材料表面与界面
材料表面与界面工程
材料表面与界面工程是一个繁荣的领域，在材料科学中扮演着至关重要的角色。
表面与界面工程的目的是改善材料表面的特性以及相邻物质之间的相互作用，可以通过多种方法来实现。
一、表面修饰表面修饰是一种改善材料表面特性的方法，通过特定的表面修饰技术，材料的表面性质可以被改善，例如表面粗糙度、化学反应活性、涂层均匀性、粘附性等。
其中，表面粗糙度是表面修饰中最常见的一种方法。
表面粗糙度能够影响材料表面的湿润性、化学反应活性和粘附性等特性，因此表面微纳结构化和表面粗糙度的控制被广泛应用于诸如生物医学、化学传感、机械制造等领域。
二、表面涂层表面涂层是一种表面修饰的方法，它是将一层材料沉积到另一层材料表面上的过程，通常是通过化学气相沉积、磁控溅射等方法实现。
涂层可以改善材料表面的电学、热学、化学和生物性能，并且对于增强材料的机械性能及耐磨性也有很大的帮助。
涂层材料的选择取决于特定应用的需求，例如生物医学、能量储存和环保材料等领域。
三、界面工程在材料科学中，所有的材料都可以被看作是由不同材料的层叠组合而成的复合材料。
因此，界面的性质变化与材料性能息息相关，界面工程就是通过调节相邻物质之间的相互作用来改善界面特性。
这通常需要对多种方面进行调节，包括界面结构、化学反应、电介质、热膨胀等。
界面工程具有许多潜在的应用领域，其中最显著的包括能源和环保材料。
在环保领域中，提高材料间的拉伸、切割和剪切强度非常重要，例如土壤稳定、土地复垦等。
在能源领域中，界面工程可以用于生产能量存储器件，例如锂离子电池、氢燃料电池等，也可以用于制备太阳能电池和光电转换材料。
综上所述，表面与界面工程在材料科学中扮演着至关重要的角色，通过改善材料表面的特性以及相邻物质之间的相互作用来提高材料的性能和应用。
考虑到不同应用领域的需求和材料特性，科学家们将继续发现新的表面及界面工程技术，以进一步改善现有材料的性能和开发新的材料。
材料的表面与界面
（2）贝尔比层：材料经抛光后，表面形成厚度约5-100nm的光亮而致密层，称为· 金属和合金的贝尔比层往往存在非晶、微晶和金属氧化物.贝尔比层坚硬并且具有 良好的耐腐蚀性. 机械加工后金属表面组织：氧化物层（10-100nm）-贝尔比层（5-100nm）-严重 畸变区（1-2μ m）-强烈畸变区-轻微畸变区
通过晶格的收缩或扩张而形成特殊排列的位错作为两相的过渡区.过渡区的位错称为失配位错.
多晶材料中的界面；（1）多晶材料中的相平衡 两个非共格相界的平衡： ①120︒<ψ <180︒时，第二相在母相中呈圆形，对母相不润湿，呈柱状分布； ②60︒<ψ <120︒时，第二相在母相三晶粒交界处沿晶界部分渗入； ③0︒<ψ <60︒时，第二相在母相三晶粒交界处形成三角状，随二面角减小铺展的越开； ④ψ =0︒时，第二相在母相的晶界区铺开；
旋转对称：旋转角θ =2π /n,n为正整数，称为旋转对称的滑移群：对某一直线作镜像反应后，再沿此线平行方向滑移 半个平移基失.镜像滑移群+点群→17种对称群，称为二位空间群. 原子的表面密度：单胞中某一表面上原子的总面积与该表面积之比.ρ =Aa/As （2）清洁表面：在真空中分开晶体，或将已有表面在真空中经过离子轰击、高温 脱附后得到的表面，这种表面没有吸附其它异类原子，只存在表面原子的排列变化 ①表面重构：形成晶体表面的悬空键的存在，使其处于高能不稳定状态，为了降低 表面自由能，表面原子的位置必然发生变化，这种变化的结果，使得表面原子的 平移对称性与理想表面显著不同，这种表面变化称为表面重构. ②表面弛豫：为了降低体系能量，表面上的原子会发生相对正常位置的上或者下 位移，表面原子的这种位移称为表面弛豫.其显著特征是表面第一层原子和第二层 原子之间的距离改变，越深入体相，弛豫效应越弱，并迅速消失. ③表面台阶结构：存在各种各样的缺陷：TLK模型，T指平台，L表示单原子高度的 台阶，K表示单原子尺度的扭折. （3）吸附表面：除了表面原子几何位置发生变化外，还通过吸附外来原子来降低 表面自由能.包括物理吸附(弱、快、无选择性)和化学吸附（强、慢、选择性）. 表面热力学：①表面自由能：自由能极图 ②表面自由能的各向异性影响因素：a.键能Eb； b.单位面积键的数量 ③晶体的稳定形状：表面自由能趋向最小，所以对于各向同性的液体来说，形状 总是趋于球形.定义体积恒定情况下表面自由能最小的形状为平衡形状. 对于各向异性的晶体来说，晶体的平衡形状就是自由能极图的最大内接多边形 实际表面：①表面粗糙度（表面不平整程度小于1mm时）R=Ar/Ag Ag为几何表面积；Ar为包括内表面在内的实际表面积 ②表面杂质的偏析（表面杂质浓度比体内大时）与耗尽（表面浓度比体内小时） 如果杂质原子在表面能使表面自由能降低，则形成偏析，反之形成耗尽； 由热力学条件得出、且偏析尺度为原子尺度（纳米级），称为平衡偏析； 实际上表面的偏析主要发生在几十纳米到几个微米的范围，这种偏析为非平衡 偏析，原因：表面区内存在许多空位、晶格畸变等缺陷，它们形成了明显的应力 场，并引起相应的畸变能，与主成分原子半径不同的各种杂质，进入畸变区域后， 将有利于畸变能的减少，使表面自由能降低，故形成各种非平衡偏析. ③金属与合金的表面组织受环境温度、氧气分压、合金组分浓度等的影响； 表面组织： （1）表面层晶粒尺寸变化：在切磨、抛光等机械加工时，产生大量的热，使表面
材料科学基础_第8章_材料的表面与界面
8.2.1 界面的空间自由度 ● 空间自由度是描述晶界两个相邻晶粒的相对取向。 ● 确定两个晶粒的相对取向最多需要5个自由度： --首先考虑坐标中初始位向一致的两个晶粒，沿坐标的某
一旋转轴u 互相旋转一个角度θ的情况，u 轴取向需要 2个变量（u 的3个方向余弦中的2个）。此时u 和θ三个
自由度决定了两晶粒的相对取向。 --对位向不一致的两个晶粒，晶界相对于其中一个晶体的
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➢ 晶界特征 （1）晶界处点阵畸变大，存在晶界能。 （2）常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍运动，使塑
型变形抗力提高，使晶体（材料）的硬度和强度提高。 （3）晶界处原子具有较高的动能，且晶界处存在大量缺陷
。原子在晶界处扩散比晶内快得多。 （4）固态相变时易在晶界处形成新核。 （5）晶界上富集杂质原子多，熔点低 （6）晶界腐蚀速度比晶内快。 （7）晶界具有不同与晶内的物理性质。
忽略液体重力和粘度影响，则铺展是由固/气(SG)、固/液 (SL)和液/气(LG)三个界面张力所决定：
F LG cos SG SL SG SL LG cos
式中θ是润湿角；F 称润湿张力。 θ > 90°不润湿； θ < 90°润湿； θ = 0° 完全润湿。
（自由铺展）
润湿的先决条件是 S>G 。SL
4）固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。
9
8.1.4 固液界面与润湿 机械润滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、搪瓷坯釉、陶 瓷/金属的封接等工艺和理论都与润湿过程有关。 润湿的热力学定义：固体与液体接触后能使体系的吉布斯自 由能降低，称为润湿。
润湿形式： 附着润湿 铺展润湿 浸渍润湿
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铺展润湿 概念：液滴落在清洁平滑固体表面的过程。
材料表面与界面
材料表面与界面材料的表面与界面性质对于材料的性能具有重要的影响。
材料的表面和界面性质是指材料的表面和与其它物质接触的界面上的性质，这些性质直接影响材料的力学、热学、光学等性能。
因此，研究材料的表面与界面性质对于材料科学和工程具有重要的意义。
首先，材料的表面性质对于材料的耐磨性和耐腐蚀性具有重要的影响。
材料的表面硬度、粗糙度、化学成分等都会直接影响材料的耐磨性和耐腐蚀性。
例如，通过表面处理可以提高材料的硬度和耐腐蚀性，从而延长材料的使用寿命。
因此，研究材料的表面性质对于提高材料的耐磨性和耐腐蚀性具有重要的意义。
其次，材料的界面性质对于材料的粘接性和界面传输性能具有重要的影响。
材料的界面粘接性和界面传输性能直接影响材料的结构强度和功能性能。
例如，在复合材料中，界面的结合强度和传输性能直接影响复合材料的力学性能和热学性能。
因此，研究材料的界面性质对于提高材料的粘接性和界面传输性能具有重要的意义。
此外，材料的表面与界面性质对于材料的光学性能也具有重要的影响。
材料的表面和界面对于光的反射、透射和散射等过程有重要的影响，这直接影响材料的光学性能。
例如，在光学器件中，材料的表面和界面质量直接影响器件的光学性能。
因此，研究材料的表面与界面性质对于提高材料的光学性能具有重要的意义。
综上所述，材料的表面与界面性质对于材料的性能具有重要的影响，包括耐磨性、耐腐蚀性、粘接性、界面传输性能和光学性能等方面。
因此，研究材料的表面与界面性质对于提高材料的性能具有重要的意义，这也是材料科学和工程领域的重要研究方向之一。
希望通过对材料的表面与界面性质的研究，可以为材料的设计、制备和应用提供重要的理论和实验基础，从而推动材料科学和工程的发展。
材料表面与界面的性质与应用
材料表面与界面的性质与应用材料科学是一个与人们生活密切相关的学科，它不仅与工业生产有着千丝万缕的联系，更是对我们现代生活的多种需求提供了原材料和基础支撑。
而材料的物理学和化学特性则是决定着材料能否成为优秀的材料的决定性因素之一。
表面和界面的性质是重要的研究方向之一。
表面和界面的特性对于材料性能的影响非常重要，因此我们需要了解表面与界面的性质，以更好地应用材料。
一、表面与界面的概念材料的表面是指物质与外界接触的界面，可以是物质相互接触的表面，也可以是物质与外界介质接触的表面。
以金属为例，其表面可以指表面结构、表面形貌和表面组成等方面的特征。
而界面则是指不同相之间接触的界面。
材料在自然界和工业生产中都常常存在不同相之间的接触，因此界面特性的研究显得尤为重要。
二、表面与界面的性质表面与界面的性质会受到表面成分、表面结构、表面形貌、浸润性等多种因素的影响。
具体来说，它会影响类似能量、化学反应、电荷效应、力学特性等多种物理、化学和力学等性质。
材料表面是材料与外界相接触的部分，所以表面化学和表面能量是表面特性的核心点。
通常情况下，表面的化学反应比体积更容易发生，因为表面原子没有被周围原子包围，所以在反应物分子到达表面时，其距离更近，进而导致表面原子与反应物相互作用，进行反应。
表面能量是指物质表面的自由能和内部的化学键能之和。
表面能量对于表面化学和物理性质有着决定性影响。
三、表面与界面的应用1. 表面涂层技术表面涂层技术不仅能实现对材料表面化学反应和表面能量的调控，还能使材料具有出色的耐磨性、耐腐蚀性和耐高温特性等。
经常用于工业生产的有自清洁防水表面涂层、生物医用涂层和磁性涂层等。
通过表面涂层技术，我们不仅能够增强材料的本身性能，还能降低材料配件之间的磨损，从而延长其使用寿命。
2. 纳米材料制备表面和界面影响着纳米材料的物理、化学特性以及材料的自组装行为等因素。
因此，纳米材料的制备不仅需要对材料的体内结构进行研究，也需要考虑其表面和界面特性。
材料表面与界面的特性及其应用
材料表面与界面的特性及其应用材料表面和界面性质是材料科学中的重要研究领域，因为这些性质决定了材料的性能和用途。
在本文中，我们将探讨材料表面和界面的特性及其应用。
一、表面和界面的概念表面是指材料外部与环境接触的部分，分为实际表面和几何表面两种。
实际表面是真实的材料表面，几何表面是理想情况下的平滑表面。
材料的表面特性主要包括表面形貌、表面化学组成、表面结构和表面能等。
界面是指两种不同的材料或相同材料的不同部分之间的分界面，它们之间的接触面积和界面能量影响着材料的特性。
材料的界面性质主要包括晶界、异质界面、相界面等，其中晶界是指晶粒之间的界面，异质界面是指不同材料之间的界面，相界面是指同一材料中不同相之间的界面。
二、表面和界面的特性1. 表面形貌表面形貌是指表面的几何形状和表面纹理。
这些形状和纹理决定了材料的摩擦、磨损、润滑性能等。
表面形貌通常通过光学显微镜、扫描电子显微镜等观察技术获得。
2. 表面化学组成表面化学组成是表面化学反应和表面吸附现象的结果，包括化学基团、氧化物、热处理物种等。
表面化学组成影响材料的电子结构、化学反应和材料与环境之间的相互作用。
3. 表面结构表面结构是指表面的晶体结构和缺陷结构。
它们决定了表面的力学强度、疲劳寿命等。
表面结构通常通过X射线衍射、中子衍射、TEM等实验手段获得。
4.表面能表面能是表面分子间相互作用的能量和表面吸附分子的能量。
表面能决定了表面与其他材料之间的亲疏性和黏附性。
表面能通常通过表面张力、接触角等实验技术测量。
5. 总界面能总界面能是指材料界面的总能量，包括界面张力和界面形变能等。
总界面能主要影响材料的界面稳定性，是材料界面优化的重要指标。
三、表面和界面的应用表面和界面的特性在材料科学中具有重要的应用，主要包括以下方面：1. 表面修饰利用表面化学组成和结构的差异，对材料表面进行化学、物理、生物修饰，以达到特定的表面性质。
例如，通过表面修饰可使金属表面耐蚀、增加光电转换效率等。
材料的表面与界面第一章 表面与界面的基础知识
r/nm p/Pa
1
2
10
1000
1440×105 720×105 144×105 1.44×105
对于主曲率半径为R1和R2的任一曲面，可以得到Laplace公式的普遍形式：
p
1 1
R 1 R 2
（1）当p指弯曲液面的内外压力差： p=p内-p外， p内通常指曲 率半径为正值一侧压力，如气泡内的压力；曲率半径的正负号要 取正确。
（2）过程自由能变化 沽湿：若恒温恒压下形成单位界面，自由能变化为 -GA= sg + lg - sl = WA WA称为黏附功，是将单位面积固液界液体分子间）作用力的大小。
WA>0,则-GA <0，沽湿过程自发进行。
铺展：液体自发在固体表面展开成一薄层。 形成单位界面时的自由能改变：
气体和气体之间总是均相体系，因此不存在表面与界面。
固—气，液—气之间的过渡区域叫做表面； 固—液，液—液．固—固的过渡区域称为界面。
实际上两相之间并不存在截然的分界面。相与相之间是个逐步过渡的区域， 表面与界面区的结构、能量、组成等都呈现连续的梯度的变化。因此， 表面与界面不是几何学上的平面，而是一个结构复杂，厚度约为几个分 子长度的准三维区域，因此常把界面区域当作一个相或层来处理，称作 界面相或界面层。
二、液体表面张力的影响因素
1. 物质的本质 液体表面张力是指将液体分子从体相中拉到表面上所做功的大小，因此
它与液体分子之间的相互作用力的性质与大小有关。相互作用强烈， 不易脱离体相，表面张力就大。如水分子间有氢键作用，并可形成结 构，因此水是常见液体中表面张力最大的。
一般情况下： （1）液态金属的表面张力大是由于金属键的强度大，使其相对移动困难，
材料科学中的表面与界面现象
材料科学中的表面与界面现象引言表面与界面现象是材料科学中一个极为重要的研究领域。
无论是在材料的合成、加工、性能研究还是应用开发中，表面和界面都扮演着至关重要的角色。
本文将从表面与界面的定义、表面和界面的性质以及表面与界面的应用等方面进行探讨，希望能够对读者对材料科学中的表面与界面现象有一个全面的了解。
表面与界面的定义在材料科学中，表面是指材料与外界相接触的边界部分，它是材料与外界进行物质和能量交换的重要场所。
表面能够直接反映材料的性质和特征，并且表面的性质往往与材料的体积相差较大。
界面是指两个或多个不同材料之间的接触面，它是不同材料之间相互作用的场所。
界面处的物理和化学变化可以导致材料的性能发生显著的变化，因此对界面的研究在材料科学中具有重要意义。
表面和界面的性质表面的性质材料表面的性质主要包括表面能、表面形貌和表面化学组成等。
表面能是指材料表面上的内能与外界的能量之间的交换能力，它直接反映了材料与外界的相互作用强度。
表面形貌则是指材料表面的形状和结构特征，它影响着材料的摩擦、磨损、光学和电子等性能。
表面化学组成是指材料表面元素的种类和分布情况，它决定着材料的表面反应活性和化学稳定性。
界面的性质界面的性质主要包括界面能、界面形貌和界面化学组成等。
界面能是指两个不同材料的接触面上的内能与外界能量之间的交换能力。
界面形貌则是指不同材料接触面的形状和结构特征，它对表面应力、界面强度和界面位错等起着重要作用。
界面化学组成是指两个不同材料接触面上化学元素的种类和分布情况，它决定了界面反应的速率和界面附着力。
表面与界面的应用表面与界面的性质在材料科学中具有广泛的应用价值。
以下将介绍几个常见的应用领域。
表面涂层技术表面涂层技术是指将附加层覆盖在材料表面上，以提高材料的性能和增加其使用寿命。
表面涂层技术广泛应用于防腐、耐磨、导热、导电等方面。
例如，汽车制造中常用的喷涂技术可以在汽车外部覆盖一层防腐、防划伤的漆膜，提高汽车的耐用性和外观质量。
材料表面与界面-第一章
润湿性
指液体在固体表面上扩散 和附着的能力。
影响因素
表面吸附和润湿性受表面 张力、表面能、物质性质 等因素的影响。
表面形貌与结构
表面形貌
指固体表面的几何形状和 外观特征。
表面结构
指固体表面的化学组成和 分子排列结构。
影响因素
表面形貌和结构受物质性 质、制备方法和环境条件 等因素的影响。
03 材料界面的基本概念
材料表面与界面-第一章
目录
• 引言 • 材料表面的基本性质 • 材料界面的基本概念 • 材料表面与界面的应用 • 总结与展望
01 引言
表面与界面的定义与重要性
定义
表面是指物质的最外层，而界面 则是指两种不同物质之间的接触 面。
重要性
表面与界面在许多物理、化学和 生物过程中起着关键作用，如催 化反应、电子传输、生物分子相 互作用等。
04 材料表面与界面的应用
表面技术在材料制备中的应用
表面涂层技术
通过在材料表面涂覆一层具有特 殊性能ห้องสมุดไป่ตู้涂层，以提高材料的耐
腐蚀、耐磨、隔热等性能。
表面合金化技术
通过改变材料表面的元素组成和 相结构，使其具有优异的耐高温、
抗氧化、抗疲劳等性能。
表面微纳结构制备
利用微纳加工技术，在材料表面 制备出具有微纳尺度结构的表面， 以提高材料的表面能、润湿性、
摩擦学性能等。
界面技术在复合材料中的应用
界面设计
01
通过优化界面结构和性质，提高复合材料的力学性能、电性能、
热性能等。
界面增强
02
利用界面层对复合材料的增强作用，提高复合材料的强度、韧
性、耐疲劳等性能。
界面相容性
第三章 材料表面与界面化学(材料化学)
下面介绍讨论固体表面原子的自行调整 ①．弛豫表面 固体表面层之间以及表面和体内原子层之间 的垂直距离偏离固体内部的晶格常数，而其 晶胞结构基本不变，这种情况称为弛豫。 离子晶体中各个正负离子间的主要作用力是 库仑静电力，这是一种远程力，所以其表面 比较容易发生弛豫现象。
以ＮaCl晶体为例说明弛豫的特征： ＮaCl晶体离子半径较大的Ｃl－作密堆积， Ｎa＋填八面体空隙，Ｎa＋，Ｃl－相间排列， 形成ＮaCl点阵结构。为了方便，我们以二 维平面图形来讨论。晶体表面是质点周期 性排列的中断，理想表面Ｎa＋，Ｃl－并未 变形。然而，表面处于高能状态，系统总 要通过各种途径降低表面能以达到稳定状 态。
因此，即使是新鲜的玻璃表面，其化学成分， 结构也会不同于内部。这种差异可以从表面 折射率、化学稳定性、结晶倾向以及强度等 性质的观测结果得到证实。 对于含有较高极化性能的离子如Pb2+、 Sn2+、Sb2+、Cd2+等的玻璃，其表面结构 和性质会明显受到这些离子在表面的排列 取向状况的影响。这种作用本质上也是极 化问题。
2．固体表面能 ．
固体的表面同样具有表面自由能。 1个边长1cm的立方体，表面积为6cm2，分割成边长 为1nm时，小立方体的数目1021（（10-7）3=N·13）, 总表面积为6×107cm2，可见，对凝聚态的物质而言， 其表面积的大小是与其分散的程度密切相关的，分 散程度用比表面积Ａ０来表示。
清洁表面：固体的清洁表面是指经过特殊的处 清洁表面 理（如离子轰击再加退火热处理，解理，热蚀， 场效应蒸发等）后，保存在高真空条件 [133.332×(10-9-10-10)Pa ]下的表面。可以将 之近似地看作是该固体真正的表面。 即清洁表面是指不存在任何吸附，催化反应， 杂质扩散特等物理－化学效应的表面，表面化 学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体 内。
材料表面与界面
材料表面与界面
材料的表面和界面性质对其性能具有重要影响，因此对材料表面与界面的研究一直是材料科学领域的热点之一。
材料的表面是指材料与外界相接触的部分，而界面则是指材料内部不同相或不同材料之间的接触面。
材料的表面与界面性质的研究不仅有助于深入理解材料的性能和行为，还对材料的设计、合成和应用具有重要意义。
首先，材料的表面性质对其与外界的相互作用具有重要影响。
例如，材料的表面能影响其与其他材料的粘附性能，直接影响材料的耐磨性、耐腐蚀性等。
此外，材料的表面性质还会影响其光学、电子、热学等性能，因此对材料表面的研究具有重要意义。
其次，材料的界面性质对材料的力学性能和耐久性能具有重要影响。
例如，多相复合材料中不同相之间的界面性质直接影响材料的强度、韧性和断裂行为。
在材料的界面处往往会出现应力集中、裂纹扩展等现象，因此对材料界面的研究对提高材料的力学性能具有重要意义。
此外，材料的表面与界面性质还对材料的加工、成型和应用具有重要影响。
例如，在材料的表面处理过程中，可以通过改变表面的化学成分、形貌和结构来改善材料的表面性能，从而提高材料的耐磨性、耐腐蚀性等。
在材料的界面设计中，可以通过界面改性、界面结构设计等手段来改善材料的力学性能和耐久性能，从而拓展材料的应用领域。
综上所述，材料的表面与界面性质对材料的性能和应用具有重要影响，因此对材料表面与界面的研究具有重要意义。
随着材料科学的不断发展，对材料表面与界面的研究也将不断深入，为材料的设计、合成和应用提供重要支撑。
希望通过对材料表面与界面的研究，能够开发出更加性能优越的新型材料，推动材料科学领域的发展。
材料科学基础 第8章 材料的表面与界面
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移 8.3.1 晶界平衡偏析
CB
C0
exp(
G ) kT
可见，溶质原子在静态晶界中偏析的程度和它在溶剂中的溶 解度有关。
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
晶界硬化 不锈钢的敏化 晶界腐蚀 粉末烧结过程 回火脆性
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
8.3.2 界面迁移驱动力 晶界迁移：晶界在其法线方向上的位移，是通过晶粒边缘上
8.2 晶体中的界面结构
三、相界 根据界面上的原子排列结构不同，可把固体中的相界分为
共格、半共格以及非共格三类。 （1）共格相界
8.2 晶体中的界面结构 有应变共格界面
8.2 晶体中的界面结构
（2）半共格相界
若aa和ab分别为无应力时的a和b的点阵常数，这两个点阵的
错配度定义为：
ab aa a
晶界迁移率B与扩散系数D之间的关系为： B＝D/kT ≈B0 e(-Q/kT)
当界面保持平衡时，界面两侧压力差值为P，
则：
gldq＝Plrdq
所以：
P＝g/r
而对任意曲面，则有： 恒温时：
P＝g(1/r1+1/r2) dm＝VdP
则：
m1－m2＝VP
通过以上分析可见，晶界曲率是晶界迁移的驱动力，界面总
是向凹侧推进。
8.3 晶体中界面的偏聚与迁移
8.3.3影响界面迁移的因素 (1) 温度
a
8.2 晶体中的界面结构
(3) 非共格界面
当两相在相界面处的原子排列相差很大时，即很大时，只能
形成非共格界面。
8.2 晶体中的界面结构 8.2.2界面能量 一、晶界能
由于晶界是一种缺陷，它的出现使体系的自由能增加，我们 定义形成单位面积的晶界而引起体系自由能增高称为晶界能。
材料表面与界面
材料表面与界面材料表面与界面是材料科学中的重要概念，它们在材料的性能和性质中起着关键作用。
在材料科学领域中，表面和界面性质研究的是材料表面和界面与外界环境相互作用的过程和性能。
材料的表面是与外界接触的一部分，它是材料的外层结构，具有比内部结构更高的能量。
由于表面原子与内部原子存在不完全配位和束缚松弛等因素，使得表面在化学性质、物理性质和力学性质上与体相有很大的差异。
例如，金属的表面抛光后能够产生镜面光泽，而半导体的表面在光照下会发生光致反应。
此外，表面也是材料与外界相互作用的主要位置，很多材料的性质都受到表面的影响。
例如，涂层材料的附着性和耐腐蚀性都与表面的性质密切相关。
而界面是指两个相邻的材料或材料之间的分界面。
界面是材料的内部结构，它不仅在化学性质上有差异，还在物理性质和力学性质上有很大的差异。
例如，金属与金属结合的界面称为金属间隙，它具有高导电性和高热传导性；而陶瓷与金属结合的界面称为金属陶瓷界面，它具有高耐磨性和高耐腐蚀性。
界面在材料科学中起着至关重要的作用，它决定了不同材料之间的结合强度和相互作用方式，直接影响材料的性能和性质。
材料的表面和界面性质都是通过表面和界面层的建立来研究的。
表面和界面层是表面和界面两侧的极薄层，它们具有与材料体相有明显差异的结构和性质。
例如，金属的表面层一般是氧化层或氧化物层，它们具有与金属内部结构不同的物理性质和化学性质。
界面层一般是由材料之间的相互扩散和反应产生的，它们具有与材料体相不同的结构和性质。
通过对表面和界面层的研究，可以揭示表面和界面在材料性能中的作用机制，进一步发展新材料和新技术。
在材料科学中，研究表面和界面性质的方法包括表面分析技术、界面分析技术和界面反应技术等。
表面分析技术主要包括扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)和表面等离子共振(SPR)等，它们可以用来观察材料表面的形貌和微观结构。
界面分析技术主要包括X射线光电子能谱(XPS)、扫描透射电镜(SPM)、拉曼光谱和红外光谱等，它们可以用来分析材料界面的元素组成和原子结构。
材料科学中的表面和界面现象
材料科学中的表面和界面现象表面和界面现象是材料科学领域中最重要的研究方向之一。
在材料工程、物理、化学等领域中，表面和界面现象的研究是其中的核心内容。
表面和界面现象涉及到材料表面和界面的结构、性质、热力学和动力学等方面的内容。
本文将介绍表面和界面现象的基本概念，探究其在材料科学中的重要性，并从多个角度阐述表面和界面现象在材料科学中的应用。
一、表面和界面现象的基本概念表面是指材料与周围环境相接触的部分，是材料的最外层。
表面现象是指固体表面的物理和化学性质与固体本身不同的性质，包括表面能、表面物理化学反应和表面反应动力学等。
界面是指两个物质相互接触的界面，由于接触必然引起界面区域的变化，所以界面现象与表面现象有许多相似之处。
界面现象包括表面张力、粘附力、润湿性等。
表面张力是指基于表面吸附机理，类似于薄膜的张力作用。
粘附力则是由表面间的物理吸附和化学反应产生的相互吸引力，常常涉及界面界面的剪切方面或接触角等方面。
表面和界面现象是由材料表面或界面上的分子作用产生的，其中动力学因素如扩散和迁移等也是相当重要的。
扩散是物质分子的自发移动，在固体表面和界面处的扩散通常比在体积中会大得多。
在材料科学中，表面和界面现象可以用于改良材料的性质和性能。
二、表面和界面现象在材料科学中的重要性表面和界面现象在许多材料科学领域中都有着广泛的应用。
例如，这些现象可以用来控制材料的力学性能、光学性能、热学性能，以及用作催化剂、杀菌剂等方面。
用于工程材料的粘附剂、涂层技术以及材料加工中的冶金技术通常都涉及到表面和界面现象的应用。
表面状态和化学特性对于颗粒物和纳米结构材料的制备和应用有着重要的影响。
表面和界面现象也成为创新材料设计的基础，包括涂层材料的设计、减小接触角的材料（如超疏水、超疏油材料）的制备、双氧水气泡杀菌、合金制备、新催化剂的研究等。
另外，表面和界面现象在电子器件中也起着重要的作用，像皮肤感应器、高分子材料、太阳能电池、传感器、LED材料等。
材料科学中的表面与界面
材料科学中的表面与界面材料科学是研究材料的性质、结构、制备、应用等方面的一门学科，而表面和界面是材料科学中非常重要的概念。
表面是指材料的表层，而界面则是不同材料或同一材料不同相之间的界面。
在材料制备、材料性能及材料应用等方面表面与界面都起着至关重要的作用。
表面对材料性能的影响材料的大部分性质都与材料的表面直接相关。
在一些材料中，表面的化学和物理性质与体积的性质有很大的不同。
表面可以影响材料的机械性能、光学性能、电学性能和化学反应等方面。
表面是由原子/分子组成的，当材料表面被处理时，会影响原子/分子的结构和间隙，从而产生不同的表面能、表面电位等物理和化学性质，如氧化、硫化、氢氟化等处理方式都会影响材料表面的性质。
表面的改性可以改变材料的结构和性能。
如铝合金表面的氧化处理可以形成氧化层，保护铝合金表面，提高铝合金的耐腐蚀性；金属材料表面经过镀铬、喷涂等处理可以提高银的光学透明度和化学稳定性。
此外，通过表面处理可以增加材料表面的疏水性或亲水性，进一步改变材料与周围环境的相互作用。
表面的改性也可以改善材料的生物学性能和生物适应性。
例如，医用材料如人工骨骼和人工关节一般要表面进行多次处理，以增加其生物相容性和降低其对周围组织的损伤。
界面对材料性能的影响界面是不同材料或同一材料不同相之间的界面。
在这些界面上，会有不同的物理和化学反应，从而产生不同的力、电学和光学性质。
例如，当两个金属接触时，界面处的电子相互作用可以导致金属表面发生化学反应，使得接合界面处形成化合物等化学反应。
界面的存在也会对材料力学性能产生影响。
在金属合金中，不同的晶体方向表现出不同的机械性能，即不同的力学属性。
当这些晶体遇到界面时，界面中的应力会产生影响，导致材料在局部区域的形变和塑性变形。
除此之外，在半导体工艺中，也需要对半导体材料进行热处理、光刻等工艺处理，生成不同的界面，从而制备出不同的器件。
而当这些器件的性质以及器件之间的交互作用都依赖于界面的存在和性质。
材料表面与界面
可采用红外光谱法分析表面官能团的种类。
透射法――abrasion法； 表面反射法： ATR法（attenuated total internal reflection）衰减全反射法MIR法（multiple internal reflection）多重内 反射法
FT－IR法： FT－IR －ATR差谱、FT－IR高灵敏度反射法、 FT－IR－扩散反射法等。
③结晶性的评价 聚合物表面结晶情况如何将大大影响聚合物的表面性质。是什么样的结晶？结晶度如何？对结晶度定量化 目前很难，只能采取定性的方法。
1)由表面张力进行推测 通常，在结晶性高的表面上单位面积上的原子或分子的密度大。 分子密度大的表面分子间力大于内部分子间力之和，表面的分子间力通常用表面张力来表示。
材料表面与界面
第七章 聚合物表面与界面概述 （Polymer Surface and Interface） 7.1 概述 随着聚合物制品的品种不断的增多，人们不仅希望制品存在优异的内在性能，而且对其表面性质的要求也越来越高。 要求制品有精美的外观以提高制品的商品价值； 要求制品具有某些特殊的表面性能以满足制品的各种使用要求。 这除了需要开发新品种以满足要求外，主要靠材料的表面改性来实现。
α
A
A′
S
S′
B
B′
β
α与β为不同的两个物质，它们接触到一起就会产生界面。
SS′为两相接触的面（相界面），为了方便处理，通常将界面看作一个虚构的几何面。
AA′与BB′之间的部分为界面相，很薄，几个分子厚。
许多研究者已经证实：处于两相间的交界部分乃是一个具有一定厚度（厚度很小，一般只有零点几纳米到几纳 米，通常小于0.1μm）的区域，物质的组分和能量可以通过这个区域从一个相连续地变化到另一个相。这层的结构和 性质与相邻两相的结构和性质都不一样。在界面区域内压力是不均一的，在垂直于界面的方向上存在压力梯度。与此 相反，在本体相区域内压力是均一的，不存在着梯度，并且是各向同性的。在本体相区域内可逆地输送物质不会消耗 净能量。
材料表面和界面的性质和应用研究
材料表面和界面的性质和应用研究一、引言材料表面和界面的性质和应用研究是材料科学和工程的一个重要研究领域。
表面和界面的性质对材料的性能和应用有着重要的影响。
因此，研究材料表面和界面的性质和应用，有助于深入理解材料的本质和运作机制，并能促进材料科学和工程的发展。
二、材料表面和界面的概念1. 表面的定义材料表面是指材料与环境相接触的部分。
它是材料与外部环境进行物质和能量交换的主要场所。
表面的形态和性质决定了材料的基本特性。
例如，粗糙的表面和平滑的表面会影响物质和能量的传输和反射。
2. 界面的定义材料界面是指两种或多种不同材料相接触的位置。
这种相接触的位置会影响两种或多种不同材料之间的相互作用。
例如，两种不同材料之间的界面会影响它们之间的形变、强度、电学性能和化学反应等。
三、材料表面和界面的性质1. 表面氧化材料表面的氧化是指材料表面上存在的氧化物的层。
氧化层可以改变材料的光学性质、磁性、化学反应性和电导率等。
氧化层可以直接影响材料的表面化学反应等化学性能。
2. 表面拉伸和压缩当材料表面遭受拉伸或压缩，其极化程度将会改变。
表面拉伸可以导致表面电荷重新分配，从而影响悬浮在材料表面上的离子、分子或具有电荷的颗粒的吸附和分散。
表面压缩会影响材料的电化学反应和电流密度的分布。
3. 界面能量材料界面的能量来源于不同材料之间的交换，例如电荷和原子。
界面反应与纯材料反应的区别体现在材料界面的能量发生变化，而不是材料自身的化学性质的变化。
因此，材料的界面能量与材料间的微观相互作用息息相关。
四、材料表面和界面的应用研究1. 表面活性剂表面活性剂是一种化学物质，常用于调整液体和材料之间的相互作用力。
通过添加表面活性剂，可以改善液体和材料之间的界面接触，从而提高分散度和黏附性。
2. 光、电材料光、电材料可根据特定的应用要求通过控制表面形貌来实现光学、电学性能和稳定性的控制。
例如，通过纳米结构的设计来控制光学吸收和发射，或者通过表面修饰来控制光电性能和介电常数等。
材料表面与界面化学机制
材料表面与界面化学机制材料表面与界面化学机制是材料科学与工程领域中的重要研究内容。
表面与界面现象的研究不仅涉及到材料的物理和化学性质，而且对于材料的设计与制备也具有重要意义。
本文将从表面与界面本身的性质、表面反应机制以及材料设计中的应用等多个方面探讨材料表面与界面化学机制的相关问题。
一、表面与界面本质特性材料表面与界面相对于材料本身具有不同的本质特性。
表面是指材料与外界接触的界面，表面玻璃化区域相对较厚，化学反应、电子迁移和机械变形等都主要发生在表面。
而界面则是指两个块状材料接触处，如晶界、晶粒边界、材料相界面等。
在界面处，由于晶体结构、原子排列等因素带来的差异，会导致界面处出现一些特殊的物理和化学性质，如界面能、界面扩散等。
表面与界面的物理和化学性质决定了它们与材料本身之间的相互作用。
例如，表面能和界面能的大小以及它们的成分不仅影响了材料的稳定性和生长，还直接决定了材料与外界的相互作用。
因此，研究表面和界面的本质特性对于深入理解材料与环境、工艺及应用领域的关系至关重要。
二、表面化学反应机制表面化学反应是材料表面与外界之间的一个极为重要且复杂的过程。
发生在表面的化学反应主要与表面本身的物理和化学性质、外界环境条件、反应物及反应类型等因素有关。
表面化学反应通常从吸附分子开始，随后发生在表面的催化、化学反应、表面扩散等过程。
吸附过程一般分为物理吸附和化学吸附两种。
物理吸附是指分子与表面之间仅存在范德华力的作用，能储存在表面的热力学自由能较低；化学吸附则是指分子与表面之间发生化学反应，与表面形成键结合能储存在表面的热力学自由能较高。
化学吸附一般要求反应物具有一定的活性，因此温度和升压等条件的变化往往可以促进化学反应的发生。
催化也是化学反应中一个重要的环节，它可以通过降低吸附分子的反应活化能，促进反应的发生。
表面扩散则是在表面中已存在的分子沿表面运动而不存在过程。
表面上的情况往往会导致物理和化学性质的改变，如晶体生长、腐蚀、涂层等过程。
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A.P.B --- R 等于点阵矢量，称反相界面；
SF ---
R
不等于点阵矢量，称层错。
2、孪晶界面
孪晶界面又称取向界面。
3、混合界面 孪晶界面与平移界面混合后的界面。
4、反演界面
左侧
IB
右侧
当晶体结构由中心对称向非中心对称转变时，由反演操
作联系起来的两个畴之间形成反演界面IB。
反演界面两侧点阵相同，但通过一个反演中心联系着。
实例：氧化态TiO2，表面吸氧或脱氧，变成 Ti2O3、 TiO等 …..
四、薄膜表面结构
对于薄膜表面，交换着原子、离子、电子、光子以及其它粒
子，并决定薄膜一系列的光学、电学、磁学、力学、生物学等性
质。对于薄膜表面结构，受到如下因素的影响： 1、薄膜制备过程中的各种条件；
2、基底材料种类与晶面；
3、薄膜与基底之间的界面。 所以，薄膜表面结构非常复杂。 实例：从金属薄膜的电子衍射花样（薄膜厚度不同可以有弥散 环、择优取向清锐环以及无择优取向清锐环等）、STM图像或
《材料表面与界面》
Surface and Interface in Materials
授课对象： 开课单位：
硕 士 研 究生 材 料 学 院
课程编号: 0831001203a 课程学分: 2学分
教学方式:
适用专业:
讲授、研讨、自学
材料学、材料加工工程、 材料物理化学、生物医学工程
教学要求与目的：掌握目前关于材料表面与界面 结构与性质的基本理论；掌握近代材料表面改性 与分析的基本方法；了解材料表面与界面的研究
实例： a-Si：H/a-C：H 超晶格界面、 InAsxP1-x/InP 超晶格界面、 Ag/Cu薄膜的超晶格界面等。
自学
五、薄膜界面结构
薄膜界面结构非常繁杂，因为： 薄膜本身的结构和成分多种多样，如单晶、多晶、 非晶、无定形、合金等； 薄膜常含有不同程度的杂质和缺陷； 各种结构和成分的基底； 等等。
缩短； 5、非紧密堆积的原子比紧密堆积的原子更趋向于松弛； 6、有些晶面上吸附原子后，表面和体内的键长差别减小甚至消 失（可能是表面断裂的键由于吸附杂质原子而获得恢复）。
二、半导体表面结构
清洁的半导体表面，具有如下特点： 1、表面普遍发生重构现象； 2、半导体表面结构具有各自稳定性的温度范围，温度太 高或太低，表面会从一种结构转变为另一种结构；
第n个原子的牛顿运动方程为（有M
un-1 un un+1
质量原子和M’质量原子）：
原子n在平衡位置的位移
2u n M 2 u ' n u ' n 1 2un t 2 ' un ' ' M u u 2 u n n 1 n 2 t
利用对称性原理，第n个原子的位移un和u’n的解为：
2、薄膜界面形貌的分形维数表征 自学 3、金属多层膜界面 4、 TiN薄膜界面 了解
六、陶瓷晶界结构
1、电容器陶瓷晶界 2、压电陶瓷晶界 3、半导体陶瓷晶界 4、超导体陶瓷晶界
自学
第二部分 材料表面振动
在晶体表面周期性受到破坏时，将类似于晶格的缺 陷，可能存在局域于表面的振动模，即表面振动，并将
自学
两个相邻晶粒取向差别角度在0-10º 之间。 较小的小角晶界可用位错排列来说明。如下图。
P54 图
小角倾转晶界示意图
3、大角晶界
当两个相邻晶粒取向差别角度 超过 15º 时为大角倾斜晶界， 此时晶界内位错密集，当超过35º 时，位错覆盖整个界面。
4、共格晶界 界面两边相邻晶粒的原子成一一对应的相互匹配关系。界 面上的原子为相邻两个晶体所共有。
自学
四、超晶格界面结构
在制膜过程中，如果逐层沉积不同结构或成分的材料，控
制膜厚，形成厚度方向的周期性结构，就会得到超晶格薄膜。
在分子束外延或金属有机物化学沉积中，通过计算机严格 控制，使每层的厚度控制在10-100Å范围，交替沉积，构成多层 结构，从而获得超晶格薄膜。 其基本要求：界面锐度、垂直于层面方向的结构共格长度和 横向晶化程度。
1、薄膜界面的类型
从纯基底到纯薄膜材料之间的不连续过渡区；如Si/TiN薄膜 在化合物与纯元素材料或化合物之间存在一种或几种化合物 组成的不连续过渡区；如Si/ TiN/TiO2薄膜
存在一个连续过渡区，固溶体或合金成分可以连续的从纯A
材料变化到纯B材料； 界面区由不同结构和不同成分的材料所填充，形成混合情况。
理想表面示意图
4、认为体内原子的位置与结构是无限周期 性的，则表面原子的位置与结构是半无限 的，与体内完全一样。
二、清洁表面
不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理 -化学效应的表面。
（表面的化学组成与体内相同，但结构可以不同于体内） 清洁表面可分为三种： 台阶表面、弛豫表面 、重构表面
1、台阶表面 --- 表面不是平面，由规则或不规则台阶组成。
二、界面的微观结构
指晶粒间界的结构，是在晶体结晶过程中形成的，存在于 多晶材料中。晶界区的晶粒表面原子，由于受到相邻晶粒势场 的作用，这些原子将在晶界区重新排列并达到平衡状态。 据晶界结构相邻晶粒取向差别角度的大小，可分为小角晶 界和大角晶界。
晶粒1
晶界
晶粒2
晶界原子排列示意图
1、晶界原子排列的理论模型 2、小角晶界
晶 系
斜形 正方 六角 矩形 矩形
二维Miller指数 Miller指数标记二维晶格中平行晶列的各种取向。如（hk） 注意与晶面指数的区别。？
表面结构命名法
Wood命名法 2×2 矩阵命名法
自学
1.3 常见的表面结构
目前已确定有100多种表面结构。以下主要介绍金属表面结 构、半导体表面结构、氧化物表面结构以及薄膜表面结构。
相 邻 晶 粒的 面 间 距 差不多时，可完全共格； 面间距相差较大时，出 现部分共格。
共有原子
5、晶界能与晶界电势 晶界能：晶界处的界面能。 小角度范围（<15º ）时：E=EZ/D 或El/D， EZ为晶界处单 位长度刃型位错应变能， El为晶界处单位长度螺型位错应变能。 D为小角度刃型位错的间距。 大角度范围时：复杂，待进一步解释。 晶界电势： 是杂质在晶界上偏析的重要因素，晶界势垒是许多功能材料 特性的成因。
动向。
课程主要内容：
一、材料表面与界面的结构 二、材料表面振动
三、材料表面电子态（金属、半导体）
四、材料表面吸附 五、薄膜与非晶的表面与界面特性 六、外来粒子与表面的相互作用 七、材料表面与界面的分析方法
课程教材及主要参考书：
1、孙大明等编著，固体的表面与界面，安徽教育出版社，1996
2、朱履冰主编，表面与界面物理，天津大学出版社，1992
u ' n exp i[(2n 1)qa t ]
un exp[ i(2qna t )]
为原子振幅。
三、表面晶格振动与力常数
晶体中第个面的运动方程为：
d 2u M C . p (u u p ) 2 dt p
M为原子质量，u为第个面的位移，C .p 为第个面和第p
表面
d0
内部
d0
三、吸附表面
在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自 表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。
吸附表面可分为四种吸附位置： 顶吸附、桥吸附 、填充吸附、中心吸附
俯视图
填充吸附
剖面图
中心吸附
顶吸附
桥吸附
四、表面自由能
在建立新表面时，邻近原子将丢失，键被切断，因
此，必须对系统作功；
一、金属表面结构
清洁的金属表面，低能电子衍射（LEED）研究表明具有
如下特点： 1、其Miller指数面的表面单胞多为（1 × 1）结构； 2、表面单胞与体内单胞在表面的投影相等； 3、表面键长与体内键长相近；
4、垂直于表面的最上层与第二层的间距接近于体内的值，变动
小于5%。一些（较少）非紧密堆积的晶面，约有5% - 15%的
AFM图像等可说明。
1.4 固体的界面
界面：两相之间的接触面。如相界面、内界面、晶界等。
一、界面类型
平移界面
从晶体学角度： 界面类型 孪晶界面 反演界面 气固界面
从实用角度：
半导体界面
薄膜界面 超晶格界面
1、平移界面
A.P.B
R
SF
R
在结构相同的晶体中，一部分相对于另一部分平滑移动一个位 移矢量 R。其间的界面称为平移界面。
将偏析与表面张力联系起来： (1) 若2< 1, 表面张力较小的组分将在表面上偏析(富集); (2) 若2= 1, 不存在表面偏析。
1.2 表面二维结构
平面 二维 格点阵列
格点 格点可以是一个原子（即
Bravais[布喇菲]格子）；
格点也可以是原子团； 二维格子中任意格点的位矢：
二维格子示意图
形成表面波。
表面振动的振幅常比体内更大。
可参《固体物理导论》教材
表面
ds
d0
内部
表面
d0
驰豫表面
内部
d0
重构表面
2.1 连续介质的表面波
一、一维单原子链
a
un-1
n-1原子的位移
un
un+1
n+1原子的位移
原子n在平衡位置的位移
一维单原子线性链示意图（弹簧连接）
a
第n个原子的牛顿运动方程为：
2
晶面1
（平面）
晶面2
（立面）
晶面3 （连
接面）
2、弛豫表面 --- 指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距 ds和体内原子层间距 d0相比有所膨胀和压缩的现象。