无机材料科学基础课件 第七章 固体的表面与界面.ppt

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、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。 （1）范德华(van der Walls)力：一般是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。 （一）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