材料表面界面考试知识点整理
材料表界面知识点总结
第九章玻璃表界面4 玻璃的表面反应玻璃成型后一段时间就容易被周围环境介质所侵蚀，侵蚀情况主要取决于玻璃的本质（组成）和介质的种类。
4.1 水对玻璃的侵蚀开始于水中的H+和玻璃中的Na+进行离子交换：离子交换反应停止的真正原因：•Na+含量的降低；R n+（n>1)抑制效应4.2酸对玻璃的侵蚀除氢氟酸外，一般酸并不直接与玻璃起反应，而是通过水的作用侵蚀玻璃。
浓酸对玻璃的侵蚀能力低于稀酸。
酸对玻璃的作用与水对玻璃作用又有所不同。
高碱玻璃的耐酸性小于耐水性，高硅玻璃的耐酸性大于耐水性。
4.3 碱对玻璃的侵蚀硅酸盐玻璃一般不耐碱。
碱对玻璃的侵蚀是通过OH-破坏硅氧骨架（≡Si-O-Si≡），使Si-O键断裂，SiO2溶解在碱液中。
碱的大量存在使得中和反应能够不断进行，所以，侵蚀不是形成硅酸凝胶薄膜，而是玻璃表面层不断脱落。
碱对玻璃的侵蚀程度与下列因素有关：侵蚀时间OH-离子的浓度阳离子的种类侵蚀后玻璃表面的硅酸盐在碱溶液中的溶解度玻璃受碱侵蚀分为以下三个阶段：⏹第一阶段，碱溶液中的阳离子首先吸附在玻璃表面；⏹第二阶段，阳离子束缚周围的OH-离子，OH-离子攻击玻璃表面的硅氧键。
⏹第三阶段，硅氧骨架破坏后变成硅酸离子，和吸附在玻璃表面的阳离子形成硅酸盐，并逐渐溶解在碱溶液中。
碱性溶液对玻璃的侵蚀机理与水或酸不同⏹水或酸（包括中性盐或酸性盐）对玻璃的侵蚀只是改变、破坏或溶解（沥滤）玻璃结构组成中R2O、RO等网络外体物质。
⏹碱性溶液不仅对网络外体氧化物起作用，而且也对玻璃结构中的硅氧骨架起溶蚀作用。
大气对玻璃的侵蚀先是以离子交换为主的释碱过程后逐步过渡到以破坏网络为主的溶蚀过程。
4.41) 化学组成的影响硅酸盐玻璃的耐水性和耐酸性主要取决于硅氧和碱金属氧化物的含量。
玻璃中同时存在两种碱金属氧化物时，由于“混合碱效应”使玻璃的化学稳定性出现极值。
2) 热处理的影响一般来说，退火玻璃比淬火玻璃化学稳定性高。
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
材料表面与界面知识复习资料题库
1.液体原子结构的主要特征。
（1）液体结构中近邻原子数一般为5~11个（呈统计分布），平均为6个，与固态晶体密排结构的12个最近邻原子数相比差别很大；（2）在液体原子的自由密堆结构中存在五种间隙，四面体间隙占了主要地位。
（3）液体原子结构在几个原子直径范围内是短程有序的，而长程是无序的。
2.液体表面能的产生原因。
液体表面层的分子，一方面受到液体内层的邻近分子的吸引，另一方面受到液面外部气体分子的吸引，而且前者的作用要比后者大。
因此在液体表面层中，每个分子都受到一个垂直于液面并指向液体内部的不平衡力。
这种吸引力使表面上的分子趋向于挤入液体内部，促成液体的最小表面积。
要使液体的表面积增大就必须要反抗液体内部分子的吸引力而做功，从而增加分子的位能，这种位能就是液体的表面能。
3.液体表面张力的概念和影响因素。
液体表面层的原子或分子受到内部原子或分子的吸引，趋向于挤入液体内部，使液体表面积缩小，因此在液体表面的切线方向始终存在一种使液体表面积缩小的力，其合力指向液体内部的作用力，这种力称为液体表面张力。
液体的表面张力大小受很多因素的影响。
如果不考虑液体内部其它组元向液体表面的偏聚和液体外部组元在液体表面的吸附，液体表面张力大小主要受物质本身结构、所接触的介质和温度的影响。
（1）液体的表面张力来源于液体内部原子或分子间的吸引力，因此液体内部原子或分子间的结合能的大小直接影响到液体的表面张力的大小。
一般来说，液体中原子或分子间的结合能越大，表面张力越大。
具有金属键原子结合的物质的表面张力最大；其次由大到小依次为：离子键结合的物质、极性共价键结合的物质、非极性共价键结合的物质。
(2)液体的表面张力的产生是由于处于表面层的原子或分子一方面受到液体内部原子或分子的吸引，另一方面受到液体外部原子或分子的吸引。
当液体处在不同介质环境时，液体表面的原子或分子与不同物质接触所受的作用力不同，因此导致液体表面张力的不同。
一般来说，介质物质的原子或分子与液体表面的原子或分子结合能越高，液体的表面张力越小；反之，介质物质的原子或分子与液体表面的原子或分子结合能越低，液体的表面张力越大。
表面与界面知识点总结 -回复
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以下是表面与界面的知识点总结：
1. 表面：物质外部与空气、液体、固体等相接触的部分。
通常有分子层之称。
2. 界面：两种不同状态的物质相接触的部分，如气液界面、固液界面等。
3. 表面张力：液体表面对外界的张力。
液体分子内部相互吸引，表面上的液体分子则受到邻居分子的吸引力只能向内收缩，形成一个比内部压力高的膜状物。
例如水滴在菜叶表面停留就是因为水滴表面的张力与菜叶表面的张力相等而凝聚在菜叶上。
4. 比表面积：单位质量内所含有的分子数和面积，即面密度。
比表面积可以反映物质粒子间的作用力。
5. 吸附：物质表面吸附分子或离子的现象。
吸附可分为化学吸附和物理吸附，化学吸附是指吸附过程中发生化学反应，物理吸附是指吸附过程中没有化学反应。
6. 原子层沉积(ALD)：是指以原子为单位，将一种气态化合物分子逐层沉积在衬底表面的过程。
这种技术可以制备高质量、均匀、复杂的薄膜，并广泛应用于微电子、光电、生物等领域。
总之，了解表面和界面的知识对于化学、材料学等领域非常重要，能够帮助我们更加深入理解物质的性质、结构和相互作用关系。
材料表界面知识点总结
第九章玻璃表界面4 玻璃的表面反应玻璃成型后一段时间就容易被周围环境介质所侵蚀，侵蚀情况主要取决于玻璃的本质（组成）和介质的种类。
4.1 水对玻璃的侵蚀开始于水中的H+和玻璃中的Na+进行离子交换：离子交换反应停止的真正原因：•Na+含量的降低；R n+（n>1)抑制效应4.2酸对玻璃的侵蚀除氢氟酸外，一般酸并不直接与玻璃起反应，而是通过水的作用侵蚀玻璃。
浓酸对玻璃的侵蚀能力低于稀酸。
酸对玻璃的作用与水对玻璃作用又有所不同。
高碱玻璃的耐酸性小于耐水性，高硅玻璃的耐酸性大于耐水性。
4.3 碱对玻璃的侵蚀硅酸盐玻璃一般不耐碱。
碱对玻璃的侵蚀是通过OH-破坏硅氧骨架（≡Si-O-Si ≡），使Si-O键断裂，SiO2溶解在碱液中。
碱的大量存在使得中和反应能够不断进行，所以，侵蚀不是形成硅酸凝胶薄膜，而是玻璃表面层不断脱落。
碱对玻璃的侵蚀程度与下列因素有关：侵蚀时间OH-离子的浓度阳离子的种类侵蚀后玻璃表面的硅酸盐在碱溶液中的溶解度玻璃受碱侵蚀分为以下三个阶段：⏹第一阶段，碱溶液中的阳离子首先吸附在玻璃表面；⏹第二阶段，阳离子束缚周围的OH-离子，OH-离子攻击玻璃表面的硅氧键。
⏹第三阶段，硅氧骨架破坏后变成硅酸离子，和吸附在玻璃表面的阳离子形成硅酸盐，并逐渐溶解在碱溶液中。
碱性溶液对玻璃的侵蚀机理与水或酸不同⏹水或酸（包括中性盐或酸性盐）对玻璃的侵蚀只是改变、破坏或溶解（沥滤）玻璃结构组成中R2O、RO等网络外体物质。
⏹碱性溶液不仅对网络外体氧化物起作用，而且也对玻璃结构中的硅氧骨架起溶蚀作用。
大气对玻璃的侵蚀先是以离子交换为主的释碱过程后逐步过渡到以破坏网络为主的溶蚀过程。
4.4 影响玻璃表面反应性的因素1) 化学组成的影响硅酸盐玻璃的耐水性和耐酸性主要取决于硅氧和碱金属氧化物的含量。
玻璃中同时存在两种碱金属氧化物时，由于“混合碱效应”使玻璃的化学稳定性出现极值。
2) 热处理的影响一般来说，退火玻璃比淬火玻璃化学稳定性高。
材料的表面与界面第一章 表面与界面的基础知识
表面张力和表面自由能是对同一表面现象从 力学和热力学角度所做的描述。
表面张力的力学概念直观、易应用，在分析 各种界面同时存在的各界面张力的平衡关 系时容易理解。
表面自由能的概念反映现象的本质，讨论表 面现象的各种热力学关系时应用表面自由 能概念更贴切和方便。
在采用适宜的单位时（如表面张力用mN.m-1, 表面自由能用mJ.m-2），同一体系的表面 张力和表面自由能数值相同。
的高度h服从washburn方程：h2=ctrcos/2η 和η为液体的表面张力和黏度；c为毛细管因子，r为与粉体
柱相当的毛细管平均半径，一般将cr作为仪器常数。
五. 浮选与接触角
测定接触角后可以用来计算固体的表面能， 润湿热，吸附量等有用的数据。
在工业上接触角的研究的最大应用在泡沫浮 选：在矿浆中加入起泡剂等后通入空气形 成泡沫，由于水对矿石粉不同组成的润湿 性质不同，有用矿粉体附着在泡沫上并上 浮分离，无用的矿粉体则沉入水底。每年 全世界用浮选法分离的矿石达到10亿吨以 上。
材料表面与界面研究的意义 材料的表面与其内部本体，无论在结构上还是在化学组成上都有明显
的差别，这是因为材料内部原子受到周围原子的相互作用是相同的， 而处在材料表面的原子所受到的力场却是不平衡的，因此产生了表面 能。对于有不同组分构成的材料，组分与组分之间可形成界面，某一 组分也可能富集在材料的表界面上。即使是单组分的材料，由于内部 存在的缺陷，如位错等，或者晶态的不同形成晶界，也可能在内部产 生界面。材料的表界面对材料整体性能具有决定性的影响，材料的腐 蚀、老化、硬化、破坏、印刷，涂膜、粘结、复合等等，无不与材料 的表界面密切有关。因此研究材料的表界面现象具有重要的意义。
-GS=sg - lg - sl = S
材料表面与界面考试必备
材料表面与界面考试必备一、名词解释1.表界面：由一个相过渡到另一相的过渡区域。
2.表面：习惯上把固－气、液－气的过渡区域称为表面。
界面：把固－液、液－液、固－固的过渡区域称为界面。
物体与物体之间的接触面。
界面－两种物质（同种或不同种）之间的接触面、连接层和分界层。
3.理想表面：理论上结构完整的二维点阵平面。
4.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）5.驰XX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d s和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。
6.驰XX：表面区原子（或离子）间的距离偏离体内的晶格常数，而晶胞结构基本不变，这种情况称为弛XX。
7.重构表面：指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。
8.XX阶表面：表面不是平面，由规则或不规则XX阶组成。
9.表面偏析：杂质由体内偏析到表面，使多组分材料体系的表面组成与体内不同。
10.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。
11.平移界面：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。
其间的界面称为平移界面。
12.反演界面：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。
13.表面能:可以理解为系统增加单位面积时所需做的可逆功，单位是J/m2。
14.表面张力:是单位长度上的作用力，单位是N/m。
15.晶界：同质材料形成的固体/固体界面为晶界。
16.相界：异质材料形成的固体/固体界面为相界。
二、简答、简述1、表界面通常可以分为哪5类？固－气；液－气；固－液；液－液；固－固。
2、获得理想表面的理论前提？（1）、不考虑晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响；（2）、不考虑表面原子的热运动、热扩散、热缺陷等；（3）、不考虑外界对表面的物理-化学作用等；（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。
表面与界面知识点总结 -回复
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表面与界面知识点总结：
1. 表面现象：由于固体表面分子的结构不同于其内部，故表面分子有一些特殊的性质，如表面张力、表面能、界面张力等。
2. 表面张力：由于表面分子受到相邻分子的吸引力而对内聚性较强。
表面张力可由液滴的形态及表面积变化计算出来。
3. 表面能：由表面分子吸引而形成的表面存在着一定能量，该能量称为表面能。
表面能越大，表面张力越强。
4. 界面张力：液体与气体、液体与固体之间的接触面上会形成界面张力。
液体-气体界面张力使液体产生球形，液体-固体界面张力使液滴变成半球形。
5. 单层分子膜：将一种分子吸附在固体表面上形成的单层分子膜，具有一定的表面活性和润湿性。
6. 表面增强拉曼散射（SERS）：将分子吸附在纳米金属表面上，可在表面增强的作用下使与特定振动光谱相关的光谱峰增强数千倍。
7. 多相反应催化剂：多相反应催化剂是将催化剂固定在固体表面上，可在多相催化反应中提高反应速率和选择性。
8. 界面化学：研究不同相之间的相互作用及二者之间的交换现
象的学科，包括了表面化学、胶体化学等方面的研究。
9. 分散体系：由于存在各种散体而形成的体系，如泡沫、乳液等。
在这些分散体系中，表面的性质是十分重要的。
材料表面与界面-07
3.1.2 浸渍润湿
V S
L
浸湿过程示意图
浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。
固
例：生坯的浸釉。 浸渍润湿自由能的变化：
液体
－ΔG＝ γLV cosθ＝ γSV － γSL
讨论：
若γSV > γSL ,则θ<90o ,浸渍润湿过程将自发
固
进行，此时ΔG<0 若γSV < γSL ,则θ>90o ,要将固体浸入液体之 中必须做功， 此时 ΔG>0
有轻微错配的共格相界面
半共格界面特征：沿相界面每隔一定距离产生一个刃型位错，除刃型位
错线上的原子外，其余原子都是共格的。
2.1.3 非共格晶界
2.2 晶界对材料性质性能的影响
A、降低材料机械强度 B、晶界能够富集杂质原子 C、晶界原子能量较高可以成为高温传质过程的快速通道。
晶界应力 kT
（8）熔焊界面：在固体表面造成熔体相，然后两者在凝固 过程中形成冶金结合的界面称为熔焊界面。
1.2 界面的分类：依据结晶学分类
（1）平移界面； （2）孪晶界面； （3）混合界面； （4）反演界面；
（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。
即附着润湿愈强。
附着润湿的实质是液体在固体表面上的粘附，沾
湿的粘附功Wa为 (2)
从上式可知γSL越小，则Wa越大，液体越易沾湿固体。
若Wa≥0， 则（ΔG）T，P≤0，附着润湿过程可自发 进行。 固一液界面张力总是小于它们各自的表面张力之和， 这说明固一液接触时，其粘附功总是大于零。因此， 不管对什么液体和固体附着润湿过程总是可自发进 行的。
材料表界面知识点汇总
材料表界面知识点汇总1.表，界面是指一个相到另一个相的过渡区域。
2.表界面可以分为一下五类：固-气，液-气，固-液,液-液，固—固。
3.把凝聚相和气相之间（固—气，液—气）的分界面称为表面；把凝聚相之间（固—液，液—液，，固-固）的分界面称为界面。
4.理想表面的定义:指除了假设确定的一套边界条件外，系统不发生任何变化的表面。
特点:表面的原子位置和电子密度都和在体内一样，且在实际生活中理想表面是不可能存在的。
5.清洁表面的定义：指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附,催化反应或杂质扩散等一系列物理，化学效应的表面。
特点：可以发生多种与体内不同的结构和成分变化。
6.吸附表面的定义:吸附有外来原子的表面称之为吸附表面。
特点：吸附原子可以形成无序的或有序的覆盖层.7.材料表面的分类：机械作用界面,化学作用界面，固态结合界面,液相或气相沉积界面，凝固共生界面，粉末冶金界面，粘接界面，熔焊界面。
8.表面张力的定义：在液体表面膜中,存在着使液体表面积缩小的张力，这种张力称为表面张力.9.吸附是组分在热力学体系的各相中偏离热力学平衡组成的非均匀分布现象。
通常将被吸附的分子成为吸附质，固体则称为吸附剂.10.吸附类型分为物理吸附和化学吸附。
11.表面张力计算公式：12.表面张力产生的根本原因是分子间相互作用力的不平衡引起的。
13.表面张力本质上是由分子间相互作用力,即范德瓦尔斯力，单位为:J/m2place方程：附加压力的方向总是指向曲率中心一边，且与曲率大小有关。
place方程：球面：与曲率半径成反比任意曲面：;对于平液面,两个曲率半径都为无限大，p=0，表示跨过平液面不存在压差。
16.当毛细管浸在液体中，若液体能浸润管壁,则会发生毛细上升现象，液面呈凹月形.反之，若液体不能浸润管壁，则液面下降呈凸液面. 17.Kelvin公式: po为T温度下，平液面的蒸汽压；P为T温度下,弯液面的蒸汽压；V为液体摩尔体积;r为弯液面的曲率半径。
材料表面与界面复习题
材料表面与界面复习题第一章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。
则丫=1 /2( p l- p g)ghrcos6 (1)(1)式中Y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，p l为测量液体的密度，P g为气体的密度(空气和蒸气)，g为当地的重力加速度，e为液体与管壁的接触角。
若毛细管管径很小，而且B =0时，则上式(1)可简化为Y =1/2 p ghr (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=2 丫lcos©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，4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0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= 3 (de/b)2 则得丫= ( p l- p g)gde2/H 式中 b 为液滴顶点O处的曲率半径。
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-3
• 若纤维的半径r和液体表面张力σ L已 知，则用电子天平法测出∆P后，由上 式可求出接触角θ 。
界面张力和界面接触角的测试
两种互不相溶液体之间
若完全浸润（如采用铂丝）
Δ P=2πrσL1/L2
若界面张力σ L1/L2已知，液体与纤维之间存在 接触角θ L1/L2，则：
Δ P=2π rσ L1/L2cosθ L1/L2 因此，测定Δ P可求出纤维在L1/L2界面的接触 角θ L1/L2。
（1.9.3）
令A=σSG-σSL为粘附张力，由热力学平衡准则可知，只有A>0的过程才能 发生浸湿。A<0为不能浸湿。
铺展润湿过程
铺展润湿是液体与固体表面接触后，在固体表面上 排除空气而自行铺展的过程，亦即一个以液/固界 面取代气/固界面同时液体表面也随之扩展的过程。
• 液体从C自发铺展至B，覆盖面积为a，则相应的 自由焓变化为：
电子天平法的局限性
对仪器精密度要求高，操作难度大； 测试的是单根纤维，误差大。
以对水完全润湿的r＝20微米的纤维为例：
用纤维束测接触角示意图
在管中充填一束纤维，充填率ξ=0.47~0.53。使纤 维束与液面接触，因毛细现象，液体沿纤维间空 隙上升，用电子天平测出增重量m随浸润时间变化
以一束纤维代 替一根纤维
文献数
201 2011 201 201 201 201 2016
0
2
3
4
5
Super/Ultra 568 671 782 932 101 116 1302
hydrophobi
35
c
Lotus Effect 141 150 135 160 167 193 173
m2 Wl3 l cos t
材料表界面知识点汇总
材料表界面知识点汇总1.表，界面是指一个相到另一个相的过渡区域。
2.表界面可以分为一下五类：固-气，液-气，固-液，液-液，固-固。
3.把凝聚相和气相之间（固-气，液-气）的分界面称为表面；把凝聚相之间（固-液，液-液，，固-固）的分界面称为界面。
4.理想表面的定义：指除了假设确定的一套边界条件外，系统不发生任何变化的表面。
特点：表面的原子位置和电子密度都和在体内一样，且在实际生活中理想表面是不可能存在的。
5.清洁表面的定义：指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附，催化反应或杂质扩散等一系列物理，化学效应的表面。
特点：可以发生多种与体内不同的结构和成分变化。
6.吸附表面的定义：吸附有外来原子的表面称之为吸附表面。
特点：吸附原子可以形成无序的或有序的覆盖层。
7.材料表面的分类：机械作用界面，化学作用界面，固态结合界面，液相或气相沉积界面，凝固共生界面，粉末冶金界面，粘接界面，熔焊界面。
8.表面张力的定义：在液体表面膜中，存在着使液体表面积缩小的张力，这种张力称为表面张力。
9.吸附是组分在热力学体系的各相中偏离热力学平衡组成的非均匀分布现象。
通常将被吸附的分子成为吸附质，固体则称为吸附剂。
10.吸附类型分为物理吸附和化学吸附。
11.表面张力计算公式：12.表面张力产生的根本原因是分子间相互作用力的不平衡引起的。
13.表面张力本质上是由分子间相互作用力，即范德瓦尔斯力，单位为：J/m2place方程:附加压力的方向总是指向曲率中心一边，且与曲率大小有关。
place方程：球面：与曲率半径成反比任意曲面：；对于平液面，两个曲率半径都为无限大，p=0，表示跨过平液面不存在压差。
16.当毛细管浸在液体中，若液体能浸润管壁，则会发生毛细上升现象，液面呈凹月形。
反之，若液体不能浸润管壁，则液面下降呈凸液面。
17.Kelvin公式：po为T温度下，平液面的蒸汽压；P为T温度下，弯液面的蒸汽压；V为液体摩尔体积；r为弯液面的曲率半径。
材料表面与界面复习题
材料表面与界面复习题第一章1.试述表面力（表面能）产生的原因。
怎样测试液体的表面力？（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部并垂直于表面的引力作用，即为表面力。
这里的分子间作用力为德华力。
（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力。
在一定平面上, 液滴形状与液体表面力和密度有直接关系。
由Laplace 公式, 描述在任意的一点P 曲面外压差为式中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。
材料表界面范围
第一章绪论名词解释：表、界面；物理表面表界面是指由一个相到另一个相的过渡区域。
物理表面：三维规整点阵到体外空间之间的过渡区域；厚度随材料种类而异，从一个到多个以上不同性能的相。
2、表界面指相与相之间的过渡区域，因此表界面区的结构、能量、组成等都呈现连续的梯度变化。
3、按照扩散的微观机制可将表面扩散分为两类;自扩散和互扩散。
4、固体中的扩散是通过原子的随机运动进行的，因此扩散的前提是有可供原子运动的空间。
5、扩散过程的微观机制是缺陷的运动。
6、晶界迁移是重要的界面扩散传质现象，可由不同的驱动力引起；晶界迁移的特点与处于一定能量状态的晶界原子结构特点密切相关，其过程的本质是晶界能量的下降。
公式：第二章液体界面名词解释：表面张力：液体表面任意二相邻部分之间垂直于它们的单位长度分界线相互作用的拉力表面自由能：广义，保持相应的特征变量不变，每增加单位表面积时，相应热力学函数的增值。
狭义，保持温度、压力和组成不变，每增加单位表面积时，Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能，或简称表面自由能或表面能。
特劳贝（Traube）规则；在同系物溶液中，欲使表面张力降低得一般多，所需溶液浓度因分子中每增加一个亚甲基-ch2-而减少为原来的三分之一。
2、表面张力产生的根本原因是分子间相互作用力不平衡引起的；3、处在液体表面层的分子与其内部分子所受力场相同（错）；4、气液界面的分子净受到指向液体内部的引力，该引力主要是范德华力；（对）5、由于系统的能量越低越稳定，所以液体表面有自动收缩的能力；（对）6、表面弯曲的液体在表面张力的作用下，表面上承受着附加压力，且方向总是指向液体内部；（错）7、跨过平液面不存在压差；（对）8、毛细管法测液体表面张力时，要求毛细管被所测液体完全浸润。
（错）9、Kelvin公式表明：液滴的半径越小，其蒸汽压越大；气泡的半径越小，其蒸汽压越小。
10、利用毛细管法测液体表面张力时，当毛细血管浸在液体中，若液体能浸润管壁，则会发生毛细上升现象，液面呈凹月形：若液体不能浸润管壁，则液面下降呈凸液面。
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。
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1.原子间的键合方式及性能特点原子间的键合方式包括化学键和物理键,其中化学键又分为离子键,共价键和金属键,物理键又包括分子键和氢键.2.原子的外层电子结构，晶体的能带结构。
3.晶体（单晶、多晶）的基本概念，晶体与非晶体的区别。
单晶:质点按同一取向排列,由一个核心(晶核)生长而成的晶体;多晶:由许多不同位向的小晶体(晶粒)所组成的晶体.4.空间点阵与晶胞、晶面指数、晶面间距的概念，原子的堆积方式和典型的晶体结构。
空间点阵:呈周期性的规律排列的阵点所形成的具有等同的周围环境的三维阵列;晶胞:在空间点阵中,能代表空间点阵结构特点的最小平行六面体,反应晶格特性的最小几何单元;晶面指数: 在晶格中，通过任意三个不在同一直线上的格点作一平面，称为晶面，描写晶面方位的一组数称为晶面指数.一般选取晶面在三个坐标轴上的截距,取倒数作为晶面指数;晶面间距:两近邻晶面间的垂直距离;原子的堆积方式:六角堆积和立方堆积;典型的晶体结构:面心立方结构,体心立方结构,密排六方结构.5.表面信息获取的主要方式及基本原理可以通过光子,电子,离子,声,热,电场和磁场等与材料表面作用,来获取表面的各种信息,或者利用原子线度的极细探针与被测材料的表面近距离接近,探测探针与材料之间的信号,来获取表面信息.电子束技术原理:离子束技术原理:离子比光子电子都重,它轰击表面时产生的效应非常明显.离子不但具有电荷还有电子结构和原子结构,当离子与表面接近时,除具有静电场和接触电势差作用外,它本身还可以处于不同的激发电离态,离子还可以与表面产生各种化学反应,总之,离子与表面作用后,提供的信息非常丰富.光电子能谱原理:扫描探针显微镜技术原理:6.为什么XPS可获得表面信息，而X射线衍射只能获得体信息？[略]X射线衍射(XRD)是利用晶体形成X射线衍射,对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法.将具有一定波长的X射线照射到晶体上时,X射线因在晶体内遇到规则排列的原子或离子而发生散射,散射的X射线在某些方向上加强,从而显示与晶体结构相应的特有衍射现象.7.利用光电子能谱（XPS）和俄歇电子能谱（Auger）进行表面分析的基本原理和应用范围。
光电子能谱表面分析原理:光电子能谱就是利用光子与固体表面的光电效应,分析发射出的光电子的能量分布和角度分布,进而分析表面的成分和价态.从固体表面发射出的光电子的能力与它原在的原子中所处的状态有关,还与和它作用的光子能力相关.为了能精确的分析出表面的成分和价态,要求光子能量稳定,即使用单色光源.一般选用X射线作为光源.X射线激发内壳层电子(芯电子),然后分析这些芯电子的能力分布,从而进行元素的定性分析和化学状态分析.定性分析:表面成分和价态;定量分析:样品中各元素的相对含量.俄歇电子能谱表面分析原理:AES分析是以电子束（或X-射线束）为激发源，激发出样品表面的Auger 电子，分析Auger电子的能量和强度，可获元素种类、含量和分布，以及化学态等信息。
原子内层能级有一个电子被电离后,处于激发态的原子恢复到基态有两种方式(1)较高能级上的一个电子填入内层空穴,多余的能量作为特征X射线辐射释放,最后原子呈现单电离状态;(2)内层空穴被外层的电子填入,多余的能量无辐射,直接传递给第二个电子,并使其发射出来,这个电子就是俄歇电子.定性分析:俄歇电子有特定的能量,确定元素的种类;定量分析:根据俄歇电流的大小测定表面元素的相对含量.8.透射电子显微镜有哪几种工作模式，它们可获得材料的什么信息。
影像模式,得到样品的形貌像;衍射模式,晶体点阵的类型和点阵常数,晶体的相对方位和取向,与晶粒的尺寸大小,孪晶等相关的晶体缺陷的显微结构信息.9.扫描电子显微镜的二次电子像和背反射电子像的成像原理。
二次电子是入射电子从样品表面激发出来的能量最低的一部分电子,表明这部分电子来自样品表面最外层的原子;背反射电子是被样品表面直接反射回来的电子,具有与入射电子相近的能量,接受背反射电子信号,并在显示屏显示,由于原子对入射电子的反射能力随原子序数的增加而增大,因此,对于表面有不同成分的区域,其平均原子序数的差别将造成显示信号强度的不同.10.说明电子束技术的基本特征，举出几种利用电子束的波动性和粒子性的分析技术。
电子具有波粒二象性,利用电子的波动性和粒子性可以将电子束分析技术分为:11.什么是电子结合能的位移？价带能态密度可采用什么方法测试，简述其原理。
原子的内壳层电子的结合能收到核内,核外电荷的分布影响,任何引起这些电荷分布发生变化的因素,都有可能使原子内壳层电子的结合能产生变化,在光电子能谱图上看到光电子谱峰的位移,这种现象称为电子结合能的位移.来表示,当入射光子能量大于21eV时,光电子发射固体价带中的电子状态的能力分布由能态密度()E的能量分布可以看作是价带能态密度分布.可以通过使用XPS技术进行固体表面能带研究将价带能态密度测出.12.表面的定义。
什么是清洁表面和实际表面？两种不同相的交界区域称为表面,比如凝聚相,气相和液相之间的界面,不是几何意义上的平面而是有一定厚度的过渡区.清洁表面指的是除去了吸附层,氧化层,表面损伤层后,能够反映材料本征特性的表面(只能在高真空环境下依存).实际表面是未经过任何处理,存在通常环境下中的S-G或L-G界面.13.什么是表面的TLK模型？表面缺陷产生的原因是什么？晶体的表面是不均匀的,表面上平行于原子平面的台阶是由于晶体体相中原子平面的微小配合差错所致,称为位错,进一步观察位错会发现,这些台阶也并非是平面,而是由若干个阶梯(steps)组成,表面上有平台(Terrace),台阶(Ledge)和扭曲(Kink),统称为TLK模型.表面缺陷产生的原因:根据热力学定律,温度高于绝对零度时,所有物理系统的熵均不为零.系统的自由能与内能,熵和温度的关系为F=U-TS,系统稳定的条件时自由能最小,减小F的途径有减小内能,或者增加熵值.当熵值增加时,系统的混乱程度增加,原子排列混乱,特别是温度较高时混乱程度较大,因此容易产生表面缺陷.14.什么是表面弛豫和表面重构？画出表面弛豫和表面重构的原子排列图。
一般的说,表面原子处于不稳定的状态,为是系统的能力降低,将会产生两个过程,达到平衡:一是,原子沿垂直于表面方向移动,称为弛豫(表面原子排列中断,在Z轴方向失去平衡,表面原子可能向外或向内移动);二是,平行于表面方向移动,形成不同于理想表面的二位晶格的超晶格,称为表面重构(表面区原子排列有明显的变化,原子间距和排列方式变化(晶格常数,晶格结构),或者晶格结构不变,但旋转了一个角度).15.为什么表面原子排列与体内不同，请比较重构与驰豫的异同，并解释Si（111）2×1重构的成因清洁表面的原子排列在发生了”中断”后,键,对称的作用力得不到平衡,为了降低表面能,表面原子的排列就需要进行调整.弛豫是原子沿着垂直于表面方向移动,重构是原子平行于表面方向移动.Si（111）2×1重构的成因:在体内,Si原子间由3sp杂化键合,原子以四面体型连结称为金刚石结构.在理想的(1,1,1)面上,硅有一根没有电子配对的3sp键,这根键称为悬挂键.在表面,周期性势场发生了中断,在那里的原子比较接近孤立原子,所有在该处的原子具有悬挂键必将恢复成纯s或纯p键,这种情况称为退杂化.如果表面的悬挂键退化为纯p键,则Si的下面三根键为2sp杂化:2221++,2sp的键角为120°s p sp p另一悬挂键则退化为s键，则形成2231++,3p的键角为90°s p p s体内Si间的键合是3sp杂化键223+,键角109°s p sp因为2sp的键角为120°,比3sp的键角为109°大,这将把表面的硅原子往下拉0.11埃; 3p的键角为90°又比3sp的键角小,使原子表面上升0.18埃,于是在硅表面有两组原子(2sp p和3p s),这样晶胞的尺寸在x 方向就比原来大两倍,所以形成了Si（111）2×1重构.16.纳米材料有哪些效应？小尺寸效应:当纳米材料结构单元尺寸与光波波长,穿透深度等物理特征尺度相当时,其内部晶体周期性边界条件将被破坏.量子尺寸效应:当纳米材料的结构单元某一维度上的尺寸降低到某一值时,费米面附近的电子能谱有准连续变为了离散,表面结构和电子态急剧变化,能隙变宽.表面效应:纳米材料结构单元表面与内部原子的数量比,比表面积,比表面能都随着基元尺寸的下降而迅速提高.17.说明表面张力和表面自由能分别用于什么情况。
解释表面吸附对表面自由能的影响。
如何测试材料的表面自由能，简述其基本原理。
它们的共同点是：（1）都反映了表面分子受力不均匀的情况；（2）两者的数值相同，通常用同一符号表示。
它们的不同点是：（1）两者的物理意义不同，表面自由能是指等温、等压、保持组成不变的条件下，可逆地增加单位表面积时，体系吉布斯自由能的增值。
表面张力是指表面层分子垂直作用于单位长度的边界上且与表面相切的收缩力.（2）两者的单位不同，表面自由能的单位是J·m-2，而表面张力的单位是N·m-1.广义地说表面自由能是指保持相应的特征变量和组成恒定时，每增加单位表面积引起该热力学函数的变化值.狭义地说，表面自由能是指保持温度、压力和组成不变时，每增加单位面积所引起的吉布斯自由能的增值.单位是J · m-2 .广义定义：狭义定义：表面张力是指：表面层分子垂直作用在单位长度的线段或边界上且与表面平行或相切的收缩力称为表面张力.单位是N · m-1.18.什么是晶体材料的易生长晶面，它与什么因素有关？NaCl为简立方晶体，它的易生长晶面是什么？表面态的产生原因和种类，它对材料性能有何影响？在表面外侧和内侧，电子的波函数都按指数关系衰减，这表明电子的分布几率在表面处最大，即电子被局限在表面附近。
这种电子状态即称作表面态，对应的能级称为表面能级。
在半导体的表面，由于存在自身缺陷、吸附物质、氧化物或与电解液中的物质发生作用等原因，表面存在不饱和的共价键，表面电子之量子状态会形成分立的能级或很窄的能带，称为表面态。
19.形成空间电荷区的原因和表面空间电荷区的类型。
空间电荷区的形成:以PN结为例,由于在半导体接触面两侧存在载流子浓度差,载流子会产生扩散运动,电子由N区扩散进入P区,空穴由P区扩散进入N区,两侧留下了不能移动的电离杂质电荷,从而形成内建电场阻止扩散运动,当漂移运动和扩散运动达到平衡时,形成空间电荷区,这也是形成原因,而表面空间电荷区的形成原因主要是存在表面电场.具体原因:表面态的影响;功函数的差异;氧化层中存在杂质离子;外加偏压的影响.表面空间电荷区类型:根据表面载流子密度的大小与体内值得比较,可以分为多子堆积状态;平带状态;耗尽状态;反型状态.20.什么是准费米能级？在非简并情况下,200i n p n =,其中0n 和0p 分别为平衡电子浓度和平衡空穴浓度,i n 是本证载流子浓度,但是有过剩载流子的情况下,上式不在成立.不能够用统一的费米能级,一般引进一个准费米能级来描述电子浓度和空穴浓度.令n 和p 为非平衡条件下体内或表面空间电荷区中的电子浓度和空穴浓度,它们可以表示为exp exp Fn i i i Fp i E E n n kT E E p p kT-=-= 其中Fn E 和Fp E 成为准费米能级.21.有一半导体材料，其体费米能级在导带下1/3Eg 处，表面费米能级距导带2/3Eg 处，Eg 为禁带宽度。