第5章 固-固界面

1、5.1 晶界結(jié)構(gòu)、界面熱力學(xué)參數(shù)的測定及 理論計(jì)算 5.1.1 晶界結(jié)構(gòu) l表面結(jié)構(gòu) l表面馳豫 l表面重構(gòu) l 晶界結(jié)構(gòu) l小角度晶界 l大角度傾斜晶界 l共格晶界 l連貫性邊界 l半連貫性晶界 NiO材料中一傾 斜晶界高分辨 圖及對應(yīng)的結(jié) 構(gòu)示意圖 具有確定取向關(guān)系的TiAl與Ti3Al之間界面結(jié)構(gòu) TiB/-Ti界面的 高分辨像 ABOw/Al復(fù)合材料的界面 Fe-Mo-Si-B納米合金的形貌及晶界結(jié)構(gòu) 納米鈀材料中的晶界結(jié)構(gòu) 深沖用深沖用IFIF鋼軋制變鋼軋制變 形組織的形組織的TEMTEM圖像圖像 10壓下量 30壓下量 70壓下量 50壓下量 Copper-I Copper-II

2、S-II S- Brass-II Brass-I cube Random 0-10 10-20 20-30 30 RD ND 大軋制變形材料大軋制變形材料TEMTEM照片、位錯(cuò)界照片、位錯(cuò)界 面取向差及微區(qū)織構(gòu)單元分布圖面取向差及微區(qū)織構(gòu)單元分布圖 l描述晶界的幾何參量 l一個(gè)晶粒相對于相鄰晶粒的位向：x、 y、 z； l一個(gè)點(diǎn)陣相對于另一點(diǎn)陣的位向：； l晶界相對于一個(gè)點(diǎn)陣的位向：； (1)一個(gè)點(diǎn)陣中的原子相對于另一點(diǎn)陣中 的原子的平移量：x、y 、z； l小角度晶界的能量 當(dāng)很小時(shí)，=D，故： b/,b/tansin Db/tansin 5.1.2 晶界的界面能 l 位錯(cuò)應(yīng)變能 l刃型位錯(cuò)

3、 1.螺型位錯(cuò) B r R v bG Eed 0 2 ln )1 (4 B r RbG Esc 0 ln 4 l 晶界Gibbs能 l 晶界Gibbs能的一般表達(dá)式 l 晶界Gibbs能簡化式 ),( izyzyxgb CTf bbxgb TSEf)( 3. 大角度晶界與晶粒形狀 5.1.3 晶界界面Gibbs能的測定 1. 晶界溝槽 l 晶體表面張力與晶界界面張力的平衡 關(guān)系 cos2 0coscos sv gb svsvgb 或 5.1.4 晶界界面Gibbs能的計(jì)算 5.1.5 相界面與相界面的焓變 l 相界結(jié)構(gòu) l非共格相界 l共格相界 1.準(zhǔn)共格相界 l 相界面的焓變 ZN H Zn

4、HHHZnH B bbBBAAABbbc )( 2 1 5.2.1 雜質(zhì)在晶界偏析的影響因素 l晶界結(jié)構(gòu) l晶界Gibbs能 l晶界電勢 l雜質(zhì)原子與基質(zhì)質(zhì)點(diǎn)尺寸失配應(yīng)變能 5.2.2 雜質(zhì)在界面偏聚的理論計(jì)算 )exp( 1 )exp(1 )exp( RT U ACC C RT U AC RT U AC C Lg L L L g 時(shí)： 5.2.3 討論 l由于U為正，故升溫使Cg下降； l晶內(nèi)溶質(zhì)含量CL越大，Cg也越大，即材 料內(nèi)溶入的雜質(zhì)越多，偏析也越嚴(yán)重； l晶內(nèi)最大固溶度Cm越小，溶質(zhì)處于晶內(nèi) 越困難，則Cg將會越大； l雜質(zhì)在晶界上的偏析量通常小于5010-6， 但引起的材料性能的

5、變化卻是很大的。 Nanoprobe Composition Analysis Sm(CobalFe0.1Cu0.08Zr0.04)7.5 -60 -50 -40 -30 -20 -10010 20 30 40 50 60 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Fe Zr C u: 0. 08 Sm Co Cu Element Content (at%) Distance from Center of Cell Boundary (nm ) Cell Boundary: Cu , Co and Fe Cell Center: Cu , Co and Fe 5.3.1 潤濕

6、吸附理論 l 固固界面上的接觸 l 界面上的相互作用 l 分子間的van der Walls 力 l 化學(xué)鍵合作用 l 界面上微觀的機(jī)械連接作用 l 粘附過程的影響因素 l 潤濕性能 l 接觸程度 l 擴(kuò)散能力 l 化學(xué)鍵合 l 機(jī)械鑲嵌作用 l 潤濕吸附理論 l 潤濕吸附理論的基本觀點(diǎn)：膠粘劑 與粘附體表面的分子以Van Der Walls 力結(jié)合，即聚合物分子在粘附體表面 的物理吸附； l 兩相界面接觸的程度與它們的潤濕情 況密切相關(guān)。 l聚合物中含有極性基團(tuán)或可形成氫鍵的 基團(tuán)，則粘附強(qiáng)度高； l若膠粘劑與粘附體材料的極性相匹配， 其兩相的潤濕能力就最強(qiáng)，則其粘附作 用勢必達(dá)到最大； l

7、潤濕吸附理論存在的問題：粘附強(qiáng)度 的理論計(jì)算值遠(yuǎn)大于實(shí)際值；無法解釋 非極性聚合物強(qiáng)的粘附力； 5.3.2 擴(kuò)散理論 l 擴(kuò)散理論的基本觀點(diǎn) l 膠粘劑在粘附體表面發(fā)生潤濕作用； l 聚合物分子鏈或分子鏈段發(fā)生相互擴(kuò) 散作用； l 形成過渡區(qū)界面層； 1. 鏈段的纏繞及內(nèi)聚力粘附力； l 擴(kuò)散作用與聚合物的溶解性能的關(guān)系 l 擴(kuò)散作用與聚合物的相容性； l 溶解度參數(shù)及相容性的量度； 溶解度參數(shù)： Hildebrond公式： 2/1 V E 2 21 21 )( V H m l擴(kuò)散熱力學(xué)：溶解度參數(shù)；形成氫鍵的 能力； l擴(kuò)散動力學(xué)：溶劑，加熱，加壓。 l 擴(kuò)散理論存在的問題 l 無法解釋聚合

8、物相對分子質(zhì)量提高， 粘附強(qiáng)度也隨之增加的現(xiàn)象； l 很難解釋聚合物對金屬、玻璃或其他 與聚合物不相溶的固體間的粘附過程 中高分子是如何進(jìn)行相互擴(kuò)散作用的； 5.3.3 化學(xué)粘附理論 化學(xué)粘附理論認(rèn)為，粘附界面上產(chǎn)生 化學(xué)鍵和作用，可以提高粘附強(qiáng)度與粘附 體系的穩(wěn)定性。 l 膠粘劑與粘附體中所含活性基團(tuán)的相互 反應(yīng)； l 偶聯(lián)劑使分子間產(chǎn)生化學(xué)鍵合； 5.3.4 弱邊界層理論 所謂弱邊界層，是指一個(gè)厚度比原子 尺寸大而所能承受的應(yīng)力又比兩本體相小 的薄層。 弱邊界層理論認(rèn)為，粘附強(qiáng)度既取決 于界面結(jié)構(gòu)和兩相間分子的相互作用，也 取決于界面區(qū)的力學(xué)性質(zhì)。 5.4.1 固體接觸面間的摩擦 l 變形摩擦理論 l Coulomb摩擦理論 l 粘附摩擦理論 1. Hardy與Bowden摩擦理論 5.4.2 吸附層對摩擦的影響 l 極性吸附