材料表界面知识点总结

1、第九章玻璃表界面4玻璃的表面反应玻璃成型后一段时间就容易被周围环境介质所侵蚀，侵蚀情况主要取决于玻璃的本质（组成）和介质的种类。4.1水对玻璃的侵蚀另外出口分子工区别于1T离也能与砰叙甘果百接起反应：III&iogi+H?O=-（一Si-OH）1Ii开始于水中的H+和玻璃中的Na+进行离子交换：离子交换反应停止的真正原因：?Na+含量的降低；Rn+（n1）抑制效应4.2酸对玻璃的侵蚀除氢氟酸外，一般酸并不直接与玻璃起反应，而是通过水的作用侵蚀玻璃。浓酸对玻璃的侵蚀能力低于稀酸。酸对玻璃的作用与水对玻璃作用又有所不同。高碱玻璃的耐酸性小于耐水性，高硅玻璃的耐酸性大于耐水性。4.3碱对玻璃

2、的侵蚀硅酸盐玻璃一般不耐碱。碱对玻璃的侵蚀是通过OH-破坏硅氧骨架（三Si-O-Si三），使Si-O键断裂，SiO2溶解在碱液中。碱的大量存在使得中和反应能够不断进行，所以，侵蚀不是形成硅酸凝胶薄膜，而是玻璃表面层不断脱落。四碱对玻璃的侵蚀程度与下列因素有关：侵蚀时间OH-离子的浓度阳离子的种类侵蚀后玻璃表面的硅酸盐在碱溶液中的溶解度五玻璃受碱侵蚀分为以下三个阶段：第一阶段，碱溶液中的阳离子首先吸附在玻璃表面；第二阶段，阳离子束缚周围的OH-离子，OH-离子攻击玻璃表面的硅氧键。第三阶段，硅氧骨架破坏后变成硅酸离子，和吸附在玻璃表面的阳离子形成硅酸盐，并逐渐溶解在碱溶液中。六碱性溶液对玻璃的侵

3、蚀机理与水或酸不同水或酸（包括中性盐或酸性盐）对玻璃的侵蚀只是改变、破坏或溶解（沥滤）玻璃结构组成中R2O、RO等网络外体物质。碱性溶液不仅对网络外体氧化物起作用，而且也对玻璃结构中的硅氧骨架起溶蚀作用。里大气对玻璃的侵蚀先是以离子交换为主的释碱过程后逐步过渡到以破坏网络为主的溶蚀过程。水汽比水溶液具有更大的侵蚀性4.4影响玻璃表面反应性的因素1）化学组成的影响硅酸盐玻璃的耐水性和耐酸性主要取决于硅氧和碱金属氧化物的含量。玻璃中同时存在两种碱金属氧化物时，由于“混合碱效应”使玻璃的化学稳定性出现极值。2）热处理的影响一般来说，退火玻璃比淬火玻璃化学稳定性高。明焰退火,玻璃化学稳定性增加；暗焰退

4、火,玻璃化学稳定性降低。3）表面状态的影响介质对玻璃的侵蚀首先从表面开始，表面状态对玻璃化学稳定性具有重要的意义。可以通过表面处理改变玻璃的表面状态。从玻璃表面层移去对侵蚀介质具有亲和力的成分；玻埴表面进彳了涂层。4）温度和压力5.玻璃表面张力表面张力的工艺意义：澄清：表面张力在一定程度上决定了气泡的长大和排除速度。均化：玻璃液中条纹及节瘤扩散和溶解的速度决定于主体玻璃和条纹玻璃表面张力的相对大小。成形：人工挑料，吹小泡，滴料供料；玻璃管或玻璃棒的拉制；平板玻璃的成形。1）表面张力与组成的关系熔体内部质点之间的相互作用力愈大，则表面张力也愈大。一价金属阳离子以断网为主,它的加入能使复合阴离子团

5、离解，由于复合阳离子团的r减小使e/r的值增大，相互间作用力增加，表面张力增大。但随阳离子半径的增加，其顺序为：0Li2QSiO2(JNa2OSiO2(TK2OSiO2(TCs2OSiO2各种氧化物对表面张力的影响可分为三类：第I类氧化物:没有表面活性，增加表面张力，称为表面惰性物质。如SiO2、AI2O3、CaO、MgO、Na2O、U2O等。第n类氧化物：引入量较大时能显著降低熔体表面张力。如K2O、PbO、B2O3、Sb2O3、P2O5等。第m类氧化物：引入量较少也可显著降低熔体表面张力，称为表面活性物质。如V2O5、Cr2O3、M0O3、WO3等。2）表面张力与温度的关系一般规律：温度升

6、高,质点热运动增加，体积膨胀，相互作用力松弛，表面张力降低,表面张力与温度几乎呈直线关系。7玻璃表面处理玻璃表面处理技术按作用原理可分为：1)微观微粒沉积。沉积物以原子、离子和粒子团簇形态在玻璃表面形成薄膜。如物理气相沉积、化学气相沉积镀膜。2)介观或微观粒子沉积。沉积物以介观（mm级）或微观（um级）尺寸的颗粒形态在玻璃表面形成覆盖层，热喷涂、描金。3)整体覆盖。将覆盖材料在同一时间施加在玻璃表面上，如贴铁甲防爆膜、夹金膜。4)表面改性。如离子交换、离子注入、化学处理。1防雾自清洁玻璃原因：在冬季和湿气比较重的地方，容易凝聚在建筑物的玻璃窗、汽车档风玻璃、后视镜和眼镜上，形成雾气。吸附灰尘和

7、油污，造成玻璃透过率降低。后果：影响视觉和生命安全。常规的处理方法：a）在玻璃表面喷上一层表面活性剂，以除去沉积在其上的水滴和尘埃；b）在玻璃表面涂覆上一层有机吸水防雾薄膜；c）安装加热装置，通过加热蒸发玻璃表面的水滴；d）安装超声波和加热装置，对玻璃表面同时进行分散和加热，达到快速蒸发的目的。*SiO2膜机理：SiO2表面容易产生OH基团，因而具有良好白亲水性。此外，SiO2薄膜具有多孔表面，能改善其亲水性。当玻璃表面吸附水时，水被SiO2层中的微孔均匀吸收，然后蒸发，没有留下任何斑点。a）超亲水自清洁玻璃超亲水自清洁玻璃在玻璃表面制备出超亲水性光催化TiO2薄膜。该光催化薄膜具有两大特性。

8、（1）超亲水性能：使玻璃表面对水具有超亲和作用,使水的液滴在玻璃表面上的接触角趋近于零。因此，当水接触到玻璃表面时，迅速在其表面铺展，形成均匀的水膜，表现出超亲水的性质，通过均匀水膜的重力下落带走污渍，通过该方式将可以去除大部分有机或无机污渍。（2）光催化分解有机物能力：通过光催化反应,该TiO2薄膜将有能力分解各类有机物，通过该特性可以有效去除残余的顽固有机污渍并有杀灭粘附于表面的细菌效果。目前，该方式已经成为自清洁玻璃的开发和生产的主流。b）超疏水自清洁玻璃（1）超疏水自清洁玻璃：利用超疏水技术使得玻璃表面产生超疏水和超疏油的特殊表面，从而，使得亲水性污渍和亲油性污渍无法粘附于玻璃表面，从

9、而保证了玻璃的自清洁。但是由于目前该方法的时效性差，无法保证玻璃产品作为耐用消费品的长期使用寿命，从而无法保证真正意义上的自清洁效果。（2）TiO2薄膜亲水性原理：TiO2是一种n型氧化物半导体，其禁带宽度约为3.2eV,相应的截止波长约为380nm。它在波长短于380nm的紫外线照射下，表面产生氧空穴和电子，对应的Ti4+转化为Ti3+。当表面有水分子时，空穴与水反应生成OH自由基，这种OH自由基使表面与极性水分子的相互作用变强，这样在氧空穴处形成了亲水区域。TiO2表面的氧与氢氧基（化学吸附水）的置换，形成二维毛细管现象。*自清洁玻璃的制备方法1化学气相沉积（CVD）通过化学汽相沉积（CV

10、D）方法将TiO2沉积到洁净玻璃的表面，沉积结果往往为三种TiO2晶型共同存在沉积在一起。该自清洁玻璃具有特点：8）锐钛矿型TiO2晶型的含量极低，仅仅具有很有限的超亲水和光催化功能。9）生产成本很高。10）玻璃本身的透射率大大降低（约降低10%）。11）为非纳米材料，比表面积很低，使得性能和效率较低。为弥补性能低下的缺陷，将通过增加膜厚度方式来提高性能。由于有效成分锐钛型TiO2晶型的含量极低，亲水性和光催化性难以保证。2磁控溅射方法使用磁控溅射镀膜设备，通过将金属钛溅射到玻璃表面，在玻璃表面自然氧化生成TiO2的薄膜，使得玻璃表面具有一定的亲水性，来达到自清洁效果。由于磁控溅射技术限制，玻

11、璃表面生成的TiO2薄膜为无定型的TiO2薄膜。它的特点是：1）璃表面的亲水性及自清洁性能极其有限。2）磁控溅射的成本高昂。3溶胶提拉+高温烧结技术将TiO2制成溶胶，再将玻璃放人该溶胶中浸润提拉的方式得到处理过的玻璃，再将该玻璃在高温烧结炉中烧结500c3-4h完成金红石晶型向锐钛矿晶型的转化。该方法存在缺陷：1）金红石晶型向锐钛矿晶型的转化存在转化效率问题，自清洁效果有限。2）_套彩虹里叁一_*镀ITO膜的导电玻璃特性：a）较低的电阻率（约为10cm）;b）可见光透过率可达85%以上；c）紫外线吸收率大于85%;d）红外线反射率大于8O%;e）微波衰减率大于85%;f）加工性能良好，便于刻

12、蚀；膜层硬度高，既耐磨又耐化学腐蚀等。应用：a）液晶显示器（LCD）b）宇航和军事方面：利用IT（）薄膜的透明和导电功能，将这种镀膜玻璃作为机车的挡风玻璃、飞机和飞船的眩窗、坦克激光测距仪、机载光学侦察仪、潜艇潜望镜等的观察窗，不仅可起到隔热降温作用，而且薄膜通电加热后还可作为透明电极用于除雾除霜。c）建筑工业方面：利用ITO薄膜的透明和红外反射功能，用镀膜玻璃装配门窗或作高级建筑物的幕墙，具有良好的隔热节能效果。d）太阳能方面：ITO薄膜所具有的折射率（介于1.81.9之间）和导电性，使它适合用于硅太阳电池的减反射涂层和光生电流的收集。因其具有对可见光的透过性和对红外光的反射性，故在光热转换

13、利用中，它可用作有效利用太阳能的选择性透过膜，从而把热能有效地捕集到室内或太阳能收集器中。e）其它方面：利用ITO薄膜对微波的衰减性，可防止因外界电磁波的侵入使电子设备产生误差和保密信息J勺泄露，故ITO薄膜可用于屏蔽电磁波，在需要屏蔽电磁波的场所，如计算机操作房、雷达的保护区甚至隐形飞机上，可用其作为防电磁干扰的透明屏窗或屏蔽层；利用ITO薄膜的透明和导电性，可制作透明触摸式显示屏进行人机对话输入，另外大面积的ITO膜透明导电玻璃还可用作商场的防盗橱窗，当玻璃破损时实时报警。土LOW-E玻璃所谓Low-E玻璃是在高质量的浮法玻璃基片表面上涂覆特殊的金属氧化物薄膜，使它对远红外光具有双向反射作

14、用，即可以阻止室外热辐射进入室内，又可以将室内物体产生的热能反射回来，从而降低玻璃的传热系数。也就是说，这种在波长为4.525微米的远红外光区，80%以上的光波被反射回去的低辐射镀膜玻璃，被称为特点：(1)具有较高的可见光透射比和较低的可见光反射比。低辐射玻璃的可见光透射比一般为60-80%,有的达到85%以上。(2)具有很低的辐射率和较高的红外光反射比。普通透明玻璃的辐射率E值为0.84.而低辐射玻璃的E值一般小于0.15,有的甚至低于0.05。(3)有中性色彩或接近中性色彩.可使低辐射玻璃尽量少地吸收入射的太阳能。膜的结构：(1)功能膜控制整个膜系的表面电阻，决定膜系的辐射率，并直接影响膜

15、系的透射比和反射比。一般采用正电性金属元素如金、银、铜等作为该层膜的材料。通常用银作为该层功能膜的材料。但由于银质软，不耐磨，而且与玻璃的结合力差，因此银膜两侧需加介质膜。(2)第一层介质膜一般是金属氧化物膜(TiO2、SnO2、ZnO等)或类似的绝缘膜，用来提高银与玻璃表面的附着力，同时兼有调节膜系光学性能和颜色的作用。(3)外层介质膜金属氧化物膜或类似的绝缘膜，它既是减反射膜也是保护膜。在可见光和近红外太阳能光谱中起减反射作用，以提高此波长范围内的太阳能透射比，同时保护银膜，提高膜系的物Low-E玻璃。化性能。另外，在银膜与外层介质膜之间通常加入很薄的一层金属或合金膜(如Ti或NiCr等)

16、作为遮蔽层，其作用是防止银膜被氧化。制备方法.在线高温热解沉积法(在线LOW-E玻璃)在线高温热解沉积法LowE玻璃。气体液体金属直接喷射到熔融的玻璃表面上，随着玻璃的冷却，金属膜层成为玻璃的一部分，一般把锡的气体喷在玻璃表面。.离线真空溅射法溅射法工艺生产LowE玻璃，需一层纯银薄膜作为功能膜。纯银膜在二层金属氧化物膜之间，金属氧化物膜对纯银膜提供保护，且作为膜层之间的中间层增加颜色的纯度及光透射度。玻璃由水平排列的轮子传输，通过阴极，玻璃通过一系列销定阀门之后，真空度也随之减小，当玻璃到达主要溅射室时.阴极靶溅射出银金属原子，沉积到玻璃基片上，玻璃移动，在玻璃通过阴极过程中，膜层形成，镀银

17、层分一层、二层甚至三层.国内均为此种生产方法。LOW-E玻璃应用(1)建筑物低辐射玻璃具有优异的节能性能.可以广泛用作各种建筑物门窗和建筑幕墙。虽然低辐射玻璃也是一种镀膜玻璃.但其可见光反射率非常低，用作建筑物幕墙不会导致光污染，能使建筑物具有非常好的视觉效果，而且可极大地提高建筑物的节能效率。(2)汽车工业汽车前风挡玻璃是不能使用一般镀膜玻璃的，低辐射玻璃由于和普通玻璃的可见光透过率相差不多绝不会影响驾驶员的视觉。而且低辐射玻璃是一种导电玻璃用作汽车后风挡玻璃，在冬季可以直接通电除霜比普通夹丝或导电银浆玻璃的视觉效果要好得多。第八章陶瓷表界面.问题：表面驰豫对无机氧化物超细粉体产生什么影响？

18、表面带电，使得粉体之间产生排斥，不会团聚；陶瓷粉体，在压制成型过程中，不可压缩，烧结后收缩率大。.晶界定义：晶界是结构相同而取向不同晶体之间的界面。在晶界面上，原子排列从一个取向过渡到另一个取向，故晶界处原子排列处于过渡状态。晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界。晶界对材料的力学、光学、磁学和电学性质影响很大。.晶界分类(1)按两个晶粒之间夹角的大小来分：小角度晶界(0=0310)大角度晶界(910)(2)根据晶界两边原子排列的连贯性来分：共格晶界：界面两侧的晶体具有非常相似的结构和类似的取向，越过界面原子面是连续的。半共格晶界：晶面间距比较小的一个相发生应变，在界面位错线附近发生局部晶格畸变。非

19、共格晶界：界面两侧结构相差很大且与相邻晶体间有畸变的原子排列。.共格产生的条件失配度的定义：8=0B-aa)/a3aa,aB表示相界两侧“相和3相的点阵常数，一般,当0.05&8&025可形成半共格晶面；当80.25时，形成非共格晶界通过烧结形成得到的多晶体绝大多数为非共格晶界.不同晶界的差别晶界类型界面原子排列特征界囿涉及范围界囿两侧原子排列取向相同特征层错有序一个原子层相同两侧具有共格晶界面有序一个原子层不相同但呈镜像对称相同的晶相非共格界面有位错等缺陷、数量少几个原子层不相同但呈镜像对称小角度晶界有位错等缺陷、数量多几个原子层不相同大角度晶界有大量位错缺、甚至原子排列无序

20、大不相同三.相界：在热力学平衡条件下，不同相之间的交界区称为相界。共格相界两相具有相同或相似的晶格结构，晶格常数也比较接近。在相界面附近的原子可以通过形变,使两侧的原子排列保持一定的相位关系，这种相界称为共格相界。(2)准共格相界面(3)非共格相界.晶界应力晶界单位面积上剪切应力T=KAaTd/L晶界应力与a。及d成正比(1)晶界应力与热膨胀系数差、温度变化及复合层厚度成正比。（2）若热膨胀系数是各向同性，晶界应力不会产生。（3）若产生晶界应力，则厚度愈厚，应力愈大。在多晶材料中，细而长的针状晶粒的强度与抗冲击性能较好.晶界电位及空间电荷强您.：1）在热运动的情况下，在晶体表面或晶界处有过剩的

21、同种离子，使其带有正电荷或负电荷；2）由于电中性的需要，在表面或晶界附近有异号的空间电荷云，抵消该晶界处的电荷；3）晶界电荷使晶界处有静电位；4）晶界电荷与空间电荷相拌相生。原因：本征缺陷一阳离子或阴离子的空位或填隙离子的形成能不同，会产生这种电荷。非本征缺陷一不等价溶质改变晶体点阵中各缺陷浓度，会产生晶界电荷。晶界电位随着掺杂离子不同，电位符号可以改变。假如在NaCl掺杂CaCl2,晶界电位从正变负。.晶界的溶质偏析晶界偏析:在平衡条件下，溶质原子（离子）在晶界处浓度偏离平均浓度。偏析的自发趋势：晶界结构缺陷比晶内多,溶质原子（离子）处于晶内的能量比处在晶界的能量高，通过偏析使系统能量降低。

22、.晶界扩散物质扩散途径：表面扩散、晶界扩散和晶粒内扩散.晶界势垒晶界势垒是一种静电势垒，它是在导电晶粒（离子晶体）的晶界中，是由于点阵周期性的不完整、位错与点阵缺陷的密集、杂质原子的存在以及异相的形成等原因所产生的。它是载流子(电子或空穴)穿过晶界所需克服阻力大小的一种度量，即电子或空穴具有的能量必须高于晶界势垒才能穿过晶界。晶界势垒的高低与陶瓷中的晶格缺陷、杂质的种类与数量、相变、环境气氛与温度、电场及烧成制度等因素密切相关。在半导体陶瓷中，晶界势垒对材料性能有着十分重要的影响。.晶界的特性(1)晶界较晶粒内部容易受腐蚀(热腐蚀、化学腐蚀)；(2)在多晶体中，晶界是原子(或离子)快速扩散的通

23、道；(3)晶界上容易引起杂质原子(或离子)的偏聚；(4)晶界处的熔点低于晶粒的熔点；(5)晶界成为固态相变时优先成核的区域；(6)晶界可以阻止位错的移动、增加滑移的困难。九.晶界在功能陶瓷设计中的应用a)BaTiO3PTC陶瓷f1-f2d0b9dfa480-Numbered_b9f69643-ed57-43b2-ab9a-e5aa77BaTiO3热敏电阻(PTC-positivetemperaturecoeffience)PTC元件:在工作温度范围内，阻值随着温度地升高而增加的热敏电阻称为正温度系数热敏电阻。居里温度:PTC元件在达到一个特定的温度前，电阻值随温度变化和缓慢，当超过这个温度时，

24、阻值剧增，发生阻值剧增变化的这点温度称居里点温度。基本特性和应用:A.电阻一温度特性：表示PTC电阻（取对数）与温度的关系VWWMWWWMWVWWWVWMWWWMWWWfa缓慢型（补偿型或A型）：PTC元件具有一般的线性阻温特性，其温度系数在十（3cce-4564-a97f-25738aad6bcb-Numbered_0743f1e7-08c- 6488115 -02-4f89-944e-495bab17c568-Numbered_d1044af5-f80d-410%/C,可广泛的应用于温度补偿、温度测量、温度控制、晶体管过流保护。开关型（B型）：又称临界PTC元件,在温度达到居里点后，其阻值

25、急剧上升，温度系数可达+（1560）%/C以上，可用于晶体管电路以及电动机、线圈的过流保护。电动机及变压器的电流控制。各种电路设备的温度控制和控制、温度报警及恒温发热体等。B._片佳/色卷位士生）:它表示当PTC元件施加电压后，因本身的自热功能，所产生内热和外热达到平衡后电压和电流的关系。电流增加到最大，元件面温度也增加到最大，元件自动调节温度，所以PTC元件可以作为恒温加热元件，如保温器、电热器和恒温槽等。C.电流一时间特性：表示PTC元件的自热和外部热耗散达到平衡之前的电流与时间的关系。2）产生PTC效应的途径掺杂:La3+、Ce4+、Sm3+、Dy3+、Y3+、Sb3+、Bi3+替彳弋Ba2+,替代的原则半径相近，电价高于Ba2+，Nb5+、Ta5+、W6+置换Ti4+。使BaTiO3中分别出现Me3+和Me5+,由于电荷中性的要求，BaTiO3中易变价的Ti4+一部分变成Ti3+Ti4+.e,因被Ti4+俘获的电子处于亚稳态，在受热和电场激励时，如同半导体的施主起到载流子的作用，因而使BaTiO3具有半导性。强制还原：强制还原是为了BaTiO3偏离化学计量，但是容易使得晶粒半导体化同时，晶界也要半导化。3）晶界结构与PTC效应Hayashi利用异常长大的大晶粒，测定其晶界的PTC效应