固體表面與界面.ppt

1、第六章 固體表面與界面 第一節(jié) 固體的表面,二、晶體表面結(jié)構(gòu),三、固體的表面能,一、固體表面的特征,(1) 同一種物質(zhì)制備和加工條件不同也會(huì)有不同的表面性質(zhì)。 (2) 在空氣中暴露，表面被外來物質(zhì)所污染，吸附外來原子可占據(jù)不同的表面位置，形成有序或無序排列，也引起表面不均勻。 (3) 固體表面無論怎么光滑，從原子尺寸衡量，實(shí)際上也是凹凸不平的。,固體表面的特點(diǎn) 不均勻性，表現(xiàn)在：,一、固體表面的特征,晶體中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)周圍都存在著一個(gè)力場，在晶體內(nèi)部，質(zhì)點(diǎn)力場是對稱的。但在固體表面，質(zhì)點(diǎn)排列的周期重復(fù)性中斷，使處于表面邊界上的質(zhì)點(diǎn)力場對稱性破壞，表現(xiàn)出剩余的鍵力， 稱之為固體表面力。,表面力的分類

2、：,定義：,(1) 范得華力(分子引力),(2) 化學(xué)力,2. 固體表面力場,(1) 范得華力(分子引力) 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)。 來源三方面：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) ，發(fā)生于非極性分子之間。,(2) 化學(xué)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(gè)分子到另一個(gè)分子逐個(gè)傳播而達(dá)到長距離的。 如誘導(dǎo)作用力。,表面力的作用： 液體: 總是力圖形

3、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?yàn)楣腆w不能流動(dòng)), 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,說明： 1. 離子晶體MX在表面力作用下，處于表面層的負(fù)離子X在外側(cè)不飽和，負(fù)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。,2. 從晶格點(diǎn)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(fù)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)果使晶體表面能量趨于穩(wěn)定

4、。,3、 NaCl形成雙電層厚度為0.02nm,在Al2O3、SiO2、ZrO2等表面上也會(huì)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(dá)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。,實(shí)驗(yàn)觀測表明： 固體的實(shí)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)也隨之發(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

5、間的嚙合和結(jié)合 強(qiáng)度有關(guān)。,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(shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)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,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(gè)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。,第二節(jié) 固體界面,潤濕是固液界面上的重要行為。 應(yīng)用：機(jī)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(shí) 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,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 W愈大表示固液界面結(jié)合愈牢， 即附著潤濕愈強(qiáng)。,附著潤濕,液氣界面(L-g)固氣界面(S-g),固液界面(S-L),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(huì)使縮小，而在不潤濕系統(tǒng)中LV 減小會(huì)使增大。,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? 浸漬潤濕 浸漬潤濕