材料表界面化学第一章绪论概要.pptx

第一章 绪言 材料科学、信息科学 和生命科学是当前新技术革命中的三大前沿科学，材料的表界面在材料科学中有重要的地位 (材料表面与内部本体的结构、组成相同吗？） 材料表界面对材料整体性能具有决定性影响，因此从物理学角度讲，研究材料表界面现象具有重要意义。 材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、复合等等，无不与材料的表界面密切有关。 1.1 表界面的定义 实际应用中，表界面研究的对象为具有多相性的不均匀体系，即体系中存在两个或以上不同性能的相。定义： 表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。 Interface Interphase Interlayer 表界面通常分为以下五类： 1.固-气 2.液-气 3.固-液 4.液-液 5.固-固 表 面 界 面 表界面区的结构、能量、组成等都呈现连续的梯度变化，非几何平面而是结构复杂、厚度约几个分子线度的准三维区域。 Interface Interphase Interlayer 1.1.1 物理表面三维规整点阵到体外空间之间的过渡区域 理想表面：指除了假设确定的一套边界条件外，不发生任何变化的表面。 清洁表面：指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等物理化学效应的表面。（相对环境气氛污染的表面而言，吸附质浓度低需经特殊处理如高温热处理、离子轰击加退火、 真空解离、真空沉积等且在1.33*10-10Pa保存） 表面上会发生与体内结构和成分不同的变化，如：驰豫、重构、台阶化、偏析和吸附等。 7 表面附近的点阵常数发生明显的变化。 NaCl晶体的表面弛豫 表面处离子排列发生中断，体积大的负离子间的排斥作用，使C1-向外移动，体积小的Na+则被拉向内部，同时负离子易被极化，屏蔽正离子电场外露外移，结果原处于同一层的Na+和C1-分成相距为0.020 nm的两个亚层，但晶胞结构基本没有变化，形成了弛豫。 8 （b）重构(rebuilding)：表面原子重新排列，形成不同于体相内部的晶面 9 c) 偏析又称偏聚或分凝(segregation) 指化学组成在表面区域的变化但结构不变。 10 d) 台阶化(steps) 表面附近的点阵常数不变，晶体结构也不变，而形成相梯度表面。 11 (f) 形成化合物 指表面化学组成和结构都发生改变，在表面有新相生成 e) 吸附(adsorption) 指表面存在周围环境中的物种。分类：物理吸附和化学吸附 12 ( a) 物理吸附：外来原子在固体表面上形成吸附层，由范德华力(Van der Waals)作用力引起，则此吸附称为物理吸附。 特点：物理吸附过程中没有没有电子转移、没有化学键的生成和破坏，没有原子重排等等，产生吸附的只是范德华力。 物理吸附的作用力是范德华力，包括：定向力/偶极力、诱导力、色散力；作用力。其本质为静电相互作用力.吸附热约为：4.2 KJ/mol，一般在较低的温度下才能发生，无激活能，无选择。 物理吸附的作用力是范德华力和氢键，包括：定向力/偶极力、诱导力、色散力；作用力。 吸附分类：物理吸附和化学吸附 13 (b) 化学吸附： 外来原子在固体表面上形成吸附层由化学键作用力引起，则此吸附称为化学吸附。特点：表面形成化学键；有选择性；需要激活能；吸附热高（21- 42 KJ/mol）。吸附的物种可以是有序(order)也可以是无序(disorder)吸附在表面，也可以是单层(monolayer)，也可以是多层(multiplayer)吸附。因表面的性质和被吸附的物种而定。 吸附表面：吸附有外来原子的表面，吸附原子可形成有序或无序的覆盖层。覆盖层可以具有和基体相同的结构，也可以形成重构表面层。当吸附原子和基体原子之间相互作用很强时，则形成表面合金或表面化合物。覆盖层结构中也存在缺陷，且随温度发生变化。 1.1.2 材料表面 与物理表面区别： 物理表面限于表面以下两三个原子层及其上吸附层。 而材料表面包括各种表面作用和过程所涉及的区域， 其空间尺度和状态决定于作用影响范围的大小和材 料与环境条件的特性。 按形成途径划分： 机械作用界面：受机械作用而形成的界面如切削、研磨、抛光、喷砂、变形和磨损等 化学作用界面：由于表面反应、粘接、氧化、腐蚀等化学作用形成 固体结合界面：两个固体相直接接触，通过真空、加热、加压、界面扩散和反应等途径所形成的界面。 液相或气相沉积界面：物质以原子尺寸形态从液态或气相析出而在=固体表面形成的膜层或块体称之 凝固共生界面：两个固体同时从液相中凝固析出，且共同生长所形成的界面。