第五章 表面与界面复习提纲
第5章 表面与界面 知识点070
平坦表面：
S-L增加δs S-V减小δs L-V增加δs cosθ
Es SL s LVs cos SV s 0
粗糙表面：
S-L增加 nδs S-V减小 nδs L-V增加 δs cosθn
答：
γ(Al2O3,固) -γ(Ag,液/Al2O3,固)
cosθ =
=
γ(Ag,液)
1-1.77 0.92 =-0.83
θ = 146.82 不能润湿。可将瓷件表面抛光减小接触角
1、表面粗糙度的影响
三相相交点沿固体表面由A到 B，相界面面积会发生变化， 进而界面能变化。根据热力学 原理，当系统处于平衡时，界 面位置的少许移动引起的界面 能变化为零。
n为表面粗糙度，为实际面积 与表观面积之比所以n>1。
平坦表面： S-L面积增加δs S-V面积减小δs L-V面积增加δs cosθ
5.2 润湿现象
知识点070.润湿的杨氏方程及接触角
一、理想表面上的润湿——杨氏方程 二、非理想表面上的润湿——接触角变化
一、理想表面上的润湿——杨氏方程
V
L
θ
γLV
S
γSL
γSV
θ：接触角
θ=180°完全不润湿 θ>90°不润湿 θ<90°可润湿 θ=0°完全润湿
θ <0°铺展 杨氏方程不再适用
cos ( SO ) SL LV
接触角增大，起 着阻碍液体铺展 的作用。
随堂练习：
氧化铝瓷件表面上涂银后，当烧至1000摄氏度时，已
知γ(Al2O3,固)=1J/m2， γ(Ag,液)=0.92J/m2， γ(Ag,液 /Al2O3,固)=1.77J/m2，问液态银能否润湿氧化铝瓷件表 面？如果不能润湿，可以采取什么措施使其能润湿？
第5章 表面与界面 知识点067068
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物理吸附力
物理吸附力是在所有的吸附剂与吸附质之间都存在的， 即范德华力。主要来源于三种不同效应：
LiF(001)弛豫 表面示意图， ·Li 〇 F
（3）重构表面
重构表面是指表面原子层在平行表面方向上的周期
性不同于体内，但垂直方向的层间距则与体内相同。
as
a
d0 d0
重构表面示意图
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单晶硅（111）面 的重构表面。 扫描隧道显微镜图像。
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。
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理想表面结构示意图
理想表面的扫描隧道显微镜图
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
[112]
[110]
[111]
周 期
Pt（557）有序原子台阶表面示意图
碳化硅表面生长的台阶
（2） 弛豫表面
由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断，在垂直 表面方向上原子间距不同于内部，称为弛豫表面。
弛豫表面示意图
表面与界面化学-第5章(1)
5.1 液-液界面与界面张力
分散(immersion)则是一种大 块的液体变成为小滴的形式 存在于另一种液体之中的过 程，从体系的界面结构来 看，这时只有液—液界面形 成。 和液体表面一样，液-液界面存在界面张力和界面 过剩自由能。
5.1 液-液界面与界面张力
界面张力是垂直通过液-液界面上任一单位长度，与界 面相切地收缩界面的力。液液分散体系中分散相大致 呈球形便是它的作用的结果。 界面自由能则是恒温恒压下增加单位界面面积时体系 自由能的增量。 界面张力也是根源于分子间相互作用力及构成界面两 相的性质差异，液—液界面张力与两相化学组成密切 相关，通常用γab代表界面张力，其中a和b分别代表构 成界面的两相。液-液界面张力通常也随温度升高而降 低。
Wa
AB
= N ab × ε AB
1 = × ( − ∆ H AB / N 0 ) a
5.3 表面活性剂溶液的界面张力
1、单组分表面活性剂
在两不相溶的液体体系中加入表面活性剂也会使其界面 张力降低，如正辛烷一水体系中加入十二烷基硫酸钠可以使 界面张力从50mN·m-1降至几个mN·m-1。 表面活性剂降低界面张力的能力与油相的性质有关，若 油相是饱和烃，则表面活性剂降低液—液界面张力的能力比 气液界面张力增加，如25℃时，辛基硫酸钠 （C8H17SO4Na）在空气-水界面的Пcmc=33mN·m-1，而在 庚烷—水界面上的Пcmc=39mN·m-1。如果油相是不饱和烃 或芳烃，则结果相反，即能力降低。
5.1 液-液界面与界面张力
5.1 液-液界面与界面张力
在纯净的水面上滴入一滴不溶性油，可能产生下列 三种情况之一：
(1) 油停留于水面上，形成双凸透镜的液滴，这种情况称为不铺 展。如图（b）所示。 (2) 铺展成为一薄膜，此薄膜在均匀分布于表面上形成“双重膜” 之前会产生干涉色。（“双重膜”是一厚至足以形成双界面的 薄膜，每一界面互为独立并各具特征的表面张力）。如图 （a）所示。
第5章 固体表面与界面(1)-固体的表面及其结构
1. 晶体表面结构
（1）真空状态下晶体表面结构特点 a. 真空状态下，无杂质、气体等吸附作用，是纯粹 质点表面力场作用； b. 只能通过表面层质点极化、变形、位移、重排来 降低部分表面能；
第5章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
中南大学 资源加工与生物工程学院 宋晓岚
c. NaCl、Al2O3、SiO2等阴离子半径较大的离子型 化合物，极化重排结果导致形成表面双电层
晶 体
表面离子受内 部离子作用电子 云变形 离子重排 表面能减少
离子晶体表面的电子云变形和离子重排
第5章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
NaCl
中南大学 资源加工与生物工程学院 宋晓岚
0.020nm
晶 体 内 部
晶 体 表 面
0.281nm
0.266nm
NaCl表面层中 Na+向里；Cl-向外移动并形成双电层
第5章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
中南大学 资源加工与生物工程学院 宋晓岚
（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 → 化学吸附 吸附体系：
吸附剂（固体表面：具有吸附作用） 吸附物（被吸附分子） � 发生电子转移 � 形成共用电子对
第5章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
第5章 固体表面与界面 —— 5.1 固体的表面及其结构
中南大学 资源加工与生物工程学院 宋晓岚
原因：
� Pb2+与I-都具有大的极化性能； � 当用极化性能较小的 Ca2+和F-依次置换PbI2中的 Pb++和I-离子时，相应表面能和硬度迅速增加，可 预料相应的表面双电层厚度将减小。
材料物理化学 第五章 表面与界面 习题
4、固体表面的驰豫与无机超细粉体性能之间有何关系？ 解：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。
材料物理化学
湖南工学院
粉体：微细的固体微料集合体，原料加工成微细颗粒以利于成型和烧结。粉体制备：反 复粉碎形成一系列新表面。而离子极化变形重排畸变有序性降低，随粒子的微细化从表 面增大，无序性增大并向纵深发展，不断影响内部结构，最后使粉体表面结构趋于无定 形化。 一种认为粉体表面层是无定形结构。一种认为粉体表面层是粒度极小的微晶结构。 所以在无机超细粉体上可以发生表面驰豫现象。
A γ αα ＝ 2 A γ αβ
γαβ A γαα
（当 β 位于晶粒内
cos 0 ＝ 2 γ αβ 2 A γαβ
(γA ) ＝ A1 γ α β 晶内
( γA ) 晶内 /( γA ) 晶界 ＝ ( 2 A A1 ) γ αβ / 2 A γ αβ ＝
2 A A1 2A
1
因而 β 相存在于晶界上时较为稳定。
6、陶瓷原料球磨时，湿磨的效率往往高于干磨，如果再加入表面活性剂，则可进一步 提高球磨效率，试分析这些效率的机理。 解：陶瓷原料球磨时，当加入水和表面活性剂时，表面活性剂在水中溶解，并且按 着一定的结构排列， 会在陶瓷原料和球上进行吸附、 润湿， 减少了陶瓷原料和球的摩擦， 因此提高了球磨效率。
7、什麽是润湿？影响湿润的因素有那些？ 解：固体与液体接触后，体系（固体+液体）的吉布斯自由能降低时，称之。 （1）固体表面粗糙：当真实接触角小于 90 芳时，粗糙度越大，表面接触角越小，就
题 5-10 附图
由题意
(a ) (c )
γ SS 2 γ SO cos( 112 γ OO 2 γ SO cos( 100 112 2 γ OO cos 50
材料表面与界面 第5章 胶体
胶体是一定分散范围内物质存在的一种状态， 而不是物质固有的特性。
胶体是高度分散的体系，具有很大的表面积
有扩散慢和不能透过半透膜，推断不是以小 分子而是以大粒子形式分散在介质中
胶体粒子在重力场重不沉降或沉降速度极慢， 推断分散质点不会太大，约1nm-1μm
5.1 什么是胶体？
将一把泥土放入水中
• Brown 运动 • 胶粒的扩散 • 溶胶的渗透压 • 沉降平衡 • 高度分布定律
Brown运动 (Brownian motion)
1827 年植物 学家布朗 （Brown)用显微 镜观察到悬浮在 液面上的花粉粉 末不断地作不规 则的运动。
粒子越小，布朗运动越激烈。当 半径大于5 m，Brown运动消
影响粘土结合水量的因素有粘土矿物组成、粘土 分散度、粘土吸附阳离子种类等。
粘土与水结合情况示意图
三 、粘土胶体的电动电位 （1）电动性质：在电场或其他力场作用下，固体
颗粒或液相相对另一相作相对位移时所表现出来的电 学性质。
（2）扩散双电层的形成 a、吸附层：在外电场作用下，被粘土质点牢固
吸附的水化阳离子层。 这一层随粘土质点一起向正极移动 b、扩散层：吸附层以外的、定向程度较差的水
胶团(电中性)
胶核 胶粒状对胶体性质有重 要影响。
质点为球形的，流动性较好；若为带状的， 则流动性较差，易产生触变现象。
胶粒的形状
例如：（1）聚苯乙烯胶乳是球形质点 （2） V2O5 溶胶是带状的质点 （3） Fe(OH)3 溶胶是丝状的质点
5.2 溶胶的动力性质
续的网状骨架，骨架孔隙中充有液体或者气体，凝胶中分散相的含 量很低，一般在1-3%之间
溶胶是由孤立的细小粒子或者大分子 组成，分散在液体中的胶体体系，液 体一般为水或乙醇。
固体表面与界面
S
V
L
液体在固体表面的铺展
1
对于铺展润湿，常用铺展系数SL/S来表示体系自由能的变化，如
2
若S≥0，则ΔG≤0，液体可在固体表面自动展开。
注意:上述条件均是指在无外力作用下液体自动润湿固体表面的条件。有了这些热力学条件，即可从理论上判断一个润湿过程是否能够自发进行。但实际上却远非那么容易，上面所讨论的判断条件，均需固体的表面自由能和固一液界面自由能，而这些参数目前尚无合适的测定方法，因而定量地运用上面的判断条件是有困难的。尽管如此，这些判断条件仍为我们解决润湿问题提供了正确的思路。
01
毛细管凝结造成回潮现象：
03
工艺影响——陶瓷生坯的回潮现象
02
固体与液体接触后，体系的吉布斯自由能降低时称为润湿
润湿的定义：
润湿是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程。最常见的润湿现象是一种液体从固体表面置换空气，如水在玻璃表面置换空气而展开。 1930年Osterhof和Bartell把润湿现象分成附着润湿、浸渍润湿和铺展润湿三种类型。
毛细管引力与曲面半径成反比而与表面张力成正比。
冬天水泥地面易冻裂与毛细管凝结水的存在有关。
04
陶瓷生坯中有很多毛细孔，易形成毛细管凝结，其蒸气压低而不易被排除，造成回潮，若不预先充分干燥，入窑将易炸裂；
05
若r < 0，P < P0，则在指定温度下环境蒸气压为P0时，该蒸气压对平面液体未达饱和，但对管内凹面液体可能已呈过饱和，此蒸气将在毛细管内凹面上凝聚成液体——毛细管凝结。
工艺意义—— 喷雾干燥法
对于液体：液滴呈凸面，r > 0，则P > P0；且r↓，P↑，意味着其蒸发速率越快。陶瓷工业中利用这一原理，开发出喷雾干燥法技术，用于将泥浆制成干粉料。
表面与界面知识点总结 -回复
表面与界面知识点总结 -回复
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。
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 。
第五章 表面结构与性质
• 固体表面能确定的方法：实验测定和理论 计算。 • 实验方法 较普遍采用的是将固体熔化测定液态表面 张力与温度的关系，作图外推到凝固点以 下来估算固体的表面张力。
• 理论计算 理论计算比较复杂。
• 5.1.1.5 表面偏析：杂质由体内偏析到 表面，使固体表面组成与体内不同。 • 对于理想固溶体，两组分合金中表面
• 5.1.2.2 粉体表面结构
• 随着粒子的微细化，比表面增大，表面结
构的有序程度受到愈来愈强烈的扰乱，并 不断向颗粒深部扩展，最后使粉体表面结 构趋于无定形化。
• 5.1.2.3 玻璃表面结构
• 由于玻璃比同组成的晶体具有更大的内能， 表面力场的作用比晶体更加明显。 • 在化学成分和结构上，表面层与内部差异 较大。 • 如含有极化性能较高的离子的铅玻璃等， 其表面结构和性质明显会受到这些离子的 在表面的排列取向的影响••••••
ห้องสมุดไป่ตู้
H T S
• 总结：良好粘附的表面化学条件： • ⑴被粘附体的临界表面张力 要大，或润 湿张力F增加，以保证良好润湿； • ⑵粘附功要大，以保证牢固粘附； • ⑶界面张力( SL )要小，以保证粘附界面的 热力学稳定； • ⑷粘附剂与被粘附体的相溶性要好，以保 持粘附界面的良好键合和保持强度。
反相界面(APB)：R等于结构的点阵矢量； 层错(AF)：R不等于结构的点阵矢量。
APB原子排列平移界面二维模型
AF原子排列平移界面二维模型
• 孪晶界面：孪晶位移矢 量R的方向和指向恒定， 但矢量的大小随离开界 面的距离而渐增。又叫 取向界面。
• 表示方法：用孪晶两部 分衍射矢量g和g’之差表 示。 • 混合界面：孪晶界面和 平移界面的混合。
W LV SV SL
第五章表面与界面第一讲汇总
（1）范德华(van der Walls)力：一般是指固体表面与被 吸附质点（例如气体分子）之间相互作用力。主要来源 于三种不同效应： ① 定向作用。主要发生在极性分子（离子）之间。如：
氨气分子，HCl分子等 ② 诱导作用。主要发生在极性分子与非极性分子之间。 ③ 分散作用。主要发生在非极性分子之间。如：H2、O2、
N2、CO2、CH4、C2H2、BF3等。 对于不同物质，上述三种力都会存在，只是那一种强 弱的问题。 （2）长程力：它是二相之间的分子引力通过某种方式加 合和传递而产生的，本质上仍是范德华力。
（3）静电力：在二个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பைடு நூலகம்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。
5.1.2晶体表面结构
表面力的存在使固体表面处于较高能量状态。 但系统总会通过各种途径来降低这部分过剩的能 量，这就导致表面质点的极化、变形、重排并引 起原来晶格的畸变。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。
2）固体的表面张力是各向异性的。 3）实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，
决定固体表面形态的主要是形成固体表面时 的条件以及它所经历的历史。 4）固体的表面自由能和表面张力的测定非常 困难。
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。
第五章 固体的表面与界面
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。
材料表面与界面 第五章 表界面热力学与动力学
Wc＝2γa 或 Wc＝2γb
3 ( a b ) 4
1 Wab ( a b ) 2
由上式可以看出，Wc＞Wab，即相同物质间的摩擦要大于 不同物质间的摩擦。
固体的表面自由能和表面张力 与液体相比： (1) 固体的表面自由能中包含了弹性能。表面张力在数值上不 等于表面自由能； (2) 固体的表面张力是各向异性的。 (3) 实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，决定固体表面 形态的主要是形成固体表面时的条件以及它所经历的历史。 (4) 固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。
如果在活动边框上挂一重物，使 重物质量W2与边框质量W1所产 生的重力F与总的表面张力大小 相等方向相反，则金属丝不再滑 动。
F 2 l
l 是滑动边的长度，因膜有两个面， 所以边界总长度为2l， 就是作用 于单位边界上的表面张力。
在两相(特别是气-液)界面上，处处存在着一种张 力，这种力垂直于表面的边界，指向液体方向并 与表面相切。 把作用于单位边界线上的这种力称为表面张力，用 或 表示。 表面张力的单位是：
表面自由能定义
G ( )T , P ,nB As
其物理意义是在等温等压以及恒组成条件下,每增加 单位表面时系统吉布斯自由能的增加
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
又可称为表面Gibbs自由能
2
表面自由能的单位： J m
表面张力 （surface tension）
表面自由能 (surface free energy)
界面能
实验证明，界面能 γab约为 1/4～1/2(γa＋γb)。如果a、 b两物质 能相互溶解或能形成金属间化合物，其界面能较小，约为
1 ( a b ) 4
若a、b 两物质不能相互溶解，其界面能较大，约为 a、b为同一物质 a、b相互溶解 a、b不能相互溶解
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
9
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
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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↓；
无机材料科学基础 第五章固体表面和界面-文档资料
晶界在多面体中的形状、构造和分布称为晶界构形。 γSV
ψ γSV γSL γSS
固态晶粒 固态晶粒
γSS
γSL
(A)热腐蚀角(槽角)
(B)固固液平衡的二面角
对于固－固－气界面张力平衡关系： 对于固－固－液界面张力平衡关系： 1 SS 1 SS cos cos 2 2 SV
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。
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
图3－1 离子晶体表面的电子云变形和离子重排
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
第一节 固体的表面
表面:一个相和它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。
一、固体表面的特征
二、晶体表面结构
三、固体的表面能
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，同一晶体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。
– At least a tendency
2019.12.15材料表面与界面化学复习资料
2011年材料表面与界面化学复习资料一、概念:1、表界面的定义表界面是由一个相过渡到另一相的过渡区域。
2、机械作用界面受机械作用而形成的界面称为机械作用界面。
喷沙、变形、磨损等。
3、化学作用界面由于表面反应、粘结、氧化、腐蚀等化学作用而形成的界面称化学作用界面。
4、固体结合界面出两个固体相直接接触，通过真空、加热、加压、界面扩散相反应等途径所形成的界面称为固态结合界面。
5、液相或气相沉积界面物质以原子尺寸形态从液相或气相析出而在固态表面形成的膜层或块体称为液相或气相沉积界面。
6、凝固共生界面两个固相同时从液相中凝固析出并且共同生长所形成的界面称为凝固共生界面。
7、粉末冶金界面通过热压、热锻、热等静压、烧结、热喷涂等粉末工艺，将粉末材料转变为块体所形成的界面称为粉末冶金界面。
8、粘结界面由无机或有机粘结剂使两个固体相结合而形成的界面称为粘结界面。
9、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。
10、理想表面理想表面是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。
11、清洁表面清洁表面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物理、化学效应的表面。
12、表面弛豫弛豫是指表面区原子或离子间的距离偏离体内的晶格常数，但晶胞结构基本不变。
13、重构就是表面原子重新排列，形成不同于体内的晶面。
14、台阶化是指出现一种比较规律的非完全平面结构的现象。
吸附和偏析（指化学组分在表面区的变化），15、表面吸附固体表面存在大量的具有不饱和键的原子或离子，能吸引外来的原子、离子和分子，产生吸附。
16、偏析偏析是指表面或界面附近薄层内化学组成偏离晶体内部的平均组成，某种原子、离子或化合物浓度明显高与内部。
17、表面张力外力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。
18、自动增疏效应一般的液体在底能表面上形成的接触角比较大，平衡铺展压则变小。
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习题
1．什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?
2．一般说来，同一种物质，其固体的表面能要比液体的表面能大，试说明原因。
3．什么叫吸附、粘附? 当用焊锡来焊接铜丝时，用锉刀除去表面层，可使焊接更加牢固，请解释这种现象。
4．方镁石的表面能为1000尔格/cm2，如果密度为3.68克/cm3，求将其粉碎为1u颗粒时，每克需能量多少卡?
5．试说明晶界能总小于两个相邻晶粒的表面能之和的原因。
7．1克石英在粉碎机中轧成粒度为1u的粉末时，重量增至1.02克，若这是吸附了空气中水分的结果，试求吸附水膜的厚度(假定破碎后颗粒为立方体)。
8．真空中Al2O3的表面张力约为900erg／cm2，液态铁的表面张力为1729erg/cm2，同样条件下，界面张力(液态铁—氧化铝)约为2300erg／cm2，问接触角有多大? 液态铁能否润湿氧化铝? 答:θ=14429´
9．表面张力为500erg／cm2的某液态硅酸盐与某种多晶氯化物表面相接触，接触角θ=45°；若与此氧化物相混合，则在三晶粒交界处，形成液态小球，二面角φ平均为90°，假如没有液态硅酸盐时，氧化物－氧化物界面的界面张力为1000dyn／cm，试计算氧化物的表面张力。
答：γsv=1060.7dyn/cm2
10．MgO—A12O3—SiO2系统的低共熔物，放在Si3N4陶瓷片上，在低共溶温度下，液相的表面张力为900erg/cm2，液体与固体的界面能为600erg/cm2，测得接触角为70.52°，
(1)求Si3N4的表面张力。
(2)把Si3N4在低共熔温度下进行热处理，测得其腐蚀的槽角为123.75°，求Si3N4的
晶界能。
(3)如果把20％的低共熔物与Si3N4粉末混合，加热到低共溶温度下，试画出由低共熔
物与Si3N4混合组成的陶瓷显微结构示意图。
答： (1) γsv=900erg／cm2
(2) γsv＝848.5erg／cm2
复习提纲
1．基本概念：表面、晶界、相界、弛豫表面、重构表面、黏附、润湿、吸附
2．固体是如何降低系统的表面能的，为什么相同组成的固体的表面能总是高于液体的表面能；
3．固体的表面力场的分类和本质，晶体的表面结构特点，表面粗糙度、表面微裂纹对表面力场的影响；
4．固体的界面行为对固体表面结构和性质的影响；粗糙表面的润湿行为；
一、表面力的存在使固体表面处于高能量状态，然而，能量愈高系统愈不稳定，那么固体是
通过何种方式降低其过剩的表面能以达到热力学稳定状态的。