无机材料科学基础第五章表面与界面复习课程
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--材料表面与界面(专业课)
正确答案：A.1/11重合位置点阵
5.下列对变形储能描述正确的是（ ）。
正确答案：A.变形储能越大，变形储能差值越大，界面的迁移速率越大。
多选题
----------------------------------------------------------------------------------------------------
2.小于六边形晶粒，向外凸迁移最终会消失。
正确答案：对
3.溶解度低的溶质原子在晶界偏析的程度大。
正确答案：对
6.晶界、亚晶界是晶体结构和组成成分相同、但取向不同的两部分晶体的界面。
正确答案：对
7.扭转晶界是由两组相交的螺型位错所构成。
正确答案：对
正确答案：A.机械作用界面 C.凝固共生界面 D.熔焊界面
6.孪晶界面分为（ ）。
正确答案：
判断题
----------------------------------------------------------------------------------------------------
正确答案：A.晶界曲率是晶界迁移的驱动力 B.界曲率是向凹侧推进
3.小角晶界包括（ ）。
正确答案：A.对称倾侧晶界 B.不对称晶界 C.扭转晶界
4.下列描述中正确的是（ ）。
正确答案：A.变形储能越大，变形储能差值越大。 C.变形储能越大，界面的迁移速率越大
5.下面对常见的材料表面按其形成途径分类描述正确的（ ）。
1.析出物形状是由( )两个互相竞争着的因素所决定。
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
深入学习无机材料科学知识
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不断学习和掌握无机材料科学领域的新知 识、新技术和新方法。
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
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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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分辨率极高，可揭示材料内部结构和晶体缺陷的详细信息 。
原子力显微镜（AFM）表征
学习相关学科知识，如物理学、化学、工程 学等，提高跨学科综合素质和解决问题的能 力。
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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
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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
无需真空环境，可观察导体和非导体样品，提供三维表面形貌信息 。
沈阳化工大学无机材料科学基础5-1 固体表面与界面1
无机材料科学基础
一、固体表面的特征
固体表面的特点 固体表面力场
无机材料科学基础
1. 固体表面的特点 （1）固体表面 理想表面 清洁表面：台阶表面、驰豫表面、重构表面 吸附表面 表面偏析
无机材料科学基础
压、第二相的性质等条件有关。如温度上升，表面能下降。
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。
➢固体中表面力分为哪几类？
无机材料科学基础
▲▲
➢表面力的分类：
(1) 化学力（长程力）
0.266nm
NaCl表面层中Na+向里、Cl-向外移动，并形成双电层
无机材料科学基础
➢ 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）
无机材料科学基础
2、粉体表面结构
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。
无机材料科学基础
4、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。
无机非金属材料结构基础--表面与界面
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1
在不同的技术学科中，人们对材料表面的尺度往往有不同的划分和理解。 从结晶学和固体物理学考虑，表面是指晶体三维周期结构同真空之间的过 渡区，它包括不具备三维结构特征的最外原子层，如一个或数个原子层的区域。 材料学中通常将气相（或真空）与凝聚相之间的分界面称为表面。
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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。
变化过程：松弛（极化变形，降低表面能）和重建（离 子重排，进一步降低表面能）。
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12
表面离子重排结果：
①正离子的配位数下降，6
5；
②表面形成厚度为0.02nm的双电层；
③晶体表面好象被一层负离子所屏蔽。
18:247413源自双电层的成因：对于离子晶体，处于表面的负离子（Cl-）只受到上下和内侧Na+ 离子的作用，而外侧是不饱和的。于是，表面负离子（Cl-）的 电子云因被拉向内侧正离子一方而变形，形成负电端朝内侧、 正电端朝外侧的偶极子。这种偶极子的形成，必然引起与其相 邻的Na+离子电子云的变化，使Na+离子电子云的正电端朝内侧负 电端朝外侧，形成诱导偶极子。由于负离子的极化变形大于正 离子，因此，表面上的Na+离子被拉向内侧，这相当于表面上的 Cl-离子被推向外侧，正负离子通过重排而使体系在能量上趋于 稳定，并在表面形成双电层。
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15
表面效应：最外层的双电层对次内层发生作用，并引起内层离 子的极化与重排，这种作用随着向晶体内部推移而衰减。作用 深度与阴、阳离子的半径差有关。
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。
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
第五章 有机-无机复合材料中的界面第二讲
(2) 模板合成纳米材料 模板与纳米颗粒之间的识别组装成纳米材料
模板：固体基质、单层或多层膜、有机分子（表
面活性剂）或生物分子等等。
生物分子模板法
与简单有机分子模板不同，组装过程不是通过模板与纳米团簇的识别，而是通过 与纳米团簇结合的低聚核苷酸分子与模板间的分子识别而实现的。
金 纳 米 颗 粒 的 组 装
Bawendi等人, 将包敷TOPO(三辛基氧膦)和TOP(三辛基膦)的CdSe纳米 团簇，在一定压力和温度下溶解于辛烷与辛醇的混合溶剂中，然后降低 压力使沸点较低的辛烷逐渐挥发，由于包敷TOPO和TOP的CdSe纳米团 簇在辛醇中的溶解度较小就使得纳米团簇的胶态晶体从溶液中“析出”, 经高分辨电镜分析，这样组装得到的超晶格其有序排列范围可达数微米 尺寸。
TICl4+油酸为表面活性剂+甲基丙烯酸甲酯 Ti02-甲基丙烯酸甲酯杂化材料。 具有明显的抗紫外辐射特性，在长期的太阳光照晒中，材料的光泽度不变 。
（2） Ti02-聚对苯乙炔杂化复合材料
高温成膜
聚对苯乙炔(PPV)是高分子电致发光材料，发光效I率低、亮度小、单色性差 等不足，严重制约了它的实用化. TiCl4醇溶液+PPV的醇溶液 惰性环境
Si(OR)4
(2)
(RO)3Si-OH (RO)3Si-O-Si(OR)3
金属烷氧化物为前驱体的分散体系原位生成杂化复合材料
材料表面与界面课程教学大纲
材料表面与界面课程教学大纲课程编码：ZB0820825课程名称：材料表面与界面/surface and interface of materials课程总学时/学分：48/3适用专业：无机非金属材料工程一、课程简介材料表面与界面课程系统地阐述高分子及其复合材料的表界面特点和基础理论，重点介绍了液体表面特性，固体表面特性，固液界面特性，表面活性活性剂，聚合物表面改性以及聚合物界面理论等。
本课程为专业课，是一门从基础学科学习向实际专业研究工作过渡的重要课程。
在材料科学与技术专业的教学计划中开设。
二、教学目的和任务本课程是在物理化学、材料物理化学基础上进一步阐述高分子及其复合材料的表界面现象特点和理论基础，以及高分子复合材料中由于界面状况的不同对复合材料性能的重要影响。
表界面问题涉及到高分子改性的几乎所有方向，如高分子增强、填充复合材料、高分子共混复合材料、高分子的粘接、涂装及印刷、高分子的表面改性等。
通过本课程的学习，可以使材料科学与工程专业的同学具备高分子材料改性技术的理论基础和实用方法。
本课程的实践教学环节通过实验完成，培养学生对所学知识的综合运用能力和分析能力。
三、教学基本要求四、教学内容与学时分配学时序号章节教学内容理论实践合计1第一章绪论44 2第二章液体界面222.1 表面张力和表面自由能2.2 表面张力的热力学定义2.3 Laplace 方程222.4 液体表面张力的测定2.5 Kevin 方程222.6 吉布斯等温吸附式3第三章固体界面223.1 固体表面特性3.2 固体表面自由能3.3 固－气界面吸附224第四章固液界面4.1 Young方程和接触角224.2 黏附功与内聚能4.3 Young-Dupro 公式4.4 接触角的测定方法224.5 接触角的滞后现象4.6 润湿过程的三种类型225第五章表面活性剂44 6第七章聚合物表面改性44 7第八章复合材料界面44 8实验88合计32840五、教学方法及手段采用课堂讲授的教学方法。
南京工业大学 材料表面与界面 第五章+有机-无机复合材料中的界面第一讲
安远炮台始建于清光绪十年（1884年）中法战争镇海 役之前，安远炮台为黄泥、沙、石灰、和糯米的混合 物夯实而成，极坚固。
复合材料的定义
关于复合材料的定义人们说法不同。有人说“复合材料
是由两种或者两种以上单一材料构成的具有一些新性能的 材料”，这种解释虽容易被人理解，但从科学的角度来看， 尚不完善，也不够确切。
复合材料的发 展的三个过程
1980—2000 是先进复合材料得到充分发展的时期， 称为第三代。在航空航天各领域得到了迅速的发 展，并在各个领域得到应用，同时出现了纤维增 强金属、纳米材料作为分散相等复合材料。
基体材料和增强材料
复合材料中存在两种或者两种以上的 物理相，可以是连续的，也可以是不连 续的。
1.
增强材料作用：
1）增强增韧；
2）提高使用温度；
3）提高耐磨性能；
4）提高其光电功能性能等
界
面
在复合材料的两种组成部分中，即在基体和增强材料 存在着一个界面，界面则对复合材料的性质起到非常 重要的作用。 界面定义：基体与增强物之间化学成分有显著变化的 构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。 界面尺度：几个原子层～数十微米 界面形状：一个区域、一个带、一层、多层过渡区域； 包括：原始接触面、基体与增强物反应形成的接触面 等 组成： 基体组分、增强物组分、反应组分、杂质
(6)界面化学效应 基体与增强材料间的化学反应，官能团、原于分 子之间的作用。
阻止裂纹的扩展
不连续效应
电阻R1
电阻R2 电阻R1
散射和吸收效应
界面化学效应
R Si 聚合物表面 R Si O R Si O H H O H
O
M
O
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。
2022/3/14
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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：
2022/3/14
高倍电子显微镜下聚四氟乙烯表面结构图
2
1µm • CVD氧化铝涂层剖面
2022/3/14
• 氧化铝涂层表面
3
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。
10
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。
8
（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
22
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↓；
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。
5
（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
25
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。
13
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。
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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 γ
SV -γ
SL
>γ
LV
；B γ
SV
>γ
SL
；C γ
SV
-γ
SL
<γ
LV
；D γ
SV
<γ
SL
）
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 。
（ A 泥浆的流动性；B 泥浆的触变性；C 泥浆的滤水性；D 泥团的可塑性；E 泥浆稳定性；F 泥浆浇注时间；G 坯体形成速率；H 粘土的结合水
石在酸性介质中， 边面带 +1 电荷。
（ －2、0、＋1 ）【酸性+1；中性0；碱性-2】
10．同价阳离子所饱和的粘土，其ξ－电位随离子半径减小而 升高 。
（降低、升高、不变）
11．粘土泥浆胶溶必须使介质呈 碱性 ，还必须有 一 价阳离子交换粘土小原来吸附的阳离子。
（ 酸性、碱性、中性、一价、二价、三价 ）
三、什么叫表面张力和表面能? 在固态下和液态下这两者有何差别?
表面张力：表面增大一个单位长度所需要的力 表面能：表面增大一个单位面积所作的功 液态：液态下二者数值相等
固体：只有在通过缓慢的扩散条件下引起界面或者表面的变化时二者才能够相等
四、根据图4-3和表4-3（教材P110）可知，具有面心立方晶格不同晶面（110）、（100）、（111）上，原子密度不同，试回答，哪一个晶面上固-气表面能是最低的？为什么？（111）最低；(110)其次;(100)最高
五、试解释粘土结构水、结合水（牢固结合水、松结合水）、自由水的区别，分析后两种水在胶团中的作用范围及其对工艺结构水 牢固结合水 松结合水 自由水 名称
粘土结构中以（OH ）存在的水
靠近内层定向排列的水分子层 介于牢固结合水和自由水之间定
向排列程度差的水分
子
层
松结合水外围的水分子 区别 粘土结构内部 3-10个水分子层 小于20nm 大于20nm 范围
水分子层小于10nm 可塑性好
六、用Na 2CO 3和Na 2SiO 3分别稀释同一种粘土（以高岭石矿物为主）泥浆，试比较电解质加入量相同试，两种泥浆的流动性、注浆速率、触变性和坯体致密的有何差别？
前者无明显变化，后者除了触变性下降，其余均上升
N
U N U n n N U L N
U N U n n N U L N U N U n n N U L ib
is
s
ib is s ib is s 0
0000000046
.0122
-1555.0)1(11052.0124
-1785.0)1(100
45.0126
-1907.0)1(111==-===-===-=）（）（）（）（）（）（γγγ
七、影响粘土可塑性的因素有哪些？生产上可以采用什么措施来提高或降低粘土的可塑性以满足成型工艺的需要。
影响因素1：含水量2：颗粒尺寸3：矿物组成4：吸附阳离子种类
影响方法1：改变泥料处理工艺 2添加塑化剂
九、MgO-Al
2O
3
-SiO
2
系统的低共熔物放在Si
3
N
4
陶瓷片上，在低共
熔温度下，液相的表面张力为900mN/m，液体与固体的界面能为
600mN/m，测得接触角为70.520。
（1）求Si
3N
4
的表面张力；
（2）把Si
3N
4
在低共熔温度下进行热处理，测试其热腐蚀的槽角
为600，求Si
3N
4
的界面能。
γSi
3N
4
=γ（Si
3
N
4
-liquid）+γ（liquid）cosθ
=600+900cos70.520=900
Γ=2γ（Si
3N
4
）cosα=2×900×cos30=1558.8。