陶瓷材料的表面与界面.ppt

1、陶瓷材料的表面和介面，硕士研究生选修课，课程教学方法：课堂重点介绍和自学。主要工具书：材料科学基础天津大学出版社表面和介面物理正中表面以及介面物理主信材料表面和介面李恒德、西论陶瓷材料具有典型的多晶多相结构特征。表面和介面问题包括材料准备科学和整个工程学科的丰富研究内容。直接相关：熔点、沸点、蒸气压、溶解度、吸附、润湿、化学活性、固体反应、烧结、介面物理、化学和生物特性等。曲面和介面类型：gas/liquid gas/Solid liquid/liquid liquid/Solid Solid/Solid(异种)Solid/Solid(相同)不利方面、陶瓷离子键、共价键金属键陶瓷和金属界面的基

2、本特性比较：类似的热力学方法可以处理介面能源和介面张力。迁移率受杂质的影响。晶界扩散大于晶格扩散。晶界滑移引起变形。有溶质分离现象。晶界是空位，间隙缺陷的发生源及消失井。位错误行为类似。小角度晶系可以用前卫阵列来说明。陶瓷晶界形成静电势和空间电荷区。陶瓷点阵缺陷的形成可以有高能量(6ev)。金属固有缺陷浓度低于杂质缺陷浓度(2级)陶瓷固有缺陷浓度低于杂质缺陷浓度(3级)。金属异质溶解度由于溶质原子变形，陶瓷异质溶解度可能受到空位能量大小的影响。1固体表面的基本特征表面：固体和真空或蒸汽接触的分界面。1.1表面不均匀性表面力不对称，表面原子(离子)具有位置性。结晶固体的各向异性在表面特性上很明显

3、。1.2表面力晶体内部的质点力场是心和对称的。表面质点力场的对称性被破坏，产生了指向的剩余力场，显示了对其他物质(如吸附、润湿等)的吸引作用，这被称为表面力。分为化学力和分子力：化学力：表面质点不饱和耦合引起的静电，具有电子转移的性质。范德华力：方向性：极性物质之间极化传记力矩的相互作用力。诱导力：极性物质极化诱导非极性物质产生瞬态极化传记力矩后产生定向作用。色散力：非极性物质之间瞬间极化传记矩之间的作用。1.3表面能和表面张力液体表面张力以恒定温度或恒定温度压力形成单位面积表面的可逆工作表示(或未微分):U形液膜模型为：热力学在：牙齿上获得的液体表面张力：在恒温或恒温压力下形成单位表面的自由

4、能量变化(J/m2)接口的单位长度。b)作用力P=P排斥-P吸入表示P排斥P吸入是压力。液体中的压力各向同性，压力P=gh是斥力。斥力是短距离力，远程不存在，可以视为等向性。c)液体表面各向异性垂直方向不同于平行方向力。在表面层范围内，由于P排斥h=P排斥P，但吸力是P吸收hP。(因为存在上部气体或真空。)，D)对表面张力的解释表面层的作用力： P=P排斥P吸收垂直方向：大气压力P0=P排斥pP吸收P P:P排斥hP0 P吸收P平行方向：P h=P排斥hP吸收h=P0 P吸收pP吸收H结合C)结论和P0项目3360PH(液体不承受剪切应力，固体可承受剪切应力)，如果固体表面弹性变形表示为表面弹

5、性变形张量I，j(i，J=1，2)，则相应的表面张力张量表示为f i，J。可逆过程中，f i，J作用于无限小的弹性形变di，J对面积A产生小的变化，表面自由能的增量d(A)和DI，J之间的关系是，和：表达式中：ij是克罗内克符号。(实际剪切变形不改变面积)获取：常识表明，如果介面面积变化不改变介面状态(例如液体):对于各向同性材料，常识表明，2固体表面2.1表面结构的迟滞和重建表面力会使系统表面进入高能状态。液体通过降低表面积来减少系统的表面能量。固体通过离子重排、变形、极化、晶格畸变降低表面能量。理想的表面：体内结构到表面层都不变，理论上是完整的二维光栅平面。真正干净的表面：表面结构的松弛和

6、重建。表面结构松弛：在多个原子层范围内，光栅参数和体内存在差异，特别是表面原子层方向的垂直变化，即法线松弛。李莞表面示意图，表面重建：表面层的晶体结构与体内不同。重构表面图，极化重排：离子晶体在表面力的作用下离子极化重排，形成表面双层。表面层离子结合性减弱，共价键性提高，以非化学计量倾斜，晶体表面可以更加稳定。表面电子云变形和离子重排，离子结合性氧化物表面，大部分由氧离子组成，阳离子被氧离子阻挡。双电层效应的作用距离与阴阳离子的半径差异有关，一般是两到五个离子层。其程度也取决于离子极化性能。例如，Pb2和I都有很强的极化性能，双层厚度。氧化钠晶体形成厚度为0.02nm的表面双层。2.2固体表面

7、能固体表面能和表面张力一般在数值上不相等。决定固体表面可以通过实验测量或理论计算。实验测量：测量固体熔化与液体表面张力和温度的关系，并估算将外部推至凝固点以下。共价晶体表面可以简单地形成耦合模型。表面能量(us)是破坏单位面积总键能量的反食中：ub是化学键能量。金刚石示例：(111)解析面，每m2 19个1.8310，按键376.6kJ/mol计算，表面能量：Nib，NIS是该位置最近的相邻离子配位位数。晶体中的离子能量为uibnib2，表面为nisuis/2。对于Uibuis，两个位置以下的I离子内部能量差异：U0是晶格能量，N是阿伏伽德罗常数。如果、Ls表示1m2曲面上的原子数，则得到0K

8、的表面能量。常识没有考虑表面结构的变化。计算的值远远大于实验值。表面能具有晶体和平衡的外形最紧密的行表面和最低的表面能。如果曲面具有高hkl指数，则曲面可以轻松表示楼梯结构。下图显示了简单立方体晶体表面的楼梯结构。表面能断键模型，水平断键：(cosa)(1/a)；垂直制动键：(sina)(1a)。每个碎键贡献/2能量，-图：晶体平衡形状和表面能量的关系。作图法：由一点处的特定矢量直径(与表面能量大小成比例的方向平行晶面法向)、矢量端点轨迹组成的曲面。面心立方体晶体的-图和平衡形状a)(110)截面B)平衡形状，-图的应用预测了单晶的平衡形状。平衡状态自由能很小的条件=最小值采取各向同性，平衡形

9、式采取球形，液体采取形态。如果是各向异性，则可以根据沃尔夫图解法获得平衡形状。图形中的所有点都创建了与向量直径垂直的平面，从而消除了平面之间重叠的区域，体积最小的多面体是晶体的平衡图形。(大卫亚设，美国电视电视剧)，沃尔夫定律：从原点到I晶面的距离hi的比率表明，晶体的平衡形状和实际生长的晶体的外形经常不同，不严格遵循沃尔夫定律。这主要是因为晶体生长在不平衡状态下进行，并受到杂质含量的影响。实际表面状态实际表面通常不是平面的。非常完全解析的表面通常有2-l00nm高度不同的楼梯，也有结构缺陷，例如裂缝。表面粗糙度引起表面力的变化：色散力：凹处最大，峰处最小。静电力：最高峰上最大、凹的地方最小。

10、2.3曲面运动Gibbs介面热力学方法将介面上的AA-BB简化为一个几何子界面。介面两侧的拓扑均匀，系统生成的参数偏差被视为介面要素。对于平面系统，所有光铅量Z可以用对应的表示法表示内部能量U、熵S、自由能F、Gibbs自由能G、介面mol数等。例如，体积V，介面体积V=0，单位是曲面强度，相对单位体积的mol数。，Gibbs吸附方程，Gibbs表面张力方程面：当组元素缺乏界面时，组元素是介面过剩时，用同样的方法可以得到开尔文公式，对球面有结论的小粒子具有高蒸气压。固体溶解度的开尔文公式：固体介面张力，C，C0分别是半径为R的小晶体和大晶体的溶解度，D是固体密度。结论小粒子溶解度大于大颗粒的溶

11、解度。3介面结构、3.1焚化晶界和界面可以根据相邻晶界方向角度的差异，将晶界分为焚化晶界和角晶界。小角度晶界：两个粒子之间的位置差异小于10。大角晶系：两个粒子之间的位置差异大于10。小角度晶界又分片：旋转晶界扭转晶界、对称旋转晶界的位误差模型基本特征：徐璐平行的两个晶体各作为逆旋转角形成的界面的单自由度晶界(图(A)。(a)对称旋转晶系(b)扭转晶系，前卫模型：用一系列平行叶片电位描述，如图所示。位误差间隔D与白氏矢量B的关系：小，sin(/2) /2，因此D=b/大(10)，D变小，错误的心重叠，模型不适用。对称晶系前卫模型，非对称旋转晶系的前卫模型基本特征：旋转界面不是(100)面，而是

12、任意(hk0)面。前卫模型：以两组平行叶片电位表示，白氏矢量分别为100和010。设定(hk0)面和100方向的角度(请参阅图)，AC单位距离内的两个位元错误数分别为、图中，001方向是旋转轴，(001)是界面的扭转晶系。如果两边的原子位置不匹配，螺丝就会出错，剩下的仍然匹配。前卫模型：由两组交叉螺杆电位组成的网格，一组平行100方向，一组平行010方向，网格的间距D也满足：D=b，扭转晶界前卫模型，小角度晶界是根据位误差模型确定的晶界中所有电势的总能量。示例：简单转储决策系统。单位长度刀片前卫能量：类型g:剪切系数；b:泊松矢量；泊松郑智薰；欧共体：以前卫为中心的能源；d:前卫间距。沿晶界单

13、位长度的父误差数为1D(b)。假设同好日前卫之间在滑动向量方向上没有相互作用力。单位晶界面积的能量gb(E/D)为：或者，任意大角晶系：一般条件。介面能量特征：1)具有高能量，基本上不随位差变化。2)实验测量了大角晶界可能牙齿表面能量的三分之一左右。3)温度作为温度的函数，温度升高，会稍微降低。4)对界面的取向敏感，晶界取向和下面的图片关系。晶界能量及晶界方向，热蚀法测量晶界能量高温下长时间加热，平衡状态二面角测量。在平衡关系中：gb-2cos(/2)=0，热敏法测量晶界能量，3.3攻击接口理论光栅不平衡度的说明：设置，无应力光栅常数为A，A，其光栅的不平衡度可以与接口C2成正比(C常数)。0

14、.25，形成郑智薰腔光栅接口。由于四个面间隔都有一个错误，严重不一致的前卫中心区域重叠，因此界面不再视为攻击性质。攻击介面特征1)增加了界面上原子的能量，产生了介面能量中唯一的化学成分(攻击=化学)。2)在接口上原子间距的差异不大的时候，点矩阵在发生一定的畸变后保持攻击。3)发生的点阵扭曲称为攻击扭曲或攻击变形。非变形攻击机、反攻击介面、位模型单位长度介面附加半正面数、位间距离D=1，因此，或者一维光栅误差在小位间隔D粗略写入伯氏矢量、b=(a)/2时使用边缘位校正。，也就是说，反攻击=化学结构可以根据Brooks理论来表达。表达式中的r0是与电位线相关的长度。非共享介面要素1)界面没有匹配的关系。2)像大角晶界一样，能量高，边界对介面方向不敏感。3)能量高，但由于表面原子之间的相互作用，晶界能量仍然低于表面能量。非共价介面，4介面特性4.1介面润湿4.2晶系分离4.3晶系移动4.4晶系扩散4.5晶系应力4.6晶系电荷和静电前卫4.7晶系效应