第九章 无机非金属材料的表界面.ppt

第九章无机非金属材料的表界面 无机非金属材料的表界面区的化学组成和微观结构都与总体有较大的差异 并具有一些总体没有的特殊性 正是这种差异对材料的表观性质产生了显著的影响 因此 了解无机非金属材料的表界面的结构 组成与其物理 化学性质的关系 对设计新材料 赋予材料新的功能等具有重要的意义 陶瓷材料为无机非金属粉末晶体在一定条件下形成的多晶聚集体 多晶聚集体集合方式是依靠单个晶粒表面态的聚集和晶界 因此晶体的表面和晶界的结构特征对陶瓷材料的性质有着重要的影响 甚至是决定性的 9 1陶瓷表界面 9 1 1晶体的表面与界面凝聚相与气相之间的分界面称为表面 凝聚相之间的分界面称为界面 不同凝聚相之间的分界面称为相界面 同一相的 表面 晶粒之间的分界称为晶粒间界 简称晶界 一 理想表面 2 清洁表面清洁表面是指表面经过特殊处理后 保持在10 10 10 9Pa超高真空下的状态 a 驰豫 b 重构 c 偏析 d 化学吸附 e 化合物 f 台阶 1 弛豫表面指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距ds和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象 可能涉及几个原子层 2 重构表面指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内 但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同 3 偏析偏析是指当有其他原子进入表面时 出现体内不存在的表面结构 也称为覆盖结构 即杂质由体内偏析到表面 使多组分材料体系的表面组成与体内不同 将偏析与表面张力联系起来 1 若 2 1 表面张力较小的组分将在表面上偏析 富集 2 若 2 1 不存在表面偏析 3 实际表面 1 表面形态粗糙度 即表面光洁度 就是用来描述表面不平整程度的 粗糙系数 R Ar Ag 2 表面组织经过抛光以后 金属的表面组织与体内不同 3 高温下的固体表面结构在低于熔点的高温下 表面附近的原子发生强烈的热振动 表面及表面附近感生出许多表面位错 滑移带 空位群 即在高温下表面区产生了高度变形 4 界面界面是指两个或数个凝聚相的交界面 通常是指两种不同相间的规则界面 如相界面 内界面 晶界等 1 晶界结构孪晶界 小角度晶界和大角度晶界 2 晶界能晶界区一般多为固溶体 是高能量区 3 晶界应力多晶材料各个晶粒的光轴取向不同 收缩不同 造成室温时各晶粒处于应力或夹持状态 4 晶界电位和空间电荷在热力学平衡时 离子晶体的表面和晶界由于有过剩的同号离子而带有一种电荷 晶体内静电势为 5 晶界偏析晶界区的偏析或沉积是有一个含杂质厚度仅为几毫米的薄层 其结构和晶粒相同 通常沿用金属中的术语称之为偏析 而非第二相 9 1 2晶体对无机非金属陶瓷性能的影响陶瓷材料是多晶聚集体 晶界会影响其许多性质和在其中所发生的某些过程 1 ZnO压敏陶瓷氧化锌压敏陶瓷是一类电阻随加之其上的电压而灵敏变化的电阻器 其工作原理基于所用压敏电阻材料特殊的非线性伏安特性 具有这种特性的材料包括硅 锗等单晶半导体及SiC TiO2 BaTiO3 SrTiO3 ZnO半导体陶瓷等 其中以ZnO半导体陶瓷特性最佳 100 X ZnO X 6 Bi2O3 2Sb2O3 Co2O3 MnO2 Cr2O3 2 BaTiO3热敏陶瓷热敏陶瓷是一类电阻率随温度发生明显变化的材料 用于制作温度传感器 线路温度补偿及温频等元件 热敏电阻 按照阻稳特性 可把热敏陶瓷分为负温度系数NTC 正温度系数PTC 临界温度CRT热敏电阻及线性阻温特性热敏陶瓷四大类 cm 多晶陶瓷 单晶 T BaTiO3单晶和陶瓷的 T关系 9 2玻璃表界面广义包括 无机玻璃和有机玻璃两大类 这里指无机玻璃 定义 介于晶态和液态之间的一种特殊状态 由熔融体过冷而得 其内能和构形熵高于相应的晶态 其结构为短程有序和长程无序 9 2 1玻璃的表界面与性质 玻璃表面分为清洁表面和实际表面两种类型 清洁表面是经过特殊处理并保持在10 9 10 4Pa超真空下 沾污少得不能用一般表面分析探测的表面 实际表面是暴露在未加控制的大气环境中的玻璃表面 1 玻璃的表面结构当玻璃从高温成型冷却到室温 或断裂出现新表面时 表面就会存在不饱和键 或称断键 D中心 不足氧单元 此基团带正电荷 即 Si4 O2 2 3 或 Si4 O1 52 E中心 过剩氧单元 此基团带负电荷 即 Si4 O2 2 3O2 或 Si4 O2 52 2 玻璃表界面的化学组成玻璃表界面的化学组成与玻璃主体的化学组成有一定的差异 即沿着玻璃表面垂直方向的各组成含量不是恒值 也就是说组成随深度变化而变化 3 玻璃表界面的化学性质玻璃表面的化学反应是指表面和近表面与气体和液体的反应 如反应涉及表面几个分子层直到深度10nm左右 为化学吸附 在10nm以上的为化学反应 包括玻璃表面与水 酸 碱以及气体的反应 4 玻璃表界面的物理性质 1 光学性质 2 电学性质 3 力学性能 平板玻璃断面上光滑面 细纹 粗纹及断裂交叉面区 玻璃表面处理是采用物理 化学 机械等方法改变玻璃表面形态 化学组成 结构或应力状态 获得所要求的性质与功能 微观微粒沉积 介观或微观粒子沉积 整体覆盖 表面改性 9 2 2玻璃表面处理 1 玻璃表面镀膜以改善玻璃的光学 热学 电学 力学 化学等性能 有些膜有装饰作用 也有功能性的 可分为化学镀膜和物理