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第8章 材料的表面与界面 8.1 基础知识 1）表面:表面是指固体与真空的界面。 2）界面:相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。 3）相界面:相邻相之间的交界面称为相界面。相界面有三类，如固相与固相的相界面（s／B）；固相与气相之间的相界面（s／G）；固相与液相之间的相界面（s／L）。 表面问题： 金属材料 陶瓷材料 电子材料 高聚物 复合材料 最常见的材料表界面类型（按形成途径划分） 机械作用界面 化学作用界面 固体结合界面 液相或气相沉积界面 凝固共生界面 粉末冶金界面 黏结界面 熔焊界面 8.1.1 物质表面 固体表面的定义：晶体三维周期结构和真空之间的过渡区域。 理想表面 清洁表面 吸附表面 理想表面:表面结构不变地延续到表面后中断，是理论 上结构完整的二维点阵平面，忽略了热运动热扩散和热 缺陷及表面的物理化学现象等。 清洁表面：是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面,没有表面污染的实际表面 （3）重构表面：表面原子层在水平方向上的周期性（晶格基矢as）不同于体内晶格基矢a，但垂直方向上的层间距离与内部层间距离相同 吸附表面：在实际存在的表面，普遍存在吸附物质。 吸附物质： 表面环境中的气相分子、原子及其化合物， 来自体内扩散出来的元素物质。 吸附形式： 可以被简单吸附在晶体表面 可以外延生长在晶体表面构成新的表面层 进入表面层一定深度同表面原子形成有序的表面合金。 8.1.2 固体的表面自由能和表面张力 表面能：每增加单位表面积时，体系自由能的增量 单位J·m-2 表面张力：扩张表面单位长度所需要的力。 与液体相比： 1）固体的表面自由能中包含了弹性能。表面张力在数值上不等于表面自由能； 2）固体的表面上的原子组成和排列是各向异性的，张力是各向异性的，不同晶面的表面自由能也不相同。 3）实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，决定固体表面形态的主要是形成固体表面时的条件以及它所经历的历史。 4）固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。 8.1.4 固液界面与润湿机械润滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、搪瓷坯釉、陶瓷/金属的封接等工艺和理论都与润湿过程有关。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 铺展润湿概念：液滴落在清洁平滑固体表面的过程。忽略液体重力和粘度影响，则铺展是由固/气(SG)、固/液(SL)和液/气(LG)三个界面张力所决定：  式中θ是润湿角；F 称润湿张力。θ 90°不润湿；θ 90°润湿；θ = 0° 完全润湿。 （自由铺展）润湿的先决条件是 。  8.1.5 固固界面与黏附 固固界面：结构与组分中存在不同的两个固相之间的界面 黏附：两黏附固体界面上的黏结现象，是通过跨越两固相界面的相互作用而产生的。 8.1.2.1 小角晶界及界面能● 小角晶界：两晶粒间的位向差小于10°； 大角晶界：位向差超过10°。● 小角晶界又可分：倾转晶界（一系列刃位错构成） 扭转晶界（螺位错构成） （1）对称倾转晶界对称倾转晶界可以看作是取向一致的两个晶体相互倾转 角形成的界面。  大角度晶界 大角度晶界：为原子呈不规则排列的一过渡层。大多数晶粒之间的晶界都属于大角度晶界。 晶界特征 （1）晶界处点阵畸变大，存在晶界能。 （2）常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍运动，使塑型变形抗力提高，使晶体（材料）的硬度和强度提高。 （3）晶界处原子具有较高的动能，且晶界处存在大量缺陷。原子在晶界处扩散比晶内快得多。 （4）固态相变时易在晶界处形成新核。 （5）晶界上富集杂质原子多，熔点低 （6）晶界腐蚀速度比晶内快。 （7）晶界具有不同与晶内的物理性质。 8.2.1.4 相界 1.共格界面（coherent phase boundary ）： 特征：界面两侧的保持一定的位向关