第五章表面与界面

1、 第五章第五章 固体表面与界面固体表面与界面 第五章第五章 第一节第一节 固体的表面固体的表面 第二节固体的界面第二节固体的界面u 固体表面的特征固体表面的特征u 晶体表面结构晶体表面结构u 固体的表面能固体的表面能u 弯曲表面效应弯曲表面效应u 润湿与粘附润湿与粘附(1) 同一种物质制备和加工条件不同也会有不同的表面同一种物质制备和加工条件不同也会有不同的表面性质。性质。(2) 在空气中暴露，表面被外来物质所污染，吸附外来在空气中暴露，表面被外来物质所污染，吸附外来原子可占据不同的表面位置，形成有序或无序排列，原子可占据不同的表面位置，形成有序或无序排列，也引起表面不均匀。也引起表面不均匀。

2、(3) 固体表面无论怎么光滑，从固体表面无论怎么光滑，从原子尺寸原子尺寸衡量，实际上衡量，实际上也是凹凸不平的。也是凹凸不平的。1 1、固体表面的特点、固体表面的特点（不均匀性（不均匀性 ） 晶体中每个质点周围都存在着一个力场，在晶体晶体中每个质点周围都存在着一个力场，在晶体内部，质点力场是对称的。但在固体表面，质点内部，质点力场是对称的。但在固体表面，质点排列的周期重复性中断，使处于表面边界上的质排列的周期重复性中断，使处于表面边界上的质点力场对称性破坏，表现出剩余的键力，称之为点力场对称性破坏，表现出剩余的键力，称之为。 表面力的分类：表面力的分类：定义：定义：(1) 范德瓦尔斯力范德瓦尔

3、斯力(分子引力分子引力)(2) 化学力化学力2. 2. 固体表面力场固体表面力场(1)(1)范德瓦尔斯力范德瓦尔斯力( (分子引力分子引力) ) 是固体表面产生物理吸附或气体凝聚的原因。是固体表面产生物理吸附或气体凝聚的原因。与液体内压、表面张力、蒸汽压、蒸发热等性质有与液体内压、表面张力、蒸汽压、蒸发热等性质有关。关。来源三种不同的力：来源三种不同的力： 定向作用力定向作用力(静电力静电力) ，发生于极性分子之间。，发生于极性分子之间。 诱导作用力诱导作用力 ，发生于极性与非极性分子之间。发生于极性与非极性分子之间。 分散作用力分散作用力(色散力色散力) ，发生于非极性分子之间。，发生于非极

4、性分子之间。 (2) (2) 化学力：化学力： 本质上是静电力，主要来自表面质点的不饱和价键。本质上是静电力，主要来自表面质点的不饱和价键。 对于离子晶体，晶体表面化学力主要取决于晶格能对于离子晶体，晶体表面化学力主要取决于晶格能 和极化作用。和极化作用。 总是力图形成球形表面来降低系统的表面能。总是力图形成球形表面来降低系统的表面能。使使表面处于较高的能量状态表面处于较高的能量状态(因为固体不能因为固体不能流动流动),只能借助于离子极化、变形、重排并引起只能借助于离子极化、变形、重排并引起晶格畸变晶格畸变来降低表面能，其结果使固体表面层与来降低表面能，其结果使固体表面层与内部结构存在差异内部

5、结构存在差异。二、晶体表面结构二、晶体表面结构1. 1. 离子晶体表面离子晶体表面： 1. 离子晶体离子晶体MX在表面在表面力作用下，处于表面层力作用下，处于表面层的负离子的负离子X在外侧不饱在外侧不饱和，和，负离子极化率大，负离子极化率大，通过电子云拉向内侧正通过电子云拉向内侧正离子一方的极化变形来离子一方的极化变形来降低表面能降低表面能。这一过程。这一过程称为称为松弛松弛，它是，它是瞬间完瞬间完成的，接着发生离子重成的，接着发生离子重排。排。 图图31 离子晶体表面的电子云变形和离子重排离子晶体表面的电子云变形和离子重排NaCl晶体图图31 离子晶体表面的电子云变形和离子重排离子晶体表面的

6、电子云变形和离子重排2. 从晶格点阵稳定性从晶格点阵稳定性考虑作用力较大，极考虑作用力较大，极化率小的正离子应处化率小的正离子应处于稳定的晶格位置而于稳定的晶格位置而易极化的负离子受诱易极化的负离子受诱导极化偶极子排斥而导极化偶极子排斥而推向外侧，从而推向外侧，从而形成形成表面双电层表面双电层。重排结重排结果果使晶体表面能量趋使晶体表面能量趋于稳定。于稳定。NaCl晶体 3、 NaCl形成形成双电层厚度双电层厚度为为0.02nm,在在Al2O3、SiO2、ZrO2等表面上也会形成双电层。等表面上也会形成双电层。 4、当表面形成双电层后，它将向、当表面形成双电层后，它将向内层内层发生作用，并引发

7、生作用，并引起内层离子的起内层离子的极化和重排极化和重排，这种作用随着向晶体的纵深推，这种作用随着向晶体的纵深推移而逐步衰减。表面效应所能达到的深度，移而逐步衰减。表面效应所能达到的深度，与阴、阳离子与阴、阳离子的半径差有关的半径差有关，差愈大深度愈深。，差愈大深度愈深。 5、离子极化性能愈大，双电层愈厚，从而表面能愈低。离子极化性能愈大，双电层愈厚，从而表面能愈低。 实验观测表明：实验观测表明： 固体的实际表面是不规则和粗糙的，固体的实际表面是不规则和粗糙的， 最重要的表现为最重要的表现为表面粗糙度表面粗糙度和和微裂纹微裂纹。 ： (1) 使表面力场变得不均匀，其活性及其它表面性使表面力场变

8、得不均匀，其活性及其它表面性 质也随之发生变化。质也随之发生变化。 (2) 直接影响固体表面积，内、外表面积比值以及相直接影响固体表面积，内、外表面积比值以及相 关的属性。关的属性。 (3) 与两种材料间的封接和结合界面间的与两种材料间的封接和结合界面间的啮合啮合和和结合结合 强度强度有关。有关。 因因晶体缺陷或外力晶体缺陷或外力而产生。表面裂纹而产生。表面裂纹在材料中起着在材料中起着应力倍增器应力倍增器的作用，使位于裂纹的作用，使位于裂纹尖端的实际应力远大于所施加的应力。格里菲尖端的实际应力远大于所施加的应力。格里菲斯关于微裂纹的公式：斯关于微裂纹的公式：cEc 2 表面裂纹表面裂纹一、一、

9、 弯曲表面效应弯曲表面效应弯曲表面弯曲表面:由于表面张力的存在而产生一个附加压力由于表面张力的存在而产生一个附加压力 。对于球面：对于球面： 2/r :为表面张力为表面张力对于非球面：对于非球面：(1/r1+1/r2) r :主曲率半径主曲率半径 第二节第二节 固体界面固体界面 润湿是固液界面上的重要行为。润湿是固液界面上的重要行为。 应用应用：机械的润滑、金属焊接、陶瓷和搪瓷的：机械的润滑、金属焊接、陶瓷和搪瓷的 坯釉结合、陶瓷与金属的封接等。坯釉结合、陶瓷与金属的封接等。 定义定义：固液接触后，：固液接触后，体系吉布斯自由焓降低时体系吉布斯自由焓降低时 就称为润湿。就称为润湿。 分类：分类

10、：二、二、 润湿与粘附润湿与粘附按润湿程度按润湿程度附着润湿附着润湿铺展润湿铺展润湿浸渍润湿浸渍润湿 附着润湿的附着润湿的吉布斯自由焓变化吉布斯自由焓变化为：为： G1 SL (LV SV ) 附着功附着功：W LV SV SL W愈大表示固液界面结合愈牢，愈大表示固液界面结合愈牢， 即附着润湿愈强。即附着润湿愈强。 附着润湿附着润湿液气界面液气界面(L-g)固气界面固气界面(S-g)固液界面固液界面(S-L)固体固体液体液体润湿张力：润湿张力：F LV cos SV SL由此可看出：由此可看出： 在润湿系统中在润湿系统中(SV SL), LV 减小会使减小会使缩小，而在不润湿缩小，而在不润湿系统中系统中LV 减小会使减小会使增大。增大。 cosSV SL LV(A) (B) (C)润湿与液滴的形状润湿与液滴的形状(A) 润湿，润湿， 90o(C)完全润湿，完全润湿， 0o ，液体铺开液体铺开 铺展润湿铺展润湿 浸渍润湿浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。指固体浸入液体中的过程。 例：生坯的浸釉。例