第三章：玻璃的表界面
第三章光学玻璃
被动式红外监控探测器依靠接收人体发出的红外辐射来进行监控报警。任何 温度在绝对零摄氏度以上的物体都会不断地向外界辐射红外线，人体的表面温度 为36℃，其大部分辐射能量集中在8-12μm的波长范围内。 在监控探测区域内，人体透过衣服的红外辐射能量被探测器的菲涅耳透镜聚 焦于热释电传感器上。当人体（入侵者）在这一探测范围中运动时，顺次地进入 菲涅耳透镜的某一视区，传感器输出信号的频率大约为0.1-10Hz ，这一频率范围 由探测器中的菲涅尔透镜、人体运动速度和热释电传感器本身的特性决定。
有色玻璃熔制举例
（1）碳黄色玻璃 硫碳着色。 即元素硫、硫化物或硫酸钠；石墨或焦炭作为还原剂。 原料要求含水量低，熔制温度通常较低，采用氯化物或氟 化物作为澄清剂。
（2）硒红宝石玻璃 硒和硫化镉着色。 二者的挥发、氧化。 硒加料；硫化镉，氧化锌。 熔制温度不超过1400℃，澄 清剂不能采用氧化砷或氧化锑， 而要采用氟化物。
如铁、钴、镍、铜、铬、锰等在可见光区域具有吸收带，若引入玻璃中将 因着色而降低透过率，故严格限制引入。 难熔颗粒要小些，易熔和密度小的颗粒可适当大些。 混料时间恰当。过小不均，过长分层。
（2）光学玻璃的熔炼
需要采取严格的熔炼制度，用来克服玻璃中的气泡、条纹、结石等常见缺陷， 保证产量和质量。 熔炼方法分坩埚法和池窑连续生产法。 不同熔制情况采取的熔制速度不同。 对于使用耐火材料坩埚熔制的玻璃，如果采取高速搅拌，会增加玻璃液对坩 埚的侵蚀；对于使用铂坩埚熔炼时，适当增加搅拌速度有利于均化过程。 连续熔制 将几个坩埚串联起来，使玻璃的形成、澄清、均化以及冷却四个阶段同时 在不同的坩埚中进行，具有产量大、周期短、成品率高等优点。是目前光学玻 璃生产工艺的主要发展趋势。 如熔化部采用陶瓷坩埚、均化部采用铂坩埚池炉、冷却部采用陶瓷坩埚。
《复合材料》课程笔记
《复合材料》课程笔记第一章：复合材料概述1.1 材料发展概述复合材料的发展历史可以追溯到古代，人们使用天然纤维（如草、木）与土壤、石灰等天然材料混合制作简单的复合材料，例如草绳、土木结构等。
然而，现代复合材料的真正发展始于20世纪40年代，当时因航空工业的需求，发展了玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）。
此后，复合材料技术经历了多个发展阶段，包括碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维的研制和应用。
70年代，芳纶纤维和碳化硅纤维的出现进一步推动了复合材料的发展。
这些高强度、高模量纤维能够与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，形成了各种具有特色的复合材料。
1.2 复合材料基本概念、特点复合材料是由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。
复合材料具有以下特点：- 重量轻：复合材料通常具有较低的密度，比传统材料轻，有利于减轻结构重量。
例如，碳纤维复合材料的密度仅为钢材的1/5左右。
- 强度高：复合材料可以承受较大的力和压力，具有较高的强度和刚度。
例如，碳纤维复合材料的拉伸强度可达到3500MPa以上。
- 加工成型方便：复合材料可以通过各种成型工艺进行加工，如缠绕、喷射、模压等。
这些工艺能够适应不同的产品形状和尺寸要求。
- 弹性优良：复合材料具有良好的弹性和抗冲击性能，能够吸收能量并减少损伤。
例如，橡胶基复合材料在受到冲击时能够吸收大量能量。
- 耐化学腐蚀和耐候性好：复合材料对酸碱、盐雾、紫外线等环境因素具有较好的抵抗能力，适用于恶劣环境下的应用。
例如，聚酯基复合材料在户外长期暴露下仍能保持较好的性能。
1.3 复合材料应用由于复合材料的优异性能，它们在各个领域得到了广泛的应用。
主要应用领域包括：- 航空航天：飞机、卫星、火箭等结构部件。
复合材料的高强度和轻质特性使其成为航空航天领域的重要材料，能够提高飞行器的性能和燃油效率。
玻璃工艺学复习资料
玻璃⼯艺学复习资料第⼀章玻璃的定义与结构1、解释转变温度、桥氧、硼反常现象和混合碱效应。
转变温度：使⾮晶态材料发⽣明显结构变化，导致热膨胀系数、⽐热容等性质发⽣突变的温度范围。
⾮桥氧：仅与⼀个成⽹离⼦相键连，⽽不被两个成⽹多⾯体所共的氧离⼦则为⾮桥氧。
桥氧：玻璃⽹络中作为两个成⽹多⾯体所共有顶⾓的氧离⼦，即起“桥梁”作⽤的氧离⼦。
硼反常性：在钠硅酸盐玻璃中加⼊氧化硼时，往往在性质变化曲线中产⽣极⼤值和极⼩值，这现象也称为硼反常性。
混合碱效应：在⼆元碱玻璃中，当玻璃中碱⾦属氧化物的总含量不变，⽤⼀种碱⾦属氧化物逐步取代另⼀种时，玻璃的性质不是呈直线变化，⽽是出现明显的极值。
这⼀效应叫做混合碱效应。
2、玻璃的通性有哪些？各向同性；⽆固定熔点；介稳性；渐变性和可逆性；①.各向同性玻璃态物质的质点总的来说都是⽆规则的，是统计均匀的，因此，它的物理化学性质在任何⽅向都是相同的。
这⼀点与液体类似，液体内部质点排列也是⽆序的，不会在某⼀⽅向上发现与其它⽅向不同的性质。
从这个⾓度来说，玻璃可以近似地看作过冷液。
②.⽆固定熔点玻璃态物质由熔体转变成固体是在⼀定温度区域（软化温度范围）内进⾏的，（从固态到熔融态的转变常常需要经历⼏百度的温度范围），它与结晶态物质不同，没有固定的熔点。
③.介稳性玻璃态物质⼀般是由熔融体过冷⽽得到。
在冷却过程中粘度过急剧增⼤，质点来不及作有规则排列⽽形成晶体，因⽽系统内能尚未处于最低值⽽⽐相应的结晶态物质含有较⾼的能量。
还有⾃发放热转化为内能较低的晶体的倾向。
④.性质变化的渐变性和可逆性玻璃态物质从熔融状态到固体状态的过程是渐变的，其物理、化学性质变化是连续的和可逆的，其中有⼀段温度区域呈塑性，称“转变”或“反常”区域。
3、分别阐述玻璃结构的晶⼦学说和⽆规则⽹络学说内容。
答：（1）玻璃的晶⼦学说揭⽰了玻璃中存在有规则排列区域，即有⼀定的有序区域，这对于玻璃的分相、晶化等本质的理解有重要价值，但初期的晶⼦学说机械地把这些有序区域当作微⼩晶体，并未指出相互之间的联系，因⽽对玻璃结构的理解是初级和不完善的。
第三章熔体结构(三)
常见玻璃类型
通过桥氧形成网络结构的玻璃称为
氧化物玻璃。
典型的玻璃形成的氧化物是SiO2、
B2O3、P2O5、和GeO2,制取的玻璃，在
实际应用和理论研究上均很重要。
一、硅酸盐玻璃 这是实用价值最大的一类玻璃，由于SiO2等原 料资源丰富，成本低，对常见的试剂和气体有良 好的化学稳定性，硬度高，生产方法简单等优点 而成为工业化生产的实用价值最大的一类玻璃。 1、石英玻璃：石英玻璃是由[SiO4]四面体以顶角 相连而组成的三维网络，Si的配位数为4，O的配 位数为2，Si－O键长为0.162nm,O－O键长为 0.265nm
(6) 10％molNa2O.8%molAl2O3.82%molSiO2
Z＝4
R＝(10+24+82×2)/(82+8×2)＝2.02
X＝0.0 Y＝3.96
注意——
有些的离子不属典型的网络形成离子或网络 变性离子，如Al3+、Pb2+等属于所谓的中间离子， 这时就不能准确地确定R值。 若 (R2O＋RO)/Al2O3 > 1 , 则有[AlO4] 即 为网络形成离子 若 (R2O＋RO)/Al2O3 < 1 , 为网络变性离子 则有[AlO6] 即
通过顶点连接成为三维空间网络，但在石英晶 体中硅氧四面体[SiO4]有着严格的规则排列； 而在石英玻璃中，硅氧四面体[SiO4]的排列是 无序的，缺乏对称性和周期性的重复，图3－ 21所示。
图3-21 石英晶体与石英玻璃结构比较
查哈里阿生还提出氧化物（AmOn）形成玻璃时， 应具备如下四个条件： 1．网络中每个氧离子最多与两个A离子相联； 2．氧多面体中，A离子配位数必须是小的， 即为4或3。 3．氧多面体相互连接只能共顶而不能共棱或 共面。 4．每个氧多面体至少有三个顶角是与相邻多 面体共有以形成连续的无规则空间结构网络。
第三章聚合物的表面改性 材料表界面课件
interface will influence its properties.
-C-C-
Woven carbon fiber composite
-C-O -C=O
XPS limitations:
1. Inability to detect hydrogen (H) and Helium (He) 2. X-Ray beam diameter is wider (limit is about 150
。
3.3.2 火焰处理和热处理
● 火焰处理是用可燃性气体的热氧化焰对聚合物表面进行 瞬间高温燃烧，使其表面发生氧化反应而达到处理的⻋ 的。
可燃性气体通常采用焦炉煤气、甲烷、丙烷、丁烷、天然气和 一定比例的空气或氧气；
瞬间：0.01~0.1s内；高温：1000~2700 ℃； 氧化过程按自由基机理进行，表面可被氧化引入含氧基团，并 随着发生断链反应。
或单体在等离子体的作用下发生反应。
聚合物表面与氧等离子体发生的反应：
□ CO2，CO，H2O及其它含氧的气体在等离子状态下也 可分解为原子氧，也具有氧等离子作用。
□ 等离子体表面氧化反应是自由基连锁反应，反应不仅引 入了大量的含氧基团，如羰基，羧基及羟基，而且对材 料表面有刻蚀作用。
□ 氮等离子体中有N，N+，N-，N*等活性粒子,与聚合 物 表面自由基反应,引入含氮的活性基团。
Electromagnetic spectrum
Various processes (b, c) can take place after hole generation (a)
Why UHV for Surface Analysis?
■
Degree of Vacuum
(完整word版)材料的表面界面特征及在材料工程上的意义
四川大学2009级研究生期末考试论文（2009-1010学年下半学年）课程名称:材料的表面与界面论文题目:材料的表界面特征及在材料工程上的意义学院:材料科学与工程学院专业:材料材料与纳米技术学号:S092030姓名:管东波材料的表面界面特征及在材料工程上的意义摘要：本文首先提出为什么要研究材料的表界面，随后又系统的阐述了何为材料的表界面，接着文章从液体材料表面、固体材料表面、固-液界面、金属材料表面、高分子材料表界面、无机材料表面等不同类型的材料表面来具体分析了材料表面的特征，最后文章简单的说明了材料的表界面对提高、改善材料工程上很多材料的性能有极大的帮助，研究材料的表界面对材料工程有着非常重要的意义。
关键词：材料的表界面、表面、界面、材料工程1．前言材料科学、信息科学和生命科学是当今新技术革命的三大前沿科学，而材料科学方面材料的表界面占有十分重要的地位，所以说研究材料的表界面特征对我们材料科学的发展、对我们材料工程的设计有着非常重要的意义。
材料的表面界面与其内部本体在结构上和化学组成上都有很明显的差别，这是因为在材料内部的原子周围布满原子，原子之间相互作用，中间原子所受的力是平衡的，而对于处于表面界面的原子，它所受的力场是不平衡的，所以在材料的表面产生了表面能（若是界面则称为界面能）。
对于不同组分构成的材料，组分与组分之间可形成界面，而对于单组份材料，由于其内部不可避免的会存在有缺陷，所以即使单组份材料内部也会产生界面。
材料的表界面对材料的整体性能有很大的影响，有的甚至直接决定了材料的性能，所以我们有必要把研究材料的表界面作为我们研究材料的一个重要研究对象。
2．材料表界面的定义及其特征2.1材料表界面的定义何谓材料的表界面？表界面研究的对象是不均匀的体系，具有多相性，即该体系中存在两个或两个以上的不同的相，而表界面就是指由一个相过渡到另一个相的这段过渡区域。
虽然说表面和界面都是指这段过渡区域，但由于习惯的不同，我们还是把表面和界面区分开来的，一般把固-气、液-气的过渡的过渡区域称为表面，而把固-液、液-液、固-固之间的过渡区域称为界面。
玻璃工艺学--3
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2、分相在生产上的应用
高硅氧玻璃（Vycor） 派莱克斯玻璃（Pyrex）
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（1）高硅氧玻璃（Vycor）
不均相 成核
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均相成核
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不稳分解
二、析晶过程（核化与晶化）
1、核化 均相核化（均匀成核） 异相核化（非均匀成核）
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2、晶化（晶体生长）
（1）晶体的生长过程
正常生长 螺旋位错生长
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（2）影响因素
温度 粘度 晶－液界面性质 液体组成 杂质 界面能
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性能 =7.510–7/C 短时使用 T=1200C 长时使用T=900C 化稳、机械强度等可与石英玻璃媲美，成本低。 用途 代替石英玻璃作耐热仪器，高压水银灯管。 多孔玻璃可作吸湿剂、催化剂载体、细菌过滤器。
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Vycor玻璃与石英玻璃的性能比较
Vycor玻璃
石英玻璃
4、对玻璃着色的影响
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例：陶瓷铁红釉大红花着色
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第二节 玻璃的析晶
一、析晶
1、析晶 玻璃或熔晶体的能力
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玻璃相变
固－液相变 （析晶）
液-液相变 （分相）
体积析晶 表面析晶
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无机非金属材料基础第三章 熔体和非晶体固体 玻璃体
气相反应 体
电解
获得方法 冲击波 磨碎
高速中子线 a 粒子线 金属醇盐 水解 真空蒸发 沉积
阴极飞溅和 氧化反应
气相反应
辉光放电
阴极法
实
例
石英、长石等晶体，通过爆炸的冲击波而非晶化
晶体通过磨碎，粒子表面层逐渐非晶化
石英晶体经高速中子线或 a 粒子线的照射后转变为非
晶体石英
Si、B、P、Al、Na、K 等醇盐酒精溶液加水分解得到
璃，即三分之二规则。
由Tg与TM作图知，易生成玻璃的组成在直线 的上方。 此规则反映形成玻璃所需冷却速率 大小。
.
3、玻璃形成的结晶化学条件
（1）键强（孙光汉理论）
键强和玻璃形成的关系是基于熔体在结晶 化过程中，原子或离子要进行重排，熔体结构 中原子或离子原有的化学键会连续破坏，并重 新组合成新健。
★非传统玻璃(无定形物质)：TM<Tg ，二 者的转变不可逆。用气相沉积等方法 制得的Si、Ge、Bi等无定形薄膜在加热 到Tg之前就会产生析晶相变，宏观特 性上也有一定差别。
.
四、 由熔融态向玻璃态转化时，
物理、化学性质随温度变化的连续性
性
质
Tg
Tf 温度
第一类性质：玻璃的电导、比容、粘度等
第二类性质：玻璃的热容、膨胀系数、密度、折射率等
xVV ＝1－exp(3IVu3t4) 当x值较小时 x， VV 3IVu3t4
.
借助此式绘制给定体积分数的三T曲线，
＝1－ 的e并冷x可却p估速计(率3出。IV 避u免3t生4)成10－6分数晶体所必须 值较小时 x， VV 3IVu3t4
三T即：Time-Temperature-
Transformation
人教版高中化学选修一课件：第三章 第三节 玻璃、陶瓷和水泥(42张PPT)
D．BN
解析：制造陶瓷的原料是黏土。
答案：B
()
2．下列关于玻璃的叙述中，正确的是
()
A．玻璃是人类最早使用的硅酸盐材料
B．红色玻璃中含有氧化钴
C．钢化玻璃的主要原料是纯碱、石灰石、石英
D．无色玻璃是纯净物
解析：陶瓷是人类最早使用的硅酸盐材料，A错；红
色玻璃中含有氧化铜，含有氧化钴的玻璃呈蓝色，B
主要成分 及种类
(3CaO·SiO2)硅酸二钙 (2CaO·SiO2) 铝酸三钙
(3CaO·Al2O3)
普通玻璃(Na2SiO3、 CaSiO3和SiO2)、石 种类：土器、 英玻璃、光学玻璃、陶器、瓷器、
玻璃纤维、钢化玻 炻器等
璃
主要性能
典型设备 共同特点
有水硬性：跟水掺和搅 拌后凝固变硬、水中也 能硬化
解析：钢化玻璃的机械强度比普通玻璃大，抗震裂、不易 破碎，碎块没有尖锐的棱角，不易伤人，常用于制造汽车 或火车的车窗等；提高SiO2的含量或加入B2O3能提高玻璃 的化学稳定性和降低它的热膨胀系数，从而使其更耐高温 和抗化学腐蚀，可用于制造高级的化学反应容器；加入 PbO后制得的光学玻璃折光率高，可用来制造光学仪器。 答案：a d b c
加入某些金属 彩色玻璃
氧化物
性能和用途
Co2O3
加入
的玻璃呈蓝色，
Cu2O 加入Fe2＋ 的玻璃呈红色，含
有
的普通玻璃呈淡绿色。
把普通玻璃加 机械强度大，抗震裂，不易破 热软化，然后 碎，一旦破碎，碎块没有尖锐 钢化玻璃 用 冷风急吹 的棱角，常用于制造汽车或火
车的车窗等。
[跟随名师·解疑难] (1)在生产玻璃的原料中，SiO2的用量比较大，故玻璃的 主要成分是SiO2。 (2)玻璃属于混合物，没有固定的熔点，只是在某一温度 范围内逐渐软化，在软化状态时，可以被吹制成各种形状的 玻璃制品。 (3)调整玻璃的化学组成，可以制得具有不同性能和用途 的玻璃制品，例如，加入AgBr(或AgCl)和微量CuO，制成变 色玻璃，可用于制作太阳镜片等。
材料表界面 作业答案
材料表界面 作业第一章：序言1. 何谓表界面？为什么说表界面不是几何学上的平面？P1 （1）表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域，由物质的具体聚集态表界面可以分为：表面（固—气、液—气）；界面（固—液、液—液、固—固）（2）表界面是相与相之间的过渡区域，其结构、能量、组成等都呈现出连续性变化，是一个结构复杂，厚度约为几个分子维度的准三维区域，因此，表界面并不是几何学上的平面。
第二章：液体表面2. 试述表面张力（表面能）产生的原因。
P12 原因为液体表面层的分子所受的力不均匀而产生的。
液体表面层即气液界面中的分子受到指向液体内部的液体分子的吸引力，也受到指向气相的气体分子的吸引力，由于气相吸引力太小，这样，气液界面的分子净受到指向液体内部并垂直于表面的引力作用，即为表面张力。
这里的分子间作用力为范德华力。
3. 在20℃及常压条件下，将半径为1.00cm 的水滴分散成半径为1.00μm(10-6m)的雾沫,需要做多少功?在20℃及1.01*105Pa 条件下，将半径为r1=1.00mm 的水滴分散成半径为r2=10-3mm 的雾沫,需要做多少功?解：3912()10rN r ==96232'0.0728*4*3.14*[10*(10)(10)]0.000913r W J --=--=-4.弯曲面的附加压力ΔP 与液体表面张力和曲率半径之间存在怎样的关系？若弯曲面为球面，平面又怎样？答：（1）关系为：Laplace 方程： （2）球面：2/ (2-15)p r σ∆=12(1/1/) (2-18)p r r σ∆=+（3）平面： r1=r2=∞,即跨越平面没有压差。
5. 毛细管法测定液体表面张力的原理是什么？为什么要对毛细管法进行修正？ 答：原理：液体在毛细管中易产生毛细现象。
由Laplace 方程推广到一般情况:其中△ρ为气液两相密度之差, θ为液体与管壁之间的接触角，r 为毛细管的半径，由上式，从毛细管上升或下降高度h 可以求出表面张力σ，即：(2)修正的原因：①把凹凸月面当作球面近似处理。
玻璃的表面与界面
1 表面是不溶的,成分难于发生变化,只生成小于5nm的水化层 2 在溶液中选择溶出,如R+,表面生成富硅保护膜, 3 双层保护膜型.富硅,富铝,等
它表示了玻璃垂直断面的结构.玻璃表面的 断键吸附H+,形成羟基团,并有一些H+与玻璃 中的Na+交换,扩散到玻璃结构中去.
Hand 等在Greaves改进的无序网络结构模型碱 硅酸盐玻璃整体结构二维示意图.
得出了碱硅酸盐玻璃表面的二维示意图
从图中可以看出,结构中存在网络调整物, 碱离子的通道.
分子动力学(MI)模拟法是以原子之间的相互作 用来计算多原子系统的结构和性质,与静态模 拟法(如硬球逐步沉积法)相比,分子动力学模 拟考虑到最邻近原子之间的相互作用,原子之 间的位置和运动速度,用计算机不断迭代计算 出系统的总能量以及位形的变化,能探讨温度, 压力,体积,密度等参数的影响,更为直观,比较 合理.20世纪80年代学者们就开始使用计算机,
用分子动力学方法研究玻璃结构和玻璃的表 面结构.
Garofalini用分子动力学计算机模拟计算出 石英玻璃表面迁移的氧原子密度.
2.玻璃表面的化学组成
玻璃表面的化学组成与玻璃组成有一定的差异.
即沿着玻璃表面的垂直方向的各组成含量不是恒 定值.也就是说,组成随深度的变化而变化.
造成玻璃表面与主体组成上的差异,主要是由于 熔制,形成,热加工以及玻璃表面受大气,水和其他溶 液侵蚀等不同原因造成的.
微晶玻璃第三章
3结构众所周知，微晶玻璃是由晶相和玻璃相组成的。
晶相是多晶结构，晶粒细小，比一般结晶材料的晶体要小得多，一般为0.1～0.5μm，晶体在微晶玻璃中为空间取向分布。
在晶体之间残留的玻璃相，玻璃相把数量巨大、粒度细微的晶体结合起来。
在晶体含量方面可以从不含晶体的玻璃，逐渐变化到含有90％以上微晶的多晶体。
而玻璃相的数量可以从5％变化到50％以上。
晶化后残余玻璃相是很稳定的，在一般条件下不会析晶。
因此，微晶玻璃是晶体和玻璃体的复合材料，其性能由两者的性质及数量比例决定。
由于微晶玻璃的结构来源于原始玻璃的组成、结构、分相、析晶以及玻璃熔体的成核和晶体生长过程，因此，本章首先从玻璃的基础知识开始讨论。
3.1玻璃的定义、通性与结构3.1.1玻璃的定义3.1.1.1 广义上的定义玻璃是呈现玻璃转变现象的非晶态固体。
所谓玻璃转变现象是指当物质由固体加热或由熔体冷却时，在相当于晶态物质熔点绝对温度的1/2～2/3温度附近出现热膨胀、比热容等性能的突变，这一温度称为玻璃转变温度。
3.1.1.2 狭义上的定义玻璃是一种在凝固时基本不结晶的无机熔融物，即通常所说的无机玻璃，最常见的为硅酸盐玻璃。
3.1.2玻璃的通性3.1.2.1各向同性硅酸盐熔体内形成的是相当大的、形状不规则的近程有序、远程无序的离子聚合结构，玻璃态结构类似于硅酸盐熔体结构。
因此，玻璃和非晶态的原子排列都是近程有序、远程无序的，结构单元不像晶体那样按定向排列，它们在本质上呈各向同性，例如玻璃态物质各方向的硬度、弹性模量、热膨胀系数、折射率、导电率等都是相同的。
因此，玻璃的各向同性是统计均质结构的外在表现。
3.1.2.2介稳性玻璃在熔体冷却过程中，黏度急剧增大，质点来不及作有规则排列，释放能量较结晶潜热（凝固热）小，因此，玻璃态物质比相应的结晶态物质含有较大的能量。
玻璃不是处于能量最低的稳定状态，而是处于能量的介稳状态，如图3－1所示。
3.1.2.3无固定熔点玻璃态物质由固体转变为液体是在一定的温度范围（软化温度范围）内进行的，不同于结晶态物质，它没有固定的熔点。
玻璃的表面与界面
实验证实，即使是新鲜的玻璃表面也存在格 林菲斯缺陷（微裂纹），然而随着玻璃和水 蒸气的反应，随着存放，运输和使用过程中 的碰撞，擦伤，为裂纹的数量，长度，强度 均增加，导致玻璃的硬度和强度明显下降。
脆性材料的理论强度约为实际强度的几
百倍，正是因为存在于固体表面的微裂纹起
着应力倍增器的作用，使位于裂缝尖端的实
为通过吸附大气中活动的分子的途径来降低 表面能是比较合理的.
大气中最普遍的活性介质是水,玻璃表面的不饱和键, 能够快速吸附大气中的水,并能和吸附的水分子进行 反应,形成各种羟基团,根据红外光谱测定,硅酸盐玻 璃表面存在以下官能团.
单羟基,双羟基,闭合羟基官能团
单羟基在红外光谱吸收带位于3.747/cm
在玻璃的表面结构中,此通道发出中断,在 调整物通道中,一部分碱离子被水蒸汽中的氢 离子取代,氧和氢键合,形成Si-OH基团,由于 Si-OH基团的形成,表面的通道由氢键连接,但 氢键比离子键要弱,因而使玻璃表面区域键强 降低,易形成玻璃表面缺陷,同时,此通道也有 利于表面的扩散.这些缺陷有可能构成表面的 格列菲斯微裂纹.
1. 玻璃的表面结构
当玻璃从成型温度冷却到室温,或断裂出现 新表面时,表面就存在不饱和键,或称为断 键.Weyl等人假定二氧化硅和石英玻璃断键或 二氧化硅凝胶脱水时,形成D单元和E单元.如 下图所示:
为保持表面中性和化学计量组成,破碎的二氧化硅玻璃新
鲜表面保持相等数量的E单元和D单元（基团）．
（2）试管的洗涤： 实验前： 用热碱液洗油污 实验后： 用稀硝酸洗银镜
由于镀银所用原料硝酸银价格比较昂贵，膜层和玻 璃之间的也不太牢固，大部分装饰镜现在用真空镀 铝代替，但一些质量要求高的装饰镜及形状比较复 杂的玻璃器皿，艺术品、小口玻璃瓶罐及保温瓶夹 层仍用玻璃镀银。
玻璃的表面改性
（４）表面导电膜——在玻璃表面镀上过 渡金属氧化物或金属薄膜，使其具有良 好导电性。
制造方法包括热喷雾法，浸渍法，真空 沉积法，还原法等。
（５）表面憎水薄层：在表面施加硅有机 化合物等镀层，起到憎水作用。 用于高湿度下的观察窗、电气绝缘材料 、防止玻璃表面漏电、防止风化。 常用聚硅酮作为憎水涂层。 制备方法：喷雾法、浸渍法等。
（２）缺点 离子注入层薄 离子束从发射至零部件表面为直线行进 ，因此，不能处理复杂的凹腔表面。 由于离子注入需在真空下进行，因此， 零部件的尺寸受到真空室尺寸的限制。 离子注入设备比较昂贵，因此工艺成本 较高。
三.电子束表面改性处理
１.电子束的产生及其材料表层的作用 电子由电子枪阴极发射后，在加速电压的作 用下，速度高达光束的2/3。高速电子束经电 磁透镜聚集后辐照在待处理的工件表面。
由于离子注入是高能量输入的动力学过 程，因此获得的表面层组成相不受传统 的热力学限制，可获得其它方法得不到 的新合金相。
离子注入表层与基体材料无明显界面， 使力学性能在注入层至基材为连续过渡 ，保证了注入层与基材之间具有良好的 动力学匹配性，避免了表面层的破裂与 剥落。
离子注入为常温真空表面处理技术，因此 ，零部件经表面处理后，无变形，无氧化 ，保持的尺寸精度和表面状态。
滤光膜
吸收、干涉原理
中性密度滤光膜：在一个很宽的光谱内 ，均匀的降低入射光束强度的滤光膜。 由单层金属制成。
截止滤光膜：特征曲线
干涉截止：长波通、短波通
带通滤光膜：只允许一定宽度光波通过 的滤光片。
第三节 三束表面改性
三束指：激光束、离子束、电子束。 采用三束对材料表面进行改性具有如下特 点： 激光束的能量密度大，被处理的材料表
表面与界面讲解PPT学习教案
γLV
V
γSV
L
γSL
S
SV SL LV .cos
cos SV SL LV
Young方 程
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润湿情况
A、 SV SL 时，cos 0 90
不润湿
B、 0 ( SV SL ) LV 时，0 cos 1
0 90 润湿
❖ C、C0分别为半径r的小晶体与大晶体的溶解度 ❖ 含义：微小晶粒溶解度大于普通颗粒溶解度
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二、 润湿与粘附
表面润湿——固液界面重要的行为
❖ 1、润 湿 wetting ❖ 液体与固体接触，液体在固体表面的铺展
。 ❖ 热力学定义：固液接触后，使体系自由能
下降的现象称为润湿
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(1) 范德华力(分子引力)
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、蒸发热等性质有关。 来源三方面：定向作用力FK(静电力) ，发生于极性分子之间。
诱导作用力FD，发生于极性与非极性分子之间。 分散作用力FL(色散力) ，发生于非极性分子之间。 表达式：F范＝FK＋FD＋FL 1/r7 说明：分子间引力的作用范围极小，一般为3～5A0。 当两个分子过分靠近而引起电子层间斥力约等于B/r3 , 故范得华力只表现出引力作用。
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2. 晶体表面的几何结构
分析面心立方结构(100)、(110)、(111)三个低指数面上原子的分布。
(11
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实验观测表明： 固体的实际表面是不规则和粗糙的， 最重要的表现为表面粗糙度和微裂纹。
表面粗糙度：(1)使表面力场变得不均匀，其活性及其它表面性 质也随之发生变化。
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N+离子，会明显提高β-铝霞石的结晶，注入5×1016ions/cm2 时，反而降低了表面析晶。
如果玻璃表面不是平整，而是粗糙、有台阶的话，则入射到玻璃上的光， 再由玻璃反射、透射，均会造成光程差，影响到光学系统的成像。
由物理学可知，假如玻璃表面有台阶，高度为 h, 当入射角为θ光线到玻 璃表面，产生的光程差 Δ =2hCosθ ,要获得镜面反射，光程差不能超过波 长的八分之一。如果是红外区，λ 为1000nm，h就可达60nm ,即可允许较 大的粗糙度。若是在紫外区，允许的粗糙度就要比25nm还小。 假如是透射光，入射角ι ，根据物理学原理光程差Δ≤ 1/8 λ ι=00， λ=400nm， h=100nm ι=900 λ=400nm， h=44.7nm
a) 玻璃硬度
当玻璃表面用金刚石锥施加集中负荷时，表面首先出现弹性变形，接着塑 性变形，负荷再大时就出现裂纹。在金刚石锥上加合适的负荷，使玻璃表面 形成刻痕，以刻痕的尺寸作为玻璃硬度大小的依据。 玻璃结构键强度愈高，硬度愈大。 玻璃结构的交联程度大，硬度越大。 玻璃表面结构比较致密，硬度也提高。
玻璃表面有预应力，可以提高玻璃硬度。
[SiO2 ]
水化层 <50A 主体玻璃
[SiO2 ] 选择性滤沥 主体玻璃
[SiO2 ]
富SiO 2
富 Al2O3- SiO2 或 CaO－P2 O5
X
（1）SiO2玻璃，中性溶液
X （2）含少量碱性氧化物pH<9 （3）含Al2O3 或- CaO－P2O5 硅酸盐玻璃与碱性溶液 单保护膜 中均稳定 双保护膜
铝羟基团
P
磷羟基团
3 玻璃表面结构理论
作花济夫玻璃表面模型：
表面吸附H+形成OH－，另外还有与Na+交换后进入玻璃表面的 H+。
亚表面理论（subsurface）
1975年Weyl提出的，亚表面层厚度约为胶体粒子大小（10 －4 －10 － 5cm），它不完全对称。
1. 表面熵最高，向内部梯度降低。
70 80
100 80 75
2 ）电学性质
玻璃在常温下电阻很大，电导率很小，石英玻璃的体积电导率为 1X10-17Ω –1.cm-1,钠钙硅玻璃为1X10-9——1X10-14 Ω –1.cm-1。 表面电阻率ρ 是取一个正方形固体表面，测定其两对边间的电阻值， 它与此正方形的边长无关，量纲为Ω / square，或称方块电阻，量纲为Ω / □ 。
注入离子在玻璃表面分布：它与注入离子的能量，剂量，离子的质 量与原子序数有关，此外还与玻璃的原子质量和序数有关。注入离子在 玻璃表面的浓度分布为高斯分布。注入深度与注入离子束能量有关。
N(x) 10 ions cm 3
20
10
20
30
200
600
800 1000
深度 （A） NaCl
0
钠钙硅酸盐玻璃注入As+离子后浓度分布 注入剂量：5.3×1015ions/cm2
a
b
石英晶体断裂表面结构（a）和石英玻璃断裂表面结构（b）
表面吸附大气中活性分子以降低表面能。二氧化硅玻璃表面有以下几种羟基 团: H
H O Si
H O Si O Si O Si H O O
单羟基
双羟基
闭合羟基团
硼、铝、磷这类玻璃形成体会吸附水，形成硼、铝、磷羟基团。
H O
H O O
H
B
硼羟基团
Al
表面电导率Ω -1/□
玻璃种类
20%R.H 40%R.H 60%R.H 80%R.H 100%R.H
E玻璃 钠钙硅玻璃
2X10-15 4X10-12
6X10-14 1.8X10-12
7X10-13 7.5X10-11
9X10-12 9.8X10-10
3.4X10-11 2.8X10-9
自室温至100℃ ，玻璃表面电导率随温度升高而增大。但温度超过 100℃ ，由于水分子蒸发快，水膜难以形成，表面电导率下降，直至与 体积电导率一致。
注意点 （1）表面层的范围从纳米到几微米，范围很小。 （2）各种测试方法有误差，各种结果不尽相同。 （3）各种玻璃的组成不同，成型方法也不相同，不可 强制一律。
浮法玻璃上表面Na2O成分深度分布
浮法玻璃上表面SiO2成分深度分析
浮法玻璃下表面SnO2成分深度分布
小玻璃瓶罐退火后表面成分分布
表面化学组成和浓度深度分布分析方法
b) 离子注入的方法
采用离子注入机，它由离子源，质量分析器，加速系统，聚焦透镜，扫描系统， 靶室，真空系统，电源和控制系统组成。
离子源：把注入元素的原子电离成离子，并把离子从离子源引出，注入离子的种
类和离子束流强度均取决于离子源。 质量分析器：将要的离子从其它不要的离子中分离出来，一般采用磁分析器。 加速器：使用静电场加速的高压加速器。 聚焦系统：将离子束聚焦，减少损失。用单透镜或四极透镜，可多次聚焦。 扫描系统：使离子束在样品上按X、Y方向扫描。 真空度：系统真空度应小于1.33×10-3pa。靶真空度小于1.33×10-4pa。 注入剂量一般需在1015ions/cm2以上。
2. 原子或质点不对称，空隙大或微孔性。 3. 表面无序度高于内部。
用亚表面理论可以解释以下现象： （1）表面形成Griffith微裂纹，导致玻璃实际强度小于理论值。 （2）玻璃表面微孔性，反应表面大，可与O2、SO2、HCl、H2O等反 应。 （3）有利于离子迁移扩散，玻璃可进行离子交换。 （4）表面可析晶。 （5）表面有微孔，温度升高有流变性，所以可抛光，玻璃与金属封接 后应力较快消除残余应力。
c 离子注入对玻璃性质的影响
光学性能：例如光导纤维表面注入Li+，可形成厚为1微米，折射率为1.505
的表面层,比SiO2提高了3%。
力学性能：注入剂量N+<3×1017 ions/cm2 时，随剂量的增加硬度也随之
增加。
结晶性能：在Li2O-ZnO-Al2O3-SiO2表面结晶时，注入1×1016ions/cm的
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 况可分成五种类型，主要取决于玻璃的本质（组成）和介质的种 类。 （1）不溶型——表面不溶，只形成厚度小于5nm的水化层，石英玻 璃在中性溶液中。 （2）单保护膜型——在溶液中，玻璃中某些组成，如R+，选择性溶 出，形成高SiO2的保护膜，含少量碱性氧化物 的玻璃，溶液PH<9。 （3）双保护膜型——该种玻璃为含Al2O3或CaO和P2O5的硅酸盐玻 璃，在溶液中形成SiO2层，再形成高铝硅层或 磷酸钙层（内部），再向里为主体玻璃，酸性 或碱性溶液中均较稳定。。
④ 表面改性。如离子交换、离子注入。
玻璃表面处理具有下列优点：
①
提高玻璃的物理、化学性质。如表面有机硅涂层提高玻璃的强度和化学稳 定性。
②
获得玻璃基片所不能具有的特性。如玻璃基片上镀TbFeC0磁光薄膜后， 可用作信息记录的磁光盘，又如在平板玻璃上贴光栅膜后，经光线照射 后呈虹彩效果。
③
同一玻璃基片采用不同表面处理方法，可以获得不同的性质和功能。如浮
第三章
玻璃表界面
1 玻璃表面化学组成
事实：玻璃表面的化学组成与它的内部，或者说整体 的组成也不尽相同。 原因：熔制、成型、热处理以及玻璃表面受水、大气 和其它化学侵 蚀所造成的。 组分的挥发性: Na、B与F等组成容易从表面挥发。 降低表面能: Pb2+、Sn2+、Sb3+、Bi3+、Zn2+、Cd2+
X
[SiO2 ]
[SiO2 ]
主体玻璃
主体玻璃
X
X
(4)保护膜破坏型 含有 较多 碱性氧 化物 ， 且二 至三 种碱离 子滤 沥 后 膜中SiO2浓度较低，保护 作用弱。水进入网络。进 一步作用 pH<9
（5）溶解型 溶液pH>9～10 组成同（4）
5 玻璃表面性质
1） 光学性质
a) 粗糙度对光的反射和透射的影响
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。
淬火玻璃的表面电导率高于退火玻璃的表面电导率。退火玻璃表面因炉气
中的SO2与表面的Na2O生成Na2SO4白霜，洗涤后溶去，形成富硅层，表面电导 率低。
玻璃表面微晶化后，与原玻璃相比，表面电导率降低。
3 ）力学性质
本征强度10-14GPa 实际强度140MPa
原因
存在微观和宏观缺陷，表面微裂纹
在1920年Griffith就假定玻璃表面存在着外部应力明显集中的缺陷， 即Griffith裂纹，使玻璃在低应力下发生断裂。 有人将表面的微裂纹分为本征微裂纹，深度在几个纳米到几十个 纳米之间；结构微裂纹在几十纳米到几百纳米之间；制造微裂纹在 几个微米之间，其中最重要的是Griffith裂纹。
b) 表面组成对反射和折射的影响
玻璃种类
重火石玻璃
表面状态 陈旧表面 新鲜表面 陈旧表面 新鲜表面
折射率nD
1.549 1.748 1.492 1.518
平板玻璃
研磨、抛光后玻璃表面折射率：
玻璃种类
火石玻璃 重火石玻璃 轻火石玻璃 硼硅酸盐玻璃 平板玻璃 石英玻璃 高硅氧玻璃 主体玻璃折射率 nD 1.62 1.746 1.591 1.518 1.525 1.459 1.459 新表面折射率nD 1.546 1.670 1.562 1.513 1.501 1.462 1.463 研磨压力/g.cm-2