材料物理化学2
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
向里呈多层结构。表层粒子非晶化 0.1-1mm，纤维组织
LEED低能电子衍射
固体表面模型 原子台阶对断裂H-H和C-C链有效，扭折部分对加成C-C和 C=O键有效。
2. 固体表面力场
定义：
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。固体表面的吸引作用，是固体的表面力场 和被吸引质点的力场相互作用所产生的，这种相互作用力 称之为固体表面力。
共格晶界
半共格晶界
非共格晶界
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。
晶界形状由表面张力的相互关系决定。 晶界在多晶体中的形状、构造和分布称为晶界构形。
当r1 很小时，此时压力称为毛细管力。
附加压力ΔΡ总是指向曲面的曲率中心，当曲面为凸面时 为正值，凹面时为负值。 与曲率半径成反比，而与表面张 力成正比。
1、弯曲表面对液体表面蒸气压的影响
lnp/po = 2Mγ/ρRT × 1/r
开尔文方程
P为曲面上蒸气压；po为平面上蒸气压；r为球形液滴半径， ρ为 液体密度，M为相对分子量， γ为液体的表面张力，R为气体常
F范＝FK＋FD＋FL 1/r7
说明: 分子间引力的作用范围极小，一般为3～5Å。当两个分 子过分靠近而引起电子层间斥力约等于B/r13 , 故范得华力只 表现出引力作用。
３．固体的表面能： １） 共价晶体表面能 ２） 离子晶体的表面能
共价晶体表面能是破坏单位面积上的全部键所需能量的一半．
us
固体表面的几何结构
实验观测表明，固体实际表面是不规则而粗糙的， 存在着无数台阶、裂缝和凹凸不平的峰谷。这些不同的 几何状态同样会对表面性质产生影响，其中最重要的是 表面粗糙度和微裂纹。
（1）表面粗糙度对表面力场的影响
表面粗糙度会引起表面力场变化，进而影响其表面
性质。 色散力：位于凹谷深处的质点，其色散力最大，凹谷
3． NaCl形成双电层厚度为0.02nm, 在Al2O3、SiO2、ZrO2等表面上也 会形成双电层。
4．当表面形成双电层后，它将向内层发生作用，并引起内层离子的 极化和重排，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，与阴、阳离子的半径差有关，半径差值愈大深 度愈深。
5．离子极化性能愈大，双电层愈厚，从而表面能愈低。 如：PbI2表面能最小（130尔格／厘米2）；PbF2次之 （900尔格／厘米2）；CaF2最大（2500尔格／厘米2）
处于固体表面及界面的质点，其境遇和内部是不同 的，表面及界面的质点由于受力不均衡而处于较高的 能阶，所以导致材料呈现一系列特殊性质, 材料的摩擦、 腐蚀、氧化、催化、吸附性能都要受到表面与界面的 影响.
内容提要
A 固体材料表面特征及表面结构 B 晶体材料中的晶界结构 C 固体材料的界面
固体的表面特征
玻璃表面结构
表面张力的存在，使玻璃表面组成与内部显著不同
在熔体转变为玻璃体的过程中，为了保持最小表面 能，玻璃表面各成分将按其对表面自由能的贡献能力自 发地转移和扩散。
在玻璃成型和退火过程中，碱、氟等易挥发组分自 表面挥发损失。
玻璃中的极化离子会对表面结构和性质产生影响。 例如：分别用0.1-1.0 mol.L-的Cu2+、Ca2+、Zn2+、Pb2+的 盐溶液处理的纳钙硅酸盐玻璃粉末，在98%湿度下， Cu2+增重最多， Pb2+最少。
固体中表面力分为哪几类？
表面力的分类：
(1) 化学力（静电力） (2) 范德华力(分子引力) 化学力: 本质上是静电力。主要来自表面质点的不饱和价键， 并可以用表面能的数值来估算。
范氏力：固体表面与被吸附质点（如气体分子）之间相互作用 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。
2. 从晶格点阵稳定性考虑
Na
Cl
作用力较大，极化率小的
晶 体
正离子应处于稳定的晶格
位置而易极化的负离子受
诱导极化偶极子排斥而
推向外侧，从而形成表
离子晶体表面的电子云变形和离子
重排
面双电层。重排结果使晶
体表面能量趋于稳定。
0.020nm
晶
晶
体
体
内
表
部
面
0.281nm 0.266nm NaCl表面层中Na+向里；Cl-向外移动并形成双电层
γSV
ψ γSV
固态晶粒 固态晶粒 γSS
(A)热腐蚀角(槽角)
γSL
γSL
γSS
(B)固－固－液平衡的二面角
对于固－固－气界面张力平衡关系： 对于固－固－液界面张力平衡关系:
y
cos 2
=
1 2
g g
SS SV
cos 1 SS 2 2 SL
不同热处理时的第二相分布：
(抛光断面)
(3) 关系到两种材料间的封接和结合界面间的 啮合和结合强度。
（2）表面微裂纹对脆性材料性质的影响
表面微裂纹因晶体缺陷或外力而产生。格里菲 斯关于微裂纹的公式：
c
2E c
σ是材料断裂应力， E为弹性模量，γ是表面能，C微裂 纹长度。
玻璃拉制： 弯曲强度6×109N•m-2
4×108 N•m-2
数。
一般规律：凸面蒸气压 > 平面蒸气压 > 凹面蒸气压 毛细管现象
lnp/po = -2Mγ/ρRT × 1/r cosθ r为毛细管半径， θ为管壁的润湿角
2、固体的溶解度
lnC/Co = 2MγLS/ρRT × 1/r γLS为固液界面能，C和 Co分别为半径为r的小晶粒与大晶粒的 溶解度
润湿与粘附
润湿是固－液界面上的重要行为。
应用：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。
定义：固液接触后，体系吉布斯自由焓降低时
面上和平面上次之，位于峰顶处则最小；
静电力：位于孤立峰顶处应最大，而凹谷深处最小。
色散力产生于质点相互作用力，A点周围质点最多，C
点最少；化学力产生于静电相互作用力，C点断键多
作用力强。
C
AB
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。
(2) 直接影响固体表面积，内、外表面积比值 以及相关的属性。
晶体材料中的晶界结构
晶界 1、 定义：凡结构相同而取向不
同的晶体相互接触的界面。 2、晶界上的特性：晶界结构疏松，
在多晶体中晶界是原子快速扩散的通 道，并容易引起杂质原子偏聚。晶界 上有许多空位、位错和键变形等缺陷 使之处于应力畸变状态，故能阶较高， 使晶界成为固态相变时优先成核区域。
3、 晶界结构的分类： (1). 按两个晶粒之间夹角的大小来分： 小角度晶界(约2o~3o) 大角度晶界（倾斜角度较大，晶界处质点排列无序） (2). 根据晶界两边原子排列的连贯性来分：
材料物理化学
Physical Chemistry of Materials
主讲：黄少铭 教授 马德琨 博士
第二章: 固体的表面与界面
格哈德·埃特尔
德国科学家格哈德·埃特尔因其在“固体表面化学过程”研究 中作出的贡献获得2007年诺贝尔化学奖。
诺贝尔奖委员会在颁奖文告中表示，将诺贝尔化学奖授予格 哈德•埃特尔是因为他在表面化学所作的开创性研究。表面化学 对于化学工业很重要，它可以帮助我们了解不同的过程，例如 铁为什么生锈、燃料电池如何工作、汽车内催化剂如何工作等。 此外，表面化学反应对于许多工业生产起着重要作用，例如人 工肥料的生产。表面化学甚至能解释臭气层破坏，半导体工业 也是与表面化学相关联的领域。
＝KTd / L
讨论：(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。 结论：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。 应用：破碎岩石
固体材料的界面行为
一、弯曲表面效应 二、润湿与粘附 三、吸附与表面改性
表面－－指一个相和它本身蒸汽或真空接触的分界界面。 界面－－指一相与另一相(结构不同)接触的分界面。
1. 固体表面的特点: 固体表面的不均一性。 表现在：
(1) 固体表面的凹凸不平 (2) 固体中晶体晶面的不均一性: 各相异性、晶面不完整 (3) 表面被外来物质所污染，表面吸附外来杂质 (4) 受制备和加工条件影响，例如有些被磨光的多晶固体,自表层
由于半导体工业的发展，现代表面化学于60年代开始出现。格 哈德•埃特尔是首批发现新技术潜力的科学家之一。他逐步建立 表面化学的研究方法，向人们展示不同实验过程产生表面反应 的全貌。这门科学需要先进的真空实验设备，以观察金属上原 子和分子层次如何运作，确定何种物质被置入系统。
他的方法不仅被用于学术研究而且被用于化学工业研发。 基于他对哈伯-博施法的研究，应用哈伯-博施法可以从空气 中提取氮，这一点具有重要的经济意义。埃特尔还对铂催 化剂上一氧化碳氧化反应进行研究，这种化学反应主要发 生在汽车催化剂中，以过滤汽车产生的废气。
弯曲表面效应
弯曲表面: 由于表面张力的存在而产生一个附加压力ΔΡ。
P
1 r1
1 r2
γ：液体表面张力； r1、r2：曲面的两个曲率半径
拉普拉斯方程
讨论：(1) 当 r1＝ r2时， ΔΡ＝2γ/r ； (2)当为两块相互平行的平板间的液体液面上
ΔΡ＝γ/r1 (因为r2＝∞)，
双电层的厚度将导致表面能和硬度的降低
粉体表面结构
粉体在制备过程中，表面层离子的极化变形和重排使 表面晶格畸变，有序性降低。随着粒子的微细化，比表面 增大，粉体表面结构趋于无定形化。
基于X射线、热分析和其它物理化学方法对粉体表面结 构所作的研究测定，提出两种不同的模型：一种认为粉体 表面层是无定形结构；另一种认为粉体表面层是粒度极小 的微晶结构。
粉体表面层是无定形结构的实验验证：
粉碎的石英用差热分析，测试其β-SiO2与α-SiO2的相变吸热 峰面积随SiO2粒度的变化。13微米，50%相变；HF酸处理 溶去表面层，相变100%
粉体表面层是微晶结构的实验验证： 对粉体进行更精确的X射线和电子衍射研究，尽管谱线峰 减弱变宽，但是仍然呈现一定规律，据此认为粉末表面并非 是无定形态，而是覆盖了一层尺寸极小的晶格严重畸变的微 晶格。
1 2
ub
ub 为破坏化学键所需能量 us 为表面能
离子晶体的表面能
离子晶体表面能为某个原子在晶体内部和表面上两种状态下的内 能差
0
LsU 0 N
(1面能；
LS 为1m2表面上的原子数； nis、nib分别表示第i个原子在晶体表面和 晶体体内最邻近的原子数;
Uo 为晶格能； N 为阿佛加德罗常数。
实际表面能比理想表面能的值低，原因可能为：
(1) 可能是表面层的结构与晶体内部相比发生了改变，表面 被可极化的氧离子所屏蔽，减少了表面上的原子数。
(2) 可能是自由表面不是理想的平面，而是由许多原子尺度 的阶梯构成，使真实面积比理论面积大。
(3) 周围环境条件影响：固体和液体的表面能与温度、气 压、第二相的性质等条件有关。如温度上升，表面能下降。
A
B
C
D
E
二面角与润湿关系：
γSS/ γSL <1
1～ 3 >3 >2
cos（ ／２）
润湿性 相分布
<1/2
>1200 不
孤立液滴
1/2~ 3 //2
> 3/2
1
120~600 局部 <600 润湿 00 全润湿
开始渗透晶界 在晶界渗开 浸湿整个材料
晶界应力
多晶材料中，如果有两种不同热膨胀系数的晶相组成，在加热 与冷却过程中，由于两相膨胀系数的差别，在晶界上会有应力τ存在。 最终会在晶界上出现裂纹，甚至使多晶体破裂。
固体的表面结构
1、离子晶体的表面结构 2、粉体的表面结构 3、玻璃的表面结构 4、固体表面的几何结构
在固体表面力的作用下，离子晶体表面结构 发生怎样的变化？受哪些因素影响？
Na Cl 晶 体
离子晶体表面的电子云变形和离子重排
１．离子晶体MX在表面力作用 下，处于表面层的负离子X 在外侧不饱和，负离子极化 率大，通过电子云拉向内侧 正离子一方的极化变形来降 低表面能。这一过程称为松 弛，它是瞬间完成的，接着 发生离子重排。
LEED低能电子衍射
固体表面模型 原子台阶对断裂H-H和C-C链有效，扭折部分对加成C-C和 C=O键有效。
2. 固体表面力场
定义：
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。固体表面的吸引作用，是固体的表面力场 和被吸引质点的力场相互作用所产生的，这种相互作用力 称之为固体表面力。
共格晶界
半共格晶界
非共格晶界
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。
晶界形状由表面张力的相互关系决定。 晶界在多晶体中的形状、构造和分布称为晶界构形。
当r1 很小时，此时压力称为毛细管力。
附加压力ΔΡ总是指向曲面的曲率中心，当曲面为凸面时 为正值，凹面时为负值。 与曲率半径成反比，而与表面张 力成正比。
1、弯曲表面对液体表面蒸气压的影响
lnp/po = 2Mγ/ρRT × 1/r
开尔文方程
P为曲面上蒸气压；po为平面上蒸气压；r为球形液滴半径， ρ为 液体密度，M为相对分子量， γ为液体的表面张力，R为气体常
F范＝FK＋FD＋FL 1/r7
说明: 分子间引力的作用范围极小，一般为3～5Å。当两个分 子过分靠近而引起电子层间斥力约等于B/r13 , 故范得华力只 表现出引力作用。
３．固体的表面能： １） 共价晶体表面能 ２） 离子晶体的表面能
共价晶体表面能是破坏单位面积上的全部键所需能量的一半．
us
固体表面的几何结构
实验观测表明，固体实际表面是不规则而粗糙的， 存在着无数台阶、裂缝和凹凸不平的峰谷。这些不同的 几何状态同样会对表面性质产生影响，其中最重要的是 表面粗糙度和微裂纹。
（1）表面粗糙度对表面力场的影响
表面粗糙度会引起表面力场变化，进而影响其表面
性质。 色散力：位于凹谷深处的质点，其色散力最大，凹谷
3． NaCl形成双电层厚度为0.02nm, 在Al2O3、SiO2、ZrO2等表面上也 会形成双电层。
4．当表面形成双电层后，它将向内层发生作用，并引起内层离子的 极化和重排，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，与阴、阳离子的半径差有关，半径差值愈大深 度愈深。
5．离子极化性能愈大，双电层愈厚，从而表面能愈低。 如：PbI2表面能最小（130尔格／厘米2）；PbF2次之 （900尔格／厘米2）；CaF2最大（2500尔格／厘米2）
处于固体表面及界面的质点，其境遇和内部是不同 的，表面及界面的质点由于受力不均衡而处于较高的 能阶，所以导致材料呈现一系列特殊性质, 材料的摩擦、 腐蚀、氧化、催化、吸附性能都要受到表面与界面的 影响.
内容提要
A 固体材料表面特征及表面结构 B 晶体材料中的晶界结构 C 固体材料的界面
固体的表面特征
玻璃表面结构
表面张力的存在，使玻璃表面组成与内部显著不同
在熔体转变为玻璃体的过程中，为了保持最小表面 能，玻璃表面各成分将按其对表面自由能的贡献能力自 发地转移和扩散。
在玻璃成型和退火过程中，碱、氟等易挥发组分自 表面挥发损失。
玻璃中的极化离子会对表面结构和性质产生影响。 例如：分别用0.1-1.0 mol.L-的Cu2+、Ca2+、Zn2+、Pb2+的 盐溶液处理的纳钙硅酸盐玻璃粉末，在98%湿度下， Cu2+增重最多， Pb2+最少。
固体中表面力分为哪几类？
表面力的分类：
(1) 化学力（静电力） (2) 范德华力(分子引力) 化学力: 本质上是静电力。主要来自表面质点的不饱和价键， 并可以用表面能的数值来估算。
范氏力：固体表面与被吸附质点（如气体分子）之间相互作用 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。
2. 从晶格点阵稳定性考虑
Na
Cl
作用力较大，极化率小的
晶 体
正离子应处于稳定的晶格
位置而易极化的负离子受
诱导极化偶极子排斥而
推向外侧，从而形成表
离子晶体表面的电子云变形和离子
重排
面双电层。重排结果使晶
体表面能量趋于稳定。
0.020nm
晶
晶
体
体
内
表
部
面
0.281nm 0.266nm NaCl表面层中Na+向里；Cl-向外移动并形成双电层
γSV
ψ γSV
固态晶粒 固态晶粒 γSS
(A)热腐蚀角(槽角)
γSL
γSL
γSS
(B)固－固－液平衡的二面角
对于固－固－气界面张力平衡关系： 对于固－固－液界面张力平衡关系:
y
cos 2
=
1 2
g g
SS SV
cos 1 SS 2 2 SL
不同热处理时的第二相分布：
(抛光断面)
(3) 关系到两种材料间的封接和结合界面间的 啮合和结合强度。
（2）表面微裂纹对脆性材料性质的影响
表面微裂纹因晶体缺陷或外力而产生。格里菲 斯关于微裂纹的公式：
c
2E c
σ是材料断裂应力， E为弹性模量，γ是表面能，C微裂 纹长度。
玻璃拉制： 弯曲强度6×109N•m-2
4×108 N•m-2
数。
一般规律：凸面蒸气压 > 平面蒸气压 > 凹面蒸气压 毛细管现象
lnp/po = -2Mγ/ρRT × 1/r cosθ r为毛细管半径， θ为管壁的润湿角
2、固体的溶解度
lnC/Co = 2MγLS/ρRT × 1/r γLS为固液界面能，C和 Co分别为半径为r的小晶粒与大晶粒的 溶解度
润湿与粘附
润湿是固－液界面上的重要行为。
应用：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。
定义：固液接触后，体系吉布斯自由焓降低时
面上和平面上次之，位于峰顶处则最小；
静电力：位于孤立峰顶处应最大，而凹谷深处最小。
色散力产生于质点相互作用力，A点周围质点最多，C
点最少；化学力产生于静电相互作用力，C点断键多
作用力强。
C
AB
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。
(2) 直接影响固体表面积，内、外表面积比值 以及相关的属性。
晶体材料中的晶界结构
晶界 1、 定义：凡结构相同而取向不
同的晶体相互接触的界面。 2、晶界上的特性：晶界结构疏松，
在多晶体中晶界是原子快速扩散的通 道，并容易引起杂质原子偏聚。晶界 上有许多空位、位错和键变形等缺陷 使之处于应力畸变状态，故能阶较高， 使晶界成为固态相变时优先成核区域。
3、 晶界结构的分类： (1). 按两个晶粒之间夹角的大小来分： 小角度晶界(约2o~3o) 大角度晶界（倾斜角度较大，晶界处质点排列无序） (2). 根据晶界两边原子排列的连贯性来分：
材料物理化学
Physical Chemistry of Materials
主讲：黄少铭 教授 马德琨 博士
第二章: 固体的表面与界面
格哈德·埃特尔
德国科学家格哈德·埃特尔因其在“固体表面化学过程”研究 中作出的贡献获得2007年诺贝尔化学奖。
诺贝尔奖委员会在颁奖文告中表示，将诺贝尔化学奖授予格 哈德•埃特尔是因为他在表面化学所作的开创性研究。表面化学 对于化学工业很重要，它可以帮助我们了解不同的过程，例如 铁为什么生锈、燃料电池如何工作、汽车内催化剂如何工作等。 此外，表面化学反应对于许多工业生产起着重要作用，例如人 工肥料的生产。表面化学甚至能解释臭气层破坏，半导体工业 也是与表面化学相关联的领域。
＝KTd / L
讨论：(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。 结论：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。 应用：破碎岩石
固体材料的界面行为
一、弯曲表面效应 二、润湿与粘附 三、吸附与表面改性
表面－－指一个相和它本身蒸汽或真空接触的分界界面。 界面－－指一相与另一相(结构不同)接触的分界面。
1. 固体表面的特点: 固体表面的不均一性。 表现在：
(1) 固体表面的凹凸不平 (2) 固体中晶体晶面的不均一性: 各相异性、晶面不完整 (3) 表面被外来物质所污染，表面吸附外来杂质 (4) 受制备和加工条件影响，例如有些被磨光的多晶固体,自表层
由于半导体工业的发展，现代表面化学于60年代开始出现。格 哈德•埃特尔是首批发现新技术潜力的科学家之一。他逐步建立 表面化学的研究方法，向人们展示不同实验过程产生表面反应 的全貌。这门科学需要先进的真空实验设备，以观察金属上原 子和分子层次如何运作，确定何种物质被置入系统。
他的方法不仅被用于学术研究而且被用于化学工业研发。 基于他对哈伯-博施法的研究，应用哈伯-博施法可以从空气 中提取氮，这一点具有重要的经济意义。埃特尔还对铂催 化剂上一氧化碳氧化反应进行研究，这种化学反应主要发 生在汽车催化剂中，以过滤汽车产生的废气。
弯曲表面效应
弯曲表面: 由于表面张力的存在而产生一个附加压力ΔΡ。
P
1 r1
1 r2
γ：液体表面张力； r1、r2：曲面的两个曲率半径
拉普拉斯方程
讨论：(1) 当 r1＝ r2时， ΔΡ＝2γ/r ； (2)当为两块相互平行的平板间的液体液面上
ΔΡ＝γ/r1 (因为r2＝∞)，
双电层的厚度将导致表面能和硬度的降低
粉体表面结构
粉体在制备过程中，表面层离子的极化变形和重排使 表面晶格畸变，有序性降低。随着粒子的微细化，比表面 增大，粉体表面结构趋于无定形化。
基于X射线、热分析和其它物理化学方法对粉体表面结 构所作的研究测定，提出两种不同的模型：一种认为粉体 表面层是无定形结构；另一种认为粉体表面层是粒度极小 的微晶结构。
粉体表面层是无定形结构的实验验证：
粉碎的石英用差热分析，测试其β-SiO2与α-SiO2的相变吸热 峰面积随SiO2粒度的变化。13微米，50%相变；HF酸处理 溶去表面层，相变100%
粉体表面层是微晶结构的实验验证： 对粉体进行更精确的X射线和电子衍射研究，尽管谱线峰 减弱变宽，但是仍然呈现一定规律，据此认为粉末表面并非 是无定形态，而是覆盖了一层尺寸极小的晶格严重畸变的微 晶格。
1 2
ub
ub 为破坏化学键所需能量 us 为表面能
离子晶体的表面能
离子晶体表面能为某个原子在晶体内部和表面上两种状态下的内 能差
0
LsU 0 N
(1面能；
LS 为1m2表面上的原子数； nis、nib分别表示第i个原子在晶体表面和 晶体体内最邻近的原子数;
Uo 为晶格能； N 为阿佛加德罗常数。
实际表面能比理想表面能的值低，原因可能为：
(1) 可能是表面层的结构与晶体内部相比发生了改变，表面 被可极化的氧离子所屏蔽，减少了表面上的原子数。
(2) 可能是自由表面不是理想的平面，而是由许多原子尺度 的阶梯构成，使真实面积比理论面积大。
(3) 周围环境条件影响：固体和液体的表面能与温度、气 压、第二相的性质等条件有关。如温度上升，表面能下降。
A
B
C
D
E
二面角与润湿关系：
γSS/ γSL <1
1～ 3 >3 >2
cos（ ／２）
润湿性 相分布
<1/2
>1200 不
孤立液滴
1/2~ 3 //2
> 3/2
1
120~600 局部 <600 润湿 00 全润湿
开始渗透晶界 在晶界渗开 浸湿整个材料
晶界应力
多晶材料中，如果有两种不同热膨胀系数的晶相组成，在加热 与冷却过程中，由于两相膨胀系数的差别，在晶界上会有应力τ存在。 最终会在晶界上出现裂纹，甚至使多晶体破裂。
固体的表面结构
1、离子晶体的表面结构 2、粉体的表面结构 3、玻璃的表面结构 4、固体表面的几何结构
在固体表面力的作用下，离子晶体表面结构 发生怎样的变化？受哪些因素影响？
Na Cl 晶 体
离子晶体表面的电子云变形和离子重排
１．离子晶体MX在表面力作用 下，处于表面层的负离子X 在外侧不饱和，负离子极化 率大，通过电子云拉向内侧 正离子一方的极化变形来降 低表面能。这一过程称为松 弛，它是瞬间完成的，接着 发生离子重排。