固體表面與界面行為

1、固體表面與界面行為二、晶體外表構(gòu)造 外表不同于內(nèi)部構(gòu)造可以外表微觀質(zhì)點(diǎn)的排列狀況和外表狀態(tài)方面 外表力存在使固體是較高能量狀態(tài)但系統(tǒng)通過(guò)各種途徑降低過(guò)剩ml量，導(dǎo)致外表構(gòu)造極化變表和原來(lái)晶格的畸變。 固體，形式極化變形降低外表能如圖P55三、粉體外表構(gòu)造粉體：微細(xì)的固體微料集合體大小此外表積材料工藝中，原料加工成微細(xì)顆粒以利于成型和燒結(jié)。粉體制備：反復(fù)粉碎形成一系列新外表金離子極化變形重排畸變有序性降低，隨粒子的微細(xì)化從外表增大，無(wú)序性增大并向縱深開(kāi)展，不影響內(nèi)部構(gòu)造外表層的無(wú)定形構(gòu)造和粒度極小的微晶構(gòu)造的玻璃外表構(gòu)造。 玻璃外表力場(chǎng)同晶體類似，玻璃內(nèi)能 晶體內(nèi)能外表力場(chǎng)作用更為明顯。 玻璃外

2、表化學(xué)成分構(gòu)造中內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的性質(zhì)，外表相對(duì)率，化學(xué)穩(wěn)定性，結(jié)晶傾向和強(qiáng)度不同。 外表構(gòu)造性質(zhì)取決于材料的離子Pb2+、Sn2+ 、Sb2+、Ca2+、Zn2+等離子極化性質(zhì)的差并進(jìn)入外表層的離子對(duì)其影響不同。四、固體外表的構(gòu)造固體實(shí)際外表為不平坦的1具有不同厚度的解方2局部具有一系列的斷口3數(shù)目不多的原子吸附和晶體及解方外表上，外表粗糙度和裂紋。 實(shí)際外表由于吸附出現(xiàn)不同的變化外表裱一層吸附膜所復(fù)道。如玻璃外表K+取代Na+產(chǎn)生壓應(yīng)力提高其機(jī)械強(qiáng)度，工業(yè)玻璃參加Na2O、CaO、X2O等其中外表構(gòu)造系為K+取代Na+從面外表產(chǎn)生一層壓應(yīng)力，提高其機(jī)械強(qiáng)度。6-2 外表能及外表張力 1外表能 每形

3、成一個(gè)新外表環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)做功外表離子比內(nèi)部離子能量高。2外表張力 沿外表作用在單位長(zhǎng)度上的力N/m3液體外表能與外表張力數(shù)值相等單位一樣即液體不能承受剪切應(yīng)力無(wú)塑性變形，但固體能承受剪切應(yīng)力外力作用表現(xiàn)的外表積增加引有部長(zhǎng)變成塑性形變，因而固體外表能及外表張力不相等。 固體外表張力，通過(guò)向外表增加附加原子，從適應(yīng)新外表時(shí)所作可遞功。 4液體外表張力 依外表能定義，T、P及組分不變時(shí)每增加一個(gè)單位機(jī)關(guān)報(bào)外表所需做功，那么V為外表能。液體外表張力=液體外表能 其中，外表張力為作用在單位和長(zhǎng)度縮小面積作用于固體或液體邊界限垂直于邊界限方向指外表內(nèi)部或作用于固體液外表上任一條直線垂直于該線方向指向液面

4、外表方向指向線單側(cè)的拉力，如是向那么方向通過(guò)作用點(diǎn)與外表相切這種力使液體縮小外表積呈球形。 1、固體自由能固體外表能指過(guò)剩界面自由能用0表示，以每單位面積計(jì)算的過(guò)剩界面層身由能2、晶體外表能的理論計(jì)算固體外表能與晶格能的關(guān)系設(shè):(v)sv:一個(gè)原子外表及內(nèi)部?jī)煞N狀態(tài)內(nèi)能差Vib,Vis：第個(gè)原子在內(nèi)部和外表上時(shí)與最鄰近原子的作用能。ib,is ：第原子在內(nèi)部和外表時(shí)最鄰近原子的數(shù)目。體積自由能過(guò)剩界面層自由能那么：期中結(jié)論：1V0與晶格能U0成正比2 V理論 V實(shí)際原因：真實(shí)外表有極比松弛，重排造成ib配位數(shù)降低即也降低所以由公式實(shí)際V0也降低。沒(méi)有考慮外表臺(tái)階，實(shí)驗(yàn)外表積故V實(shí)際降低3、固體

5、外表能與環(huán)境關(guān)系 T外表能V0介質(zhì)不同，外表能數(shù)值不同4、固體外表張力 外表張力外表能且前者大于后者，外表張力即可遞分為外表能及塑性變性兩局部。 1、吸附物質(zhì)外表具有不飽和價(jià)鍵，能吸引其它原子或離子，本質(zhì)為力場(chǎng)作用，由于吸附外表能降低為一自發(fā)過(guò)程。由于吸附n:s增加外表原子增加V0即吸附降低外表能 吸附兩種類型: 物理吸附:范德華力 放熱小幾個(gè)單分子層 化學(xué)吸附:化學(xué)結(jié)合力 放熱大 單分子層 氧分壓與外表能的關(guān)系：即氧壓增大，外表張力下降等于吸附增強(qiáng)。6-4 吸附粘附 2、吸附對(duì)外表構(gòu)造及性能影響1加NaCl型的Nib吸附后，由配位數(shù)與變成6成為八面體構(gòu)造，構(gòu)造趨于穩(wěn)定。2外表構(gòu)造改變硅酸鹽外

6、表吸附水膜形成硅酸基團(tuán)。3吸附可以降低材料機(jī)械強(qiáng)度Rm : 斷裂強(qiáng)度r0 : 外表能a : 原子間距r0 那么Rm 3、粘附粘附：互相接觸的外表產(chǎn)生吸引1粘附力A、B兩種材料粘附一起粘附功WAB ：A、B兩界面的外表能 AB ：AB之間的外表能 粘附功：剝開(kāi)單位粘附面積所需作功，粘附功W大那么VAB小，兩者結(jié)合粘附結(jié)實(shí) 相似外表易于粘附，一般金屬排登陸艇它們之間的吸附層且具足夠的塑性變形可出現(xiàn)率固粘附即為冷焊。4、實(shí)際外表構(gòu)造硅酸鹽外表由于吸附都帶有硅酸基團(tuán)，吸附水而成水膜。 1、晶界的產(chǎn)生 多晶材料中，晶粒大小，形狀毫無(wú)規(guī)那么晶粒與晶粒之間由于取向不同，出現(xiàn)邊界，即為晶界2、晶界特點(diǎn) 晶介處

7、能量較高有應(yīng)力形成空位，位錯(cuò)等缺陷，晶界可以將移動(dòng)晶本長(zhǎng)大，再結(jié)晶相變，燒結(jié)都晶界移動(dòng)。3、晶界構(gòu)造據(jù)兩晶粒之間偏差可分為： 據(jù)晶界兩連原子的連貫性可分為：6-5 晶界 小角度晶界大角度晶界連貫晶界半連貫晶界大連貫晶界4、晶界能與外表能關(guān)系晶界能總小于兩個(gè)相鄰的二晶粒外表能之和，因二個(gè)晶粒外表層原子之間會(huì)有強(qiáng)烈的相互作用如無(wú)作用那么應(yīng)該相等。5、晶界對(duì)材料性質(zhì)和材料物理化學(xué)性能的影響A、降低材料機(jī)械強(qiáng)度B、晶界能夠富集雜質(zhì)原子C、晶界原子能量較高可以成為高溫傳質(zhì)過(guò)程的快速通道。6、晶界應(yīng)力晶界應(yīng)力 晶界應(yīng)力與熱彭脹系數(shù)溫度變化原底d成正比，如熱膨脹為各向同性即 =0,=0。如產(chǎn)生應(yīng)力那么晶粒越

8、大，應(yīng)力愈大強(qiáng)度越差，搞熱沖擊性也差。1、彎曲外表附加壓力外表張力的存在造成彎曲外表上產(chǎn)生附加壓力 如右圖一根毛細(xì)管向其中吹氣在管端形成一半徑為氣泡壓力增大，氣泡體積增大相應(yīng)外表積增加，阻礙其體積增加的阻力為由于擴(kuò)大外表積所需總外表能為抑制此外表張力環(huán)境做功為6-6彎曲外表 對(duì)于非球形外表可以設(shè) 式中r1,r2為曲面的主曲半徑附加壓力P：A、當(dāng)曲面為凸面時(shí)，r為正值，P為正值B、當(dāng)曲面為凹面時(shí)，r為負(fù)值，P為負(fù)值，即r值有正負(fù)之分導(dǎo)致P正負(fù)值。2、彎曲外表飽和蒸冷壓在溫度下時(shí)液體與其飽和蒸氣平衡液體對(duì)于氣體蒸汽為理想流體其摩爾體積 代入式6-5 代入式6-4 此式即為凱爾文方程式中：V：外表張

9、力 M：液體分子量 P：液體的密度 ：彎曲外表率半徑 R：全體常數(shù) ； T：絕對(duì)溫度；P0，P0：平外表時(shí)液體所受壓力及飽和蒸氣壓力P0；P1，P1：彎曲外表時(shí)即液體與散成半徑為液體時(shí)所受壓力及飽和蒸氣壓P1。 如彎曲外表為非球面時(shí)：由此式得，曲面附加壓力引飽和蒸氣壓變化曲面半徑越小引起蒸汽變化與愈大。1、潤(rùn)濕 外表與界面之間形成液-固-氣，固-固-液，固-固-氣三種體系，其中轉(zhuǎn)為重要的是液-固-氣系統(tǒng)潤(rùn)濕：液體與固體接觸，使固體外表能下降的現(xiàn)象。潤(rùn)滑角：液體外表張力LV與固液界面張力SL之間夾角。SV，SL，LV，分別為液-固-氣、固-液，固-氣之界面張力第2晶界構(gòu)型車(chē)小節(jié)不講6-6 潤(rùn)濕分相分布 2、晶界構(gòu)型晶界形狀也由外表張力相互關(guān)系決定多晶體構(gòu)造，多晶體晶界形狀1固-固-固相晶界交匯處均為固相，此時(shí)多晶體面中，每一個(gè)晶界相交角度均為120所有晶體斷面的有規(guī)律六角形狀，晶界以120相等，能量D趨于最穩(wěn)定系統(tǒng)的總界