无机材料科学基础-5-表面与界面讲解
无机材料科学基础 第五章固体表面与界面
r0 为0K时的表面能； 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。
说明：
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) 可能是自由表面是由许多原子尺度的阶梯构成，使真 实面积比理论面积大。 总结 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。温度上升，表面能下降。
第二节
一、 弯曲表面效应
界面行为
弯曲表面:由于表面张力的存在而产生一个附加压力ΔΡ。
对于 球面：
对于非球面：
ΔΡ＝2γ/r
ΔΡ＝γ(1/r1+1/r2)
(3)晶格缺陷、空位或位错而造成表面不均匀。
(4)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，引起表面不均匀。 (5)固体表面宏观光滑，原子尺寸衡量，实际上也是凹凸不平的。
2. 固体表面力场
固体表面力定义：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。
内部原子对称配位受力平衡
表面原子不对称配位受力不平衡
表面力的分类
(1)范得华力(分子引力)
(2)
长程力
(1) 范得华力(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。
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。
材料科学基础：第七章 表 面 与 界 面
大角晶界模型：
晶界力求与重合点阵 密排面重合，即使有偏 离，晶界会台阶化，使 大部分面积分段与密排 面重合，中间以小台阶 相连。
如图，AB、CD与重合 点阵密排面重合，中间 BC小台阶相连。
3． 小角度晶界：
对称倾侧晶界、不对称倾侧晶界、扭转晶界
3．小角度晶界—
对称倾侧晶界
由相隔一定距离刃 型位置垂直排列组成
如Cu-1Sn%合金，：Sn的偏析，Sn的原子半径比Cu大9%，发生严重点阵畸变。 当Sn处于晶界时畸变能明显降低
7.晶界偏聚---平衡偏聚：
B. 平衡偏聚公式 Cg=Co exp（dEs/RT）
Cg：晶界上溶质原子浓度，Co晶内溶质原子浓度， dEs晶界、晶内能量差
C. 平衡偏聚特点
a. 由公式可见一定溶质浓度在一定温度下对应一 定偏聚量
EC为位错中心能量,金属晶界能与晶粒位向差θ的 关系
晶界能---实线测量值、虚线计算值 小于15-
200 两者符合很好。EB在小角时与位向敏感，大 角度时为常数
晶界能---三个晶界平衡时有 E1/sinφ1=E2/sinφ2=E3/sinφ3
6.晶界能应用---少量第二相形状
A. A、第二相基体晶粒内
持……
化学工业：胶水，涂料，油漆，洗涤剂….. 写字，作画：纸张与墨水…. 食物消化：消化液与食物…… 建筑：砌砖，混疑土….. 烹调：灰面炸鸡……
7.晶界偏聚---平衡偏聚及非平衡偏聚
A. 平衡偏聚
平衡条件下由于溶质与溶剂原子尺寸相差很大，溶质原子在晶内、晶界的畸变能差很界--- 每个晶粒中直径10-100μm的晶块（亚晶粒）
之的界面
亚晶界---溶质原子优先聚集和第二相优先析
出的地方可阻碍位错运动，影响材料力学性能
武汉理工大学考研材料科学基础重点 第5章-表面结构与性质
第四章固体的表面与界面固体的接触界面可一般可分为表面、界面和相界面：1）表面:表面是指固体与真空的界面。
2）界面:相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。
3）相界面:相邻相之间的交界面称为相界面。
有三类: S／S；S／V； S／L。
产生表面现象的根本原因在于材料表面质点排列不同于材料内部，材料表面处于高能量状态⏹ 4.1 固体的表面及其结构♦ 4.1.1固体的表面1.理想表面2.清洁表面（1）台阶表面（2）弛豫表面（3）重构表面3.吸附表面4. 固体的表面自由能和表面张力5. 表面偏析6. 表面力场固体表面的结构和性质在很多方面都与体内完全不同。
所以，一般将固体表面称为晶体三维周期结构和真空之间的过渡区域。
这种表面实际上是理想表面，此外还有清洁表面、吸附表面等。
1、理想表面没有杂质的单晶，作为零级近似可将清洁表面理想为一个理想表面。
这是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。
它忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，忽略了表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等，忽略了外界对表面的物理化学作用等。
这种理想表面作为半无限的晶体，体内的原子的位置及其结构的周期性，与原来无限的晶体完全一样。
2、清洁表面清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。
这种清洁表面的化学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。
根据表面原子的排列，清洁表面又可分为台阶表面、弛豫表面、重构表面等。
（1）台阶表面台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶的表面所组成（2）弛豫表面 –在垂直于表面的方向上原子间距不同于该方向上晶格内部原子间距的表面由于固体体相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子的配位情况发生变化，相应地表面原子附近的电荷分布将有所改变，表面原子所处的力场与体相内原子也不相同。
为使体系能量尽可能降低，表面上的原子常常会产生相对于正常位置的上、下位移，结果表面相中原子层的间距偏离体相内原子层的间距，产生压缩或膨胀。
无机材料科学基础表面与界面ppt学习教案
提高自身专业素养以适应行业发展需求
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通过参与科研项目、实验课程等实践活动 ，提高实践能力和创新能力。
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透射电子显微镜（TEM）表征
原理
利用高能电子束穿透样品，通过检测透过样品的电子束或 衍射电子等信号，获得样品的内部结构和晶体信息。
应用
观察无机材料的晶体结构、晶格缺陷、位错和层错等，可 分析材料的晶体学性质和相变过程。
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原子力显微镜（AFM）表征
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感谢观看
无机材料表面与界面表征技
05
术
扫描电子显微镜（SEM）表征
原理
利用高能电子束在样品表面扫描，通过检测样品发射的次级电子 或背散射电子等信号，获得样品表面形貌和组成信息。
应用
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优点
分辨率高、景深大、立体感强，可直观观察材料表面形貌。
原理
利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作 用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。
应用
观察无机材料表面的原子排列、表面粗糙度、表面电势和摩擦力等 ，可分析材料表面的物理和化学性质。
优点
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《无机材料科学基础》第4章-表面与界面
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。
＝KTd / L
(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。
7
四、 晶界电荷
弗伦克尔等曾提出，在热力学平衡时离子晶体表 面和晶界由于有过剩的同号离子而带有一种电荷。
由于氧化物中热激发的晶格缺陷的浓度较低，在 晶界上的电荷及其相联系的空间电荷是由异价溶质浓 度决定的。
8
排列。
3
晶界能
W＝
Gb 4 (1
)
(
A0
ln
0
)
－－失配度
0
b －－柏氏矢量
－－与位错线有关的 一个长度
G 剪切模量
－－泊松比
A0
1＋ln(
b
2r0
)
4
二、多晶体的组织
在硅酸盐材料中，多晶体的组织变化发生在晶粒接 触处即晶界上，晶界形状是由表面张力的相互关系决 定的，晶界在多晶体中的形状、构造和分布称为晶界 构型。
5
γSV γSV
ψ
固态晶粒 固态晶粒
γSS
热腐蚀角(槽角)
γSL
γSL
γSS
固态晶粒 固态晶粒
固－固－液平衡的二面角
cos 1 SS 2 2 SV
cos 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
分类
晶粒间夹角 大小
小角度晶界 大角度晶界
晶界两边院 子排列
共格晶界 半共格晶界 非共格晶界
2
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，
无机材料科学基础第五章表面与界面
第5章固体表面与界面一、名词解释1.阳离子交换容量：为PH＝7 时100g干粘土所吸附的离子的毫克当量数2.可塑性：粘土与适当的水混合均匀制成泥团，当其受到高于某一个剪切应力值时，可以塑造成任何形状，这种去除应力能够保持形状。
3.触变性：泥浆的稀释流动状态到泥浆的稠化凝聚状态之间还有一个中间态，通过扰动和摇动，凝固的泥浆又变回流动状态，当停止扰动或摇动，又变回凝固的泥浆4.滤水性：用石膏模型注浆成型时，泥浆形成的固化泥层透过水的能力5.聚沉值：使一定量的胶体溶液在一定的时间内开始凝聚所需要的电解质浓度6.粘土阳离子交换：粘土颗粒吸附的阳离子被溶液中其它浓度大、价数高的阳离子所交换二、填空与选择1．范氏力主要来源于三种不同效应：发生在极性分子和极性分子之间的静电力；发生在极性分子和非极性分子之间的诱导力和发生在非极性分子和非极性分子之间的色散力。
2．不同类型的物体在应力作用下出现的流动形式可有：粘性流动、宾汉流动、塑性流动、假塑性流动和膨胀流动。
3．粘土阳离子交换顺序为 H＋>Al3＋>Ba2＋>Sr2＋>Ca2＋>NH4＋>K＋>Na ＋>Li＋（半径大、电价高交换能力强）。
4．粘土荷电的主要原因有：类质同晶取代、边棱破键和腐殖质电离。
5．水和粘土作用以后，水在粘土胶粒周围随着距离的增大可分为：牢固结合水、疏松结合水和自由水。
（电价低、半径小结合水多）6．当液体与固体相接触，固相不被液体所润湿，则两相的表面张力的关系应是D 。
（ A γSV -γSL >γLV；B γSV >γSL；C γSV -γSL <γLV；D γSV <γSL ）7．离子晶体通常借助表面离子的极化变形和重排来降低其表面能，对于下列离子晶体的表面能，最小的是 PbI 2、 。
（ CaF 2、PbF 2、PbI 2、BaSO 4 、SrSO 4 ）8．粘土的很多性能与吸附阳离子种类有关，当吸附下列不同阳离子后的变化规律以箭头表示（小→大）：−−−−−−−−−−−→−++++++++++Li Na K NH Mg Ca Sr Ba Al H 422223 与这样变化规律有关的性能是 A 。
无机非金属材料科学基础课件：固体的表面与界面行为(145页PPT课件) -
在常溫時，表面極化離子的電矩通常是 朝內部取向以降低其表面能。因此常溫下鉛 玻璃具有特別低的吸濕性。但隨溫度升高， 熱運動破壞了表面極化離子的定向排列，故 鉛玻璃呈現正的表面張力溫度係數。
如圖，肥皂膜的一端在力F的作用下移動。肥皂 膜沿著x軸方向移動了dx的距離，當它勻速移動時， 拉力F與肥皂膜表面所產生的張力大小相等、方向相 反。如果以γ表示單位長度表面的張力數值，則在把 肥皂膜拉伸dx距離時所作的功W為：
或
某肥皂膜的拉伸
某肥皂泡的膨脹
如果不考慮重力場對肥皂泡的作用，泡總是呈 球形的。假設肥皂泡的半徑為r，它的總表面能值為 4πr2γ。當這個肥皂泡的半徑增大或減小dr時，它的 總表面能就要增大或減小8πrγdr。使肥皂泡擴張的條 件為泡內壓力大於泡外壓力，即在肥皂泡膜的內外 兩側存在一個壓力差△P。這個壓差所產生的膨脹功 為
一些晶體化合物的表面能
3. 粉體表面結構
粉體在製備過程中，由於反復地破碎，不斷形成新 的表面。表面層離子的極化變形和重排使表面晶格畸變， 有序性降低。因此，隨著粒子的微細化，比表面增大， 表面結構的有序程度受到愈來愈強烈的擾亂並不斷向顆 粒深部擴展，最後使份體表面結構趨於無定形化。
基於X射線、熱分析和其他物理化學方法對粉體表面 結構所作的研究測定，提出兩種不同的模型。一種認為 粉體表面層是無定形結構；另一種認為粉體表面層是粒 度極小的微晶結構。 • 粉體表面層是無定形結構 的實驗驗證：
无机材料科学基础5表面与界面教学文案
无机材料科学基础5表面与界面教学文案一、教学内容本节课的教学内容来自于小学科学教材《无机材料科学基础》的第五章，主要涉及“表面与界面”的概念及其特性。
具体内容包括：1. 表面的定义与分类；2. 表面张力及其影响因素；3. 界面现象及其解释；4. 表面处理技术及其应用。
二、教学目标1. 让学生理解并掌握表面与界面的基本概念，了解表面张力及其影响因素。
2. 通过观察和实验，使学生能够发现和解释界面现象。
3. 培养学生对科学知识的兴趣和探究欲望，提高学生的实践操作能力。
三、教学难点与重点重点：表面与界面的概念，表面张力及其影响因素，界面现象的观察与解释。
难点：表面张力的形成机理，界面现象的数学解释。
四、教具与学具准备教具：PPT，实验器材（包括显微镜、放大镜等观察工具）。
学具：实验记录本，彩笔。
五、教学过程1. 情景引入：通过日常生活中的例子（如水滴在叶子上的形状）引入表面的概念，激发学生的兴趣。
2. 知识讲解：讲解表面的定义与分类，重点解释表面张力的概念及其影响因素。
3. 实验观察：让学生用显微镜观察水滴在叶子上的形状，引导学生发现和解释界面现象。
4. 课堂练习：让学生结合实验观察，用彩笔在实验记录本上绘制水滴在叶子上的形状，并尝试用所学的知识解释。
5. 知识拓展：介绍表面处理技术及其在实际应用中的重要性。
六、板书设计板书内容主要包括：表面与界面的概念，表面张力及其影响因素，界面现象的观察与解释。
七、作业设计1. 绘制水滴在叶子上的形状，并用所学的知识解释。
答案：水滴在叶子上的形状是由于表面张力的作用，使水滴尽量减少表面积，形成球形。
2. 查找有关表面处理技术的资料，了解其在实际应用中的重要性。
八、课后反思及拓展延伸课后反思：通过本节课的教学，学生是否掌握了表面与界面的基本概念，是否能运用所学知识解释实际问题。
拓展延伸：表面处理技术在现代工业中的应用，如在制造工艺、材料科学、生物医学等领域的重要作用。
第五章-固体表面与界面-固体的表面及其结构--2012中南大学无机材料科学基础课件
5.1 固体的表面及其结构
5.1.1 固体的表面 5.1.2 固体的表面结构
5.1.1 固体的表面
1. 理想表面 2. 清洁表面
（1）台阶表面 （2）弛豫表面 （3）重构表面 3. 吸附表面 4. 固体表面能和表面张力 5. 表面偏析 6. 表面力场
对于不同结构的物质，其表面力的大小和影 响不同，因而表面结构状态也会不同。
威尔（Weyl）等学者基于结晶化学原理研 究晶体表面结构，认为晶体质点间的相互作用， 键强是影响表面结构的重要因素，提出晶体表 面双电层模型。
4. 固体界面能和界面张力
界面能：增加界面单位面积体系自由能的增量 （J/m2 ）
界面张力：扩张界面单位长度所需要的力（N/m） 界面能与界面张力的单位为等因次。
（J/m2＝N·m/m2＝N/m）
注意：
界面能（或界面张力）<<两表面的表面能（或 表面张力）之和
两相之间总存在一定的相互作用能； 当两相化学组成或结构相近时，其相互作用能
越明显，则界面能（或界面张力）越小，形成 的界面越稳定。
5. 表面偏析 不论表面进行多么严格的清洁处理，总有
一些杂质由体内偏析到表面上来，从而使固体 表面组成与体内不同，称为表面偏析。
6. 表面力场
固体表面由于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，从而表现的剩余键 力，称为固体表面力。
固体表面吸附，就是固体表面力场和被吸引质点力 场相互作用的结果。
依性质不同，表面力可分为： （1）化学力 （2）分子引力
（1）化学力：本质上是静电力
来自表面质点的不饱和价键，并可用表面 能数值来估计，是固体表面产生化学吸附的主 要原因。
材料科学基础---第四章 表面与界面
J/m2 Nm2mm N
液体的表面能和表面张力在数值上是相等的；固体 的表面能和表面张力在数值上往往是不相等的。
思考题
1、固体表面具有哪些特征？固体表面的不均一 性是如何产生的？
2、在表面力作用下，离子晶体表面会产生哪些 变化？
3、表面粗糙度和微裂纹对晶体表面会产生什么 影响？
1)—开尔文方程
r2
P—曲面上蒸汽压 P0—平面上蒸汽压 r —球形液滴的半径 R—气体常数
—液体密度 M—分子量 —表面张力
讨论： (1) 凸面蒸汽压>平面>凹面蒸汽压。 应用：解释蒸发凝聚传质。 (2)开尔文公式也可应用于毛细管内液体的蒸汽压变化。
如液体对管壁润湿，则
lnP2M1cos P0 RT r
材料科学基础---第四章 表面 与界面
பைடு நூலகம்
一、固体表面的特征
1、固体表面的不均一性 ●绝大多数晶体是各向异性。 ●同一种物质制备和加工条件不同也会有不同的表 面性质。 ●由于晶格缺陷、空位或位错而造成表面的不均一 性； ●由于外来物质污染，吸附外来原子占据表面位置 引起固体表面的不均一性。 ●固体表面无论怎么光滑，从原子尺寸衡量，实际 上也是凹凸不平的。
4、什么是晶界？相界面？晶界具有什么特点？ 5、什么是晶界构型？多晶材料中晶界相遇有哪
几种构型？
第二节 界面行为
一、弯曲表面效应 二、润湿与粘附
一、 弯曲表面效应
1、弯曲表面的附加压力 (1)定义：弯曲表面两边的压力差称为弯曲表面的附加压力。 符号：∆P。 (2)产生原因：由于表面张力的作用。方向：曲率中心。
图4－6 润湿的三种情况
（1）附着润湿
无机材料科学基础5表面与界面教学文案
03
分析无机材料表面与界面在材料科学和技 术中的重要性；
04
为后续课程学习和相关科研工作打下基础 。
教学内容与目标
教学内容
教学目标
重点
难点
教学方法
无机材料表面与界面的 基本概念、结构、性质 和应用；
通过本课程的学习，使 学生掌握无机材料表面 与界面的基本理论和实 验技能，具备分析和解 决无机材料表面与界面 相关问题的能力。
表面涂层技术
溶胶-凝胶法
通过溶胶的凝胶化过程在无机材料表 面形成涂层，可控制涂层厚度和均匀
性。
化学气相沉积
利用化学反应在材料表面沉积一层薄 膜，具有优异的附着力和耐腐蚀性。
物理气相沉积
采用物理方法（如蒸发、溅射等）在 材料表面沉积薄膜，适用于复杂形状
和高温条件下的涂层制备。
表面改性技术
表面化学改性
掺杂改性
将两种或多种无机材料进行复合 ，形成具有优异性能的新材料， 以提高其与周围环境的相容性。
复合改性
通过调整合成或加工过程中的温 度、压力、时间等工艺参数，优 化无机材料的结构和性能，从而 改善其相容性。
07
实验部分：无机材料表面与界面性能测 试
实验目的和要求
01
掌握无机材料表面与界面性能测试的基本原理和方 法。
结合材料的结构和组成，探讨无机材料表面与界面性能的影响因素和 机理。
根据实验结果，提出改进无机材料表面与界面性能的建议和措施。
THANKS
THANK YOU FOR YOUR WATCHING
02
了解不同无机材料的表面与界面性能特点。
03
通过实验操作，培养实验技能和分析能力。
实验原理和操作步骤
无机非金属材料结构基讲义础--表面与界面
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5
2、固体的表面现象 处于任何相态的任何物质的表面与其体相相比较, 二者在组成、结构、性能、质
点（原子、分子、离子）的能量状态和受力情况等方面均有差别，由此而产生的各 种物理和化学现象称之为表面现象，集中表现在以下几个方面：
1）表面质点的几何结构不同于体相，形成新的对称性与元格结构（表面基元 结构，以区别于三维体相晶体结构中的元胞），发生相变，同时还会产生各种微观 缺陷。
4）由于表面存在不饱和价键，因此在化学上表现异常活泼，直接影响外来原 子或分子在固体表面上的吸附和催化反应。
总之，表面上质点的几何排列、电子结构、元素组成及化学状态与体相是完全 不同的，因而在宏观上显示出固体材料表面特有的物理化学现象，并表现出特殊的 物理化学性质。
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3、固体的表面力场 1）化学力
不过，HF，H2O，NH3 等氢化物的分子量与相应同族氢化物相比要小， 但它们的熔、沸点则反常地高，其原因在于这些分子间存在氢键。
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11
4、固体表面结构
1）晶体表面结构 微观（原子尺度的超细结构）和宏观（表面几何状态）
（1）晶体表面的微细结构（离子晶体）
维尔威（Verwey）晶体表面结构学说: 新形成的理想表面由 于周期性重复排列中断而具有很高的表面能，体系不稳定，通 过自发地变化，来降低能量而趋于稳定。
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2
从实用技术学科角度考虑，表面是指结构、物性、质点（原子、分子、离子） 的能量状态和受力情况等与体相不相同的整个表面层,它的尺度范围常常随着客 观物体表面状况的不同而改变，也随着不同技术学科领域研究所感兴趣的表面 深度不同而给表面以不同尺度范围的划分。
材料科学基础第五章3-2界面偏聚
T↑ → C↓↓，成指数下降。原因：组态熵的影响增大。
但是，如果温度过低，虽然平衡时的C应该更高，但是受扩散限制， 反而无法达到较高的平衡值。
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（3） 畸变能差（E）和最大固溶度（Cm）
E↑ → C↑↑ ，二者成指数关系。
溶质原子在晶内和晶界的畸变能E大小，与溶质和溶剂原子的差
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不同角下的第二相分布：
Θ=180o
图中绿色为第二相
120°
β相在晶界铺展开来
晶界与晶棱上第二相的形状
第二相存在于界角：
cos(x/2) = 1/[2sin(/2)] cos(180-y) = 1/[(3)tg(/2)]
180° 120° 60°
0°
xy 120° 90°
109°28’ 0° 180°
形状 球形 曲面四面体 网络状骨骼 片状
存在于界角上的第二相
G = Vmp = 2 /RVm 即：G/Vm = 2 /R = p （驱动力）
通过以上分析可见，晶界曲率是晶界迁移的驱动力，界面曲率越大， 曲率半径越小，则驱动力越大，界面迁移速度越大。
界面总是向凹侧推进，界面迁移减小界面曲率，降低压力差和自由 能差，以趋向于热力学稳定状态。
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三、影响界面迁移率的因素
界面能的变化与Fy力作功相等
Fy
y
l
d d
其中 y l
Fy
d d
结论：当界面处于低界面能位向，界面不发生转动，否 则Fy驱动界面转动，dγ/dθ为扭矩项
界面平衡的热力学条件 (A)0 1 OR 2 OS 3 OT
单相多晶体平衡时，在与晶棱垂直 面上的晶界交成3线节点，线与线之 间夹角接近120o。
材料科学基础-5-晶体的界面
§5.3 晶体的界面晶 界孪晶界相 界小角度晶界大角度晶界外表面内界面固体的表面与界面固体的接触界面一般可分为表面、界面和相界面：1）表面: 表面是指固体(三维结构)与真空的界面。
2）界面: 相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。
n界面不只是指一个几何分界面，而是指一个薄层，这种分界的表面（界面）具有和它两边基体不同的特殊性质。
n物体界面原子和内部原子受到的作用力不同，它们的能量状态也就不一样，这是一切界面现象存在的原因。
n界面是晶体中的二维缺陷，是一种不平衡缺陷。
高倍电子显微镜下聚四氟乙烯表面结构图n CVD 氧化铝涂层剖面n 氧化铝涂层表面1µm相界面3）相界面: 相邻相之间的交界面称为相界面。
相界面有三类: 固相与固相的相界面（s／S）；固相与气相之间的相界面（s／V）；固相与液相之间的相界面（s／L）。
液-液界面液-固界面（一）晶界与亚晶界•晶界：属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界(grain boundary)•亚晶界：每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界(sub-grain boundary)（二）晶界的分类与结构小角度晶界——相邻晶粒的位向差小于10°的晶界；亚晶界均属小角度晶界，一般小于2°；大角度晶界——相邻晶粒的位向差大于10°的晶界；多晶体中90％以上的晶界属于此类。
倾斜晶界与扭转晶界示意图1. 小角度晶界小角晶界分类对称倾斜晶界不对称倾斜晶界扭转晶界相邻晶粒各转θ/2b 不对称倾斜晶界相互垂直的两组刃位错垂直排列c 扭转晶界两组螺位错构成小角度晶界特点1. 位向差小于10°2. 由位错构成3.位错密度↑—— 位向差↑——晶格畸变↑——晶界能↑注：位错密度 —— 决定位向差与晶界能位错类型与排列方式 —— 决定小角晶界的类型晶界的显微照片晶界的高分辨TEMNi0.76Al0.24:500ppm B 的小角晶界（倾斜7°）2. 大角度晶界——一般在30°~ 40°重合点阵模型↓重合点阵+台阶模型↓重合点阵+台阶+小角晶界模型Ni3(Al－Ti)中的倾斜晶界 —— 旋转36.87°，重合5重位晶界三个晶界相交于一条直线（三）晶界能切变模量积分常数泊松比单位面积能量小角度晶界θ＜15°γ0（常数）界面张力晶界能在0.25~1.0J/m 2与θ无关，为定值大角度晶界多晶体材料的晶界均属于大角晶界，界面能大致相等，尽管在交汇处应互成120o，但晶粒大小不同，邻近晶粒数也不等，晶界不成直线，而形成不同方向的曲线(曲面)。
《无机材料科学基础》第4章表面与界面
4.2 晶界
• 定义： • 晶界：结构相同而取 向不同的晶体相互接 触的界面 • 相界：取向、组成与 结构都不同相邻晶粒 间的界面 • 4.2.1 晶 界 结 构 与 分 类 • 结构特点：原子排列 不规则，结构疏松
• 2、 晶界分类 （1）、按两晶粒夹角大小 大角度晶界 小角度晶界（错合角小于2—30）
（4）瘠性料的悬浮与塑化 （一）、悬浮 1、控制料浆PH值（适用于两性氧化物） 介质呈酸性 MOH----M++OH介质呈碱性 MOH----MO-+H+ 例：Al2O3 H+: Al2O3+6H2O—2AlCl3+3H2O AlCl3+ H2O---- AlCl2OH+HCl AlCl2OH+ H2O—AlCl(OH)2+HCl OH-: Al2O3+2NaOH---NaAlO2+H2O NaAlO2-----Na++AlO2胶粒形成如右图，电动点位见下图
第四章 表面与界面
• 本章要点 1固体的表面特征 2晶体的表面结构（表面双电层、几何结构） 3晶界结构与分类 4粘土---水系统胶体化学
4.1 固体的表面
定义： 表面：一相与其本身蒸汽（或真空）接触的分界面 界面：一相与另一相（结构不同）接触的分界面 4.1.1固体表面特征 1、 固体表面的不均匀性 原因： 晶体的各相异性； 加工条件不同; 表面缺陷; 表面吸附
（2）、按晶界两边原子排列
的连续性 a共格晶界： 界面两侧的晶体 具有相似的结构和类似的 取向，越过界面原子面是 连续的 失配度 =（C2－C1）/C1 b半共格晶界：界面间距小的 一相发生应变 c非共格晶界：结构相差很大 的固相间的界面
材料科学基础05-固体的表面与界面培训讲学
亚晶界（sub-boundaries）、相界(phase boundaries)
及层错(stacking faults)等。
界面的存在对晶体的力学、物理和化学等性能产生着重
要的影响。
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界面现象的本质
表面层分子与内部分子相比，它们所处的环境不同。
体相内部分子所受四周邻近相同分子的作用力是第2 节 界面及界面行为——润湿与吸附、粘附
• 本章了解界面、固体表面分类及结构、固体表面 力场
• 重点掌握润湿的类型（附着、浸渍和铺展润湿） • 重点掌握Young方程、接触角 • 润湿的应用 • 吸附、粘附
第1节 固体的表面及其结构
固体表面的特点
固体表面的不均一性。表现在：
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高倍电子显微镜下聚四氟乙烯表面结构图
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1µm • CVD氧化铝涂层剖面
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• 氧化铝涂层表面
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相界面
3）相界面: 相邻相之间的交界面称为相界面。 相界面有三类: 固相与固相的相界面（s／S）； 固相与气相之间的相界面（s／V）；固相与液相 之间的相界面（s／L）。
F范＝FK＋FD＋FL 1/r7
对不同物质，上述三种作用并非均等的。例如对于非极 性分子，定向作用和诱导作用很小，可以忽略，主要是 分散作用。
固体的表面结构
表面力的作用： 液体: 总是力图形成球形表面来降低系统的表面能。 固体: 使固体表面处于较高的能量状态(因为固体不能流动), 只能借助于离子极化、变形、重排并引起晶格畸变来 降低表面能，其结果使固体表面层与内部结构存在差异。
（1）台阶表面 台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规 则的台阶的表面所组成。
无机材料科学基础第五章-表面与界面(1)
9
5.1.1 晶体表面的形貌
晶体的各向异性：不同晶面上原子的密度、配位数及键角 不同，因而不同晶面的吸附性、生长、溶解度及反应活性 各不相同。 暴露在外的晶面一般是表面能较低的密排低指数晶面。
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邻位面：表面略微偏离低指数面的晶面
粗糙面：远离低指数面的晶面 平台：密排低指数晶面，其取向和完整的密排低指数面的 取向一致。晶体表面对密排低指数面的偏离通过平行于密 排方向的台阶以及沿台阶的扭折来实现。
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（3）静电力：在二相表面间产生的库仑作用力。 一个不带电的颗粒，只要它的介电常数比周围的介质 大，就会被另一个带电颗粒吸引。 （4）毛细管表面力：在二个表面间存在液相时产 生的一种引力。粉体表面吸水并产生毛细管力，会立 即粘结成块。 （5）接触力：短程表面力也称接触力，是表面间 距离非常近时，表面上的原子之间形成化学键或氢键。 表面力对材料工程有重要影响：如，陶瓷烧结。
的相互作用；
位能：
ED
3 2 h 0 4r 6
h——普朗克常数； α——非极性分子的极化率； ν0——分子内的振动频率。
作用力： f = dE/dr ∝r-7
范德华力的特点： ①普遍存在于分子间，对于不同物质，三者不均等； ②分子引力的大小与r7 成反比，即随 r 增大，作用力 f 急 剧减小，说明分子间引力范围很小，约0.3-0.5nm。
外表面
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二、微裂纹 微裂纹直接影响材料的机械强度（尤其是脆性材料） ，由于微裂纹的尖端应力集中，所以表面微裂纹在材料中 起着应力倍增器的作用。根据格里菲斯（Griffith）断裂 力学理论，得到材料的断裂应力（ζc ）与微裂纹长度（c ）的关系式： 2 E c c 微裂纹长度c↑，断裂应力ζc↓；
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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， 称之为固体表面力。
表面力的分类： (1) 范得华力(分子引力) (2) 长程力
(1) 范得华力(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。
(3)与两种材料间的封接和结合界面间的啮合和结合 强度有关。
表面裂纹
表面裂纹因晶体缺陷或外力而产生。表面裂纹在 材料中起着应力倍增器的作用，使位于裂纹尖端 的实际应力远大于所施加的应力。格里菲斯关于 微裂纹的公式：
理想晶体和玻璃体：假定任一个原子或离 子都处在三维无限连续 的空间中，周围对它作 用完全相同。
实际晶体和玻璃体：处于物体表面的质点， 其境遇和内部是不同的， 表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 列特殊的性质。
内容提要
固表面力场与表面能。 离子晶体在表面力场作用下，离子的极化与重排过程。 多相体系中的界面化学：如弯曲效应、润湿与粘附， 表面改性。 多晶材料中的晶界分类，多晶体的组织，晶界应力与电荷。
(2) 长程力： 属固体物质之间相互作用力，本质仍是范得华力。 按作用原理可 分为： A. 依靠粒子间的电场传播的，如色散力，可以加和。 B. 一个分子到另一个分子逐个传播而达到长距离的。 如诱导作用力。
二、晶体表面结构 1. 离子晶体表面
超细结构(微观质点排列) 显微结构(表面几何状态)
表面力的作用： 液体: 总是力图形成球形表面来降低系统的表面能。 固体: 使固体表面处于较高的能量状态(因为固体不能流动), 只能借助于离子极化、变形、重排并引起晶格畸变来 降低表面能，其结果使固体表面层与内部结构存在差异。
粘土胶粒带电与水化等一系列由表面效应而引起的胶体化学 性质如泥浆的流动性和触变性、泥团的可塑性等。
第一节 固体的表面
主要内容：固体表面的特征、结构和固体的表面能 定义 表面－－把一个相和它本身蒸汽或真空接触的分界面。
界面－－把一相与另一相(结构不同)接触的分界面。
一、固体表面的特征 二、晶体表面结构 三、固体的表面能
第四章 表面与界面
总述
理想晶体和玻璃体 实际晶体和玻璃体
例如：石英的粉碎。1kg直径为10－2米变成10－9米，表面积 和表面能增加143倍。由于高分散系比低分散系能量高得多， 必然使物系由于分散度的变化而使性质方面有很大差别。
物理性质：熔点、沸点、蒸汽压、溶解度、吸附、
润湿和烧结等
化学性质：化学活性、催化、固相反应 等
一、固体表面的特征
1. 固体表面的不均匀性，表现在：
(1) 绝大多数晶体是各向异性，因而同一晶体可以有许多性能不 同的表面。 (2)同一种物质制备和加工条件不同也会有不同的表面性质。 (3)晶格缺陷、空位或位错而造成表面不均匀。 (4)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，也引起表面不均匀。 (5) 固体表面无论怎么光滑，从原子尺寸衡量，实际上也是凹凸 不平的。
c
2E c
三、固体的表面能 1. 共价晶体表面能
us
1 2
ub
ub 为破坏化学键所需能量
us 为表面能
2. 离子晶体的表面能
0
LsU 0 N
(1
nis ) nib
r0 为0K时的表面能； 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。
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。
质等条件有关。温度上升，表面能下降。
第二节 界面行为
NaCl 晶 体
图3－1 离子晶体表面的电子云变形和离子重排
说明：
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。
NaCl 晶 体
图3－1 离子晶体表面的电子云变形和离子重排
说明：
0
LsU 0 N
(1
nis ) nib
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。
总结
固体和液体的表面能与温度、气压、第二相的性
2. 从晶格点阵稳定性 考虑作用力较大，极 化率小的正离子应处 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 表面双电层。重排结 果使晶体表面能量趋 于稳定。
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，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。
应用： 硅酸盐材料生产中，通常把原料破碎研磨成微细
粒子(粉体)以便于成型和高温烧结。
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。
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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。