材料表面与界面(2-2)
合集下载
- 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)。
γS = 1.2(γL)m + 0.45(Tm – T) 式中，γS为固态金属在熔点温度以下某一温度 （T）的表面能，(γL)m为液态金属在熔点温度
（Tm）的表面能。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面
2.2.1 固体的表面能
（3）固体的表面能与物理性能之间的关系
120
摩 100 尔
d(Gs A) = Afde =fdA
Gs dA + dGsA = fdA
f = Gs + A (dGs/dA) = Gs + dGs/de
固体表面应力与表面能的之差为固体表面单位弹性应变下的表面能变化（∂Gs/∂e）。 只有当∂ Gs /∂e = 0时，表面应力等于表面能（例如液体）。对于许多固体，∂ Gs /∂e ≠ 0。 固体的表面应力与表面能通常在一个数量级。当∂ Gs /∂e > 0时，表面应力值大于表面能； 当∂ Gs /∂e < 0时，表面应力值小于表面能。
(1
05
5
kg/
•
•
Ag
•Al
•
Au
m
Sn
m2)
1
500
1000
1500
2000
2500
表面能 (kJ/mole)
20
K•
一些固态金属或合金的弹性模量与
0
0
150
300
450
600
750
900
升华热 (kJ/mole)
表面能之间的关系。
一些固态金属的表面能与 其升华热之间的关系。
固体的表面能与其升华热、弹性模量和熔 点等物理性能之间基本呈线性关系。 主要是因 为这些物理量都与固体内部原子间结合力大小
表 80 面
能
60
(kJ/
mol
40
e)
Zn •
•Ta W•
Pt • Cr • Fe • Ti •
Co • Au • • Ni
Ag • • Cu • Al • Sn
• Nb • Mo
50
弹 性 模 量 10
StainlessNSi-tC4e0ue//lCACul•u•••N•Ci-u2--F03/e0C•/Zr••n••PCNt ri W••Mo
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（1）固体的表面能和表面应力
如果在拉伸或压缩应力的作用下，固体材料表面发生弹性变形，则由于弹性wk.baidu.com变的 产生将导致表面能量状态发生变化。固体表面的弹性变形可以用表面弹性应变张量e来 表示。如果固体材料表面的弹性应变产生一个微小的可逆变化（de），则固体的表面积 也将产生一个微小的变化。由于这个微小弹性应变导致的额外表面自由能的增加为：
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（1）固体的表面能和表面应力
表面张力（Surface tension）、表面能（Surface energy）和表面应力（Surface stress）是我们在研究物质表面能量状态时经常用到的三个参数。这三个参数具有相 同的单位，即：单位面积的能量（J/m2）或单位长度的力（N/m）。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（2）固体的表面能的影响因素
影响固体表面能的主要因素有：固体原子间的结合能、固体表面原子的晶面取向和温度。
Gs = Hs - TSs
Gs T
p
T
p
Ss
固体表面能随温度的变化关系主要来源于固体表面熵的变化。由于与固体内部原子
相比，固体表面原子的运动自由度和表面点缺陷密度都较大，所以固体产生单位表面积 的熵是增加的，即Ss为正值。因此(∂γ/∂T)p为负值。因此，随温度升高，固体的表面能下 降。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（2）固体的表面能的影响因素
2000
1800
γS γL
E = NEa + AEs
式中E为固体的总能量，N为固体中的总原子数，Ea为固体中每个原子所具有的 能量，A为固体的表面积，Es为固体表面单位面积所具有的能量。
固体的总熵值（S）也可以表示为：
S = NSa + ASs
固体的总自由能（G）也可以表示为：
G = NGa + AGs
第2章 材料表面与界面的基础知识
固体的表面能量可以由两种方式进行改变：一种是增大或减小固体的表面积； 另一种是通过弹性变形改变固体表面原子的位置。如果要增大固体的表面积（产生 新的表面），需要外界对固体做功。在等温等压的可逆条件下，外界所做的可逆功 （dW可）用于增加固体表面积所产生的固体总表面能的增加，即：
dW可 = d(GsA) dW可 = Gs dA + dGs A
, 1600
(mJ/
m2) 1400
Cu
1200
Au
1000
Ag
800
600 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
温度 (℃)
Cu， Au和Ag三种面心立方金属的 表面能随温度的变化关系
从Cu，Au和Ag三种面心立方金属的表面能 随温度的变化关系可以看出三种金属固态时的 表面能与温度之间的直线关系的斜率(∂γ/∂T)p分 别为：-0.5, -0.47和-0.43 mJ/m2K。对于许多固态 金属，(∂γ/∂T)p一般取值为-0.45 mJ/m2K。另外， 各金属在其熔点温度下固态表面能（γS）是液态表 面能（γL）的1.2倍左右。因此可以通过测量液态金 属在其熔点温度的表面能来推测其在固态状态 熔点温度的表面能，再通过固态金属表面能与温 度的线性关系和斜率值（-0.45 mJ/m2K），来估算 不同温度下固态金属的表面能，其经验表达式如 下：
材料的表面与界面 Surfaces and Interfaces
in Materials
第2章 材料表面与界面的基础知识
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
与固体内部原子相比，固体表面原子具有额外高的能量，因此，一个固体 总的能量应该等于固体中所有原子的能量和加上固体表面原子的能量和，即：
密切相关。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面
2.2.1 固体的表面能
（3）固体的表面能与物理性能之间的关系
一些固态和液态金属的表面能测量结果
物质
表面能 (mJ/m2) 测量温度 (℃)
W (固体) Nb (固体) Au (固体) Au (液体) Ag (固体) Ag (液体) Fe (固体) Fe (液体) Pt (固体) Cu (固体) Cu (液体) Ni (固体) Hg (液体)
（Tm）的表面能。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面
2.2.1 固体的表面能
（3）固体的表面能与物理性能之间的关系
120
摩 100 尔
d(Gs A) = Afde =fdA
Gs dA + dGsA = fdA
f = Gs + A (dGs/dA) = Gs + dGs/de
固体表面应力与表面能的之差为固体表面单位弹性应变下的表面能变化（∂Gs/∂e）。 只有当∂ Gs /∂e = 0时，表面应力等于表面能（例如液体）。对于许多固体，∂ Gs /∂e ≠ 0。 固体的表面应力与表面能通常在一个数量级。当∂ Gs /∂e > 0时，表面应力值大于表面能； 当∂ Gs /∂e < 0时，表面应力值小于表面能。
(1
05
5
kg/
•
•
Ag
•Al
•
Au
m
Sn
m2)
1
500
1000
1500
2000
2500
表面能 (kJ/mole)
20
K•
一些固态金属或合金的弹性模量与
0
0
150
300
450
600
750
900
升华热 (kJ/mole)
表面能之间的关系。
一些固态金属的表面能与 其升华热之间的关系。
固体的表面能与其升华热、弹性模量和熔 点等物理性能之间基本呈线性关系。 主要是因 为这些物理量都与固体内部原子间结合力大小
表 80 面
能
60
(kJ/
mol
40
e)
Zn •
•Ta W•
Pt • Cr • Fe • Ti •
Co • Au • • Ni
Ag • • Cu • Al • Sn
• Nb • Mo
50
弹 性 模 量 10
StainlessNSi-tC4e0ue//lCACul•u•••N•Ci-u2--F03/e0C•/Zr••n••PCNt ri W••Mo
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（1）固体的表面能和表面应力
如果在拉伸或压缩应力的作用下，固体材料表面发生弹性变形，则由于弹性wk.baidu.com变的 产生将导致表面能量状态发生变化。固体表面的弹性变形可以用表面弹性应变张量e来 表示。如果固体材料表面的弹性应变产生一个微小的可逆变化（de），则固体的表面积 也将产生一个微小的变化。由于这个微小弹性应变导致的额外表面自由能的增加为：
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（1）固体的表面能和表面应力
表面张力（Surface tension）、表面能（Surface energy）和表面应力（Surface stress）是我们在研究物质表面能量状态时经常用到的三个参数。这三个参数具有相 同的单位，即：单位面积的能量（J/m2）或单位长度的力（N/m）。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（2）固体的表面能的影响因素
影响固体表面能的主要因素有：固体原子间的结合能、固体表面原子的晶面取向和温度。
Gs = Hs - TSs
Gs T
p
T
p
Ss
固体表面能随温度的变化关系主要来源于固体表面熵的变化。由于与固体内部原子
相比，固体表面原子的运动自由度和表面点缺陷密度都较大，所以固体产生单位表面积 的熵是增加的，即Ss为正值。因此(∂γ/∂T)p为负值。因此，随温度升高，固体的表面能下 降。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（2）固体的表面能的影响因素
2000
1800
γS γL
E = NEa + AEs
式中E为固体的总能量，N为固体中的总原子数，Ea为固体中每个原子所具有的 能量，A为固体的表面积，Es为固体表面单位面积所具有的能量。
固体的总熵值（S）也可以表示为：
S = NSa + ASs
固体的总自由能（G）也可以表示为：
G = NGa + AGs
第2章 材料表面与界面的基础知识
固体的表面能量可以由两种方式进行改变：一种是增大或减小固体的表面积； 另一种是通过弹性变形改变固体表面原子的位置。如果要增大固体的表面积（产生 新的表面），需要外界对固体做功。在等温等压的可逆条件下，外界所做的可逆功 （dW可）用于增加固体表面积所产生的固体总表面能的增加，即：
dW可 = d(GsA) dW可 = Gs dA + dGs A
, 1600
(mJ/
m2) 1400
Cu
1200
Au
1000
Ag
800
600 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
温度 (℃)
Cu， Au和Ag三种面心立方金属的 表面能随温度的变化关系
从Cu，Au和Ag三种面心立方金属的表面能 随温度的变化关系可以看出三种金属固态时的 表面能与温度之间的直线关系的斜率(∂γ/∂T)p分 别为：-0.5, -0.47和-0.43 mJ/m2K。对于许多固态 金属，(∂γ/∂T)p一般取值为-0.45 mJ/m2K。另外， 各金属在其熔点温度下固态表面能（γS）是液态表 面能（γL）的1.2倍左右。因此可以通过测量液态金 属在其熔点温度的表面能来推测其在固态状态 熔点温度的表面能，再通过固态金属表面能与温 度的线性关系和斜率值（-0.45 mJ/m2K），来估算 不同温度下固态金属的表面能，其经验表达式如 下：
材料的表面与界面 Surfaces and Interfaces
in Materials
第2章 材料表面与界面的基础知识
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
与固体内部原子相比，固体表面原子具有额外高的能量，因此，一个固体 总的能量应该等于固体中所有原子的能量和加上固体表面原子的能量和，即：
密切相关。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面
2.2.1 固体的表面能
（3）固体的表面能与物理性能之间的关系
一些固态和液态金属的表面能测量结果
物质
表面能 (mJ/m2) 测量温度 (℃)
W (固体) Nb (固体) Au (固体) Au (液体) Ag (固体) Ag (液体) Fe (固体) Fe (液体) Pt (固体) Cu (固体) Cu (液体) Ni (固体) Hg (液体)