无机非金属材料基础PPT课件第四章 表界面 .ppt

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1、第四章固体表面与界面总述石英砂直径(m)表面积m2/g表面能J/m210-20.260.2710-92.6×1062.7×106粉碎石英的机械能转化为表面能贮存在石英粉内。由于高分散度物系比低分散度物系能量高得多，必然使物系由于分散度的变化而使两者在物理性质（如熔点、沸点、蒸气压、溶解度、吸附、润湿和烧结等）和化学性质（化学活性、催化、固相反应）方面有很大的差别。理想晶体和玻璃体：假定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：处于物体表面的质点，其境遇和内部是不同的，表面的质

2、点由于受力不均衡而处于较高的能阶，所以导致材料呈现一系列特殊的性质。界面是晶体中的面缺陷，界面具有高的能量，在化学介质中不稳定，产生晶界腐蚀，故界面影响材料的化学性能，界面也影响材料的物理性能，如材料组织中晶粒增大，界面减少，可提高导磁率，降低矫顽力。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。相界：结构不同的两块晶体或结构相同而点阵参数不同的两块晶体接合的界面．晶界：同种材料

3、相同结构的两个晶粒间的边界．界面：总称．两个独立体系的相交处，包括表面、相界、晶界第一节固体的表面主要内容：固体表面的特征、结构和固体的表面能表面－－把一个相和它本身蒸汽或真空接触的分界面。界面－－把一相与另一相(结构不同)接触的分界面。相界面:相邻相之间的交界面称为相界面。相界面有三类：如固相与固相的相界面（S／S）；固相与气相之间的相界面（S／V）；固相与液相之间的相界面（S／L）。(1)绝大多数晶体是各向异性，因而同一晶体可以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也会有不同的表面性质。(3)晶

4、格缺陷、空位或位错而造成表面不均匀。1.固体表面特点一、固体表面的特征(4)暴露在空气中，表面被外来物质所污染，外来原子可占据不同的表面位置，形成有序或无序排列，也引起表面不均匀。(5)固体表面无论怎么光滑，从原子尺寸衡量，实际上也是凹凸不平的。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，称之为固体表面力。表面力的分类：定义：(1)范得华力(分子引力)(2)化学力2.固体表面力场(1)范得华力(分子引

5、力)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。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3～5Å。范得华力只表现出引力作用。(2)化学力：※静电力。来自表面质点的不饱和价键。※离子晶体的表面化学力主要取决于晶格能和极化作用。※一般来说，表面能与晶格能成正比，与分子体积成反比。表面力的作用：液体:总是力

6、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.离子晶体表面超细结构(微观质点排列)显微结构(表面几何状态)离子晶体(MX型)在表面力作用下离子的极化与重排过程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晶体图离子

7、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外侧，从而形成表面双电层。重排结果使晶体表面能量趋于稳定。3、NaCl形成双电层厚度为0.02nm,在Al2O3、SiO2、ZrO2等表面上也会形成双电层。4、当表面形成双电层后，它将向内层发生作用，并引起内层离子的极化和重排，这种作用随着向晶体的纵深推移而逐步衰减。表面效应所能达到的深度，与阴、阳离子的半径差有关，差愈大深度愈深。5、离子极化性能愈大，双电层愈厚，从而表面

8、能愈低。总结松驰过程重排过程离子键逐渐过渡为共价键——表面双电层表面等负性双电层厚度由极化程度决定——极化变形大——表面能小——硬度小。可以预期，对于其它由半径大的负离子与半径小的正离子组成的化合物，特别是金属氧化物如Al2O3、SiO2等也会有相应效应。而产生这种变化的程度主要取决于离子极化性能。如：PbI2表面能最小（130尔格／厘米2），