稳定性，结晶倾向

3、和强度不同。表面结构性质取决于材料的离子Pb2+，Sn2+，Sb2+，Ca2+，Zn2+等离子极化性质的差异并进入表面层的离子对其影响不同。四、固体表面的结构固体实际表面为不平坦的（1）具有不同厚度的台阶（2）台阶部分具有一系列的断口（3）数目不多的原子被吸附在晶体及台阶表面上，表面粗糙度和裂纹。实际表面由于吸附出现不同的变化，表面被一层吸附膜所覆盖。如玻璃表面K+取代Na+产生压应力提高其机械强度，工业玻璃加入Na2O，CaO，X2O等，其中表面结构系为K+取代Na+从而表面产生一层压应力，提高其机械强度。6-2表面能及表面张力（1）表面能每形成一个新表面

4、环境，对系统做功表面离子比内部离子能量高。（2）表面张力沿表面作用在单位长度上的力（N/m）（3）液体表面能与表面张力数值相等单位相同。即液体不能承受剪切应力，无塑性变形，但固体能承受剪切应力外力作用表现在表面积增加，有部分变成塑性形变，因而固体表面能及表面张力不相等。固体表面张力，通过向表面增加附加原子，从而在新表面形成时所作的功。（4）液体表面张力依表面能定义，T，P及组分不变时每增加一个单位表面所需做功，则V为表面能。液体表面张力=液体表面能其中，表面张力为作用在单位长度，缩小表面积作用于固体或液体边界线垂直于边界线方向，指表面内部或作用于固体液表面上

5、任一条直线垂直于该线方向，指向液面表面方向的拉力，方向通过作用点与表面相切这种力使液体缩小表面积呈球形。6-3固体表面能1、固体自由能固体表面能指过剩界面自由能用γ0表示，以每单位面积计算的过剩界面层自由能2、晶体表面能的理论计算固体表面能与晶格能的关系设：(Δv)sv：一个原子表面及内部两种状态内能差Vib，Vis：第i个原子在内部和表面上时与最邻近原子的作用能。ηib，ηis：第原子在内部和表面时最邻近原子的数目。则：期中ηib结论：（1）V0与晶格能U0成正比；（2）V理论>V实际；原因：真实表面有松弛，重排造成配位数降低即ηib也降低，所以由公式实际

6、也降低。没有考虑表面台阶，实际表面积较V实降低3、固体表面能与环境关系T↑表面能V0↑介质不同，表面能数值不同4、固体表面张力表面张力≠表面能，且前者大于后者，表面张力即可分为表面能及塑性变形两部分。6-4吸附与粘附1、吸附物质表面具有不饱和价键，能吸引其它原子或离子，本质为力场作用，由于吸附表面能降低为一自发过程。由于吸附n:s增加表面原子V0↓即吸附降低表面能吸附两种类型：物理吸附：范德华力放热小几个单分子层化学吸附：化学结合力放热大单分子层氧分压与表面能的关系：即氧压增大，表面张力下降等于吸附增强。2、吸附对表面结构及性能影响（1）如NaCl型的NiO

7、吸附后，由配位数4变成6，成为八面体结构，结构趋于稳定。（2）表面结构改变硅酸盐表面吸附水膜形成硅醇基团。（3）吸附可以降低材料机械强度Rm：断裂强度r0：表面能α：原子间距r0↓则Rm↓3、粘附粘附：互相接触的表面产生吸引（1）粘附功A、B两种材料粘附一起粘附功WγA，γB：A、B两界面的表面能γAB：AB之间界面能粘附功：剥开单位粘附面积所需作功，粘附功W大则VAB小，两者结合粘附牢固。相似表面易于粘附，一般金属排除它们之间的吸附层，且具足够的塑性变形可出现牢固粘附即为冷焊。4、实际表面结构硅酸盐表面由于吸附都带有硅醇基团，吸附水而成水膜。6-5晶界1、

8、晶界的产生多晶材料中，晶粒大小，形状毫无规则，晶粒与