材料表面与界面(2-2)..
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
材料物理化学-第五章 表面与界面
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④n↑或↓ 三、吸附与表面改性 吸附：新鲜的固体表面能迅速地从空气中吸附气体或其它物质来降低其表面能。吸附是 一种物质的原子或分子附着在另一种物质表面现象。 表面改性：通过改变固体表面结构状态和官能团。 表面活性剂：降低体系的表面（或界面）张力的物质。
5.3 无机材料的晶界与相界
液体
开 the contact 两相的化学性能或
F 为润湿张力，θ为润湿角（接触角 angle），由于 所以，润湿先决条件是γSV>γS或γSL很小，当固液 化学结合方式很接近时，是可以满足这一要求。
材料物理化学
固
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改变γSV——减少氧化吸附膜； 改变γSL——两相组成相似； 改变γLV——液体中加入表面活性剂 ⑶浸渍润湿 浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。
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第五章
表面与界面
表面的质点由于受力不均衡而处于较高的能阶。这就使物体表面呈现一系列特殊的性 质。高分散度物系比低分散度物系能量高得多，必然使物系由于分散度的变化而使两者在物 理性能（如熔点、沸点、蒸气压、溶解度、吸附、润湿和烧结等）和化学性质（化学活性、 催化、固相反应）方面有很大的差别。随着材料科学的发展，固体表面的结构和性能日益受 到科学界的重视。随着近年来表面微区分析、超高真空技术以及低能电子衍射等研究手段的 发展，使固体表面的组态、构型、能量和特性等方面的研究逐渐发展和深入，并逐渐形成一 门独立学科——表面化学和表面物理。 表面与界面的结构、性质，在无机非金属固体材料领域中，起着非常重要的作用。例如 固相反应、烧结、晶体生长、玻璃的强化、陶瓷的显微结构、复合材料都与它密切相关。 表面：—个相和它本身蒸汽（或真空）接触面称之。 界面：—个相与另一个相（结构不同）接触的分界面称之。 相界：指具有不同组成或结构的两固相间的分界面。 晶界：是指同材料相同结构的两个晶粒之间的边界。 习惯上把液-气界面、固-气界面称为液体表面和固体表面。表面可以由一系列的物理化 学数据来描述（表面积、表面组成、表面张力、表面自由能、熵、焓等），表面与界面的组 成和结构对其性能有着重要的影响。 表面与界面起突出作用的新型材料，如薄膜、多层膜、超晶格、超细微粒与纳米材料等 发展如日中天。
材料物理与化学材料表面与界面物理与化学概念梳理
材料物理与化学材料表面与界面物理与化学概念梳理材料物理与化学—材料表面与界面物理与化学概念梳理在材料科学与工程领域中，表面与界面物理与化学是一个重要的研究方向。
了解材料表面与界面的性质对于改良材料性能、开发新型材料以及提高材料的应用性具有重要意义。
本文将对材料表面与界面物理与化学的相关概念进行梳理。
一、表面与界面的定义与特点1. 表面的定义与特点表面是指材料内部与外部环境之间的界面，是材料与外界相互作用的主要区域。
表面具有以下特点：（1）表面具有较高的表面自由能，导致表面能量较高；（2）表面具有不规则的形貌特征，如微观粗糙度和凹凸不平等；（3）表面具有较低的占有体积，而占据材料总体积很少。
2. 界面的定义与特点界面是指两个不同相的材料之间的边界，不同相可以是不同的材料，或者同一材料的不同相。
界面具有以下特点：（1）界面能量通常高于体相能量；（2）界面存在着各种缺陷，如孪晶、晶粒边界、位错等；（3）界面对材料的力学、电学、光学等性质具有重要影响。
二、表面与界面物理的研究内容1. 表面物理的研究内容表面物理主要研究材料表面的结构、形貌以及物理性质等。
具体研究内容包括：（1）表面结构的分析与表征，如表面晶胞结构、表面晶格畸变等；（2）表面形貌的研究，如表面粗糙度、表面平整度等；（3）表面态的研究，如表面态密度、表面电子结构等。
2. 界面物理的研究内容界面物理主要研究不同相之间的界面结构、界面缺陷以及物理性质等。
具体研究内容包括：（1）界面结构的分析与表征，如界面原子排列、界面层间结合等；（2）界面缺陷的研究，如界面晶格错配、界面位错等；（3）界面电子结构的研究，如界面态密度、界面电子传输等。
三、表面与界面化学的研究内容1. 表面化学的研究内容表面化学主要研究材料表面的化学成分、表面反应以及表面吸附等。
具体研究内容包括：（1）表面成分的分析与表征，如表面含有的原子、分子及其吸附态等；（2）表面反应的研究，如表面催化反应、表面氧化还原反应等；（3）表面吸附的研究，如表面吸附物的类型、吸附等温线等。
(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。
材料表面与界面课后思考题
材料表⾯与界⾯课后思考题第⼀章1.试述表⾯张⼒（表⾯能）产⽣的原因。
怎样测试液体的表⾯张⼒？（1）原因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。
（2）测试①⽑细管上升法测定原理将⼀⽀⽑细管插⼊液体中, 液体将沿⽑细管上升, 升到⼀定⾼度后, ⽑细管内外液体将达到平衡状态, 液体就不再上升了。
此时,液⾯对液体所施加的向上的拉⼒与液体总向下的⼒相等。
则γ=1 /2(ρl-ρg)ghrcosθ(1)(1)式中γ为表⾯张⼒, r为⽑细管的半径, h为⽑细管中液⾯上升的⾼度,ρl为测量液体的密度,ρg为⽓体的密度( 空⽓和蒸⽓) , g为当地的重⼒加速度, θ为液体与管壁的接触⾓。
若⽑细管管径很⼩, ⽽且θ=0 时, 则上式(1)可简化为γ=1/2ρghr (2）②Wilhelmy 盘法测定原理⽤铂⽚、云母⽚或显微镜盖玻⽚挂在扭⼒天平或链式天平上, 测定当⽚的底边平⾏⾯刚好接触液⾯时的压⼒, 由此得表⾯张⼒,公式为:W总-W⽚=2γlcosφ式中,W总为薄⽚与液⾯拉脱时的最⼤拉⼒,W⽚为薄⽚的重⼒, l为薄⽚的宽度, 薄⽚与液体的接触的周长近似为2l, φ为薄⽚与液体的接触⾓。
③悬滴法测定原理悬滴法是根据在⽔平⾯上⾃然形成的液滴形状计算表⾯张⼒。
在⼀定平⾯上, 液滴形状与液体表⾯张⼒和密度有直接关系。
由Laplace 公式, 描述在任意的⼀点P 曲⾯内外压差为式中R1, R2 为液滴的主曲率半径; z 为以液滴顶点O为原点, 液滴表⾯上P 的垂直坐标; P0 为顶点O处的静压⼒。
定义S= ds/de式中de为悬滴的最⼤直径, ds为离顶点距离为de处悬滴截⾯的直径再定义H=β(de/b)2 则得γ= (ρl-ρg)gde2/H 式中b为液滴顶点O处的曲率半径。
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，
《材料表面与界面》教学大纲
为后续学习打下基础。
张力、表面能等基本概念和
计算方法。
讲解了固-液、固-气、液-气 等界面的形成、特性及相互 作用机制，包括界面张力、 界面电势等。
系统介绍了物理、化学、机 械等多种表面改性方法，如 表面涂层、离子注入、激光 处理等。
阐述了界面设计的基本原理 和方法，包括界面相容性、 界面稳定性等方面的考虑， 以及界面优化的策略和技术。
介绍按成膜物质、涂层功能、涂层厚 度等分类的涂层技术。
介绍涂层结合力、硬度、耐磨性、耐 腐蚀性等性能的评价方法和标准。
涂层制备方法
阐述物理气相沉积（PVD）、化学气 相沉积（CVD）、电镀、喷涂等涂层 制备方法的原理和特点。
表面改性技术
表面化学热处理
解释渗碳、渗氮、碳氮共渗等表 面化学热处理的原理和应用。
工设备的原理和使用方法。
微纳加工应用
介绍微纳加工在微电子、光电子、 生物医学等领域的应用实例和发
展趋势。
05
材料界面控制技术
界面设计原理与方法
界面设计的基本原理
包括界面能、界面张力、润湿与粘附等基本概念，以及Young-Dupre方程、 Wenzel方程等界面设计的基本原理。
界面设计方法
介绍基于第一性原理、分子动力学模拟、相场模拟等计算方法的界面设计，以及实 验手段如X射线光电子能谱、扫描隧道显微镜等在界面设计中的应用。
06
材料表面与界面性能评价
表面形貌与粗糙度评价
表面形貌观察
利用光学显微镜、扫描电子显微镜等手段观察材料表面的微观形 貌，了解表面缺陷、污染物等情况。
粗糙度测量
采用触针式轮廓仪、光学干涉仪等设备测量表面的粗糙度，评价 表面的平滑程度和纹理特征。
表面波度分析
材料表面与界面的物理化学特性和应用
材料表面与界面的物理化学特性和应用材料表面与界面的物理化学特性与应用材料表面和界面是物理化学界中的热门研究课题，其在生产和工程领域中应用广泛，例如电子、光电、光电化学、光催化等。
本文将从一些方面简要阐述材料表面和界面的物理化学特性和应用。
一、材料表面物理化学特性材料表面是与外部环境接触的区域，其物理化学特性直接影响着材料的表面性能和功能，例如，反应活性、化学惰性、电化学与光电化学性能、热力学性能等。
表面区域会对材料的机械性能产生影响，并且影响通过它的接触、化学反应、透射率、吸附等现象表现在材料的表面上。
二、材料界面物理化学特性材料界面是两种不同材料之间的接触面积。
它是由更小的基本单元形成的，包括颗粒和晶体级别给固体和液体和气相之间的界面。
界面反应和界面性质也是不断受到研究和应用的领域。
界面的结构、电子性质和化学反应是由相互作用机制（如化学键合和溶致相互作用等）所控制的，因此其本质特性存在复杂性。
三、应用在材料科学领域，材料表面和界面性质的研究对材料物理化学反应的研究具有重要意义。
它们在催化、电化学以及材料生物学领域中都有着广泛的应用。
材料表面和界面在催化领域中具有重要的应用作用，由于催化反应通常发生在材料表面，材料表面上分子间的相互作用和分子结构对反应机理的影响必须了解。
以催化剂为例，制备催化剂时很多时候会对表面做一些处理以提高催化反应的活性。
在电化学中，材料表面和界面也具有重要的应用。
氧化还原反应和界面电化学反应可以通过电化学实验进行研究，这需要建模并模拟材料表面和界面的化学活性。
操作建模是开发新的电化学体系的一个关键方面。
材料表面和界面性质也会影响到材料生物学的研究。
例如：人工髋关节的材料具有生物相容性，即它们必须对组织没有毒性，防止组织周围感染，而组织对材料的生长和结合必须是有利的。
骨与人工髋关节表面和界面的相互作用是一种材料学和生物学问题，需要深入研究。
总之，材料表面和界面在物理化学研究以及实际应用中具有极其重要的地位。
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
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。
无机非金属材料结构基讲义础--表面与界面
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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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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。
06.02.2021
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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。
材料表面与界面物理学的基础知识
材料表面与界面物理学的基础知识随着科技的飞速发展，材料科学在现代工业生产中发挥着越来越重要的作用。
其中，材料表面与界面物理学是材料学中具有重要地位的一部分。
在材料科学的研究中，理解和掌握材料表面与界面的特性和行为，对于材料的设计、制备、性能和实际应用都具有重要的意义。
一、材料表面和界面的基本概念材料表面是指材料与周围环境之间的接触面。
在实际应用中，材料表面不仅是材料与外界相互作用的重要通道，而且也是许多材料特性的决定因素。
例如，物质的表面能直接影响材料的吸附、反应、腐蚀、粘附和力学性能等性质。
材料界面则是指两种或两种以上的材料在界面处连接的地方。
材料之间的界面可以分为同种材料的界面和异种材料的界面。
同种材料的界面常见于金属晶界、液体表面和晶体内核心部位等。
而异种材料的界面则广泛存在于金属材料与非金属材料之间、以及不同的物相之间。
二、材料表面和界面性质的影响因素1.几何形状和表面形貌：材料表面的几何形状和表面形貌是表面能和反应等很多特性的重要因素。
如表面能通常与表面的形貌相关，表面形貌也会对分子的吸附和运动产生很大的影响。
2.材料的化学成分：材料表面和界面性质的重要因素之一是材料表面化学成分和组分的分布。
它可以直接影响材料与周围环境的相互作用、反应及界面能量等性能。
3.表面结构与界面结构：材料表面的结构和界面的结构是其性质的重要因素之一，它们直接关系到材料的机械等性能。
三、材料表面和界面物理性质的测量方法1.原子力显微镜（AFM）：AFM是一种基于原子力的高分辨率显微镜，可用于观察材料表面的形貌和结构。
2.扫描电镜（SEM）：扫描电镜常用于观察材料表面的形貌和微观结构，其中，扫描电子束与样品相互作用，形成电子图像。
3.X射线衍射（XRD）：XRD是基于材料中原子排列导致的X 射线的衍射图案，可以用于表征材料的晶体结构和晶格缺陷。
4.表面等离子体共振（SPR）：SPR是一种用于测量材料表面物理性质和学习分子吸附和反应过程的实验方法。
高分子材料的界面与表面性质研究
高分子材料的界面与表面性质研究高分子材料是一类具有广泛应用的材料，它们在各个领域中扮演着重要的角色。
然而，高分子材料的界面与表面性质对于其性能和应用有着至关重要的影响。
在这篇文章中，我们将探讨高分子材料的界面和表面性质的研究进展，以及其在材料科学领域中的意义。
一、界面性质的研究界面是指两个相互接触的材料之间的区域。
对于高分子材料而言，界面性质的研究对于了解材料的结构和性能起着至关重要的作用。
界面性质的研究方法主要包括界面力学性质、界面能量、界面结构等方面。
1. 界面力学性质界面力学性质是研究界面上力学行为的重要指标。
通过测量界面的剪切强度、界面屈服强度、弹性模量等参数，可以评估材料界面的稳定性和强度。
例如，通过拉伸实验可以测定高分子材料界面的断裂强度，以评估其在实际应用中的可靠性。
2. 界面能量界面能量是描述界面力量交换的重要参数。
通过测量界面的表面张力和界面能量，可以了解高分子材料与其他材料的黏附性和界面稳定性。
界面能量的研究可以帮助我们优化材料的界面结构，从而改善材料的性能和应用。
3. 界面结构界面结构指的是高分子材料与其他材料之间的结合方式和层次。
通过使用各种表征方法，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等，可以观察和分析高分子材料与其他材料界面的形貌和结构。
界面结构的研究有助于我们了解材料在界面处的相互作用机制，从而指导材料的设计和制备。
二、表面性质的研究表面性质是指高分子材料表面的特征和性质。
与界面性质类似，表面性质的研究也对于了解高分子材料的性能和应用具有重要意义。
表面性质的研究方法主要包括表面能、表面形貌等方面。
1. 表面能表面能是描述材料表面各个部分之间相互作用的能量。
通过测量材料表面的接触角，可以获得材料的表面能。
表面能的研究可以帮助我们了解高分子材料与其他物质的黏附性和润湿性，进而优化材料的表面处理方法。
2. 表面形貌表面形貌是指材料表面的形状、纹理和粗糙度等特征。
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固体表面能随温度的变化关系主要来源于固体表面熵的变化。由于与固体内部原子 相比，固体表面原子的运动自由度和表面点缺陷密度都较大，所以固体产生单位表面积 的熵是增加的，即Ss为正值。因此(∂γ/∂T)p为负值。因此，随温度升高，固体的表面能下 降。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（1）固体的表面能和表面应力
表面张力（Surface tension）、表面能（Surface energy）和表面应力（Surface stress）是我们在研究物质表面能量状态时经常用到的三个参数。这三个参数具有相 同的单位，即：单位面积的能量（J/m2）或单位长度的力（N/m）。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.3 固体晶体的平衡形状
（2）固体晶体表面平衡形状的确定方法
(a) (b) (c) (10) (11) (10) (11)
Cu Al Sn Mo
Nb
弹 性 模 量 10 (1 05 5 kg/ m m2)
Stainless Steel
Sn Al
Ag
Au
Ni-20/Cr Ni Ni-40/Cu -Fe Cu/Al Pt Cu-30/Zn Cu
Cr
Mo
d(Gs A) = Afde =fdA Gs dA + dGsA = fdA f = Gs + A (dGs/dA) = Gs + dGs/de
固体表面应力与表面能的之差为固体表面单位弹性应变下的表面能变化（ ∂Gs/∂e）。 只有当∂ Gs /∂e = 0时，表面应力等于表面能（例如液体）。对于许多固体，∂ Gs /∂e ≠ 0。 固体的表面应力与表面能通常在一个数量级。当∂ Gs /∂e > 0时，表面应力值大于表面能； 当∂ Gs /∂e < 0时，表面应力值小于表面能。
E = NEa + AEs
式中E为固体的总能量，N为固体中的总原子数，Ea为固体中每个原子所具有的 能量，A为固体的表面积，Es为固体表面单位面积所具有的能量。 固体的总熵值（S）也可以表示为：
S = NSa + ASs
固体的总自由能（G）也可以表示为：
G = NGa + AGs
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.2 固体不同晶面的表面能
（2）简单立方晶体固体表面能的计算
a a a
(a)单胞结构
(b){001}晶面
(c){011}晶面
(d){111}晶面
简单立方晶体的单胞结构和其中的{001}，{011}和{111}晶面原子排列示意图
简单立方晶体{001}，{011}和{111}晶面的表面能计算结果
1
500
1000
1500
2000
2500
表面能 (kJ/mole)
0 0 150 300 450 600 750 900
一些固态金属或合金的弹性模量与 表面能之间的关系。
升华热 (kJ/mole)
一些固态金属的表面能与 其升华热之间的关系。
固体的表面能与其升华热、弹性模量和熔 点等物理性能之间基本呈线性关系。 主要是因 为这些物理量都与固体内部原子间结合力大小
在用以上方法计算固体晶体表面能时，忽略了固体断 开后，形成新表面原子的松弛能。表面原子松弛将导致表 面能降低，但由于一般表面原子的松弛能要远远小于表面 能，所以在计算时，往往可以忽略表面原子松弛对表面能 产生的影响。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.3 固体晶体的平衡形状
晶面{hkl} {001} N{hkl} Z 1 γS{hkl}
1 a2
2
2
Ua 2a 2
2Ua
{011}
2a 3a
2
2a 2
3Ua
{111}
3
2
3
2a 2
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.2 固体不同晶面的表面能
（3）面心立方晶体固体表面能的计算
a a
a
(a)单胞结构
(b){001}晶面
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（3）固体的表面能与物理性能之间的关系
120
Ta W
50
W
摩 100 尔 表 80 面 能 60 (kJ/ mol 40 e)
20
Pt Cr Fe Ti Co Au Ni Ag Zn K
1 a2
2
2
2Ua a2
2Ua
{011}
a
2 4 1（次表面） 1（再次表面）
a2
3Ua
{111}
3
3a 2
a2
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.2 固体不同晶面的表面能面 再次表面 次表面
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.2 固体不同晶面的表面能
材料的表面与界面 Surfaces and Interfaces in Materials
第2章 材料表面与界面的基础知识
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
与固体内部原子相比，固体表面原子具有额外高的能量，因此，一个固体 总的能量应该等于固体中所有原子的能量和加上固体表面原子的能量和，即：
a
3 2Ua a2 2 3Ua a2
次表面 最表面
{111}
4 3 3a 2
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.2 固体不同晶面的表面能
（4）体心立方晶体固体表面能的计算
体心立方晶体{001}，{011}和{111}晶面的表面能计算结果
晶面{hkl} {001} N{hkl} Z 4 γS{hkl}
(c){011}晶面
(d){111}晶面
面心立方晶体的单胞结构和其中的{001}，{011}和{111}晶面原子排列示意图
面心立方晶体{001}，{011}和{111}晶面的表面能计算结果
晶面{hkl} {001} N{hkl} Z 4 5 1（次表面） 3 γS{hkl}
2 a2
2
2
4Ua a2
{011}
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（2）固体的表面能的影响因素
影响固体表面能的主要因素有：固体原子间的结合能、固体表面原子的晶面取向和温度。
Gs = Hs - TSs
Gs Ss T p T p
（1）固体晶体表面平衡形状及其形成原则
固体晶体的表面平衡形状一方面取决于所形成的总表面积大小，但更重要的是决定 于构成表面的晶面表面能大小。一般情况下，固体晶体的表面由那些表面能较低的低指 数晶面组成，从而形成多面体形状。
固体晶体平衡形状（多面体）形成的原则是固体总表面自由能最低。当固态球状晶 体加热后，固体晶体会变为多面体，其原因就是这样的多面体的总表面自由能最低。因 此，固体表面的平衡形状为多面体。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.2 固体不同晶面的表面能
（1）固体表面能的计算
采用“近邻断键模型”（Nearest-neighbor broken-bond model）来计算 固体晶体的表面能。 两点假设：第一，每个原子只与其最近邻的原子成键（最近邻原子数即为 该晶体结构的配位数），并且只考虑最近邻原子间的结合能；第二，原子间 的结合能（-Ua）不随温度变化。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（1）固体的表面能和表面应力
如果在拉伸或压缩应力的作用下，固体材料表面发生弹性变形，则由于弹性应变的 产生将导致表面能量状态发生变化。固体表面的弹性变形可以用表面弹性应变张量e来 表示。如果固体材料表面的弹性应变产生一个微小的可逆变化（de），则固体的表面积 也将产生一个微小的变化。由于这个微小弹性应变导致的额外表面自由能的增加为：
1727 2250 1027 1338 907 1100 1400 1535 1311 1047 1535 1250 16.5
金属的表面能一般在1000-2000 mJ/m2，陶瓷晶体的表面能一般是金属 的一半，而有机物液体的表面能非常低，一般比金属表面能低2个数量级。
第2章 材料表面与界面的基础知识
密切相关。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（3）固体的表面能与物理性能之间的关系
一些固态和液态金属的表面能测量结果
物质 表面能 (mJ/m2) 测量温度 (℃) 一些固态陶瓷和有机物液体的表面能测量结果 物质 LiF (固体) NaCl (固体) KCl (固体) MgO (固体) CaF2 (固体) BaF2 (固体) He N2 乙醇 水 苯 n-辛烷 四氯化碳 溴 醋酸 苯甲醛 硝基苯 表面能 (mJ/m2) 340 227 110 1200 450 280 0.31 9.71 22.75 72.75 28.88 21.80 26.95 41.50 27.80 15.50 25.20 测量温度 (℃) -195 25 25 25 -195 -195 -270.5 -195 20 20 20 20 20 20 20 20 20
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（4）固体的表面能的测量
由于固体晶体表面能受固体表面晶面取向影响很大，并且固体表面晶 体缺陷对表面能影响十分复杂，所以精确测量固体表面能是十分困难的。 利用单晶体解理断裂功测量方法可以测量固体晶体某一晶面的表面能。 利用大块晶体与不同尺寸粉末晶体的溶解热差测量方法可以近似求出晶体 的平均表面能。利用表面张力直接显示法可以得到固体接近熔点时的表面 能。 另外，从前面的学习内容可以看出，固体的表面能与其很多物理性能 密切相关，因此可以通过测量固体的一些物理性能数据，再通过固体表面 能与这些物理性能之间的定量关系，通过计算得到固体的表面能。