固体材料界面化学与物理3剖析
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非晶态膜模型
界面
过渡点阵理论
小角度晶界和大角度晶界
公共点阵
重位点阵 (CSL）
完整花样移动点阵（DSC）
对称倾转晶界的位错模型
O点阵
大角晶界
第三章 界 面
二、晶界特点 1).晶界处点阵畸变大，存在着晶界能。
W＝
Gb 4 (1
)
(
A0
ln
0
)
A0
1＋ln( b
2r0
)
G 剪切模量； －－失配度； b－－柏氏矢量；
P!Q!n
Q!
第三章
3.6 典型材料中的界面
界面
一. 陶瓷材料中的界面
界面是多晶材料的重要组成部分
陶瓷材料是由粉末经成型、烧结而制成的无机非金属材料，除存在 不同程度的玻璃相外(也有一些陶瓷材料不存在玻璃相)．主晶相是 典型的多晶材料，而且绝大多数是多晶多相材料。在这些材料中， 界面是重要的组成部分。
第三章
第三章 界面 3.1界面类型 界面按其形成分为： 1.机械作用界面 2.化学作用界面 3.固体结合界面 4.液相或气相沉积界面 5.凝固共生界面 6.粉末冶金界面 7.粘结界面 8.熔焊界面 根据材料的类型进行划分 根据材料的相组成进行划分
界面
第三章
3.2 界面基本结构和特点
3.2.1晶界的基本结构和特点 一、晶界的基本结构
物体的体积或长度随温度升高而增大的现象叫做热膨胀。
式中，αl＝线膨胀系数，即温度升高1K时，物体的 相对伸长。 物体在温度 T 时的长度lT为：
2、热应力
第三章 界 面
式中：σ＝内应力（thermal stress），E＝弹性模量（elastic modulus），α＝热膨胀系数（heat expansion coefficient）， ＝弹性应变（elastic strain）。
式中：σf=材料的极限抗拉强度，S＝形状因子（shape
factor），μ＝泊松比。
第三章 界 面
3、界面热应力
在复合体中，由于两种材料的热膨胀系数之间或结晶学方向有大的 差别，形成应力，如果该应力过大，就可以在复合体中引起微裂纹。
＝KTd / L
微电子器件封装中往往都要使用多种不同热膨胀系数的材料，由 于材料间的热失配及制造和使用过程中的温度变化，使得各层材料 及界面都将承受不同的热应力。层间界面热应力和端部处的热应力 集中常常造成封装结构的脱层破坏，从而导致封装结构的失效。
第三章 界 面
3.5 界面吸附与成分偏析
界面吸附与成分偏析是指界面或多晶体内部晶界上成分或含量不 同于晶体内部的现象。
Mn-Zn铁氧体晶界上Ca、Si的偏析
Mn-Zn铁氧体晶界上及其附近的晶格常数
第三章 界 面
晶界偏析驱动力：
△Ea = EI - Eg
晶界偏析阻力：
S
k
ln W
k
ln
P!N
N!n!
二、相界特点
第三章 界 面
第三章 界 面
3.3 界面润湿与黏附 一、润湿类型
润湿是固液界面的重要行为。 润湿的热力学定义：固体与液体接触后能使体系的吉布斯自由能降 低，称为润湿。
润湿形式： 附着润湿 铺展润湿 浸渍润湿
第三章 界 面
二、润湿的表征 液滴落在清洁平滑固体表面的Young模型。
第三章 界 面 3.4 界面热应力与热匹配 一、热应力的产生 1、热膨胀系数（Thermal expansion coefficient）
Si3N4轴承
第三章 界 面
二.金属材料中的界面 晶界偏聚与材料脆性
晶界与金属材料的高温氧化 晶界在金属氧化中的正效应 晶界在金属氧化中的负效应 晶界在金属氧化中的双重效应
第三章 界 面
陶瓷材料界面（晶界）与金属材料界面（晶界）的比较
相似处：
界面能及其受热力学规律的制约； 晶界的滑移导致形变； 晶界是点阵缺陷的源及壑； 晶界杂质的偏析、分凝及其影响； 晶界有较大的扩散系数等。
1、晶界处点阵畸变大，存在着晶界能 2、强度和硬度 3、晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多 4、新相形核 5、过热 6、晶界腐蚀
杂质与陶瓷晶界
第三章 界 面
✓杂质对陶瓷晶界的影响
✓杂质对晶粒尺寸和晶界成分的影响
✓杂质在晶界的分布
第三章 界 面
第三章 界 面
晶界的利用 利用晶界偏析制造透明陶瓷
当平板表面以恒定速率冷却时，温度分布呈抛物线，表面Ts比平 均温度Ta低，表面产生张应力σ+，中心温度Tc比Ta高，所以中心 是压应力σ－。假如样品处于加热过程，则情况正好相反。
第三章 界 面
实际材料受三向热应力，三个方向都会有涨缩，而且互相 影响，材料经受的温度变化越大，所产生的热应力也越大。 一般用材料所能承受的最大温差表征其所能经受的最大热 应力。
在多晶多相材料中，晶界和相界的组成、形态、尺度、结构，对很 多性能有极大的甚至是决定性的影响。这包括对机械性能如断裂强 度、塑件形变、韧性、高温蠕变；电性能如电导及介电和铁电、压 电性能等；光学性能如晶界散射对透光性能的影响等等。
第三章 界 面
陶瓷晶界的特殊性 晶界静电场 杂质在晶界含量 晶界缺陷 晶界上的非化学计量化合物 新相生成
第三章 界 面
耐热的透明陶瓷
第三章 界 面
利用晶界偏析制造高强度陶瓷
第三章 界 面
利用晶界扩散制造晶界层陶瓷电容器(BLC)
第三章 界 面
利用晶界势垒制造敏感功能陶瓷
PTC恒温加热
lgR(Ω)
PTC消磁
T25 Tmin Tc
T(℃
PTC过热保护
第三章 界 面
利用晶界变化促进材料烧结、提高材料强度
这种由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力。若上述
情况是发生在冷却过程中，即T0 > T，则材料中内应力为张应力
（正值），这种应力会使杆件断裂。
第三章 界 面 例如，一块玻璃平板从373K的沸水中掉入273K的冰水溶液中，假 设表面层在瞬间降到273K，则表面层趋于收缩，然而，此时内层 还保留在373K，并无收缩，这样，在表面层就产生了一个张应力。 而内层有一相应的压应力，其后由于内层温度不断下降，材料中热 应力逐渐减小。
因此关于陶瓷晶界结构及有关的理论、很多是从金属中借用过来的 。与金属材料相比，陶瓷材料的晶界及相界的结构、作用及理论的 研究要更为复杂。
长度
ຫໍສະໝຸດ Baidu
－－泊松比；
r0 与位错位错线有关的
2、强度和硬度 3、晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多 4、新相形核 5、过热 6、晶界腐蚀 7、扩散的通道
第三章 3.2.2相界的基本结构和特点 一、相界的基本结构
共格相界
半共格相界
非共格相界
界面
具有完善共格关系的相界 具有弹性畸变的共格相界
半共格相界
非共格相界
界面
过渡点阵理论
小角度晶界和大角度晶界
公共点阵
重位点阵 (CSL）
完整花样移动点阵（DSC）
对称倾转晶界的位错模型
O点阵
大角晶界
第三章 界 面
二、晶界特点 1).晶界处点阵畸变大，存在着晶界能。
W＝
Gb 4 (1
)
(
A0
ln
0
)
A0
1＋ln( b
2r0
)
G 剪切模量； －－失配度； b－－柏氏矢量；
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Q!
第三章
3.6 典型材料中的界面
界面
一. 陶瓷材料中的界面
界面是多晶材料的重要组成部分
陶瓷材料是由粉末经成型、烧结而制成的无机非金属材料，除存在 不同程度的玻璃相外(也有一些陶瓷材料不存在玻璃相)．主晶相是 典型的多晶材料，而且绝大多数是多晶多相材料。在这些材料中， 界面是重要的组成部分。
第三章
第三章 界面 3.1界面类型 界面按其形成分为： 1.机械作用界面 2.化学作用界面 3.固体结合界面 4.液相或气相沉积界面 5.凝固共生界面 6.粉末冶金界面 7.粘结界面 8.熔焊界面 根据材料的类型进行划分 根据材料的相组成进行划分
界面
第三章
3.2 界面基本结构和特点
3.2.1晶界的基本结构和特点 一、晶界的基本结构
物体的体积或长度随温度升高而增大的现象叫做热膨胀。
式中，αl＝线膨胀系数，即温度升高1K时，物体的 相对伸长。 物体在温度 T 时的长度lT为：
2、热应力
第三章 界 面
式中：σ＝内应力（thermal stress），E＝弹性模量（elastic modulus），α＝热膨胀系数（heat expansion coefficient）， ＝弹性应变（elastic strain）。
式中：σf=材料的极限抗拉强度，S＝形状因子（shape
factor），μ＝泊松比。
第三章 界 面
3、界面热应力
在复合体中，由于两种材料的热膨胀系数之间或结晶学方向有大的 差别，形成应力，如果该应力过大，就可以在复合体中引起微裂纹。
＝KTd / L
微电子器件封装中往往都要使用多种不同热膨胀系数的材料，由 于材料间的热失配及制造和使用过程中的温度变化，使得各层材料 及界面都将承受不同的热应力。层间界面热应力和端部处的热应力 集中常常造成封装结构的脱层破坏，从而导致封装结构的失效。
第三章 界 面
3.5 界面吸附与成分偏析
界面吸附与成分偏析是指界面或多晶体内部晶界上成分或含量不 同于晶体内部的现象。
Mn-Zn铁氧体晶界上Ca、Si的偏析
Mn-Zn铁氧体晶界上及其附近的晶格常数
第三章 界 面
晶界偏析驱动力：
△Ea = EI - Eg
晶界偏析阻力：
S
k
ln W
k
ln
P!N
N!n!
二、相界特点
第三章 界 面
第三章 界 面
3.3 界面润湿与黏附 一、润湿类型
润湿是固液界面的重要行为。 润湿的热力学定义：固体与液体接触后能使体系的吉布斯自由能降 低，称为润湿。
润湿形式： 附着润湿 铺展润湿 浸渍润湿
第三章 界 面
二、润湿的表征 液滴落在清洁平滑固体表面的Young模型。
第三章 界 面 3.4 界面热应力与热匹配 一、热应力的产生 1、热膨胀系数（Thermal expansion coefficient）
Si3N4轴承
第三章 界 面
二.金属材料中的界面 晶界偏聚与材料脆性
晶界与金属材料的高温氧化 晶界在金属氧化中的正效应 晶界在金属氧化中的负效应 晶界在金属氧化中的双重效应
第三章 界 面
陶瓷材料界面（晶界）与金属材料界面（晶界）的比较
相似处：
界面能及其受热力学规律的制约； 晶界的滑移导致形变； 晶界是点阵缺陷的源及壑； 晶界杂质的偏析、分凝及其影响； 晶界有较大的扩散系数等。
1、晶界处点阵畸变大，存在着晶界能 2、强度和硬度 3、晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多 4、新相形核 5、过热 6、晶界腐蚀
杂质与陶瓷晶界
第三章 界 面
✓杂质对陶瓷晶界的影响
✓杂质对晶粒尺寸和晶界成分的影响
✓杂质在晶界的分布
第三章 界 面
第三章 界 面
晶界的利用 利用晶界偏析制造透明陶瓷
当平板表面以恒定速率冷却时，温度分布呈抛物线，表面Ts比平 均温度Ta低，表面产生张应力σ+，中心温度Tc比Ta高，所以中心 是压应力σ－。假如样品处于加热过程，则情况正好相反。
第三章 界 面
实际材料受三向热应力，三个方向都会有涨缩，而且互相 影响，材料经受的温度变化越大，所产生的热应力也越大。 一般用材料所能承受的最大温差表征其所能经受的最大热 应力。
在多晶多相材料中，晶界和相界的组成、形态、尺度、结构，对很 多性能有极大的甚至是决定性的影响。这包括对机械性能如断裂强 度、塑件形变、韧性、高温蠕变；电性能如电导及介电和铁电、压 电性能等；光学性能如晶界散射对透光性能的影响等等。
第三章 界 面
陶瓷晶界的特殊性 晶界静电场 杂质在晶界含量 晶界缺陷 晶界上的非化学计量化合物 新相生成
第三章 界 面
耐热的透明陶瓷
第三章 界 面
利用晶界偏析制造高强度陶瓷
第三章 界 面
利用晶界扩散制造晶界层陶瓷电容器(BLC)
第三章 界 面
利用晶界势垒制造敏感功能陶瓷
PTC恒温加热
lgR(Ω)
PTC消磁
T25 Tmin Tc
T(℃
PTC过热保护
第三章 界 面
利用晶界变化促进材料烧结、提高材料强度
这种由于材料热膨胀或收缩引起的内应力称为热应力。若上述
情况是发生在冷却过程中，即T0 > T，则材料中内应力为张应力
（正值），这种应力会使杆件断裂。
第三章 界 面 例如，一块玻璃平板从373K的沸水中掉入273K的冰水溶液中，假 设表面层在瞬间降到273K，则表面层趋于收缩，然而，此时内层 还保留在373K，并无收缩，这样，在表面层就产生了一个张应力。 而内层有一相应的压应力，其后由于内层温度不断下降，材料中热 应力逐渐减小。
因此关于陶瓷晶界结构及有关的理论、很多是从金属中借用过来的 。与金属材料相比，陶瓷材料的晶界及相界的结构、作用及理论的 研究要更为复杂。
长度
ຫໍສະໝຸດ Baidu
－－泊松比；
r0 与位错位错线有关的
2、强度和硬度 3、晶界处原子的扩散速度比在晶内快得多 4、新相形核 5、过热 6、晶界腐蚀 7、扩散的通道
第三章 3.2.2相界的基本结构和特点 一、相界的基本结构
共格相界
半共格相界
非共格相界
界面
具有完善共格关系的相界 具有弹性畸变的共格相界
半共格相界
非共格相界