第一章材料表界面基础
第一章--表界面基础
• Griffith断裂理论：
Tf (2Ec)1/2
Tf为材料的抗拉强度；E为 弹性模量；σ为表面自由 能；c为裂纹尺寸。
孔的结构特性是比总空隙率更为重要的影响因素。
英国科学家Brichal进一步提出：材料中大孔所占的比例越小， 最大尺寸孔的孔径越小，则材料的强度越高。
用MDF水泥制得的水泥材料总空隙率达15%，空隙尺寸一 般在几十微米，对材料的强度并无大碍，相反却使材料的脆性 得到了根本的改变，满足了轻质，高强，多功能的要求。
为研究这个反应过程，埃特尔使用了一个理想系统：在真空中铺 上一层清洁和光滑的铁粉，再控制性地输入不同的气体 。
埃特尔发现： （1）当氮气分子到达铁粉表面时，它首先是以分子的形成吸附，完
全吸附后，两个氮原子之间的键可能断裂，以氮原子的形式与铁 粉吸附。 （2）增加氢气的同时测量了铁粉表面氮原子的浓度，发现氢增加得 越多，铁表面氮原子的浓度就越低，这表明氮是以原子而不是分 子的形式与氢反应。 （3）氮分子分裂成氮原子这一过程限制了整个反应过程的速度 。 一旦两个氮原子从彼此的束缚中解放出来，它们立刻与周围的氢 原子结合生成氨。
表面张力的物理真实性：空位理论
设有一新分割、尚未达到平衡的表面，由于表面 分子受到指向液体内部的引力，则它离开表面进入液 体内部的趋势大于它从内部迁移到表面的趋势。结果 有较少的分子占据表面层，使表面层内的分子间距离 变大，当距离大于平衡之值时，分之间引力大于斥力， 于是表面分子处于张力状态，有抑制表面分子离开的 趋势，直到张力足够大，使单位时间内从表面进入内 部的分子数与从内部迁移到表面的分子数相等，体系 便在某一定表面张力下达到平衡。
dH TdS VdP σdA (2 7) dF SdT pdV σdA (2 8) dG SdT VdP σdA (2 9)
材料表界面 第一章 绪论
化学作用界面：由于表面反应、粘接、氧化、腐蚀等化学作用形成 固体结合界面：两个பைடு நூலகம்体相直接接触，通过真空、加热、加压、界
面扩散和反应等途径所形成的界面。
液相或气相沉积界面：物质以原子尺寸形态从液态或气相析 出而在固体表面形成的膜层或块体。 凝固共生界面：两个固体同时从液相中凝固析出，且共同生 长所形成的界面。 粉末冶金界面：通过粉末工艺将粉末材料转变为块体所形成 的界面。 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。 熔焊界面：固体表面造成熔体相，两者在凝固过程中形成冶 金结合的界面。
表面
d0
d0
内部
内部
d0
台阶化
表面不是平面， 由规则或不规则 台阶组成。
表面
化学组成变化
偏析
指溶液或溶质在相界、 晶界或缺陷上的聚集。
吸附
气相原子或分子在气 －固界面上的聚集。
（3） 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。
吸附表面可分为四种吸附位置：顶吸附、桥吸附 、填充吸附、中心吸附
1.1.3 表面吸附
( a) 物理吸附：外来原子在固体表面上形成吸附层，由范德 华力(Van der Waals)作用力引起，则此吸附称为物理吸附。 特点：物理吸附过程中没有没有电子转移、没有化学键的生 成和破坏，没有原子重排等等，产生吸附的只是范德华力。 物理吸附的作用力是范德华力，包括：定向力/偶极力、诱 导力、色散力；作用力。其本质为静电相互作用力.吸附热约 为：4.2 KJ/mol，一般在较低的温度下才能发生，无激活能， 无选择。
25
水泥基表面的树脂涂层
26
彩色钢板涂层示意图
材料表面与界面（1）
材料表⾯与界⾯（1）材料表⾯与界⾯第⼀章绪论§1-1表⾯与界⾯的概念表⾯：通常把⼀个相和它本⾝的蒸汽（或在真空中)相接触为界⾯。
界⾯：两个不同的相或取向不同的材料相接触的分界⾯。
§1-2表⾯科学及其应⽤理想晶体（⽆限连续体）：晶胞（能反映晶体特征的最⼩单元）在三维空间上的周期性重复。
实际晶体：有边界⼀、表⾯与体内的差别1、组成上的差别―表⾯偏析(表⾯富集、表⾯偏析、晶界偏析）2、表⾯质点排列与体内的差别（表⾯结构分析）3、表⾯原⼦的电⼦结构与体内的不同表⾯上的原⼦的电⼦云空间分布变化表⾯物理化学性质变化表⾯原⼦的电⼦结构与能级变化能量和空间分布状态XPS测内层电⼦UPS测价电⼦⼆、表⾯科学的实际应⽤光学性质：增透膜、减反膜催化作⽤：1、改善材料的机械性能、腐蚀性能SiN4-SiN2O预氧化2、催化问题3、界⾯的研究固-固界⾯、固-液界⾯（润湿）4、能源的利⽤§1-3表⾯研究⽅法⼀、常⽤表⾯分析技术AES 俄歇电⼦谱AEAPS 俄歇电⼦出现电势谱SEM 扫描电⼦显微镜EPMA 电⼦探针微区分析（微探针）EELS 电⼦能量损失谱ESCA 化学分析电⼦谱（XPS）EXAFS 扩展X射线吸收精细结构HREELS ⾼分辨电⼦能量损失谱IMMA 离⼦微探针质量分析器IRRAS 红外反射吸收谱LEED 低能电⼦衍射MEED 中能电⼦衍射RHEED 反射⾼能电⼦衍射SIMS ⼆次离⼦质谱STM 扫描隧道显微镜UPS 紫外光电⼦谱XPS X射线光电⼦谱⼆、表⾯分析分类1、根据测量物理基础分类a、以电学、光学技术为基础b、表⾯电⼦谱⽅法2、表⾯电⼦谱优点：a)电⼦容易产⽣⽽且价廉b) 电⼦的荷质⽐很⼤，很容易被聚束或偏转c) 电⼦有合适的⾮弹性散射平均⾃由程（能够带回来⾮常丰富的近表⾯层的信息） d) 电⼦和原⼦、分⼦、离⼦不同，它在使⽤过程中不会影响系统的真空度，不会存在“记忆”效应 e) 电⼦能有效地加以检测缺点：a) 电⼦对样品不是完全⽆损的b) 电⼦谱探测的深度依赖于电⼦的能量和材料的特性c) 电⼦携带的信息⼀般来⾃近表⾯约1nm 的深度，所以电⼦谱包含有某些体内的性质d) 电⼦不像光束那么容易做到“偏振化”和单⾊化，并且容易受外界磁场的影响。
材料表界面-第一篇章
在能源、环境、医疗等领域，材料表界面的研究 成果具有广泛的应用前景，能够推动相关领域的 技术进步和创新发展。
02 材料表界面基础
CHAPTER
表界面定义
总结词
表界面是材料中两个相的交界面，具有独特的结构和性能。
详细描述
表界面是指两种不同的材料在接触时形成的交界面，这个交界面通常具有独特的结构和性能，与材料 的其他部分存在明显的差异。表界面在材料中的作用至关重要，它可以影响材料的物理、化学和机械 性能。
研究领域
涵盖了物理、化学、材料 科学等多个学科领域，对 于材料的应用和发展具有 重要意义。
研究方向
包括表面改性、界面反应、 表面增强等方向，旨在提 高材料的性能和功能。
研究背景与意义
1 2 3
研究背景
随着科技的发展，对材料性能的要求越来越高， 材料表界面研究的重要性逐渐凸显。
研究意义
通过研究材料表界面，可以深入了解材料的性质 和行为，为新材料的研发和应用提供理论支持和 实践指导。
模拟法
模拟法是通过计算机模拟来研究材料表界面的方法。它利用分子动力学、蒙特卡洛方法等计算方法， 模拟材料表界面的结构和性质，从而获得关于材料表界面的信息。
模拟法具有高效性和可重复性，可以在短时间内对大量材料进行表界面研究。此外，模拟法还可以预 测实验难以观测的现象和性质。然而，模拟法的结果受到模型和参数选择的限制，需要谨慎验证和校 准。
生物材料
利用材料表界面调控细胞行为， 促进组织再生和修复，为生物医 学工程和再生医学提供关键材料。
药物传递
通过材料表界面改善药物释放的 效率和靶向性，提高药物治疗效 果和降低副作用。
医学诊断
利用材料表界面提高生物标志物 的检测灵敏度和特异性，推动医 学诊断技术的发展。
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
第一章 表界面基础知识
F 4 ( R' r ) 4R
经Harkins和Tordan校正
F f 4R
校正因子f 与两个无量纲量 有关，可从校正因子图查出
材料表面与界面
5、吊板法
p = W总 - W板 = 2(l + d)σ
l 和d 分别为吊板的宽度和厚度
气 相
液 相
材料表面与界面
表面张力（含义3-热力学含义)
根据热力学第一、第二定律，可以导出：
U H F G ( ) S ,V ( ) S , P ( )V ,T ( ) P ,T A A A A
表面张力为各种特定条件下，改变单位面积所引起的内能 U、焓H、自由能F、自由焓G的变化值，由于经常在恒温 恒压下研究表面能，故下式较常用
G A P,T
(1-3)
材料表面与界面
表面张力（含义3-热力学含义)
令GS为比表面自由焓，A为总表面积，则总表面自由焓为
G G A
S
代入式（1-3）得：
S G G S A( ) P ,T A
纯液体分子是可流动的， 表面改变并不引起表面结 构分子间平均距离及排列 情况变化，故：
材料表面与界面
理解
式(1-2)才是laplace方程的一般形式，是表面化学 的基本定律之一 当两个曲率半径相等时，R1=R2= r时，曲面成为 球面，式(1-2) 变成(1-1) 对于平液面，两个曲率半径均为无限大， Δp=0表 示跨过液面不存在压差
材料表面与界面
1.3 液体表面张力的测试
材料表面与界面
理解表明能
表面能是创造பைடு நூலகம்质表面时对破坏分子间化学键的度量。在 固体物理理论中，表面原子比物质内部的原子具有更多的 能量，因此，根据能量最低原理，原子会自发的趋于物质 内部而不是表面 表面能的另一种定义是，材料表面相对于材料内部所多出 的能量。把一个固体材料分解成小块需要破坏它内部的化 学键，所以需要消耗能量。如果这个分解的过程是可逆的 ，那么把材料分解成小块所需要的能量与小块材料表面所 增加的能量相等，即表面能增加 也可以这样理解，由于表面层原子朝向外面的键能没有得 到补偿，使得表面质点比体内质点具有额外的势能，称为 表面能
材料表界面 第一章 绪论
表、界面现象 肥皂和洗涤剂（表面活性剂） 乳化剂和稳定剂（非表面活性剂） 除草剂和杀虫剂 织物软化剂 润滑、粘接、泡沫、润湿和防水 三次采油、制糖、烧结 呼吸、关节润滑、液体输送中的毛 细现象、动脉硬化
41
绪论
表面化学基本原理对登月计划的成败产生如此举足
轻重的影响，表界面研究的重要性由此可见一斑
42
吸附有外来原子的表面称为吸附表面，吸附原子可以形成无 序的或有序的覆盖层。
1
27
2.材料表面
物理表面通常限于表面以下两三个原子层及 其上的吸附层, 而材料科学研究的表面包括各种表面作用和 过程所涉及的区域, 其空间尺度和状态决定 于作用影响范围的大小和材料与环境条件的 特性。
1
28
最常见的材料表界面类型
表界面通常有五类：
气-液界面（表面） 气-固界面（表面） 液-液界面 液-固界面 固-固界面
12
表界面例子：
（1）气-液界面
13
（2）气-固界面
14
（3）液-液界面
15
（4）液-固界面
16
（5）固-固界面
17
Question:
• 贴了膜的手机表面滴了一滴油水混合物，其中的界面有哪些？
L-G
➢第6章至第9章讲述高分子材料、无机非金属材料和复合 材料的表界面。
4
第一章 绪论
1.1 表界面的基本概念 1.2表界面科学研究的发展过程 1.3表界面研究的重要性
5
生活中的表界面现象
轮胎打滑：
6
荷叶表面：
•荷花具有出污泥而不染 的气节。
8
荷叶表面：
9
1. 1 表界面的基本概念
1.1.1表界面的定义
材料表界面 作业答案
材料表界面 作业第一章：序言1. 何谓表界面？为什么说表界面不是几何学上的平面？P1 （1）表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域，由物质的具体聚集态表界面可以分为：表面（固—气、液—气）；界面（固—液、液—液、固—固）（2）表界面是相与相之间的过渡区域，其结构、能量、组成等都呈现出连续性变化，是一个结构复杂，厚度约为几个分子维度的准三维区域，因此，表界面并不是几何学上的平面。
第二章：液体表面2. 试述表面张力（表面能）产生的原因。
P12 原因为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。
3. 在20℃及常压条件下，将半径为1.00cm 的水滴分散成半径为1.00μm(10-6m)的雾沫,需要做多少功?在20℃及1.01*105Pa 条件下，将半径为r1=1.00mm 的水滴分散成半径为r2=10-3mm 的雾沫,需要做多少功?解：3912()10rN r ==96232'0.0728*4*3.14*[10*(10)(10)]0.000913r W J --=--=-4.弯曲面的附加压力ΔP 与液体表面张力和曲率半径之间存在怎样的关系？若弯曲面为球面，平面又怎样？答：（1）关系为：Laplace 方程： （2）球面：2/ (2-15)p r σ∆=12(1/1/) (2-18)p r r σ∆=+（3）平面： r1=r2=∞,即跨越平面没有压差。
5. 毛细管法测定液体表面张力的原理是什么？为什么要对毛细管法进行修正？ 答：原理：液体在毛细管中易产生毛细现象。
由Laplace 方程推广到一般情况:其中△ρ为气液两相密度之差, θ为液体与管壁之间的接触角，r 为毛细管的半径，由上式，从毛细管上升或下降高度h 可以求出表面张力σ，即：(2)修正的原因：①把凹凸月面当作球面近似处理。
材料表面与界面课件ppt学习教案
表面化学成分分析
X射线光电子能谱（XPS）
通过测量材料表面元素的内层电子结合能，确定表面元素的种类和 化学状态。
俄歇电子能谱（AES）
利用高能电子束激发材料表面原子，通过分析俄歇电子的能量和强 度，了解表面元素的组成和分布。
红外光谱（IR）
通过测量材料表面对红外光的吸收或反射，分析表面官能团和化学 键的信息。
界面电阻与接触电阻
解释界面电阻和接触电阻的概念，讨论它们对材料电性能的影响。
电导率与载流子迁移率
阐述电导率和载流子迁移率的物理意义，分析它们与材料成分、结构的关系。
界面电性能调控方法
探讨如何通过掺杂、合金化、表面改性等手段来调控界面电性能，优化材料的导电或绝缘 性能。
2023
PART 06
材料表面与界面性能评价 方法
预处理技术
阐述除油、除锈、磷化等预处理 技术的目的、方法和作用。
表面粗糙度
解释表面粗糙度的概念、评定参 数及其对涂层性能的影响。
表面涂层技术
涂层分类
介绍按成膜物质分类的涂层，如有机涂层、无机涂层和复合涂层 等。
涂层制备方法
阐述各种涂层制备方法，如喷涂、浸涂、电泳涂装等的原理、特 点及应用。
涂层性能
2023
PART 02
材料表面结构与性质
REPORTING
表面晶体结构
1 2
晶体表面的原子排列
晶体内部原子排列具有周期性，而表面原子排列 则因中断而发生变化，导致表面能量高于内部。
表面重构
在某些条件下，表面原子为降低能量会进行重新 排列，形成与内部不同的结构，即表面重构。
3
表面相
晶体表面因原子排列和电子结构的不同，可能形 成与内部不同的相，具有独特的物理和化学性质 。
第一章 表界面的物理化学
（d）偏析表面 （d) 化合物表面
19
表面结构 表面结构分类
驰豫：点阵常数变化，非平衡态； 重构：原子重排，不同于本体内的晶面； 台阶化：有规律的非完全平面结构；
第一章
表界面的物理化学
1
第一节 材料表面与界面的定义及分类
1. 什么是表面/界面
多相体系界面特征 （ 1 ）界面的物理化学性质 不均匀，而界面两侧的性质 保持常数； 体 系 性 质
（ 2）界面 γ为准三维界面区 域，有一定的体积；
（ 3 ）研究对象是不均匀体 系，具有多相性。
α
γ
β
多相体系影响因素
24
表面和界面的定义
2. 表/界面分类
（2）根据研究角度和目的分类
以原子尺寸形 （ 3 ）按照界面形成途径分类 态从液相中或 （ a）机械作用界面 （e）液相与气相界面 气相 中 析出在 （ b）化学作用界面 （f）凝固共生界面 固态 表 面成核 （ c）熔焊作用界面 （g）粉末冶金界面 和生 长 ，形成 （d）固态结合界面 （h）粘接界面 膜体或块体。
(e) 中心长方 a≠b, γ= 90º
31
二维晶体点阵
五种二维格子
元格形状 平行四边形 长方形 正方形 60o菱形 晶格符号 P P, C P 轴和夹角 ab, 90o ab, =90o a=b, =90o a=b, =120o 晶系名称 斜方 长方 正方 六角
32
二维晶体点阵------点群（10）与空间群（17）
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力而做功，使系统自由焓增加； 液体表面具有自动收缩，使系统能量降低的
倾向。
1.1
式中L为液膜边缘长度，因为液膜有两个故 取系数2。 表面张力是单位长度上的作用力，单位是 N/m。
7
对于由两本体相和所形成的界面相C，其厚度为t
1.15
23
6. 分子间各种作用力的加和性和作用分量 各种分子力具有线性加和性，将以上四种力中的非极性 部分(EL)和极性部分(EL，ED，EH)加和起来，并把极性 部分归纳为一项，则总的界面作用力Eij(界面张力、界面 能、粘结功、引力常数也同)由两项组成：
1
•实际上随着扩散过程的进行，各点浓度会随时间而 变。根据扩测定质浓度变化，可得Fick第二定律：
2
(2)扩散机理 •在固体中原子扩散, 主要通过原子利用缺陷位置进 行运动。如填隙原子、空位和原子团互换位置。
金属氧化物生成的扩散模型
3
表面扩散分类
(a)由于原子浓度梯度引起的表面扩散 (b)由毛细管作用力引起的表面扩散 •毛细管作用(也就是表面自由能最小化)可以作为表面扩散 的一种驱动力。粉体烧结、粒子聚结、晶界沟漕等都是由 于毛细管作用所引起。 •刚开始时, 两晶粒表面为平面，晶界面也是平面, 与表面垂 直。晶界界面张力为s, 它的作用是使晶界尽量缩小。平衡 时,
Wa (1.6) 式中、 、 分别为、 相的表面张力及它的界面张力
15
将1.6式改写：
界面相互作用力愈大，则界面张力αβ值就愈小，反之亦然。 若两本体相相同时， ，0 ，因此时的粘附功称之为内 聚功Wc；
此为最佳粘附强度
16
粘附强度
1. 两个中性分子之间的吸引力
当两个中性分子相互靠近到一定位置时，它们之间的吸引力等于排斥 力，处于平衡状态。此时的能态用Lennard-Jeans势函数表示：
质子接受体是电负性大的原子(0，Cl，F，N)或基团(一CCl3，一CN等)
可以用偶极-偶极作用解释有关氢键的大部分性质。
1.12
式中 Ha,Hd－分别为氢键接受体和给予体的引力常数 R-氢键键长
21
5.宏观物体之间的吸引力
由和 不同相组成的平面之间的吸引力或粘附力。又称 为二次作用，是一种长距离的作用力。
（1.54）
分子间的作用力F为：
（1.7）
17
2. 非极性范德华(Van der Waals)力 亦称为色散力(London力), 色散力EL是由于分子的瞬时偶 极作用产生
伦敦(London)于1930年首次用量子力学方法处理，再经后人改进，其近 似的计算方法如式（1.8）
（1.8）
18
3. 极性范得华作用力 (1)偶极子—偶极子间的力(Keesom力) 它是两极 性分子间偶极矩的力，作用力Ek的大小和性质与相 互间的取向、温度T有关
dH=dU+PdV+VdP dF=dU-TdS-SdT dG＝dH-TdS-SdT
11
导出表界面张力的热力学方程：
(1.3)
12
对于两种组分1和2组成体系。当体系达到热力学 平衡时，各组分在所有的相中的化学势μ相等：
（1.27）
在各相区的Gibbs自 由能变化为
在相界面：
以上各式中，G为Gibbs自由能；S为熵；V为体积；n为物质的摩尔数；A为面积。
1) 物质的组分和能量可以通过它们的交界面(C相)，从一个相连 续地变化到另一个相，使它们原有的表面积产生一定变化。
2）在本体相内，压力是均匀且各向同性的，在本体相内 可逆地输送组分无需消耗能量，相反，把物质从本体相 传送到界面上则需提供一份能量而做功dw；
1.2
为表 (界)面张力
8
表面张力也可以理解为系统增加单 位面积时所需做的可逆功，单位为 J/m2，是功的单位或能的单位。所 以也可以理解为表面自由能，简 称表面能。
Good等人建立了计算粘附力的理论模型和方法。对于相 距为Z0的两平面，当处于平衡距离Z0时的最大作用力为：
（1.13）
此式表示把两个处于平衡位置的平板推开时，单位面积上
所需的最大功
下标12、11分别表示不同物质和同一物质
22
将式(1.8)式用粘附功或界面张力表达为
1.14
下标12、11分别表示不同物质和同一物质
4
界面扩散
5
1.2 固体表面与界面热力学
热力学角度; 材料的表面和界面的工程技 术问题提供理论依据. 表面张力（surface tension)和表面能 (surface energy) 液体表面张力；固体表面张力 液体表面 能；固体表面能 固体界面张力；固体界面能
6
1.2.1表面张力和表面自由能
9
1. 表面张力的热力学定义
热力学第一定律告诉我们可逆条件下生成 单位表面时内能的变化:
系统功包括膨胀功和表面功:
dW pdV σ dA
10
由热力学第二定律，dQ=TdS，得：
dU = TdS –PdV +dA
根据焓：H=U+pV, 自由能：F=U-TS 自由焓：G≡H-TS 微分得：
1.9
1.10
式中 μ1、μ2--偶极矩；R－分子间距离，K玻兹曼常数
19
（2）偶极-诱导偶极间力(Debye力) 一个永久 偶极能对另一分子诱导一个偶极，其大小如下式 ：
1.11
式中 μ1－诱导偶极；α－极化率；E－电场强度
20
4. 氢键结合力
质子接受体与连接在电负性大的原子或基团上的质子之间可以形成氢键
13
在等温等压条件下，对以上三式积分得
(1.4) (1.5)
由式(1-5)揭示的意义:
1)表面张力不等于比表面自由能，而是大于比表面自由能， 2) 表面张力为表面过剩自由能，为增大表面积所需要的功
14
1.2.2 粘附功和内聚功
粘附功模型 把两本体相和的界面，从其平衡位置可逆地分离到无限 远时则需做一份外功，称之为粘附功(亦称Dupre功)。 在等温、等压、等容条件下，粘附功Wa为：
1.1.4 表面扩散和界面扩散
1 扩散规律和机理 •扩散是材料中存在有浓度梯度时产生的原子定向运动。 (1) 扩散定律
•费克第一定律是联系扩散流(通量)和浓度梯度dC/dx间关系
D为扩散系数
D0称为与温度无关的频率因子, E、Q称激活能。 •费克第一定律是稳定态情况，即在扩散过程中各处的 浓度梯度下随时间而不变。