固体材料界面化学与物理1
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第一章
绪 论
第一章
绪
论
一、表面、界面的基本涵义
固体的面可一般可分为表面和界面：
气 液 液 液 固 气 固
液 液-液
界 面
固 固-气
界(表)
固
固-固 界 面
气— 液
界 (表)
固-液
界 面
面
面
习 惯
第一章
绪
论
界 面 实 例
气--液界 (表)面 固--气界(表)面 液--液界面
固--液界面
固--固界面
1、胡褔增，《材料的表面与界面》，华东理工大学出版社 2、崔国文，《表面与界面》，清华大学出版社
3、李恒德，《材料表面与界面》，清华大学出版社
4、朱履冰，《表面与界面物理》，天津大学出版社
第二章
表
面
第二章
表 面
第二章
表
面
2.1固体的表面结构和特点
2.1.1 固体的表面结构 一、晶体的表面结构 从物理学的角度，晶体的表面可以分为： • 理想表面 • 清洁表面 • 吸附表面
（六）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，从而由于表面偏 析造成表面的不均匀。
第二章
表
面
二、 存在表面力场
第二章
表
面
(1)
范得华力(分子引力) 是固体表面产生物理吸附或气体凝聚的原因。 与液体内压、表面张力、蒸汽压、蒸发热等性质有关。 来源三方面：定向作用力FK(静电力) ,发生于极性 分子之间。 诱导作用力FD ，发生于极性与非极 性分子之间。 分散作用力FL(色散力) ，发生于非 极性分子之间。
NaCl 晶 体
第二章
表
面
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
第二章
表
面
三、吸附表面
顶位吸附
桥吸附
填充吸附
中心吸附
第二章
表
面
二、粉体的表面结构
无定形结构 微晶结构
第二章
表
面
三、非晶体的表面结构
第二章
0
ls ( Z / Z 0 ) N Vm
表
面
2.1.2 固体的表面特点
一、固体表面的不均匀性
第二章
表
面
（一）从原子尺度上，实际固体表面并非光滑，是凹凸不平的
1、表面粗糙度的概念
第二章
表
面
2、表面粗糙度的表征
(1)轮廓算术平均偏差(Ra):
通过零件的表面轮廓作一中线 m ，将一定长度的轮廓分成两部分， 使中线两侧轮廓线与中线之间所包含的面积相等，即
第二章
表
面
三、存在表面微裂纹 是由于晶体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。
R
2 E C
式中， R为断裂强度，C为微裂纹长度， E为弹性模量，
α是表面自由能。
第二章
表
面
2.2 表面能和表面吸附 2.2.1 固体的表面能
表面能的理论计算
第一章
绪
论
研究内容几乎涉及所有学科：
生命科学（生物膜及膜模拟化学）
界 面
能源科学（三次采油、煤的液化、化学电源）
材料科学（超细材料、材料的表面改性）
信息科学（LB膜，微电子器件）
第一章
绪
论
研究热点：
1、界面结构研究 2、界面反应过程 3、界面控制 4、界面表征技术 5、表面改性
第一章
绪
论
参考资料
第二章
表
面
理想表面
第二章
表
面
清洁表面 1、台阶表面
[110] [112]
[111]
周期
Pt（557）有序原子台阶表面示意图
第二章
表
面
2、 弛豫表面
第二章
表
面
3、重构表面
as a
重构表面示意图
d0
d0
第二章
表
面
4、双电层表面
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
Rz =
(Ymax 峰 1+ Ymax 峰 2 + Ymax 峰 3+ Ymax 峰 4 + Ymax 峰 5)/5 + (Ymax 谷 1+ Ymax 谷 2 + Ymax 谷 3+ Ymax 谷 4 + Ymax 谷 5)/5
(3)轮廓最大高度(Ry):
在取样长度 L 内，取最大峰值和最大谷值之和。
Ry = Y 峰 max + Y 谷 max
3、表面粗糙度对材料性能的影响
第二章
表
面
(二）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。
（三）同一种物质制备和加工条件不同也会有不同的表面性质。
（四）晶格缺陷、空位或位错而造成表面不均匀。
(五)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
第一章
绪
论
第一章
绪
论
二、表界面现象及表界面科学发展简史
在表界面发生许多现象，如毛细现象、润湿作用、液 体过热、蒸气过饱和、吸附作用等。 水滴为什么是圆形而 不是方形？
第一章
绪
论
界(表)面积不大，它们对系统性质的影响可以 忽略。但是分散度增加，表面积很大时，表面现 象显得很突出，便不能忽略对系统性质的影响。
例如： 一克水 形成一球形水滴 分散成直径为 1× 10-9 m的微小球形水滴 6×103m2 434J 表面积 表面能
4.84×10-4m2 3.5× 10-5J
第一章
绪
论
顆粒直径(nm)
比表面积( m
2
/ g )
表面原子占 总原子數的百分比(%)
10 5 2
90 180 450
20 40 80
F范＝FK＋FD＋FL 1/r7
(2) 化学力：
本质上是静电力
第二章
表
面
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。
F1+F3+……+Fn-1=F2+F4+……+Fn 1/n
第二章
表
面
轮廓的平均算术偏差值Ra，就是在一定测量长度L范 围内，轮廓上各点至中线距离绝对值的平均算术偏差。用 算式表示为 :
1
Ra = 1/L
| Y(x) | dx
0
| Yi | 1/n
i 1
n
第二章
表
面
(2)微观不平度十点高度(Rz)：
1
900
99
第一章
绪
论
a
b
第一章
绪
论
MDF(Macro-Defect-Free/无宏观缺陷)水泥
Tf=(2Eσ /π c)1/2
复合材料
Leabharlann Baidu
第一章
绪
论
三、研究表面与界面的意义
四、表界面研究的目的
第一章
绪
论
五、界面化学与物理的研究内容及研究趋势
1、 界面行为研究
2、 界面与纳米晶块体研究 3、 异相界面研究 4、 界面科学基础研究 5、 界面分析与表征技术
绪 论
第一章
绪
论
一、表面、界面的基本涵义
固体的面可一般可分为表面和界面：
气 液 液 液 固 气 固
液 液-液
界 面
固 固-气
界(表)
固
固-固 界 面
气— 液
界 (表)
固-液
界 面
面
面
习 惯
第一章
绪
论
界 面 实 例
气--液界 (表)面 固--气界(表)面 液--液界面
固--液界面
固--固界面
1、胡褔增，《材料的表面与界面》，华东理工大学出版社 2、崔国文，《表面与界面》，清华大学出版社
3、李恒德，《材料表面与界面》，清华大学出版社
4、朱履冰，《表面与界面物理》，天津大学出版社
第二章
表
面
第二章
表 面
第二章
表
面
2.1固体的表面结构和特点
2.1.1 固体的表面结构 一、晶体的表面结构 从物理学的角度，晶体的表面可以分为： • 理想表面 • 清洁表面 • 吸附表面
（六）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，从而由于表面偏 析造成表面的不均匀。
第二章
表
面
二、 存在表面力场
第二章
表
面
(1)
范得华力(分子引力) 是固体表面产生物理吸附或气体凝聚的原因。 与液体内压、表面张力、蒸汽压、蒸发热等性质有关。 来源三方面：定向作用力FK(静电力) ,发生于极性 分子之间。 诱导作用力FD ，发生于极性与非极 性分子之间。 分散作用力FL(色散力) ，发生于非 极性分子之间。
NaCl 晶 体
第二章
表
面
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
第二章
表
面
三、吸附表面
顶位吸附
桥吸附
填充吸附
中心吸附
第二章
表
面
二、粉体的表面结构
无定形结构 微晶结构
第二章
表
面
三、非晶体的表面结构
第二章
0
ls ( Z / Z 0 ) N Vm
表
面
2.1.2 固体的表面特点
一、固体表面的不均匀性
第二章
表
面
（一）从原子尺度上，实际固体表面并非光滑，是凹凸不平的
1、表面粗糙度的概念
第二章
表
面
2、表面粗糙度的表征
(1)轮廓算术平均偏差(Ra):
通过零件的表面轮廓作一中线 m ，将一定长度的轮廓分成两部分， 使中线两侧轮廓线与中线之间所包含的面积相等，即
第二章
表
面
三、存在表面微裂纹 是由于晶体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。
R
2 E C
式中， R为断裂强度，C为微裂纹长度， E为弹性模量，
α是表面自由能。
第二章
表
面
2.2 表面能和表面吸附 2.2.1 固体的表面能
表面能的理论计算
第一章
绪
论
研究内容几乎涉及所有学科：
生命科学（生物膜及膜模拟化学）
界 面
能源科学（三次采油、煤的液化、化学电源）
材料科学（超细材料、材料的表面改性）
信息科学（LB膜，微电子器件）
第一章
绪
论
研究热点：
1、界面结构研究 2、界面反应过程 3、界面控制 4、界面表征技术 5、表面改性
第一章
绪
论
参考资料
第二章
表
面
理想表面
第二章
表
面
清洁表面 1、台阶表面
[110] [112]
[111]
周期
Pt（557）有序原子台阶表面示意图
第二章
表
面
2、 弛豫表面
第二章
表
面
3、重构表面
as a
重构表面示意图
d0
d0
第二章
表
面
4、双电层表面
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
Rz =
(Ymax 峰 1+ Ymax 峰 2 + Ymax 峰 3+ Ymax 峰 4 + Ymax 峰 5)/5 + (Ymax 谷 1+ Ymax 谷 2 + Ymax 谷 3+ Ymax 谷 4 + Ymax 谷 5)/5
(3)轮廓最大高度(Ry):
在取样长度 L 内，取最大峰值和最大谷值之和。
Ry = Y 峰 max + Y 谷 max
3、表面粗糙度对材料性能的影响
第二章
表
面
(二）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。
（三）同一种物质制备和加工条件不同也会有不同的表面性质。
（四）晶格缺陷、空位或位错而造成表面不均匀。
(五)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
第一章
绪
论
第一章
绪
论
二、表界面现象及表界面科学发展简史
在表界面发生许多现象，如毛细现象、润湿作用、液 体过热、蒸气过饱和、吸附作用等。 水滴为什么是圆形而 不是方形？
第一章
绪
论
界(表)面积不大，它们对系统性质的影响可以 忽略。但是分散度增加，表面积很大时，表面现 象显得很突出，便不能忽略对系统性质的影响。
例如： 一克水 形成一球形水滴 分散成直径为 1× 10-9 m的微小球形水滴 6×103m2 434J 表面积 表面能
4.84×10-4m2 3.5× 10-5J
第一章
绪
论
顆粒直径(nm)
比表面积( m
2
/ g )
表面原子占 总原子數的百分比(%)
10 5 2
90 180 450
20 40 80
F范＝FK＋FD＋FL 1/r7
(2) 化学力：
本质上是静电力
第二章
表
面
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。
F1+F3+……+Fn-1=F2+F4+……+Fn 1/n
第二章
表
面
轮廓的平均算术偏差值Ra，就是在一定测量长度L范 围内，轮廓上各点至中线距离绝对值的平均算术偏差。用 算式表示为 :
1
Ra = 1/L
| Y(x) | dx
0
| Yi | 1/n
i 1
n
第二章
表
面
(2)微观不平度十点高度(Rz)：
1
900
99
第一章
绪
论
a
b
第一章
绪
论
MDF(Macro-Defect-Free/无宏观缺陷)水泥
Tf=(2Eσ /π c)1/2
复合材料
Leabharlann Baidu
第一章
绪
论
三、研究表面与界面的意义
四、表界面研究的目的
第一章
绪
论
五、界面化学与物理的研究内容及研究趋势
1、 界面行为研究
2、 界面与纳米晶块体研究 3、 异相界面研究 4、 界面科学基础研究 5、 界面分析与表征技术