材料物理化学 第五章 表面与界面 习题.pdf

湖南工学院 材料物理化学 第五章第五章 表面和界面表面和界面作业作业及答案及答案 1、任何表面系统都有自发降低其表面能的趋势。液体和固体分别采用什麽方式来降低 其表面能？ 解：液体总是通过改变表面的形状，力图形成球形表面来降低系统的表面能。 而晶体由于质点不能自动流动，只能借助于晶体表面结构的改变来降低表面能：一 是表面质点自行调整，原子排列情况与材料内部明显不同；二是依靠表面的成分片析和 表面对外来原子或分子的吸附以及这两者的相互作用而趋向稳定态， 因而使表面组分与 材料内部不同。 2、表面、晶界、相界有何区别？ 解：表面：把一个相和它本身蒸汽接触的分界面称之。 晶界：多晶材料中相同化学组成与结构的晶粒之间的界面称之。 相界：把一个相和另一个相接触的分界面称之。 3、简述无机固体材料的理想表面、清洁表面和真实表面。 解：1）理想表面：没有杂质的单晶，这是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。 忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，忽略了表面原子的热运动、热扩散 和热缺陷等，忽略了外界对表面的物理化学作用等。 这种理想表面作为半无限的晶体，体内的原子的位置及其结构的周期性，与原来 无限的晶体完全一样。 2）清洁表面：是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。 这种清洁表面的化学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。根据表面原子的排 列，清洁表面又可分为台阶表面、弛豫表面、重构表面等。 3）真实表面：它是在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空 间吸附在表面上的质点所构成的表面。根据原子在基底上的吸附位置，一般可分为四种 吸附情况，即顶吸附、桥吸附、填充吸附和中心吸附等。 4、固体表面的驰豫与无机超细粉体性能之间有何关系？ 解：由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子产生的相对于正常 位置的上、下位移，称为表面弛豫。 湖南工学院 材料物理化学 粉体：微细的固体微料集合体，原料加工成微细颗粒以利于成型和烧结。粉体制备：反 复粉碎形成一系列新表面。而离子极化变形重排畸变有序性降低，随粒子的微细化从表 面增大，无序性增大并向纵深发展，不断影响内部结构，最后使粉体表面结构趋于无定 形化。 一种认为粉体表面层是无定形结构。一种认为粉体表面层是粒度极小的微晶结构。 所以在无机超细粉体上可以发生表面驰豫现象。 5、何谓多晶晶界？晶界的结构特征如何？ 解：由形状部规则和取向不同的晶粒构成多晶体，多晶体中晶粒和晶粒之间的界面 为多晶晶界。 由于晶界上两个晶粒的质点排列取向有一定差异， 两者都力图使晶界上的质点排列 符合于自己的取向，当达到平衡时，就形成某种过渡的排列方式。晶界上的质点具有一 定规律排列，但比正常晶格的规律性要差，存在着很多空位、位错与键变形等缺陷，处 于高能阶状态，因此具有些特殊性质。 晶界特点： 1）质点排列偏离了理想点阵，属于面缺陷。 2）由于能量高，容易富集杂质，使晶界处熔点低于晶粒。 3）质点容易迁移，是扩散的快速通道。 4）晶界是固态相变时的优先成核区域。 5）晶界结构疏松，容易受腐蚀（热腐蚀、化学腐蚀等）。 6、陶瓷原料球磨时，湿磨的效率往往高于干磨，如果再加入表面活性剂，则可进一步 提高球磨效率，试分析这些效率的机理。 解：陶瓷原料球磨时，当加入水和表面活性剂时，表面活性剂在水中溶解，并且按 着一定的结构排列， 会在陶瓷原料和球上进行吸附、 润湿， 减少了陶瓷原料和球的摩擦， 因此提高了球磨效率。 7、什麽是润湿？影响湿润的因素有那些？ 解：固体与液体接触后，体系（固体+液体）的吉布斯自由能降低时，称之。 （1）固体表面粗糙：当真实接触角小于 90 芳时，粗糙度越大，表面接触角越小，就 湖南工学院 材料物理化学 越容易湿润；当真实接触角大于 90 度，则粗糙度越大，越不利于湿润。 吸附膜：吸附膜的存在使接触角增大，起着阻碍作用。 8、在真空条件下 Al2O3的表面张力约为 0.9J/m2，液态铁的表面张力为 1.72J/m2，同样 条件下的界面张力（液态铁-氧化铝）约为 2.3J/m2，问接触角有多大？液态铁能否润湿 氧化铝？ 解：已知 SV0.90J/m2，LV0.72J/m2，SL2.3J/m2 cos SVSL L V 72.1 30.290.0 0.8139 144.48 因为90，所以液态铁不能润湿氧化铝。 9、试解释粘土结构水、结合水（牢固结合水、松结合水） 、自由水的区别，分析后两种 水在胶团中的作用范围及其对工艺性能的影响。 结构水 结合水 自由水 牢固结合水 松结合水 含义 以 OH 基形式 存 在 于 粘 土 晶 格 结 构 内 的水 吸附在粘土矿物 层间及表面的定 向水分子层，它 与粘土胶粒形成 整体并一起移动 粘土表面定 向排列过渡 到非定向排 列的水层， 它 处于胶粒的 扩散层内 粘土胶粒外 的非定向水 分子层 作用范围 在晶格内 310 水分子层 20nm 20nm 特点 脱 水 后 粘 土 结构破坏 密度变化大，热 容小，介电常数 小，水冰点低 流动性 加水量一定时结合水/自由水比例小，流动性好 可塑性 粘土胶粒水膜厚度在 10nm（约 30 水分子层） 分 类 内 容 湖南工学院 材料物理化学 10、测定了含有一个固态氧化物、一个固态硫化物和一个液态硅酸盐的显微结构，有以 下的两面角： （a）两个硫化物颗粒之间的氧化物是 112 ； （b）两个硫化物颗粒之间的液 体是 60 ； （c）两个氧化物颗粒之间的硫化物是 100 ； （d）一个氧化物和一个硫化物之 间的液体是 70 。假如氧化物和氧化物之间界面能是 0.9J/m2，求其它界面能是多少？ 解解：按题意绘图如下： 题 5-10 附图 2 2 J/m70.056cos2/ J/m78.056cos 50cos 2 100 cos/ 2 112 cos/ )2/100cos(2)( )2/112cos(2)( SSSO OO SS OOSS SOOO SOSS c a由题意 2 2 J/m41.0 J/m45.0 30cos2 )2/60cos(2)( )2/70cos()2/70cos()( OL SS SL SLSS OLSLSO b d 由题意 题中 SS是硫化物之间界面张力；OO为氧化物之间界面张力；OL是氧化物与液体 间界面张力。 11、在石英玻璃熔体下 20cm 处形成半径为 5 10-8m 的气泡，熔体密度 2200Kg/m3， 表面张力 0.29N/m， 大气压力为 1.01 105Pa， 求形成此气泡所需最低内压力是多少？ 解：P1（熔体柱静压力）hg0.2 2200 9.814316.4kg/m s2 4316.4N/m24316.4Pa 湖南工学院 材料物理化学 附加压力P2/r2 0.29/5 10-81.16 107Pa，故形成此气泡所需压力至少为 PP1+P+P大气4.16+1.16 107+1.01 105117.04 105 从以上计算可见，产生微小气泡时主要阻力来自附加压力。在石英玻璃熔体中，初 生微小气泡压力要大于 117.04 105Pa，气泡才能存在，这是很困难的。实际上玻璃熔体 中由于配合料在熔化过程中，一系列化学反应放出大量气泡，玻璃液与耐火材料间物理 化学作用也会产生气泡。 新析出的气相一次为核心， 一开始就形成较大的气泡， 这样P 就大为降低。例如若生成气泡半径为 0.1cm，则 P2 0.29/1 10-3580Pa。此时附加 压力与大气压相比已减少到可忽略的程度，一次通体中气泡就能够形成。 12、 假如在母相 晶粒内由一个球状的第二相 ，当 相移动到两个 晶粒的晶界上 时，它所具有的形状是双球冠形，如图 5-12 示。 双冠的体积 3 3 23 coscos 2() 3 r ；双球冠的面积 2 22(1cos) r （a）当 相为双球冠形， 在 相中的二面角为 120 时，试分析 在 晶粒内呈 球状较稳定，还是在境界上呈双球冠形较为稳定？ （b）如果 在晶界上呈薄膜状，情况又将如何？ 解： （a）若设 为 - 界面上的表面张力；为 - 界面上的表面张力。 当 相为球冠状存在于晶界上时，如图 5-12-1 示，表面能为： 22 A 2 2(1cos 60 )2 rr 晶 界 （） 当 相呈球状存在于晶粒内部时如图 5-12-1 示，总表面能 A 晶 界 （） 晶内将由两部分 组成： 一种示 - 界面上的表面能 ()A ； 二是由于晶界上步存在 相和存在 相对比， 增加了一块 - 界面，其界面能为 ()A 。 图 5-12-1 第二相在晶界上 图 5-12-2 相在晶粒内部 湖南工学院 材料物理化学 （1）若球状 相体积与冠状体积相等。则有球状 相半径 R R 3 1 4 3 60cos60cos32 23 3 3 r 0.679r 3 球状 相的表面积 22 44(0.679)Rr A 2 1 . 8 4r 2 (1.84 ) rA （2）如果 - 相之间以圆面积接触则有 2 2 2 2 75.060sin)(rrrA 图 5-12-3 按题意 - 之间二面角为 120 ， 表面张力的平衡关系如图 5-12-3 所示 与之间 有 1 2 0s i n1 2 0s i n 2 2 1.840.752.59A rr 晶 内 （） （） 2 2 2.59 /1.295 2 r AA r 晶 界晶 内 （）（） 由计算表面，当 相呈双球冠存在于晶界上时，其表面能较小，因而比较稳定。 （b）如果 在晶界上呈薄膜状，也即 二面角为零，设薄膜所占晶界面面积为 A，则 2)(A A 晶界 。 湖南工学院 材料物理化学 再设 相存在于晶内时，其表面积为 A1则 1 ()AA A 晶 内 （当 位于晶粒内 时，晶界上增加了 A 表面能） ，又因为二面角 0， 所以 20cos2AA 1 ()2AA A 晶 内 1 2 2 2/)2()/()( 1 1 A AA AAAAA 晶界晶内 因而 相存在于晶界上时较为稳定。 13、1g 石英当它粉碎（在湿空气中）成每颗粒半径为 1m 的粉末时质量增加至 1.02g， 它的吸附水膜厚度为多少？（石英密度是 2.65g/cm3） 解：每 1g 石英所占体积 1/2.650.3774cm3/g 一粒石英所占体积 312343 cm10188.4)10(3/43/4 r 每克石英含粒子数 10 12 109 10188.4 3774.0 吸附水后每克石英所占体积 g/cm3849.0 65.2 02.1 3 吸附水后每粒石英所占体积 312 10 cm1028.4 109 3849.0 吸附水后每粒石英半径 nm100710021.1 3/4 1028.4 312 3 12 r 吸附水膜厚度 nm7nm1000nm1007 14、 具有面心立方晶格的晶体， 其 （110） 、 （100） 、 （111） 面上表面原子密度分别为 0.555， 0.785，0.907，试回答哪一个晶面上固-气表面能将是最低的，为什么？ 解：根据表面能公式 s ib is L n n N U U)1( 0 ，其中 U 为表面能； U0为晶格能；N 位阿 佛加德罗常数，Ls为 1 m2表面上的原子数目；nis、nib分别表示第 i 个原子在晶体表面 和晶体内部时最邻近的原子数目。在面心立方晶体中：nib12，nis在（111）面上为 6； 在（100）面上为 4；在（110）面上为 2。将上述数据代入公式： 湖南工学院 材料物理化学 N U N U U 00 )111( 45.0) 12 6 1(907.0