材料物理化学-第五章 表面与界面
物理化学中的表面现象和界面反应
物理化学中的表面现象和界面反应表面现象和界面反应是物理化学领域中的重要课题，涉及到物质与界面的相互作用、表面结构、表面能量等方面。
本文将以此为主题，介绍表面现象和界面反应的基本概念、研究方法以及在生物、化工等领域的应用。
一、表面现象的基本概念表面现象是指物质与界面之间的相互作用过程，包括液体-气体界面和固体-气体界面。
液体-气体界面的表面现象包括液体表面张力和液滴形成，固体-气体界面的表面现象包括液体在固体表面的吸附、界面活性剂的作用等。
表面现象有其固有的特点，例如，液体分子在液体-气体界面上受到复杂的吸附相互作用，导致液滴形成；而在固体-气体界面上，固体表面原子和分子的排列方式与体相有所不同，表现出特定的性质。
二、研究表面现象的方法研究表面现象的方法主要包括表面张力测定、界面活性剂的表面吸附等实验手段。
例如，通过在液体-气体界面加压，测定液滴的半径变化来确定液体表面的张力。
界面活性剂的表面吸附可以通过测定界面剂溶液的表面张力和浓度来推断。
此外，表面和界面的结构也可以通过许多表征手段进行研究，包括拉曼光谱、X光衍射、透射电子显微镜等技术。
这些方法可以直接或间接地揭示表面分子和原子的排列方式、键长、键角等信息。
三、界面反应的原理与应用界面反应是指液体-液体界面或者固体-液体界面上发生的化学反应。
在界面反应过程中，各相之间的相互作用和传递起着重要的作用。
界面反应在生物、化工等领域有广泛的应用。
例如，生物体内的很多生化反应发生在细胞膜界面上；某些化工过程中，通过控制液体-液体界面上的界面反应，可以实现组分之间的选择性分离和传递，提高反应效率。
四、表面化学在材料制备中的应用表面化学是指通过改变固体表面的结构和性质，来实现功能化、修饰和改进材料性能的一种方法。
例如，通过在金属表面形成一层氧化物薄膜，可以提高金属的耐腐蚀性和强度；通过在纳米颗粒表面修饰有机分子，可以实现药物的缓慢释放，用于肿瘤治疗。
除此之外，表面化学在光电子学、传感器等领域也有广泛的应用。
第五章表面与界面第一讲
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Biblioteka 微裂纹的公式：c
2 E c
固体的表面能
定义：在恒温恒压下形成单位新表面所需要的最大功
[110] [112] [111]
周期
图5.1.2Pt铂（557）有序原子台阶表面示意图
（2） 弛豫表面 (图5.1.3，图5.1.4 ) 由于固相的三维周期性在固体表面处突 然中断，表面上原子产生的相对于正常位置 的上、下位移，称为表面弛豫。 0.1A
0.35A
图5.1.3 弛豫表面示意图
图5.1.4 LiF(001)弛豫 表面示意图， Li F
晶界的特性 晶界上由于原子排列的不规则而造成结构比较疏松， 因而也使晶界具有一些不同于晶粒的特性 ： （1）晶界较晶粒内部容易受腐蚀(热腐蚀、化学腐蚀)； （2）在多晶体中，晶界是原子(或离子)快速扩散的通 道； （3）晶界上容易引起杂质原子(或离子)的偏聚； （4）晶界处的熔点低于晶粒的熔点； （5）晶界成为固态相变时优先成核的区域 ； （6）晶界可以阻止位错的移动、增加滑移的困难。
5.3.2 相界结构的分类：
共格相界: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 半共格相界: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。 非共格相界: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。
表面与界面
看看它们分别是什么类型相界面？
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
材料表面与界面名词解释和简答题
材料表面与界面1、材料表界面对材料整体性能具有决定性影响，材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、化学反应、复合等等，无不与材料的表界面密切有关。
2、应用领域：a. 航空和航天器件；b.民用;c.特种表面与界面功能材料；d.界面是复合材料的重要特征。
3、隐形涂料：这种涂料含有大量的铁氧体粉末材料，依靠其自身自由电子的重排来消耗雷达波的能量。
4、表面与界面概念：常把从凝聚相（固相、液体）过渡到真空的区域称为表面; 从一个相到另一个相之间的区域称为界面.5、表界面尺寸：可以是一个原子层或多个原子层，其厚度随材料的种类不同而不同。
6、在物质的气、液、固三态中，除了两种气体混合能完全分散均匀而不能形成界面外，三种相态的组合可构成五种界面：液－气，液－液，固－气，固－液，固－固。
7、物质的分类。
从形态上：固体，液体，气体，胶体，等离子体。
从结构上：晶体，无定形。
8、固体表面的分类：理想表面；清洁表面（高温热处理，离子轰击加退火，真空解理。
真空沉积。
场致蒸发等）。
吸附表面。
9、清洁表面发生的常见重要物理化学现象：(a)表面弛豫；（b）重构；(c) 偏析又称偏聚或分凝；(d)台阶化；(e) 形成化合物；(f)吸附10、表面处离子排列发生中断，体积大的负离子间的排斥作用，使C1-向外移动，体积小的Na+则被拉向内部，同时负离子易被极化，屏蔽正离子电场外露外移，结果原处于同一层的Na+和C1-分成相距为0.020 nm的两个亚层，但晶胞结构基本没有变化，形成了弛豫。
11、重构：表面原子重新排列，形成不同于体相内部的晶面。
12、偏析又称偏聚或分凝指化学组成在表面区域的变化但结构不变。
13、台阶化表面附近的点阵常数不变，晶体结构也不变，而形成相梯度表面。
14、形成化合物：指表面化学组成和结构都发生改变，在表面有新相生成。
15、吸附指表面存在周围环境中的物种。
分类：物理吸，附和化学吸附。
16、物理吸附：外来原子在固体表面上形成吸附层，由范德华力作用力引起，则此吸附称为物理吸附。
物理化学中的表面现象与界面反应
物理化学中的表面现象与界面反应表面现象是指在物质的表面上出现的各种物理和化学现象。
物质表面与外部环境之间存在一个界面，即物质界面，它是物质内部与外部之间的接触面。
在界面上，物质的性质和结构发生改变，出现了许多特殊的现象，如：界面张力、表面活性、润湿和粘附等。
这些现象的研究是物理化学的重要内容。
一、表面张力表面张力是指作用于单位长度的表面力。
它是由于表面层的分子流动相互作用力而产生的，是表面层中分子间的相互吸引力所造成的。
在液体表面上，分子间相互吸引，使分子排列紧密并减少对表面外侧的吸引，形成了表面张力。
表面张力的大小与表面层的分子结构及温度、压强等因素有关。
二、表面活性表面活性是指某种物质在其水溶液或油溶液中，能够降低界面张力、提高界面活性和增强润湿性的一种特殊的物理化学现象。
表面活性物质分子结构多样，但一般具有亲水性头部和疏水性尾部。
它们在水溶液中通常以胶束的形式存在，胶束内部的疏水尾部朝向内部，亲水头部朝外面与水相接触，从而降低了水的表面张力。
三、润湿现象润湿是指液滴在固体平面上的表现。
液滴的表面张力使它尽量减少表面积，因此，液滴在平面上呈现出高度凸起的形状。
但当液态物质的表面张力小于或等于固体表面的吸引力时，会出现润湿现象。
液态物质能够在固体表面自由流动且无限制地扩散，这是因为在液态物质和固体表面之间形成了一层“滑动层”，如果在固体表面上形成了一个无透性层，则不能发生润湿现象。
润湿现象在实际应用中很常见，如涂装、工业表面处理等。
四、粘附现象粘附是一种介于吸附和润湿之间的现象。
即在两种物质的接触面上，发生一种相互吸引的力，使物质结合紧密，难以分离。
粘附现象常出现在固体表面和模具、工具等接触的磨损、过热等现象中。
粘附强度与粘附面积、表面结构、粘接物质量等因素有关。
五、界面反应界面反应是指在两种物质的界面处发生的各种化学反应。
它与表面化学、电化学等密切相关，并在制药、冶金、电子、材料等领域具有广泛的应用。
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。
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。
材料的表面和界面化学
材料的表面和界面化学材料的表面和界面化学是研究材料表面和界面性质以及相关现象的学科领域。
表面和界面化学在材料科学、物理、化学等多个学科中都扮演着重要的角色，对于理解和解决材料在各种应用中的性能和稳定性问题具有重要意义。
1. 表面化学表面化学主要研究材料表面的性质和化学反应。
材料表面是材料与外界相接触的部分，其性质对材料的功能和性能起着至关重要的作用。
表面化学通过研究表面吸附、催化反应、表面能量和界面张力等现象，揭示了材料表面的本质和特征。
表面吸附是表面化学的重要研究内容之一。
通过研究气相或溶液中分子在固体表面上的吸附过程，可以了解到物质在表面附近的行为和性质。
这对于催化反应、腐蚀控制、表面修饰和生物材料等领域都具有重要意义。
例如，金属氧化物表面的氧化还原反应关系到能源转换和环境保护等领域。
2. 界面化学界面化学研究不同物质相接触时的性质和相互作用。
界面可以是固体与液体、气体与液体、液体与液体等不同相之间的接触面。
在实际应用中，界面往往是发生化学反应、传递质量和能量的关键位置。
界面化学涉及多种现象，例如表面张力、界面电荷和界面传递等。
表面张力是液体分子间相互作用力导致的表面收缩趋势，决定了液体在固体表面的润湿性。
界面电荷则涉及到固体、液体或气体接触形成的电荷分布以及电位差的产生，它对于电化学反应和电化学能量转换十分重要。
界面传递主要指的是传质和传热现象，如固体催化剂上的反应物传质、电池中的离子传输等。
3. 应用前景材料的表面和界面化学研究对于材料的设计、制备和应用都具有重要意义。
通过控制和调节材料的表面和界面性质，可以优化材料的性能和功能，提高材料的稳定性和可靠性。
在能源材料领域，表面和界面化学的研究有助于提高太阳能电池、储能材料和催化剂等能源材料的效率和稳定性。
例如，通过调控催化剂表面的活性位点和表面缺陷，可以提高催化剂的选择性和活性，从而实现高效催化反应。
在材料保护和腐蚀控制方面，表面和界面化学的研究可以帮助设计新型防腐蚀涂层和材料表面修饰技术，提高材料的抗腐蚀性能和使用寿命。
表面与界面物理
表面与界面物理表面与界面物理是物理学的一个分支，研究物质表面和界面的各种物理现象和特性。
在表面和界面上，物质的性质有很大变化，形成了独特的物理现象和特性。
表面和界面物理在材料科学、化学、生物学等领域有着广泛应用。
表面物理主要研究物体表面的物理、化学、机械性质以及表面现象。
物体表面对外部环境的响应往往比物体内部更加敏感，表面现象往往会影响到物体的性质和功能。
例如，材料表面的粗糙度会影响材料的摩擦系数和表面能量，而表面能量又会影响材料的润湿性和黏附性。
表面物理研究这些现象，有助于人们更好地理解和控制材料的性质和功能。
表面物理的研究方法主要包括表面分析、表面形貌研究、表面物理化学性质研究等。
表面分析是表面物理研究的一项重要手段，通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）等手段来对材料表面的形貌和结构进行分析。
表面形貌研究主要是通过原子力显微镜（AFM）等手段来研究材料表面的形态和粗糙度。
表面物理化学性质研究则是通过表面张力、接触角等物理化学性质来研究材料表面的特性。
界面物理则是研究物体表面与外部环境或其他物体之间的相互作用。
在界面上，不同物体之间存在着较大的物理化学差异，因此界面物理现象非常复杂。
例如，液体与固体之间的接触角、气体与液体之间的溶解度等都是界面物理现象。
界面物理的研究有助于人们更好地理解和控制物体之间的相互作用，进而实现一系列的应用。
界面物理的研究方法主要包括界面张力测量、液滴法、表面等离子体共振（SPR）等。
界面张力测量可以通过一系列实验手段来测定液体和固体之间的接触角，以及液体和气体之间的表面张力等。
液滴法则是通过在液体表面形成液滴，从而测定液体表面张力和表面能等物理化学性质。
表面等离子体共振则是一种利用表面等离子体共振现象来研究材料表面性质的方法。
表面与界面物理是物理学中一个重要的分支，研究物质表面和界面的各种物理现象和特性。
在材料科学、化学、生物学等领域有着广泛应用，对于人类的生产和生活有着重要的意义。
第五章 表面与界面
堆垛层错常见于紧密堆积结构和层状结构的
晶体中，是晶体的密排面按正常顺序堆垛时引入
反常顺序堆垛所形成的一种面缺陷。
如面心立方结构和六方结构式最简单的密堆
结构。
面心立方的密排面 （111）
正常的密排堆积方式：ABCABC……
六方密堆的密排面：（0001）
正常的密排堆积方式：ABAB……
在正常的堆垛顺序中引入了不正常顺序堆垛 的原子面而产生的面缺陷，称为堆垛层错层错）。 例如：面心立方晶体中以…ABCABABC…或 以…ABCBABC…，前者称为抽出型层错，后者称 为插入型层错。 层错可以通过多种物理过程形成：晶体生长 过程、点缺陷的聚集等。
”的平坦的表面而言。
5.1.3
晶体表面的缺陷
晶体表面从微观上看是不平整的，表面除出 现明显的起伏，还可能伴有吸附原子、裂纹和空 洞。单晶表面可能存在的各种缺陷类型可以用 TLK模型概括，图5.8所示。 表面原子具有剩余力场，表面原子的活动能 力较体内大，形成点缺陷的能量小，因而表面上 的热平衡点缺陷浓度远大于体内。
5.3.1 晶界结构与分类 1、定义：凡结构相同而取向不同的晶体相互接触， 其接触面称为晶界。
1、晶界的结构
2、晶界的分类 (1) 按两个晶粒之间夹角的大小来分： 小角度晶界 大角度晶界
0 0 当 （ 10 15 ） 0 0
为小角度晶界
3、 晶界的特点
晶界具有一些不同于晶粒的特性。 （1）晶界上原子排列疏松，晶界易受腐蚀后很易显露 出来； （2）由于晶界上结构结构疏松，存在空位、位错等缺 陷，故晶界是原子（或离子）快速扩散的通道，并易引起 杂质原子（离子）偏聚，同时也使晶界处熔点低于晶粒； （3）晶界上原子排列混乱，使之处于应力畸变状态， 能阶较高，使得晶界成为固态相变时优先成核的区域。
无机材料物理化学固体表面与界面
无机材料物理化学固体表面与界面在材料科学的世界中，无机材料物理化学是一个极其重要的研究领域，特别是在固体表面与界面方面的研究。
这些研究涵盖了各种无机材料，包括金属、非金属、半导体和绝缘体等，它们的表面和界面行为对材料的性质和性能有着深远的影响。
我们来看看固体表面的物理化学。
固体表面是一个具有特殊结构和性质的相，它与相邻的介质（如气体、液体或另一种固体）相互作用。
这种相互作用会影响材料的润湿性、吸附性、反应性以及电子传输等性质。
例如，通过改变表面的粗糙度或化学活性，我们可以控制材料表面的润湿性，进而影响其与液体的相互作用。
界面在无机材料中同样扮演着重要的角色。
在无机材料中，界面可以是两种不同材料之间的接触面，也可以是同一材料不同晶面之间的接触面。
这些界面上的原子排列和电子结构会不同于体相材料，从而影响材料的物理和化学性质。
例如，石墨烯和氮化硼之间的界面可以影响电子传输和热导率。
我们还研究了固体表面和界面在光电、催化、储能等领域的应用。
这些应用需要我们对材料的表面和界面性质有深入的理解，才能实现高效的能量转化和优异的性能。
例如，在太阳能电池中，我们需要优化半导体材料的表面结构以增加光吸收和载流子分离效率；在催化剂中，我们需要理解表面结构对反应活性的影响以设计高效的催化剂。
无机材料物理化学中的固体表面与界面研究为我们提供了理解和控制材料性质的新途径。
通过深入了解材料的表面和界面性质，我们可以设计出具有优异性能的新材料，并优化其在能源、环保、信息技术等领域的应用。
在过去的几十年中，纳米科技的发展取得了令人瞩目的成就。
无机纳米材料，作为一种重要的纳米科技领域，具有许多独特的物理、化学和机械性质，因此在许多领域具有广泛的应用前景。
然而，由于其表面能高，无机纳米材料容易团聚和稳定性差，这限制了其实际应用。
为了解决这些问题，表面修饰改性成为了一种有效的手段。
通过对无机纳米材料进行表面修饰改性，可以有效地提高其稳定性、相容性和生物活性，从而进一步拓展其应用范围。
材料表面与界面的物理与化学性质研究
材料表面与界面的物理与化学性质研究材料表面与界面的物理与化学性质一直以来都是材料科学研究的重要方向，其研究不仅有助于深入了解材料的结构与性能之间的关系，还能为材料的设计和应用提供有力的支持。
本文将就这一主题展开讨论，从介观尺度的物理与化学性质入手，分析材料表面与界面的特点和研究方法。
一、表面与界面的介观尺度特征材料的表面和界面通常被视为材料结构的特殊区域，在微观尺度上具有与体相不同的特征。
一方面，材料表面具有较高的比表面积，这使得它们在许多材料的物理和化学过程中起着至关重要的作用。
另一方面，材料界面是材料间相互作用的平台，其特性直接影响材料的宏观性能。
因此，深入研究材料表面与界面的物理与化学性质具有重要的科学和应用价值。
表面和界面的特征主要包括表面形貌、表面能、界面结构、界面能等。
表面形貌直接反映了材料表面的细节结构，不同的形貌将导致不同的表面性能。
表面能反映了表面原子与周围环境的相互作用强度，它决定材料表面的润湿性、粘附性等特性。
界面结构是指两个不同材料之间的交界面，根据不同的材料特性和界面条件，界面结构可以发生不同的变化。
界面能主要研究材料界面的能量状态和热力学特性，对于材料的粘接、分离等过程有重要影响。
二、材料表面与界面性质研究方法在研究材料表面与界面的物理与化学性质时，科学家们尝试了多种研究方法，其中一些方法也适用于表征材料的界面结构。
下面介绍几种常用的研究方法。
1. 表面分析技术：表面分析技术包括扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）等。
这些技术能够观察材料的表面形貌和表面原子级别的化学状态，从而得到表面的物理和化学信息。
2. 界面能测量：界面能测量是研究界面物理性质的重要手段，主要通过接触角测量和界面力学测试来实现。
接触角测量可以定量表征材料的润湿性和界面能，在微纳尺度上研究材料的表面能。
界面力学测试可以测量材料界面的拉伸、剪切等力学性能，对于材料的界面粘附等过程具有重要意义。
材料科学基础05-固体的表面与界面
液-液界面
液-固界面
固-固界面
• 固-固界面是固体中的一种缺陷，有其自身的结构 、化学成分和物理化学特性。这种缺陷，从它在 物质中分布的几何特征来看，是二维的，借此区 别于其他晶体缺陷如位错和空位等。
面缺陷 （二维缺陷）
• 晶体材料中存在着许多界面，如（外）表面（surface） 与内界面（interface）等。
表
部
面
0.281nm
0.266nm
图10 NaCl表面层中Na+Βιβλιοθήκη 里；Cl-向外移动并形成双电层
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）
2、粉体表面结构
• 粉体：微细的固体微料集合体大小，表面材料工艺 中，原料加工成微细颗粒以利于成型和烧结。
固体的表面
图1 不均匀表面的示意图 • 固体表面的结构和性质在很多方面都与体内不同．晶体内
部的三维平移对称性在晶体表面消失了．把固体表面称为 晶体三维周期结构和真空之间的过渡区域。
固体的表面
• 理想表面 • 清洁表面
– （1）台阶表面 – （2）弛豫表面 – （3）重构表面
• 吸附表面
1、理想表面
• 表面存在大量的活性晶格点：由于打磨，加工表面的局部被扭 曲变形引起，这种表面常常比电解抛光或低温退火预处理后的 表面更活泼 。
• 残余应力 ：机加工后，除了表面产生拜尔贝层之外，还存在着 各种残余应力，按其作用范围大小可分为宏观内应力和微观内 应力
2021/8/27
26
• 金属材料在工业环境中被污染的实际表面示意图
第五章 表面和界面作业及答案
γ αα ＝ γ αβ
（ γ A） ＝ （1 .8 4 0 .7 5） γ α β 晶内
2
2 r α β＝ 2 .5 9 r α β
2
γ αβ
（ γ A） （ / γ A） ＝ 晶界 晶内
2 .5 9 r α β γ α β 2 r αβ γαβ
2
1 .2 9 5
图 5-12-1
第二相在晶界上
图 5-12-2
β 相在晶粒内部
材料物理化学
湖南工学院
（1）若球状 β 相体积与冠状体积相等。则有球状 β 相半径 R
1
R＝
3 2π r 3 αβ
2 3 cos 60 cos 3 4π
3
60
3
γ OL 0 . 41 J/m
题中 γSS 是硫化物之间界面张力；γOO 为氧化物之间界面张力；γOL 是氧化物与液体 间界面张力。 11、在石英玻璃熔体下 20cm 处形成半径为 5× 10-8m 的气泡，熔体密度 ρ＝2200Kg/m3， 表面张力 γ＝0.29N/m， 大气压力为 1.01× 105Pa， 求形成此气泡所需最低内压力是多少？ 解：P1（熔体柱静压力）＝hρg＝0.2× 2200× 9.81＝4316.4kg/m· s2 ＝4316.4N/m2＝4316.4Pa
12、 假如在母相 α 晶粒内由一个球状的第二相 β，当 β 相移动到两个 α 晶粒的晶界上 时，它所具有的形状是双球冠形，如图 5-12 示。
2[ r α β (
3
2 3 cos cos 3
3
双冠的体积＝
)]
；双球冠的面积＝ 2[ 2
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ppt课件
胡福增 主编
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课程安排
• 管 涌，危大福： 表界面基础知识、表面活性剂、高分子材料的表面改性 和表征，复合材料界面；
• 袁双龙： 无机非金属材料，8课时； • 朱以华： 纳米材料，8课时； • 张 琰： 生物材料，8课时。
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参考书：
1.顾惕人，朱步瑶，李外郎，等，表面化学，北京，科学出版社，2003年； 2.滕新荣，表面物理化学，北京，化学工业出版社，2009年； 3.朱步瑶，赵振国，界面化学基础，北京，化学工业出版社，1996年； 4.筏 羲人（日），高分子表面的基础和应用，北京，化学工业出版社，1990年； 5.金谷，表面活性剂化学，合肥，中国科学技术大学出版社，2008年； 6.近藤精一，吸附科学，2005年； 7.Ralph T. Yang（著），马丽萍，宁平，田森林（译），吸附剂原理与应用，北京，高等教
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第 1 章 表界面基础知识
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表面张力和表面自由能
1.表面层分子与内部分子相比，它们所处的 环境不同。 2.气液表面的分子净受到指向液体内部的力； 表面张力本质是分子间相互作用 3.从液体内部将分子移到表面要克服分子间引 力而做功，使系统自由焓增加；
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定义：外力F与液膜边缘的长度成正比，比 例常数与液体表面特性有关，以σ表示 ，称 为表面张力：
HOW TO MAKE WATER RUN UPHILL （Published in Science）
• A surface having a spacial gradient in its surface free energy was capable of causing drops of water placed on it to move uphill. This motion was the result of an imbalance in the forces due to surface tension acting on the liquid-solid contact line on the two opposite sides (“uphill” or “downhill”) of the drop. The required gradient in surface free energy was generated on the surface of a polished silicon wafer by exposing it to the diffusing front of a vapor of decyltrichlorosilane, CI3Si(CH2)9CH3.
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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。
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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。
n cos n cos
n>1，θn对粗糙表面的表观接触角。 结论： 当θ<90°时，n↑， θn<θ，润湿好。 当θ>90°时，n↑， θn>θ，润湿不好 应用：水泥与混凝土之间，表面愈粗糙，润湿性愈好，而陶瓷元件表面被银，必须先将 瓷件表面磨平并抛光，才能提高瓷件与银层之间的润湿性。 4、改善润湿的条件 ①γSV↑，一般采用表面处理，提高表面光洁度，除去吸附物。 ②γSL↓，采用两相化学性质相同物质。 ③γLV↓，采用表面活性剂
材料物理化学ຫໍສະໝຸດ 湖南工学院固体液体
⑵铺展润湿 忽略重力和粘度影响时，液体在固体表面上的铺展是由固—气（SV）、固—液（SL）和 液—气（LV）三个界面所决定的，其平衡关系有下式： γSV=γSL+γLV·cosθ
固
A B C 润湿(wetting)θ<90
O O
不润湿(nonwetting)θ>90
完全润湿(spreading)θ=0，液体铺 F=γLV cosθ=γSV-γSL
文公式有：
ln p p0 2M
RT
1 re
cos
cos
re r
3、毛细管凝聚 在一定的温度下，环境压力为 p，该蒸汽压对平面液体未饱和，但对毛细管内凹液体已 呈过饱和，该蒸汽在毛细管内会凝聚成液体，这种现象称为毛细管凝聚。
二、润湿与粘附 润湿是固液界面上的重要行为。润湿是近代很多工业技术的基础。例如：机械的润滑， 注水采油，油漆涂布，金属焊接，陶瓷、搪瓷的坯釉结合，陶瓷与金属的封接等工艺和理论 都与润湿作用有密切关系。 1、润湿的定义： 固体和液体接触后，体系的自由焓降低时，称为润湿。 2、润湿的分类: 根据润湿程度不同可分为附着润湿、铺展润湿及浸渍润湿。 ⑴附着润湿 液固接触后，变液气界面和固气界面为固液界面，则过程自由焓的变化为：ΔG1=γSL（γLV+γSV）对此的逆过程，ΔG2=γLV+γSV-γSL，此时外界对体系所做的功为W，W称为附着 功或粘附功。推而广之，当A、B两种物质（固—固界面或固—固液界）接触时，粘附功 W=γA+γB-γAB要想增大W，一般有两种途径：1 增大γA和γB减少吸附；比如，真空里剥云 母，金属冷焊。2 降低γSL，采用化学性质相近的两个系统。增大粗糙度，互相啮合等。
c
2E
c
四、固体的表面能 1、定义：在恒温恒压下形成单位新表面所需要的最大功称为表面能。 表面能与表面张力：液体分子能自由移动，因而不能承受剪切力，外力所做的功表现为 表面积的扩展，因而表面能与表面张力的单位及数量都有是相等的。固体能承受剪切应力， 外力的作用除了表现为表面积的增加外，还有一部分塑性形象。因而固体的表面能与表面张 力不等。 2、固体的表面能的计算 ⑴共价晶体表面能
例：生坯的浸釉。 浸渍润湿比表面自由能的变化： －ΔG＝ γLV cosθ＝ γSV － γSL 讨论： 若γSV > γSL ,则θ<90o ,浸渍润湿过程将自发进行，此时ΔG<0 若γSV < γSL ,则θ>90o ,要将固体浸入液体中必须做功,此时 ΔG>0 3、表面粗糙度对润湿的影响 热力学可以导出表面粗糙度系数
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(3)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。 (4)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。 (5)离子极化性能愈大，双电层愈厚，从而表面能愈低。 三、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。这一过程称为弛豫，它是瞬间完 成的，接着发生离子重排。 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0.020nm,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。 5.1.3 晶体表面的缺陷 晶体表面从微观上看是相当不平整的，表面除出现明显的起伏，还可能伴有原子吸附、 裂纹和空洞。 具有缺陷的晶体表面，有较高的表面能，只要暴露在空气中，其表面总会吸附表面以外 气相中的原子或分子。 一、吸附 物理吸附 化学吸附 二、偏析 偏析会造成材料表面抗氧化、抗腐蚀性能及表面粘结性能的改变，也会改变材料的机 械、电、磁性质，影响材料的灵敏性。 5.1.4 实际晶体表面 一、实验观测 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。 二、表面粗糙度
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(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。 三、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：
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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。
5.2
一、弯曲表面内外压力差
界面行为
由于表面张力的作用，弯曲表面的两边会引起压力差，方向指向曲面中心：凸面时，r 为正值，凹面r为负；如图所示：
1、附加压力计算： △PdV=γdA:其中dV=4πR dR,dA=8πRdR； ∵ △P·4πR dR=γ8πRdR ∴△P=2γ/R 推广而得△P=γ（1/r1+1/r2） 著名的拉普拉斯公式(Laplace) 当曲面为球面时：
us
ub—破坏化学键所需能量 us—表面能 ⑵离子晶体的表面能
0
1 2
ub
L sU N
0
(1
n is n ib
)
r0—0K时的表面能； LS—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—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。
p 4 r
2 2
当曲面为皂泡时： 2、弯曲表面蒸汽压
p
2 r
在恒温下将压力为p0的平面液体，直接分散成小液滴（球体），蒸汽压变化可按开尔文 公式计算。
ln p p0 2M
RT
1 r
将一毛细管插入液体中，如果液体能润湿管壁，它将沿管壁上升并形成凹面。应用开尔
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5.1
5.1.1 晶体表面的行貌
晶体表面的行貌与结构
一、晶体表面的不均匀性，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。 扫描隧道显微镜（STM）对硅单晶表面的直接观察证实了平台-台阶-扭折的存在！ 二、固体表面力场 （1）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