《材料科学基础教学课件》第七章 表面与界面.ppt

第十章 表面与界面 表界面和内部本体的区别 结构 化学组成 表面与界面是材料中普遍存在的结构单元，材料与环境发生物质、能量相互交换，主要是通过表面与界面进行的 力的传递 电子的输送 材料的磨损、腐蚀 材料的制备和加工 材料表面与界面科学着重于研究表面与界面状态和行为对材料结构、性能的影响，并由此寻求最佳控制的途径和方法。 §10.1 晶体表面 表面: 三维的规整点阵到体外空间之间的过渡区域 1.理想表面 表面的原子位置和电子密度都和体内一样 2.清洁表面 不存在任何污染的化学纯表面 3. 吸附表面 吸附有外来原子的表面 清洁表面上可以发生与体内不同的结构 1.弛豫:表面附近的点阵常数发生明显的变化 2.重构: 表面原子重新排裂，形成不同于体内的晶面 3.台阶化：出现一种比较规律的非完全平面 结构 二、表面吸附与偏析 1.表面偶电层 2．物理吸附与化学吸附 ?物理吸附是反应分子靠范德华力 吸附在固体表面上 ?化学吸附，吸附剂和吸附物的原 子和分子间发生电子转移，改变 了吸附分子的结构，类似化学反 应。作用力为静电库仑力。 化学吸附可分为： 离子吸附：发生完全的电子转移，吸附剂和被吸附物质变成离子，两者的结合为离子键 化学吸附：吸附剂和被吸附物质电子转移不完全，两者之一或双方都提供电子作为共有化电子，形成局部价键，结合力是共有化电子与离子实之间的静电库仑力 不同点： ①吸附热不同：化学吸附热大于物理吸附热 ②吸附和脱附的速率不同 ：化学吸附和脱附 速率比武力吸附的慢 ③吸附的选择性不同 ：化学吸附有选择性 ④吸附层的厚度不同 ：化学吸附单层，物理 吸附可以单层和多层 ⑤吸附态的光谱不同 ：物理吸附使峰位移 化学吸附产生新峰 物理吸附与化学吸附的关系 ?有些化学吸附要经过物理吸附之后才能进行 ?可能相互转化： ?有时难于区别：  吸附的平衡吸附量取决于吸附剂和吸附物质本身，与温度、压力也有一定的关系 恒温 吸附情况下的化学势可以通过控制气压来固定。 偏析情况下的化学势可以通过控制体相中溶质的成分固定。 将与表面平衡的蒸汽看成理想气体 Gibbs吸附等温式 三、表面能与晶体的平衡外形 1.表面能的来源 ?表面上的原子将由于近邻键数的减少 而增高其能量 ?最密排表面具有最低的表面能 比表面能（形成单位面积所对应的自由能增量）： 绝对零度时，自由能等于内能，用升华热Ls来估算绝对零度时的比表面能 Z0越大的表面，具有较高的比表面能。 高熔点金属具有较高的Ls及高的表面能。 2.表面能与取向关系 宏观表面具有高的或无理﹛hkl }指数时，表面将呈现台阶结构，台阶的每 一宽面都是密排面 γ图 ?三维空间中γ随表面取向变化的关系 ?方法：在一个原点周围作出一个空间曲面：从原 点出发引出矢径，令其方向平行于晶面法 线方向，令其长度正比于该晶面的表面能 大小，诸矢径终点的轨迹为一曲面。 ?利用γ图可以预测一个孤立的单晶体的平衡形状．  ?各向同性，则平衡形状为球形 ?各向异性，则按下面的所谓乌耳夫作图法来得出满足这一条件的平衡形状．在γ—图上的每一点都作出垂直于矢径的平面，去掉这些平面相重叠的区域，剩下的体积最小的多面体，就是晶体的平衡形状。 10.2 界面结构 3、扭转晶界 三、孪晶界 孪晶：晶体的两部分沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系 共格孪晶界、非共格孪晶界 四、相界：具有不同结构两相之间的分界面 共格相界，半共格相界，非共格相界 若界面原子同时处于两相点阵结点上，即两相原子在相界面上完全匹配时，该相界称为共格相界 两相原子在相界面上无任何匹配关系，则该相界称为非共格相界。 当两相结构相近而原子间距相差较大时，可形成半共格界面。界面的部分共格关系主要是通过一组刃型位错来调整和维持。 半共格界面上的位错间距取决于晶面的错配度δ δ很小，D很大，趋向共格 δ很大，D很小，即为非共格 界面的特性 1）界面能：晶界上原子排列不规则，处于较高的能量状态，因此形成单位面积时所增加的能量称为晶界能。 大角度晶界能最高，小角度晶界能较低，且位向差越小，晶界能越低，孪晶界界面能最低。 对合金相中相界，非共格界面能最高，共格相界能最低。半共格居中。 2）晶界在室温下对材料有强化作