ch材料表面與界面PPT課件

1、1第第8章章 材料的表面與界面材料的表面與界面材料科學(xué)基礎(chǔ)第1頁(yè)/共24頁(yè)28.1 基礎(chǔ)知識(shí)1）表面:表面是指固體與真空的界面。2）界面:相鄰兩個(gè)結(jié)晶空間的交界面稱(chēng)為“界面”。3）相界面:相鄰相之間的交界面稱(chēng)為相界面。相界面有三類(lèi)，如固相與固相的相界面（sB）；固相與氣相之間的相界面（sG）；固相與液相之間的相界面（sL）。表面問(wèn)題： 金屬材料 陶瓷材料 電子材料 高聚物 復(fù)合材料第2頁(yè)/共24頁(yè)3最常見(jiàn)的材料表界面類(lèi)型（按形成途徑劃分） 機(jī)械作用界面 化學(xué)作用界面 固體結(jié)合界面 液相或氣相沉積界面 凝固共生界面 粉末冶金界面 黏結(jié)界面 熔焊界面第3頁(yè)/共24頁(yè)48.1.1 物質(zhì)表面 固體表面

2、的定義：晶體三維周期結(jié)構(gòu)和真空之間的過(guò)渡區(qū)域。 理想表面 清潔表面 吸附表面 理想表面:表面結(jié)構(gòu)不變地延續(xù)到表面后中斷，是理論 上結(jié)構(gòu)完整的二維點(diǎn)陣平面，忽略了熱運(yùn)動(dòng)熱擴(kuò)散和熱 缺陷及表面的物理化學(xué)現(xiàn)象等。d理想表面結(jié)構(gòu)第4頁(yè)/共24頁(yè)5 清潔表面：是指不存在任何吸附、催化反應(yīng)、雜質(zhì)擴(kuò)散等物理化學(xué)效應(yīng)的表面,沒(méi)有表面污染的實(shí)際表面臺(tái)階表面弛豫表面結(jié)構(gòu)重構(gòu)表面112111110(001)周期臺(tái)階表面臺(tái)階表面不是一個(gè)平面，它是由有規(guī)則的或不規(guī)則的臺(tái)階的表面所組成第5頁(yè)/共24頁(yè)6弛豫表面結(jié)構(gòu)dd0（2 2） 弛豫表面弛豫表面表面層之間以及表面和體內(nèi)原子層之間的垂直距表面層之間以及表面和體內(nèi)原子層之

3、間的垂直距離和體內(nèi)原子層間距相比有所膨脹和壓縮現(xiàn)象離和體內(nèi)原子層間距相比有所膨脹和壓縮現(xiàn)象第6頁(yè)/共24頁(yè)7 （3）重構(gòu)表面：表面原子層在水平方向上的周期性（晶格基矢as）不同于體內(nèi)晶格基矢a，但垂直方向上的層間距離與內(nèi)部層間距離相同密排六方重構(gòu)表面示意圖asa第7頁(yè)/共24頁(yè)8 吸附表面：在實(shí)際存在的表面，普遍存在吸附物質(zhì)。 吸附物質(zhì)： 表面環(huán)境中的氣相分子、原子及其化合物， 來(lái)自體內(nèi)擴(kuò)散出來(lái)的元素物質(zhì)。 吸附形式： 可以被簡(jiǎn)單吸附在晶體表面 可以外延生長(zhǎng)在晶體表面構(gòu)成新的表面層 進(jìn)入表面層一定深度同表面原子形成有序的表面合金。第8頁(yè)/共24頁(yè)98.1.2 固體的表面自由能和表面張力表面能：

4、每增加單位表面積時(shí)，體系自由能的增量 單位Jm-2表面張力：擴(kuò)張表面單位長(zhǎng)度所需要的力。與液體相比：1）固體的表面自由能中包含了彈性能。表面張力在數(shù)值上不等于表面自由能；2）固體的表面上的原子組成和排列是各向異性的，張力是各向異性的，不同晶面的表面自由能也不相同。3）實(shí)際固體的表面絕大多數(shù)處于非平衡狀態(tài)，決定固體表面形態(tài)的主要是形成固體表面時(shí)的條件以及它所經(jīng)歷的歷史。4）固體的表面自由能和表面張力的測(cè)定非常困難。 第9頁(yè)/共24頁(yè)108.1.4 8.1.4 固液界面與固液界面與潤(rùn)濕潤(rùn)濕機(jī)械潤(rùn)滑、注水采油、油漆涂布、金屬焊接、搪瓷坯釉、陶機(jī)械潤(rùn)滑、注水采油、油漆涂布、金屬焊接、搪瓷坯釉、陶瓷瓷/

5、 /金屬的封接等工藝和理論都與潤(rùn)濕過(guò)程有關(guān)。金屬的封接等工藝和理論都與潤(rùn)濕過(guò)程有關(guān)。潤(rùn)濕的熱力學(xué)定義：固體與液體接觸后能使體系的吉布斯自潤(rùn)濕的熱力學(xué)定義：固體與液體接觸后能使體系的吉布斯自由能降低，稱(chēng)為潤(rùn)濕。由能降低，稱(chēng)為潤(rùn)濕。潤(rùn)濕形式：潤(rùn)濕形式： 附著潤(rùn)濕附著潤(rùn)濕 鋪展?jié)櫇皲佌節(jié)櫇?浸漬潤(rùn)濕浸漬潤(rùn)濕 第10頁(yè)/共24頁(yè)11鋪展?jié)櫇皲佌節(jié)櫇窀拍睿阂旱温湓谇鍧嵠交腆w表面的過(guò)程。概念：液滴落在清潔平滑固體表面的過(guò)程。忽略液體重力和粘度影響，則鋪展是由固忽略液體重力和粘度影響，則鋪展是由固/ /氣氣(SG)(SG)、固、固/ /液液( (SLSL) )和液和液/ /氣氣( (LGLG) )三個(gè)界面

6、張力所決定：三個(gè)界面張力所決定： 式中式中是潤(rùn)濕角；是潤(rùn)濕角；F F 稱(chēng)潤(rùn)濕張力。稱(chēng)潤(rùn)濕張力。 90 90不潤(rùn)濕；不潤(rùn)濕； 90 。 cosLGSLSGSLSGLGFcosSGSL第11頁(yè)/共24頁(yè)128.1.5 固固界面與黏附 固固界面：結(jié)構(gòu)與組分中存在不同的兩個(gè)固相之間的界面 黏附：兩黏附固體界面上的黏結(jié)現(xiàn)象，是通過(guò)跨越兩固相界面的相互作用而產(chǎn)生的。aaWa=+-aaaaaWa=2Wa為黏附功第12頁(yè)/共24頁(yè)138.1.2.1 8.1.2.1 小角晶界及界面能小角晶界及界面能 小角晶界：兩晶粒間的位向差小于小角晶界：兩晶粒間的位向差小于10； 大角晶界：位向差超過(guò)大角晶界：位向差超過(guò)10

7、。 小角晶界又可分：小角晶界又可分：傾轉(zhuǎn)晶界（一系列刃位錯(cuò)構(gòu)成）傾轉(zhuǎn)晶界（一系列刃位錯(cuò)構(gòu)成） 扭轉(zhuǎn)晶界（螺位錯(cuò)構(gòu)成）扭轉(zhuǎn)晶界（螺位錯(cuò)構(gòu)成）第13頁(yè)/共24頁(yè)14 對(duì)稱(chēng)傾轉(zhuǎn)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界對(duì)稱(chēng)傾轉(zhuǎn)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界（1）對(duì)稱(chēng)傾轉(zhuǎn)晶界對(duì)稱(chēng)傾轉(zhuǎn)晶界對(duì)稱(chēng)傾轉(zhuǎn)晶界可以看作對(duì)稱(chēng)傾轉(zhuǎn)晶界可以看作是取向一致的兩個(gè)晶體是取向一致的兩個(gè)晶體相互傾轉(zhuǎn)相互傾轉(zhuǎn) 角形成的角形成的界面。界面。 2/分類(lèi)(2)(2)不對(duì)稱(chēng)傾斜界面不對(duì)稱(chēng)傾斜界面：晶界看成兩組互相垂直的刃型：晶界看成兩組互相垂直的刃型位錯(cuò)排列而成的。位錯(cuò)排列而成的。(3)(3)扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界：將一塊晶體沿橫斷面切開(kāi)：將一塊晶體沿橫斷面切開(kāi), ,并使上下部并使上下

8、部分晶體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)分晶體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角角, ,再與下部分晶體粘在一起形成。再與下部分晶體粘在一起形成。可看成是由互相交叉的螺位錯(cuò)所組成。可看成是由互相交叉的螺位錯(cuò)所組成。第14頁(yè)/共24頁(yè)15大角度晶界 大角度晶界：為原子呈不規(guī)則排列的一過(guò)渡層。大多數(shù)晶粒之間的晶界都屬于大角度晶界。 第15頁(yè)/共24頁(yè)16 晶界特征 （1）晶界處點(diǎn)陣畸變大，存在晶界能。 （2）常溫下晶界的存在會(huì)對(duì)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)起阻礙運(yùn)動(dòng)，使塑型變形抗力提高，使晶體（材料）的硬度和強(qiáng)度提高。 （3）晶界處原子具有較高的動(dòng)能，且晶界處存在大量缺陷。原子在晶界處擴(kuò)散比晶內(nèi)快得多。 （4）固態(tài)相變時(shí)易在晶界處形成新核。 （5）晶界上富集雜質(zhì)原

9、子多，熔點(diǎn)低 （6）晶界腐蝕速度比晶內(nèi)快。 （7）晶界具有不同與晶內(nèi)的物理性質(zhì)。 第16頁(yè)/共24頁(yè)178.2.1.4 8.2.1.4 相界1.共格界面（coherent phase boundary ）： 特征：界面兩側(cè)的保持一定的位向關(guān)系，沿界面兩相具有相同或近似的原子排列，兩相在界面上原子匹配得好，界面上能量高。理想的完全共格界面只有在孿晶面（界）。2. 半共格界面（semi-coherent phase boundary ) 特征：沿相界面每隔一定距離產(chǎn)生一個(gè)刃型位錯(cuò)，除刃型位錯(cuò)線上的原子外，其余原子都是共格的。所以半共格界面是由共格區(qū)和非共格區(qū)相間組成。 半共格界面上的位錯(cuò)間距取決于

10、相界處兩相匹配晶面的錯(cuò)配度（）3.非共格界面（noncoherent phase boundary） 特征：原子不規(guī)則排列的薄層為兩相的過(guò)渡層。第17頁(yè)/共24頁(yè)18第18頁(yè)/共24頁(yè)198.3 8.3 界面的偏聚與遷移界面的偏聚與遷移8.3.1 8.3.1 晶界平衡偏析晶界平衡偏析 晶界偏析：晶界偏析：在平衡條件下，溶質(zhì)原子（離子）在晶界處在平衡條件下，溶質(zhì)原子（離子）在晶界處 濃度偏離平均濃度。濃度偏離平均濃度。 偏析的自發(fā)趨勢(shì)：偏析的自發(fā)趨勢(shì)：晶界結(jié)構(gòu)缺陷比晶內(nèi)多，溶質(zhì)原子晶界結(jié)構(gòu)缺陷比晶內(nèi)多，溶質(zhì)原子 （離子）處于晶內(nèi)的能量比處在晶界的能量高，通過(guò)偏析（離子）處于晶內(nèi)的能量比處在晶界的

11、能量高，通過(guò)偏析 使系統(tǒng)能量降低。使系統(tǒng)能量降低。 偏析驅(qū)動(dòng)力是內(nèi)能差：偏析驅(qū)動(dòng)力是內(nèi)能差：設(shè)一個(gè)原子位于晶內(nèi)和晶界的內(nèi)設(shè)一個(gè)原子位于晶內(nèi)和晶界的內(nèi) 能分別為能分別為E El l 和和E Eg g ，則偏析的驅(qū)動(dòng)力為：，則偏析的驅(qū)動(dòng)力為：1agEEE第19頁(yè)/共24頁(yè)208.3.2 8.3.2 晶界遷移晶界遷移晶界遷移晶界遷移 晶界在其法線上的位移，從微觀上看，晶界在其法線上的位移，從微觀上看，是通過(guò)晶粒邊緣上的原子向其鄰近晶粒的跳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的是通過(guò)晶粒邊緣上的原子向其鄰近晶粒的跳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的典型情況：晶粒長(zhǎng)大過(guò)程；相變過(guò)程。典型情況：晶粒長(zhǎng)大過(guò)程；相變過(guò)程。第20頁(yè)/共24頁(yè)21 影響晶界遷移的主要

12、因素影響晶界遷移的主要因素 溶質(zhì)或雜質(zhì)原子溶質(zhì)或雜質(zhì)原子 - 降低遷移率，與晶界偏析、晶界結(jié)降低遷移率，與晶界偏析、晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)。構(gòu)有關(guān)。 晶界第二相顆粒晶界第二相顆粒 - - 阻礙作用，晶界脫離第二相顆粒的阻礙作用，晶界脫離第二相顆粒的 遷移是系統(tǒng)能量提高的過(guò)程（需生長(zhǎng)出這段晶界），產(chǎn)遷移是系統(tǒng)能量提高的過(guò)程（需生長(zhǎng)出這段晶界），產(chǎn) 生晶界遷移的阻力。生晶界遷移的阻力。 溫度溫度 - 遷移率與晶界擴(kuò)散系數(shù)遷移率與晶界擴(kuò)散系數(shù)D D 由由Einstein Einstein 關(guān)系聯(lián)關(guān)系聯(lián)系：系： 由上式知隨溫度的升高，晶界遷移率提高。由上式知隨溫度的升高，晶界遷移率提高。 晶粒位向晶粒位向 - - 晶界的晶粒取向差小，遷移率低。晶界的晶粒取向差小，遷移率低。 kTDB晶界第21頁(yè)/共24頁(yè)228.6 復(fù)合體系的界面結(jié)合特性 界面相是復(fù)合材料的一個(gè)組成部分，其作用可以歸納一下幾個(gè)方面。 傳遞作用：界面能傳遞力，即將外力傳遞給增強(qiáng)物，起到基體和增強(qiáng)體之間的橋梁作用 阻斷作用：結(jié)合適當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展、中斷材料破壞、減緩應(yīng)力集中的作用 保護(hù)作用：界面相可以保