无机材料科学基础 第五章固体表面与界面.ppt
《无机材料科学基础 第五章固体表面与界面.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《无机材料科学基础 第五章固体表面与界面.ppt(92页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、第五章 表面与界面,总述 理想晶体和玻璃体/实际晶体和玻璃体,理想晶体和玻璃体: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:有限处于物体表面的质点,其境遇和内部是不同的,表面的质点受力不均衡而处于较高的能阶。,固体分散度的变化 例如:石英的粉碎。1kg直径为1cm米变成1nm米,表面积和表面能增加143倍。由于高分散系比低分散系能量高得多,必然使物系由于分散度的变化而使性质方面有很大差别。,表面质点不对称结构,表面质点不对称受力能量升高,物理性质 熔点、沸点、蒸汽压、 溶解度、吸附、 润湿和烧结等,化学性质 化学活性、催化、 固相反应等,内容提要,固体
2、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。,第一节 固体的表面,表面:一个相和它本身蒸汽或真空接触的分界面 界面:一相与另一相(结构不同)接触的分界面。,一、固体表面的特征 二、晶体表面结构 三、固体的表面能,固体表面的不均匀性,表现在: (1)绝大多数晶体是各向异性,同一晶体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)晶格缺陷、空位或位错而造成表面不均匀。 (4)在空气中暴露,表面被外来物质所污染,吸附外来原子可
3、占据不同的表面位置,形成有序或无序排列,引起表面不均匀。 (5)固体表面宏观光滑,原子尺寸衡量,实际上也是凹凸不平的。,一、固体表面的特征,固体表面力定义: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。,2. 固体表面力场,内部原子对称配位受力平衡 表面原子不对称配位受力不平衡,范得华力(分子引力) 长程力,表面力的分类,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
4、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。,(1) 范得华力(分子引力),Transient dipoles,Electrons touring through orbital space Evenly distributed about nucleus On overage No dipole,At any instant Electrons are unevenly distributed Dipole Transient: an instant later, electrons will have moved Dipole pointing in diffe
5、rent direction,Induced Dipoles,The effect of one dipole on a neighboring atom:,Electrons of atom 2 drawn towards +ve side of atom 1 “Induced” dipole in atom 2 Aligned antiparallel At least a tendency,Transient Induced Dipoles,An instant later Electrons moved Dipole aligned parallel Unfavorable Like
6、charges repel Or pointing in completely different direction On average, more time aligned favorably Net attractive force,表达式:F范FKFDFL 1/r7 说明:分子间引力的作用范围极小,一般为35埃。 当两个分子过分靠近而引起电子层间斥力约等于B/r3 , 故范得华力只表现出引力作用。,(2) 长程力: 属固体物质之间相互作用力,本质仍是范得华力。 按作用原理可 分为: A. 依靠粒子间的电场传播的,如色散力,可以加和 B. 一个分子到另一个分子逐个传播而达到长距离的。诱
7、导作用力,表面力的作用: 液体: 总是力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),说明: 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。,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
8、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,从而表面能愈低。 应用: 硅酸盐材料生产中,通常把原料破碎研磨成微细粒子(粉体)以便于成型和高温烧结。,分析面心立方结构(100)、(110)、(111)三个低指数面上原子的分布。,(
9、11,2. 晶体表面的几何结构,实验观测表明: 固体的实际表面是不规则和粗糙的, 最重要的表现为表面粗糙度和微裂纹。 表面粗糙度: (1)使表面力场变得不均匀,其活性及其它表面性质也发生变化。 (2)直接影响固体表面积,内、外表面积比值以及相关的属性。 (3)与两种材料间的封接和结合界面间的啮合和结合强度有关。,表面裂纹因晶体缺陷或外力而产生。表面裂纹在材料中起着应力倍增器的作用,使位于裂纹尖端的实际应力远大于所施加的应力。格里菲斯关于微裂纹的公式:,表面裂纹-材料的强度,ub 为破坏化学键所需能量 us 为表面能,2. 离子晶体的表面能,r0 为0K时的表面能; LS 为1m2表面上的原子数
10、; nis、nib分别表示第i个原子在晶体表面和 晶体体内最邻近的原子数; Uo 为晶格能; N 为阿佛加德罗常数。,三、固体的表面能 1. 共价晶体表面能,说明: 实际表面能比理想表面能的值低,原因可能为: (1) 可能是表面层的结构与晶体内部相比发生了改变,表 面被可极化的氧离子所屏 蔽,减少了表面上的原子数。 (2) 可能是自由表面是由许多原子尺度的阶梯构成,使真 实面积比理论面积大。 总结 固体和液体的表面能与温度、气压、第二相的性质等条件有关。温度上升,表面能下降。,一、 弯曲表面效应 弯曲表面:由于表面张力的存在而产生一个附加压力。 对于 球面: 2/r :为表面张力; 对于非球面
11、: (1/r1+1/r2) r :主曲率半径。 讨论:(1) 当 r1 r2时, 2/r ; (2)当为两块相互平行的平板间的液体液面 上/r1 (因为r2), 当r1 很小时,此时压力称为毛细管力。 附加压力总是指向曲面的曲率中心,当曲面为凸面时为正值,凹面时为负值。 与曲率半径成反比,而与表面张力成正比。,第二节 界面行为,润湿是固液界面上的重要行为。 应用:机械的润滑、金属焊接、陶瓷和搪瓷的 坯釉结合、陶瓷与金属的封 接等。 定义:固液接触后,体系吉布斯自由焓降低时 就称为润湿。 分类:,二、 润湿与粘附,按润湿程度,附着润湿铺展润湿浸渍润湿,附着润湿的吉布斯自由焓变化为: G1 SL
12、(LV SV ) 附着功:W LV SV SL,附着润湿,液气界面(L-g) 固气界面(S-g),固液界面(S-L),W愈大表示固液界面结合愈牢,即附着润湿愈强。,润湿张力:F LV cos SV SL 由此可看出: 在润湿系统中(SV SL), LV 减小会使缩小,而在不润湿系统中LV 减小会使增大。,cos,SV SL LV,(A) (B) (C),润湿与液滴的形状 (A) 润湿, 90o (C)完全润湿, 0o ,液体铺开, 铺展润湿, 浸渍润湿 浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。 例:生坯的浸釉。 浸渍润湿自由能的变化: G LV cos SV SL 讨论: 若SV SL ,则90o ,
13、要将固体浸入液体之 中必须做功, 此时 G0,总结: 三种润湿的共同点是液体将气体从固体表面排挤开,使原有的固气或 液气界面消失,而代之以固液界面。 改善润湿的方法: 可知 (1) 降低SL (2)去除固体表面吸附膜,提高SV (3)改变粗造度。 当真实接触角90o ,粗造度愈大愈不利润湿。,课堂总结 1、表面力的存在及对晶体结构的影响(表面双电层) 2、界面行为 弯曲表面效应,(1/r1+1/r2),第三节 晶界,定义: 特性:晶界结构疏松,在多晶体中晶界是原子快速扩散的通道,并容易引起杂质原子偏聚。晶界上有许多空位、位错和键变形等缺陷使之处于应力畸变状态,故能阶较高,使晶界成为固态相变时优
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 无机材料科学基础 第五章固体表面与界面 无机 材料科学 基础 第五 固体 表面 界面
链接地址:https://www.31doc.com/p-2493227.html