第5章 表面结构与性质——材料科学基础课件PPT
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第五章 表面结构与性质
5.1 固体的表面及其结构 5.2 固体的界面及其结构 5.3 润湿与粘附 5.4 测定固体表面成分和结构的
方法
2007年度诺贝尔化学奖获 得者，表彰他在表面化学 领域做了开创性研究，建 立了表面化学的研究方法。
德国科学家格哈德•埃特尔
通过表面化学过程的研究，向人们展示不同实验过 程产生表面反应的全貌：
弛豫表面示意图
原因
表面质点受力出现不对 称。可以波及几个质点 层，越接近表层，变化 越显著。
(3)重构表面：表面晶体结构和体内出现本质的 不同。在水平方向上的周期性不同于体内，但 在垂直方向上与体内相同。
重构表面示意图
三、吸附表面：吸附表面有时也称界面。它是在清 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。
脆性材料的理论强度约为 实际强度的几百倍，因为 存在于表面的微裂纹起着 应力倍增器的作用，使位 于裂缝尖端的实际应力远 远大于所施加的应力。
液体通过形成球形表面来降低系统的表 面能；固体质点不能自由移动，如何降 低系统的表面能的？
通过表面质点的极化、变形、重排来降低系 统的表面能，结果导致晶体表面附近晶格畸 变，使表面结构与晶体内部有所不同。
威尔研究了晶体表面结构，提出了离子晶体表面双 电层模型，认为键强是影响表面结构的重要因素。
NaCl
表面相：固体表面包括所有与体 相内三维周期性结构相偏离的表 面原子层，一般是一到几个原子 层，厚度0.5~2.0nm。
表面结构：表面中的原子组成和 排列方式。表面相中原子组成和 排列发生：表面驰豫；表面重构； 表面台阶等。
一、晶体表面结构
描述：微观质点的排列状态—超细结 构；表面几何形状—显微结构。
铁为什么生锈? 汽车内催化剂如何工作?
氢在金属表面的吸附；氨合成的分子机理
5.1 固体的表面及其结构
表面：固体与真空的界面 界面：相邻两个结晶空间的交界面 相界面：相邻相之间的交界面
相界面: 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）
5.1.1 固体的表面 一、理想表面：体内结构不变地延续到表面后中 断，是理论上结构完整的二维点阵平面，忽略了 热运动、热扩散和热缺陷及表面的物理化学现象。
5个离子层范围
内，正负离子有 结果正、负离子间的键强从外向内， 不 同 程 度 的 变 形 。 交替增强和减弱，离子间距离也是 负离子总是向外 交替缩短和增长，即表面键强数值 移动；正离子向 比较分散。 内-向外交替位移。
二、粉体表面结构
粉体：指微细的固体粒子集合体，具有极大的 比表面积，因此表面结构状态对粉体有着决定 性影响。
表面离子受内部
晶
百度文库
离子作用，电子
体
云变形
离子重排
表面能减少
0.020nm
晶
晶
体
0.286nm
体
内
表
部
面
0.281nm
0.266nm
NaCl表面层中Na+向里；Cl-向外移动并形成双电层
表面双电层建立过程中，负离子 向外侧移动，正离子向内侧移动， 这种位移是否仅仅局限在最外层 与次外层面网间？
NO！
根据原子在基底上的吸附位置，一般可分为四种吸 附情况，即顶吸附、桥吸附、填充吸附和中心吸附 等。
四、 固体的表面自由能和表面张力
通常条件下，固体中原子、分子彼此间的相对运动比 液体中的原子、分子要困难得多。
(1) 在表面原子总数不变的条件下，通过弹性形变可 使表面积增加，固体的表面自由能中包含了弹性能， 固体表面张力在数值上不等于表面自由能；
(2)原子组成和排列各向异性，表面张力是各向异性 的，不同晶面的表面自由能不同
(3) 表面处于非平衡状态, 决定其形态的是形成条 件及所经历的历史；
(4) 固体的表面自由 能和表面张力的测 定非常困难。
五、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，两组分合金中表面张力较小的 组分将在表面上偏析；但二者表面张力相等时， 不存在偏析。
(2) 分子引力（范德华力），一般是指固体表面与被 吸附质点之间相互作用力，是物理吸附与气体凝聚 的主要原因，来源于三种不同效应：
A. 定向作用。主要发生在极性分子（离子）之间; B. 诱导作用。发生在极性分子与非极性分子之间; C. 分散作用。非极性分子之间的瞬间极化作用。
5.1.2 固体的表面结构
六、表面力场：固体表面上的吸引作用，是固体 的表面力场和被吸引质点的力场相互作用所产生 的，这种相互作用力称为固体表面力，是固体表 面吸引液体、气体分子或固体近质点的原因。
依性质不同，表面力可分为：化学力和分子引力
(1) 化学力：本质上是静电力
主要来自表面质点的不饱和价键，当固体吸附剂 利用表面质点的不饱和价键将吸附物吸附到表面 之后，各吸附剂与吸附物之间发生电子转移，产 生了化学力。
理想表面结 构示意图
二、清洁表面：无吸附、催化反应、杂质扩散等 物理-化学效应的表面，化学组成与体内相同，但 周期结构可以不同于体内。
(1) 台阶表面：由 有规则的或不规则 的台阶的表面所组 成。
Pt（557）有序原子台阶表面示意图
BaB2O4 台阶表面形貌
(2) 弛豫表面：表面晶体结构与体内基本相同，但 点阵参数略有差异，特别表现在垂直方向上，称为 法向弛豫。
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。
三、玻璃表面结构
熔体转变为玻璃体过程中，为保持最小表面能， 各成分按其对表面能的贡献能力自发转移和扩散。
在玻璃成型和退火过程中，碱、氟等易挥发组分自 表面挥发损失。
即使是新鲜的玻璃表面，其化学成分、结构也会不 同于内部。这种差异可以从表面折射率、化学稳定 性、结晶倾向以及强度等性质的观测结果得到证实。
四、固体表面的几何结构
表面粗糙度会引起表面力场变化，进而影响其表面 性质。
粗糙度还直接影响到固体比表面积、内、外表面积 比值以及与之相关的属性，如强度、密度、润湿、 孔隙率和孔隙结构、透气性和浸透性等。
表面微裂纹是由于缺陷或 外力作用而产生。微裂纹 同样会强烈地影响表面性 质，对于脆性材料的强度 这种影响尤为重要。
5.1 固体的表面及其结构 5.2 固体的界面及其结构 5.3 润湿与粘附 5.4 测定固体表面成分和结构的
方法
2007年度诺贝尔化学奖获 得者，表彰他在表面化学 领域做了开创性研究，建 立了表面化学的研究方法。
德国科学家格哈德•埃特尔
通过表面化学过程的研究，向人们展示不同实验过 程产生表面反应的全貌：
弛豫表面示意图
原因
表面质点受力出现不对 称。可以波及几个质点 层，越接近表层，变化 越显著。
(3)重构表面：表面晶体结构和体内出现本质的 不同。在水平方向上的周期性不同于体内，但 在垂直方向上与体内相同。
重构表面示意图
三、吸附表面：吸附表面有时也称界面。它是在清 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。
脆性材料的理论强度约为 实际强度的几百倍，因为 存在于表面的微裂纹起着 应力倍增器的作用，使位 于裂缝尖端的实际应力远 远大于所施加的应力。
液体通过形成球形表面来降低系统的表 面能；固体质点不能自由移动，如何降 低系统的表面能的？
通过表面质点的极化、变形、重排来降低系 统的表面能，结果导致晶体表面附近晶格畸 变，使表面结构与晶体内部有所不同。
威尔研究了晶体表面结构，提出了离子晶体表面双 电层模型，认为键强是影响表面结构的重要因素。
NaCl
表面相：固体表面包括所有与体 相内三维周期性结构相偏离的表 面原子层，一般是一到几个原子 层，厚度0.5~2.0nm。
表面结构：表面中的原子组成和 排列方式。表面相中原子组成和 排列发生：表面驰豫；表面重构； 表面台阶等。
一、晶体表面结构
描述：微观质点的排列状态—超细结 构；表面几何形状—显微结构。
铁为什么生锈? 汽车内催化剂如何工作?
氢在金属表面的吸附；氨合成的分子机理
5.1 固体的表面及其结构
表面：固体与真空的界面 界面：相邻两个结晶空间的交界面 相界面：相邻相之间的交界面
相界面: 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）
5.1.1 固体的表面 一、理想表面：体内结构不变地延续到表面后中 断，是理论上结构完整的二维点阵平面，忽略了 热运动、热扩散和热缺陷及表面的物理化学现象。
5个离子层范围
内，正负离子有 结果正、负离子间的键强从外向内， 不 同 程 度 的 变 形 。 交替增强和减弱，离子间距离也是 负离子总是向外 交替缩短和增长，即表面键强数值 移动；正离子向 比较分散。 内-向外交替位移。
二、粉体表面结构
粉体：指微细的固体粒子集合体，具有极大的 比表面积，因此表面结构状态对粉体有着决定 性影响。
表面离子受内部
晶
百度文库
离子作用，电子
体
云变形
离子重排
表面能减少
0.020nm
晶
晶
体
0.286nm
体
内
表
部
面
0.281nm
0.266nm
NaCl表面层中Na+向里；Cl-向外移动并形成双电层
表面双电层建立过程中，负离子 向外侧移动，正离子向内侧移动， 这种位移是否仅仅局限在最外层 与次外层面网间？
NO！
根据原子在基底上的吸附位置，一般可分为四种吸 附情况，即顶吸附、桥吸附、填充吸附和中心吸附 等。
四、 固体的表面自由能和表面张力
通常条件下，固体中原子、分子彼此间的相对运动比 液体中的原子、分子要困难得多。
(1) 在表面原子总数不变的条件下，通过弹性形变可 使表面积增加，固体的表面自由能中包含了弹性能， 固体表面张力在数值上不等于表面自由能；
(2)原子组成和排列各向异性，表面张力是各向异性 的，不同晶面的表面自由能不同
(3) 表面处于非平衡状态, 决定其形态的是形成条 件及所经历的历史；
(4) 固体的表面自由 能和表面张力的测 定非常困难。
五、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，两组分合金中表面张力较小的 组分将在表面上偏析；但二者表面张力相等时， 不存在偏析。
(2) 分子引力（范德华力），一般是指固体表面与被 吸附质点之间相互作用力，是物理吸附与气体凝聚 的主要原因，来源于三种不同效应：
A. 定向作用。主要发生在极性分子（离子）之间; B. 诱导作用。发生在极性分子与非极性分子之间; C. 分散作用。非极性分子之间的瞬间极化作用。
5.1.2 固体的表面结构
六、表面力场：固体表面上的吸引作用，是固体 的表面力场和被吸引质点的力场相互作用所产生 的，这种相互作用力称为固体表面力，是固体表 面吸引液体、气体分子或固体近质点的原因。
依性质不同，表面力可分为：化学力和分子引力
(1) 化学力：本质上是静电力
主要来自表面质点的不饱和价键，当固体吸附剂 利用表面质点的不饱和价键将吸附物吸附到表面 之后，各吸附剂与吸附物之间发生电子转移，产 生了化学力。
理想表面结 构示意图
二、清洁表面：无吸附、催化反应、杂质扩散等 物理-化学效应的表面，化学组成与体内相同，但 周期结构可以不同于体内。
(1) 台阶表面：由 有规则的或不规则 的台阶的表面所组 成。
Pt（557）有序原子台阶表面示意图
BaB2O4 台阶表面形貌
(2) 弛豫表面：表面晶体结构与体内基本相同，但 点阵参数略有差异，特别表现在垂直方向上，称为 法向弛豫。
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。
三、玻璃表面结构
熔体转变为玻璃体过程中，为保持最小表面能， 各成分按其对表面能的贡献能力自发转移和扩散。
在玻璃成型和退火过程中，碱、氟等易挥发组分自 表面挥发损失。
即使是新鲜的玻璃表面，其化学成分、结构也会不 同于内部。这种差异可以从表面折射率、化学稳定 性、结晶倾向以及强度等性质的观测结果得到证实。
四、固体表面的几何结构
表面粗糙度会引起表面力场变化，进而影响其表面 性质。
粗糙度还直接影响到固体比表面积、内、外表面积 比值以及与之相关的属性，如强度、密度、润湿、 孔隙率和孔隙结构、透气性和浸透性等。
表面微裂纹是由于缺陷或 外力作用而产生。微裂纹 同样会强烈地影响表面性 质，对于脆性材料的强度 这种影响尤为重要。