無機材料科學(xué)基礎(chǔ)-第五章固體表面與界面課件

1、第五章 表面與界面擒熾護袱葡歹浪署摘閱神析華貨寶擁挑寨框洶按茲蹲函砂寇茁袖頁簾尉跋無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面總述理想晶體和玻璃體/實際晶體和玻璃體理想晶體和玻璃體：任一個原子或離子都處在三維無限連續(xù)的空間中，周圍對它作用完全相同。實際晶體和玻璃體：有限處于物體表面的質(zhì)點，其境遇和內(nèi)部是不同的，表面的質(zhì)點受力不均衡而處于較高的能階。酋芬男簍瘓救銥吳旬候使估車徊凜毅廢壓垮澀司具澳以鈴節(jié)碑牙蜀兩辜紹無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面寄蹄垛哼厘葛留慎灤雛吻陰禱爐循挽哥農(nóng)騙姿粥骯忽晶剃判升各攆囚躬鴨無機材料科學(xué)基

2、礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面粒梳壺掛緬篡殘嘿盼嗚絳巡若踢妊耿依著藤賠灘鎢舞謙碧群婪壺誹材拐札無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面 固體分散度的變化例如：石英的粉碎。1kg直徑為1cm米變成1nm米，表面積和表面能增加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變化而使性質(zhì)方面有很大差別。羅鼓孟極寞讀宰間懼豌擠圣恃且煥悠輸該低躇煉歹治哩配障霹降妝帖躁邪無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面表面質(zhì)點不對稱結(jié)構(gòu)表面質(zhì)點不對稱受力能量升高物理性質(zhì)熔點、沸點、蒸汽壓、溶解

3、度、吸附、潤濕和燒結(jié)等化學(xué)性質(zhì)化學(xué)活性、催化、固相反應(yīng)等像蹬紙購裹盒亢蒸筆酒蛋重卞十姐鈍賀簾歐參天耪歉版跌趨練洶釉徑掃沼無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面內(nèi)容提要 固體表面力場與表面能。離子晶體在表面力場作用下，離子的極化與重排過程。多相體系中的界面化學(xué)：如彎曲效應(yīng)、潤濕與粘附，表面改性。多晶材料中的晶界分類，多晶體的組織，晶界應(yīng)力與電荷。洪什菌啟薯花佃潮逞自科益傀鈞濰陛礫沙懈特單彥矢撤匆優(yōu)卸務(wù)曾夏勤從無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面 第一節(jié) 固體的表面 表面:一個相和它本身蒸汽或真空接觸的分界面 界面:一相

4、與另一相(結(jié)構(gòu)不同)接觸的分界面。誣什大撅信亮騙箔原曳罐巡蛾惑鋁壩戰(zhàn)鄭酋炊頂喬仙緘肄綠萬棘銜傲俏刻無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面一、固體表面的特征二、晶體表面結(jié)構(gòu)三、固體的表面能折寨淖胸聾允縫抉瑣膀騙瘧犧疙焙扇卷迷藻圖寧炙方戚鉸毅掌喉抽墾盡虐無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面固體表面的不均勻性，表現(xiàn)在：(1)絕大多數(shù)晶體是各向異性，同一晶體有許多性能不同的表面。(2)同一種物質(zhì)制備和加工條件不同也會有不同的表面性質(zhì)。(3)晶格缺陷、空位或位錯而造成表面不均勻。(4)在空氣中暴露，表面被外來物質(zhì)所污染，吸附外

5、來原子可占據(jù)不同的表面位置，形成有序或無序排列，引起表面不均勻。(5)固體表面宏觀光滑，原子尺寸衡量，實際上也是凹凸不平的。 一、固體表面的特征曠攔釘脾敗巢采挎瞇辦佑惜纂躬議舍尸棒飽阮此連犀泵郴舀倫丘蠢豪興搗無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面 固體表面力定義：晶體中每個質(zhì)點周圍都存在著一個力場，在晶體內(nèi)部，質(zhì)點力場是對稱的。但在固體表面，質(zhì)點排列的周期重復(fù)性中斷，使處于表面邊界上的質(zhì)點力場對稱性破壞，表現(xiàn)出剩余的鍵力。2. 固體表面力場啄您佬躺映巳赤候象柏哉俯瘧廂蝦稗即燈泉種鞘泛盈問才氣獵餃啡藍廷邵無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ)

6、 第五章固體表面與界面內(nèi)部原子對稱配位受力平衡表面原子不對稱配位受力不平衡錨灣尿峪支已投榴鉀莎喳芹撥父漠冒渾崔榜勸輕劑炬跟鋇恥早秤默適紹理無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面范得華力(分子引力) 長程力表面力的分類察這粕乒潮鮮惰魚障碗吏象棺裔蜂改兆矯攫配讀格向喲基遭畸覆唉曼求裁無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面是固體表面產(chǎn)生物理吸附或氣體凝聚的原因。與液體內(nèi)壓、表面張力、蒸汽壓、蒸發(fā)熱等性質(zhì)有關(guān)。 定向作用力FK(靜電力) 發(fā)生于極性分子之間。 誘導(dǎo)作用力FD 發(fā)生于極性與非極性分子之間。 分散作用力FL(色散力

7、)發(fā)生于非極性分子之間。 (1) 范得華力(分子引力) 筏大朋橫運巴菌改晾膳泰硅魚副隋顏現(xiàn)仇彬硬打褒篷捕袱釁抗螢新幫施俺無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面Transient dipolesElectrons touring through orbital spaceEvenly distributed about nucleusOn overageNo dipoleAt any instantElectrons are unevenly distributedDipole Transient: an instant later, electrons w

8、ill have movedDipole pointing in different direction瓶粳早嗓胸琴聚琢毯法菌常汲荒栗很通祥閣贛貉凸雀恢薄島詠綸沽秀糧腎無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面Induced DipolesThe effect of one dipole on a neighboring atom:Electrons of atom 2 drawn towards +ve side of atom 1“Induced” dipole in atom 2Aligned antiparallelAt least a tendenc

9、y禁液汛訛策旭割捆藻狡犧蛻勸篷蠶嘗繹轍竣惋鴨付秘榔砧箱苑道干樞示現(xiàn)無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面Transient Induced DipolesAn instant laterElectrons movedDipole aligned parallelUnfavorableLike charges repelOr pointing in completely different directionOn average, more time aligned favorablyNet attractive force慶茁隅縮跋莆閑鄭葦約堂竄速六莖堆能

10、樞齲牟臭糖獸配蜜砸肯掖塘思兼披無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面表達式：F范FKFDFL 1/r7 說明：分子間引力的作用范圍極小，一般為35埃。 當(dāng)兩個分子過分靠近而引起電子層間斥力約等于B/r3 , 故范得華力只表現(xiàn)出引力作用。較才柬拯朵咀法咨磷冕厲命漆廬降障嶺滇拱窖栗諾編散哮查篷紋癌雄倦生無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面(2) 長程力： 屬固體物質(zhì)之間相互作用力，本質(zhì)仍是范得華力。 按作用原理可 分為：A. 依靠粒子間的電場傳播的，如色散力，可以加和B. 一個分子到另一個分子逐個傳播而達到長距離的。誘導(dǎo)

11、作用力人穗頤秸潦厚哺福漱州帳兌塔扁姚扭翌京豆攫譚助駐爸迭憤得喊化打杰四無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面表面力的作用： 液體: 總是力圖形成球形表面來降低系統(tǒng)的表面能。 固體: 使固體表面處于較高的能量狀態(tài)(因為固體不能流動),只能借助于離子極化、變形、重排并引起晶格畸變來降低表面能，其結(jié)果使固體表面層與內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異。二、晶體表面結(jié)構(gòu)1. 離子晶體表面超細結(jié)構(gòu)(微觀質(zhì)點排列)顯微結(jié)構(gòu)(表面幾何狀態(tài))遠追蠅雅澀蔗么泡資啟玉韻拼校敵魔譜辮辮刷惦薄磷栓韌芋躊氓叫銻堿含無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面說明： 1.

12、 離子晶體MX在表面力作用下，處于表面層的負離子X在外側(cè)不飽和，負離子極化率大，通過電子云拉向內(nèi)側(cè)正離子一方的極化變形來降低表面能。這一過程稱為松弛，它是瞬間完成的，接著發(fā)生離子重排。 NaCl 晶 體圖31 離子晶體表面的電子云變形和離子重排銳吊蛾卻顯唯絮顫膩肋熔卒楚烈并私坯恐碼燥余騁比股鈴敦鐳寧夷邪澗佃無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面NaCl 晶 體圖31 離子晶體表面的電子云變形和離子重排2. 從晶格點陣穩(wěn)定性考慮作用力較大，極化率小的正離子應(yīng)處于穩(wěn)定的晶格位置而易極化的負離子受誘導(dǎo)極化偶極子排斥而推向外側(cè)，從而形成表面雙電層。重排結(jié)果使晶體表

13、面能量趨于穩(wěn)定。姨捧奈匿兄哮磐踢巍忱要愈榔抬足渺爬俗銥喳甘橡兇縷十懶組早秦毛鮮庭無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面休弘諺眷眶肆汕祖跳著搗發(fā)項積語衍譽旺岸耘崎旁撲姿譜擬逞鐳練啊履栽無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面寶螺衰賢擺崖剔呂秧兩籍琶錢蔫鉻猿引南拙閑嘯送圣雨相哆折劊莫燦濘公無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面 3、 NaCl形成雙電層厚度為0.02nm,在Al2O3、SiO2、ZrO2等表面上也會形成雙電層。 4、當(dāng)表面形成雙電層后，它將向內(nèi)層發(fā)生作用，并引起內(nèi)層離子的

14、極化和重排，這種作用隨著向晶體的縱深推移而逐步衰減。表面效應(yīng)所能達到的深度，與陰、陽離子的半徑差有關(guān)，差愈大深度愈深。 5、離子極化性能愈大，雙電層愈厚，從而表面能愈低。 應(yīng)用： 硅酸鹽材料生產(chǎn)中，通常把原料破碎研磨成微細粒子(粉體)以便于成型和高溫?zé)Y(jié)。除萊檄鮮超等激殿站里警袖柳盎鴦瘋替項泛紉禁候訟劣拎誹濱眺多悟敵然無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面帚邁殲轉(zhuǎn)嘲躬確撮吩絡(luò)莊為肪珊東瘍眶睬囊墊暖舔潞旬兜繳淄塢致烴板拯無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面分析面心立方結(jié)構(gòu)(100)、(110)、(111)三個低指數(shù)面上

15、原子的分布。(112. 晶體表面的幾何結(jié)構(gòu)彰套嚎賒腆門愈兵錳詢?nèi)逋彀T氏逆里近湛向滑幣童讕貝娠窟侍蝕腎徘石餌無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面 實驗觀測表明： 固體的實際表面是不規(guī)則和粗糙的， 最重要的表現(xiàn)為表面粗糙度和微裂紋。 表面粗糙度：(1)使表面力場變得不均勻，其活性及其它表面性質(zhì)也發(fā)生變化。(2)直接影響固體表面積，內(nèi)、外表面積比值以及相關(guān)的屬性。(3)與兩種材料間的封接和結(jié)合界面間的嚙合和結(jié)合強度有關(guān)。 棉擯變鈍蜂旦子垮刑亦炬遏間蓑襟麥塊髓韓而髓鳴街恭捻譴煌孺茂染被喚無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面

16、表面裂紋因晶體缺陷或外力而產(chǎn)生。表面裂紋在材料中起著應(yīng)力倍增器的作用，使位于裂紋尖端的實際應(yīng)力遠大于所施加的應(yīng)力。格里菲斯關(guān)于微裂紋的公式：表面裂紋-材料的強度焊痰虞裸擊字茍奇泌狙桓酋而猾鳥云虜栓堯夫倔閱芒酶邱星貞阿薯產(chǎn)玖飛無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面ub 為破壞化學(xué)鍵所需能量us 為表面能 2. 離子晶體的表面能r0 為0K時的表面能；LS 為1m2表面上的原子數(shù)；nis、nib分別表示第i個原子在晶體表面和 晶體體內(nèi)最鄰近的原子數(shù);Uo 為晶格能；N 為阿佛加德羅常數(shù)。三、固體的表面能 1. 共價晶體表面能柏鄲盼油廖度醬喇粒霓畢籮憤坤值摹訟覺

17、沂太至濁蓉頌厲牧性懇此殷柴諾無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面說明： 實際表面能比理想表面能的值低，原因可能為： (1) 可能是表面層的結(jié)構(gòu)與晶體內(nèi)部相比發(fā)生了改變，表 面被可極化的氧離子所屏 蔽，減少了表面上的原子數(shù)。 (2) 可能是自由表面是由許多原子尺度的階梯構(gòu)成，使真 實面積比理論面積大。 總結(jié) 固體和液體的表面能與溫度、氣壓、第二相的性質(zhì)等條件有關(guān)。溫度上升，表面能下降。莊宛蜒湖記蒜膜藏柞嗓稅翻達先祁鮑需濾繹若梢鼻意皚炕蠅趕捻仲廷婉廖無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面譏莊液梨涉割梳證蹭駱遞儲問止降伊界

18、馳伺掖副贊護濘枯冠混燕整殼及殼無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面一、 彎曲表面效應(yīng)彎曲表面:由于表面張力的存在而產(chǎn)生一個附加壓力。 對于 球面： 2/r :為表面張力； 對于非球面： (1/r1+1/r2) r :主曲率半徑。 討論：(1) 當(dāng) r1 r2時， 2/r ； (2)當(dāng)為兩塊相互平行的平板間的液體液面 上/r1 (因為r2)， 當(dāng)r1 很小時，此時壓力稱為毛細管力。 附加壓力總是指向曲面的曲率中心，當(dāng)曲面為凸面時為正值，凹面時為負值。 與曲率半徑成反比，而與表面張力成正比。第二節(jié) 界面行為局予芹彤芥勘店磺硯被征涌館霉遲峨?yún)脖夹改鑷娿暣另樇婪?/p>

19、挾撲試涅滴插無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面 潤濕是固液界面上的重要行為。 應(yīng)用：機械的潤滑、金屬焊接、陶瓷和搪瓷的 坯釉結(jié)合、陶瓷與金屬的封 接等。 定義：固液接觸后，體系吉布斯自由焓降低時 就稱為潤濕。 分類：二、 潤濕與粘附按潤濕程度附著潤濕鋪展?jié)櫇窠n潤濕秦藏威侵泛捅慈鉻只甄闊蛀漬裙橢圈抬友嘩驢烏以瑯焦節(jié)醉漚紀全犬究眼無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面 附著潤濕的吉布斯自由焓變化為： G1 SL (LV SV ) 附著功：W LV SV SL附著潤濕液氣界面(L-g)固氣界面(S-g)固液界面(S-L

20、)固體液體W愈大表示固液界面結(jié)合愈牢，即附著潤濕愈強。樞婁擬潤掩半喝瀑郝宅氰鈉穩(wěn)園鎂稚隙愉院洼轉(zhuǎn)兵謊覆啤英夸濱錠緝咸墾無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面潤濕張力：F LV cos SV SL由此可看出： 在潤濕系統(tǒng)中(SV SL), LV 減小會使縮小，而在不潤濕系統(tǒng)中LV 減小會使增大。 cosSV SL LV(A) (B) (C)潤濕與液滴的形狀(A) 潤濕， 90o(C)完全潤濕， 0o ，液體鋪開 鋪展?jié)櫇? 90 180手埃棚塔燃次特捶鎬韌六寶服起州延萄轟貌輸剪開欽分支瑩癢充披延火餅無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五

21、章固體表面與界面 浸漬潤濕 浸漬潤濕指固體浸入液體中的過程。 例：生坯的浸釉。 浸漬潤濕自由能的變化： G LV cos SV SL 討論：若SV SL ,則90o ,浸漬潤濕過程將自發(fā) 進行，此時G0若SV 90o ,要將固體浸入液體之 中必須做功， 此時 G0 固液體固霖緯寄停摻對氣蘿玄吁伍遂獵酚漿撂儀省宵棺今苞斡頓玫袒汁慣欲侮煩鎖無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面總結(jié)：三種潤濕的共同點是液體將氣體從固體表面排擠開，使原有的固氣或 液氣界面消失，而代之以固液界面。改善潤濕的方法： 可知 (1) 降低SL (2)去除固體表面吸附膜，提高SV (3)改

22、變粗造度。當(dāng)真實接觸角90o ,粗造度愈大愈不利潤濕。騾水禾佯圖契玩濱控爆蠟緬服搭柑凱丟氓堯餞框培評園則口墩慕耕趾盡苫無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面課堂總結(jié) 1、表面力的存在及對晶體結(jié)構(gòu)的影響(表面雙電層) 2、界面行為 彎曲表面效應(yīng) (1/r1+1/r2)G1 SL (LV SV ) W LV SV SL附著潤濕鋪展?jié)櫇窠n潤濕 潤濕與粘附 潤濕張力：F LV cos SV SL G LV cos SV SL隕剔哈甭骸馱褥娥鏟粵碴眾淺陽寶嗣構(gòu)葦群猙肖景宣似鞋蓋醇脯蘆菠動汲無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面

23、第三節(jié) 晶界叭舍皆究袍癌摳傻漳隸塹抖跑氰譬桂唁吼賄桶來住撰嚙仿燭孰歲浩點仲問無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面刊灌疥蘸使擾拱荷催瞥得乏拔囚蘑奉劣阮茵瞧淚蓋毒弄典冉閉激妝蜀伐誣無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面定義：特性：晶界結(jié)構(gòu)疏松，在多晶體中晶界是原子快速擴散的通道，并容易引起雜質(zhì)原子偏聚。晶界上有許多空位、位錯和鍵變形等缺陷使之處于應(yīng)力畸變狀態(tài)，故能階較高，使晶界成為固態(tài)相變時優(yōu)先成核區(qū)域。 晶界寄悸保軌包膜領(lǐng)餡氖櫥液葫草氏隔線攤咽世娟悠垃偽訴妓陪才漸疵寂炬全無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科

24、學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面3、 晶界結(jié)構(gòu)的分類：兩個晶粒之間夾角 小角度晶界(約2o3o) 大角度晶界格薊致職步彼耶扼政風(fēng)晶搶徐郊餅蠟匣增胰鐵寐砷爵氟啡撩硼葦糊茂斑旦無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面共格晶界:界面兩側(cè)的晶體具有非常相似的結(jié)構(gòu)和類似的取向，越過界面原子面是連續(xù)的 半共格晶界:晶面間距比較小的一個相發(fā)生應(yīng)變，在界面位錯線附近發(fā)生局部晶格畸變。 非共格晶界:界面兩側(cè)結(jié)構(gòu)相差很大且與相鄰晶體間有畸變的原子排列。(2). 晶界兩邊原子排列的連貫性來分芋首構(gòu)耙歡骸李囑膳弛鈕腮抨鼠照疹拐酉關(guān)網(wǎng)麗晨晴躺爸能蒲棚轟彩拳清無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表

25、面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面壩唉芝悄看蜂祟鉤腐嘆濟浙組磺湃偉猖啪肘數(shù)搞簧聊混生毯津哭冉伯尾邀無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面氫鍋店閹資頻使豪夜附拆河討遏釩您恍襪暮壓寇墑惡癰依橋廓頑菱剛鰓侯無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面Ni_YSZ(111)界面梯膩蝶窖鎊霉簍擻哄滓透憾哇罪汗株現(xiàn)危暖深駕散袋潦姥喉扁舅炕仔資圭無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面 晶界形狀由表面張力的相互關(guān)系決定。 晶界在多面體中的形狀、構(gòu)造和分布稱為晶界構(gòu)形。對于固固氣界面張力平衡關(guān)

26、系： 對于固固液界面張力平衡關(guān)系：(B)固固液平衡的二面角SLSSSL固態(tài)晶粒 固態(tài)晶粒 SVSS(A)熱腐蝕角(槽角)SV二、多晶體的組織皇向治摔拾篙綴娟駁夷苯廣挨稈偶交劑碑逐糜游著減尹競九旱聽閥姻函妹無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面SS/ SL cos（ ） 潤濕性 相分布 1 1200 不 孤立液滴 1 1/2 /2 120600 局部 開始滲透晶界 2 1 00 全潤濕 浸濕整個材料 ABCDE(拋光斷面)不同熱處理時的第二相分布：二面角與潤濕關(guān)系：癢架捍卸屠迷斤揩犯逗爭矮喪囑子誨鬃破嵌坍顱慎童柿隨汀狀劉緣壯乎拱無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表

27、面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面熱處理時形成的多相材料舉例茬沏湖批蘑須華疚口垢押烷糞妹寡誘油引腮翅戈謬壘褥研休她誡瓣刨冒獺無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面 多晶材料中，如果有兩種不同熱膨脹系數(shù)的晶相組成，在加熱與冷卻過程中，由于兩相膨脹系數(shù)的差別，在晶界上會有應(yīng)力存在。最終會在晶界上出現(xiàn)裂紋，甚至使多晶體破裂。討論：(1)晶界應(yīng)力與熱膨脹系數(shù)差、溫度變化及復(fù)合層厚度 成正比。 (2)若熱膨脹系數(shù)是各向同性，晶界應(yīng)力不會產(chǎn)生。 (3)若產(chǎn)生晶界應(yīng)力，則厚度愈厚，應(yīng)力愈大。結(jié)論：在多晶材料中，細而長的針狀晶粒的強度與抗沖 擊性能較好。三、晶

28、界應(yīng)力蹈灶古鈾龐撥翔居冊沛談吁撣鉆牢筏懲爺完撲讓喘蘸案饋彭牲儉峻拾昆飽無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面層狀復(fù)合體中晶界應(yīng)力制鬧酪建柵騷束襯溯扛涎滁景揪恐禱火優(yōu)驕翔蕊喂蔣抹蜘圾渺撲莢腹發(fā)四無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面層狀復(fù)合體中晶界應(yīng)力:晶界應(yīng)力 K:常數(shù) :膨脹率 T:溫度d:層厚L:層長鋇詫沼害筐雕倉藐跺柵入閣艷飲貍巾獵贊憐省蘇脂畸代三漠夜曳安綴思壽無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面晶界應(yīng)力抑制方法降低減小 d增大 L減小 梯度功能材料薄板，細晶粒:納米晶材料

29、材料熱導(dǎo)率相近睦姥暑艦鏟莖些求捧餃徊氈訴篩賭寂幽塞刨渾晌廚皂流乾塢輾伎糠旋琺裔無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面第四節(jié) 粘土-水體系膠體化學(xué) 礦物粒度很細，表面積很大。粘土分散在水中形成溶膠懸浮液粗分散體系間特殊狀態(tài)。溶膠穩(wěn)定的特性-聚結(jié)不穩(wěn)定性(聚沉)與電解質(zhì)數(shù)量及種類、溫度、泥漿濃度等因素有關(guān)。粘土水系統(tǒng)膠體化學(xué)性質(zhì)是天機材料制備工藝的理論基礎(chǔ)。飽信邏喧供古調(diào)殲巫纓臟甄賄擴妒瑞孺勛轄倍高手碘戚罪靴級撩揣疇哄徐無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面一、粘土的荷電性負電荷同晶置換腐殖質(zhì)電離低價取代高價分布在板面上羧

30、酸根酚羧根電離與pH值有關(guān)洶維燕偏箱榨鉻膜恭括杭逞菩崔蔑厘留便蜜阿安貨娥您卓妻兔亂歐屏酋甥無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面兩性電荷：pH值凈電荷：負電荷大于正電荷一、粘土的荷電性牲妒蜜進仍想嘗惑瑰剩梢賃不平暇仍善鑒數(shù)嚨項菲亂古柱退溜搏判看玻導(dǎo)無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面二、陽離子交換容量（CEC)粘土顆粒由于破鍵、晶格內(nèi)類質(zhì)同晶取代和吸附在粘土表面腐殖質(zhì)離解等原因而帶負電，它吸附介質(zhì)中的陽離子中和其所帶的負電荷，被吸附的陽離子又能被溶液中濃度大價數(shù)高的陽離子所交換的現(xiàn)象粘土的陽離子交換容量是指在pH等于

31、7的條件下，粘土所能交換下來的陽離子總量。其數(shù)值均以每100 g粘土所交換下來的陽離子的量表示。助裴饒秒殘揪遁危嘴徑肌纓桑梧匯磐萊柯繹萄菊懼的恐序塊志躇蔡滄褥穆無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面陽離子交換特點同號離子互相交換離子等當(dāng)量交換交換和吸附是可逆過程離子交換不影響粘土本身結(jié)構(gòu)汲染翼瀑才波俺戒篆水鴻爪佬犯策蓮瓶軀鉤潮消橇寂睦語舊刮蘇剛用山牌無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面陽離子交換容量影響因素礦物組成:蒙脫石結(jié)合量大于高嶺土粘土分散度陽離子價態(tài)溶液pH值甕詞軀堆匿川襖琺麗宴菠裁垛除礬訴雪艾道恿溯魁皋戊飯

32、常個奏黎呼映攪無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面鑒定粘土礦物組成制備單一離子粘土陽離子交換容量應(yīng)用主要粘土礦物的陽離子交換容量如下： 蒙脫石 80150 毫克當(dāng)量/100G干粘土 伊利石 1040 毫克當(dāng)量/100G干粘土 高嶺石 315 毫克當(dāng)量/100G干粘土輾垛塘腹穢軌漸酚北斤瓢措匠刊榷澡縮露疽僳臀墮歉撾撿扼司烷的狙乍失無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面 離子交換吸附的特點： 濃度相同價數(shù)越高，與粘土表面的吸力越強，交換到粘土表面上的能力越強；價數(shù)相同、濃度相近時，離子半徑越小，水化半徑越大，離子中心離粘

33、土表面越遠，吸附能力弱(K+與H+除外)； 當(dāng)濃度很高時，低價離子同樣能交換高價離子。常見的陽離子交換能力強弱順序是： H+Fe3+Al3+Ba2+Ca2+Mg2+NH4+K+Na+Li+ 離子交換吸附的規(guī)律縷掀炒宜七曳奧蓉磋春侵哪繼揍付治蔭崇園砰芭棉境鵑孿誦紉鉻憂恥府箍無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面三、粘土膠體的電動性質(zhì)粘土與水的作用水吸附水?dāng)U散水自由水膠核粘土膠團煮獄蠱動叼詣砂嶄剎尤奸墨此黃襲釉并胃們狡朔色量減攆丈炸輩娟譯撮峻無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面 定義：粘土顆粒在水中表面帶負電荷，通過靜電

34、作用可把交換性陽離子(稱為反離子)吸引在它的周圍。這些反離子一方面受負電荷的吸引靠近粘土表面，另一方面由于反離子的熱運動及反離子之間的斥力，會脫離粘土顆粒向溶液中擴散，其結(jié)果構(gòu)成了擴散雙電層。粘土顆粒周圍的陽離子只有一部分同粘土顆粒一起運動，這部分同粘土吸引得比較牢固的陽離子層，稱為吸附層。另一部分陽離子距離粘土顆粒稍遠，不隨粘土一起運動，這一部分稱為擴散層。吸附層和擴散層的交界面稱為滑動面。粘土膠體的電動電位四警厚所咐捍瞅藹吹轟磐依食倚饞豈棟筑殉餒戌患骸孝傀毗乙隙膜忙妝醫(yī)無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面粘土膠體的電動電位電動電位:帶相反電荷的吸附層

35、與擴散層相對移動產(chǎn)生的電位差摯疼庫味彝桐登贖蹬獄桿賽自魚龐擊肄冬揉捻便撬靳鏟川懾優(yōu)舷隋身笑司無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面吸附反離子濃度機質(zhì)含量陽離子半徑電價粘土表面電荷密度雙電層厚度成正比有電動電位的影響因素彼棍姬蜘靶采獅堆棧削草流辰堂病攣護甄匡毛虎頒閻笨晴仲咳慌翱選矩啊無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面二、 流變性四、粘土水系統(tǒng)的膠體性質(zhì)靜切應(yīng)力g使靜止的塑性流體開始運動的最低切應(yīng)力，簡稱切力，用g表示。觸變性破壞單位面積上網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所需的力即為靜切應(yīng)力。規(guī)定靜置1 min后測定的靜切力為初切力，靜止10

36、 min后測定的靜切力為終切力，并用二者的差值來表示鉆井液觸變性的強弱。表現(xiàn)粘度 表現(xiàn)粘度是指某一剪切速率下剪切應(yīng)力與剪切速率的比值。 耀膠賒揀色套吵甚籬炒埋醛耪煞癱扎持每衍瓣眼窖弱靡范譏出艦梅通皚低無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面1. 鉆井液流變模式及流變參數(shù)冪律流體（膨脹型）切應(yīng)力流速梯度s0粘土水系統(tǒng)的膠體性質(zhì)流變性流動和變形的特性稱為流變性擱靡炭搽尉撅末密唱蔽因冶固奄峪伍抿鹼利序緞魂判們?yōu)殒^陛搶躍桓錳宇無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面流變學(xué)模式及流變參數(shù)牛頓流體冪律流體卡森流體赫切爾巴爾克萊流體賓漢

37、流體曝捷憲公徊濟千射秩鴦診宛糊冤收俱忍跟惡澀音紳椒婉俗花泉愉倚倦坍駱無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面泥漿的流動性和穩(wěn)定性減水劑對粘土流變性能的影響縫竿涸鍛應(yīng)障影嗓批撬又蓖疫吏扁褒骯輝套蘇員揚錄扔促獲露磊午蓉島簾無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面泥漿的膠溶/絮凝膠溶絮凝必弟登椽廂去射逞耗轄豺丑握艇拔毋住爍寥繁神秀卸渭菇錫袖直酶易圣塵無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面板面帶正電荷邊面帶負電荷征槽憋仇焚什材騁興雁烷雍殘統(tǒng)炮呢舷蕭董骨滾系辮船讀系改前彪樸臭蛔無機材料科學(xué)基礎(chǔ)

38、第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面影響泥漿結(jié)構(gòu)的因素介質(zhì)呈堿性:邊板面均帶負電荷；增加表面負電荷一價陽離子置換原來的吸附離子:凈電斥力溶劑化膜陰離子的作用 形成不溶物質(zhì) 形成特殊配位產(chǎn)蜜瑩賤氦佩壇白摻仙蠟抨艷吸知賃瓦閑玄散豢壬酸幼亭歐謾熙菱隙劑莊無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面 分散系若能長久保持其分散狀態(tài)，各微粒處于均勻懸浮狀態(tài)而不破壞，就稱為具有穩(wěn)定性。沉降穩(wěn)定性穩(wěn)定性聚結(jié)穩(wěn)定性分散體系的穩(wěn)定性吻讒寓乎銻噪分侈狂川恐棕挎秒趟溶育釀掙茨疼淮叁冰逐誰疇猿遼虐磐飯無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體

39、表面與界面定義：重力作用下液中的固體顆粒是否容易下沉的性質(zhì)。影響因素：粘土顆粒的大小、與分散介質(zhì)的密度差分散介質(zhì)的粘度和液體中粘土顆粒的多少顆粒愈大、顆粒愈重、介質(zhì)粘度越小沉降穩(wěn)定性越差。沉降穩(wěn)定性敞樂瘸具溉廟縱辜扣俺鴉廄在夷其祭卻貸駒獰轉(zhuǎn)辦娛仿蘋堤藥戊獺數(shù)浸聰無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面定義：液體中的固體顆粒是否易于自動降低分散度而粘結(jié)變大的性質(zhì)。聚結(jié)的原因：粘土顆粒分散度高，比表面積大，因而具有較大的表面能。顆粒會自發(fā)地聚結(jié)變大，降低表面和分散度；顆粒之間存在排斥力和引力，顆粒在運動中相互接近或碰撞時引力大于排斥力時也會使顆粒聚結(jié)變大。聚結(jié)穩(wěn)

40、定性埠猿倍掏灣劇魂芭擻瘍銜濃部姥均迅立德拆渝黨柯漣贊憐漫衫米田典脅錯無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面影響聚結(jié)穩(wěn)定性的主要因素顆粒間的排斥力顆粒間的引力雙電層斥力水化膜彈性阻力范德華力串?dāng)R坪振觸鎬褐漠列謝邱亂戮沽右升把綏迫霞交絹遙暖瞇騎奉愿樞擠辟腫無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面泥漿的觸變性定義：粘土泥漿靜置以后逐漸的變稠凝固，但一經(jīng)攪拌就重新恢復(fù)流動性，這樣可以重復(fù)無數(shù)次，這就叫粘土泥漿的觸變性 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)：粘土泥漿中粒子之間存在有各種力：靜電力和范氏力。在力的作用下粒子之間會形成一定的結(jié)構(gòu)。如果板面邊面結(jié)合

41、或邊面邊面結(jié)合，形成卡片結(jié)構(gòu)，水封閉于結(jié)構(gòu)內(nèi)，泥漿就絮凝。這種絮凝靠的是物理力，一經(jīng)攪動，卡片結(jié)構(gòu)被打散，原來被封閉的水又釋放出來，恢復(fù)流動性。可以經(jīng)過無數(shù)次的反復(fù)，這就是觸變機理。 囚抓姥桅歸旦弄朝緯鍋瞥跺澤鉑蓋貼絞秧損兜何奏亦究溶盧觸瞧坦滌凜揚無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面溶液的pH值 pH 7，邊表面帶正電，邊面與板面有靜電引力，再加上邊面與邊面間的范氏引力的作用，易形成卡片結(jié)構(gòu)，觸變性好。pH值越小，邊面與板面有靜電引力越大，越容易形成卡片結(jié)構(gòu)，卡片結(jié)構(gòu)越牢固，觸變性越好。粘土泥漿的含水量 含水量越多，粒子之間距離越遠，越不易相互搭接，觸變

42、性越小。粘土礦物的組成 分散度好，粒子數(shù)多，粒子間越易搭接，觸變性越大。 如：蒙脫石分散性好，最容易形成卡片狀結(jié)構(gòu)，觸變性好，而伊利石分散性差，觸變性也差。觸變性影響因素藍嚏詣恰桃戰(zhàn)棉繕烯雅朱斜仁臭湊烘疥壘緘誨趙締于微斌饅橢榮澇等蒜贏無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面粘土的可塑性可塑性定義：在超過一定大小的外力作用下開始變形而不開裂，外力撤除后保持變形后的形狀而不復(fù)原的能力。表征：泥料的屈服值和開裂前達到的最大應(yīng)變量乘積的大小。渤瞳漢瞞保獅桿葉溺淖兆鴨焉呈粟誣砂舌嶄怖吩敞墾腹虧扳島游舅吼貳溉無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章

43、固體表面與界面泥料可塑性產(chǎn)生的原因粘土顆粒之間吸引力始終大于排斥力泥料中吸引力的來源主要有：毛細管力：粘土顆粒周圍形成一層連續(xù)水膜，由于毛細管力作用，使顆粒緊緊連在一起，產(chǎn)生吸引力的主要來源。反離子為兩個膠核所共同吸引pH小于7時邊面帶正電板面帶負電，邊面-板面靜電引力。膠核之間存在著范氏引力。 泥料中排斥力的來源：同號膠體粒子之間存在著靜電斥力。兩個膠粒中的反離子之間相互排斥。捕吾嗚據(jù)猴棉該漱喳耐瞪傀脹蒙吶蠱巢乞藍眠些浸放填圃念陽休殃圖櫥掉無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章固體表面與界面1.泥料中的含水量 當(dāng)加水量過少時，不能在粘土顆粒周圍形成連續(xù)水膜，則無可塑性。在粘土顆粒周圍形成連續(xù)水膜。牢固結(jié)合水量越小，毛細管徑越小，毛細管力越大。繼續(xù)加入水，又增加了松結(jié)合水，松結(jié)合水相當(dāng)于起了潤滑劑的作用，膠粒間易滑動，泥料的延展性好，但松結(jié)合水不能太多，否則毛細管半徑增加，毛細管力減小，又使可塑性降低。因此，含有部分松結(jié)合水時，泥料的可塑性最好。影響泥料可塑性的因素撼帚埂礎(chǔ)鞋氯睡箕甩曳蠢卒奉歌沈倍數(shù)庫喪希嗡弟床怨函哇堰擯返徘下均無機材料科學(xué)基礎(chǔ) 第五章