材料表面与界面(2-1)讲解.ppt

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 固态界面的定义:固体材料的界面可以被定义为与两个固体紧密相连并将这两个固体隔离开来的与被分隔固体具有不同性质的二维薄层。 被分割的两个固体可以是同种物质，也可以是不同种物质。 界面层的厚度一般在几个原子层厚，当界面层厚度较大时，一般称之为界面相或界面层。 固体材料的表面是与其周围的环境（通常指气体）所形成的特殊界面，在环境为真空时为理想状态下固体材料的表面。 重点介绍有关“固—气”和“液—气”的表面问题和“固—固”和“固—液”的界面问题的基础知识。 表面和界面能量和结构是表面和界面研究的最基础问题，因此本章将从能量和结构两方面来介绍表面与界面的有关基础知识。 Surface, interface, grain boundary, interfacial phase, interfacial layer, coherent interface, incoherent interface. 第2章 材料表面与界面的基础知识 研究液体晶体结构的基本假设： （1）组成液体的原子（或分子）分布均匀、连贯、无规则； （2）液体中没有晶态区域和能容纳其它原子或分子的孔洞； （3）液体的结构主要由原子间形成的排斥力所决定。 因此可以使用固态“刚性球”模型解决液体结构问题。 液体结构中近邻原子数一般为5~11个（呈统计分布），平均为6个，与固态晶体密排结构的12个最近邻原子数相比差别很大。这种配位数的差别是液态与固态结构差别的重要特征之一。 液体结构的这种刚性球自由密堆（Dense Random Packing，简称DRP）还可以用间隙多面体来表示，其中原子处在多面体间隙的顶点 Crystal structure, long-range order, short-range order, disorder, Coordination number, 第2章 材料表面与界面的基础知识 液体自由密堆结构的5种理想间隙：(a)四面体间隙；(b) 八面体间隙；(c)三棱柱的侧表面被覆盖3个半八面体间隙；(d)阿基米德反棱柱被覆盖2个半八面体间隙；(e)正方十二面体。 第2章 材料表面与界面的基础知识 由73%个四面体间隙和20%个八面体间隙组成的自由密堆结构的最大致密度为64%。与之相比，67%个四面体间隙和33%个八面体间隙组成的晶体密排结构的最大致密度可以达到74% 第2章 材料表面与界面的基础知识 液体的原子结构可以用X射线衍射方法进行实验测定。测定结果通常用径向分布函数来表征。 为了将自由密堆模型与实验结果进行对比，我们来看一下材料从其熔点开始加热过程中原子的变化行为。 在0 K 温度时，一个具有密堆结构的面心立方晶体中，每个原子被其周围与其径向距离为r = re的12个最近邻原子所包围（在双原子模型中，r为两原子间距离，re为势能最低时的两原子间距）；被与其径向距离为r =21/2re的6个次近邻原子所包围；被与其径向距离为r =31/2re的24个远近邻原子所包围 第2章 材料表面与界面的基础知识 随着温度升高（低于材料熔点Tm），原子间距增加，原子震动幅度提高，但仍然保持有序结构。 这时的原子数量的变化不再是一系列离散的线，所以再用原子数量（N(r)）来表示不同径向距离（r）处原子的分布就显得不太合适，而通常采用的方法是用在不同径向距离（r）处原子出现的密度来表示。 用密度分布函数ρ(r)（Density distribution function）来代替离散的数量值N(r)时，分布函数的峰值就代表了在距离中心原子r处原子出现的概率。 第2章 材料表面与界面的基础知识 在达到熔点温度时，有序结构突然消失。从理论上讲，在这种现象发生时，固态刚性球结构发生大约16%的体积膨胀。 这时，虽然每个原子仍然趋于被更多的近邻原子所包围，但其配位数有所降低，通常为9~11，而不再是12。次近邻原子同样地有序包围在最近邻原子周围，但配位数降低很多。 随着径向距离的增大，有序配位逐渐消失。因此这种在几个原子直径范围内的短程有序是液体结构的又一特征。 第2章 材料表面与界面的基础知识 液体的原子结构存在以下三个主要特征： （1）液体结构中近邻原子数一般为5~11个（呈统计分布），平均为 6个，与固态晶体密排结构的12个最近邻原子数相比差别很大； （2）在液体原子的自由密堆结构中，四面体间隙占了主要地位。 （3）液体原子结构在几个原