材料科学基础---第四章 表面与界面.pptVIP

本章内容： 1.固体的表面 2.界面行为 3.晶界 4.粘土-水系统胶体化学 重点： 1.界面行为 2.粘土-水系统胶体化学 难点： 晶界构型和晶界应力对烧结体性能的影响 第一节 固体的表面 一、固体表面的特征 二、晶体表面结构 三、固体的表面能 表面：指一个相和它本身蒸气（或真空）相接触 的分界面。 界面：指一个相和另一个结构不同的相接触时的分界面。 一、固体表面的特征 1、固体表面的不均一性 ●绝大多数晶体是各向异性。 ●同一种物质制备和加工条件不同也会有不同的表面性质。 ●由于晶格缺陷、空位或位错而造成表面的不均一性； ●由于外来物质污染，吸附外来原子占据表面位置引起固体表面的不均一性。 ●固体表面无论怎么光滑，从原子尺寸衡量，实际上也是凹凸不平的。 二、晶体表面结构 1、离子晶体的表面 ●固体表面结构： 微观质点排列状态 表面几何状态 ●表面力的存在使固体表面处于高能量状态 液体: 总是力图形成球形表面来降低系统的表面能。 晶体: 内部质点借助离子极化、变形、重排并引起晶格畸变 来降低表面能，于是造成表面层与内部结构差异。 ●离子晶体经过离子极化与重排使晶体表面能量上趋于稳定 三、固体的表面能 表面能：每增加单位表面积时，体系自由能的增量。 表面张力：扩张表单位长度所需要的力。 单位面积上的能量和单位长度上的力是等因次的， 液体的表面能和表面张力在数值上是相等的；固体的表面能和表面张力在数值上往往是不相等的。 思考题 1、固体表面具有哪些特征？固体表面的不均一性是如何产生的？ 2、在表面力作用下，离子晶体表面会产生哪些变化？ 3、表面粗糙度和微裂纹对晶体表面会产生什么影响？ 4、什么是晶界？相界面？晶界具有什么特点？ 5、什么是晶界构型？多晶材料中晶界相遇有哪几种构型？ （3）?P与曲率半径R的关系 ●把一根毛细管插入液体中，向毛细管吹气，在管的下端形成一个半径为R的气泡(如图4-5所示)。设想用一活塞维持气泡的平衡压力为P，气泡处于平衡时，则有P=P0+?P或?P＝P–P0 ●使活塞下移，使气泡体积增加dV，表面积增加dA, 环境对物系所做的功： δWe＝PdV＝(P0 +?P)dV ●气泡膨胀物系对环境所做的功：δWs＝P0dV ●物系得到的净功：δW‘＝δWe－δWs＝?PdV ●此功用于克服表面张力的作用，使气泡表面积增加dA，即用于增加物系的表面能。故：?PdV＝γdA V＝4/3πR3 A＝4πR2 ∴?P＝ （球形曲面） 对非球形曲面：?P＝ — 拉普拉斯公式 r1、r2—曲面的主曲率半径 方向：指向曲率中心 应用：附加压力推动烧结过程的进行。 2、弯曲表面上的饱和蒸汽压 讨论： (1) 凸面蒸汽压平面凹面蒸汽压。 应用：解释蒸发凝聚传质。 (2)开尔文公式也可应用于毛细管内液体的蒸汽压变化。 如液体对管壁润湿，则 毛细管凝结：蒸汽压对平面液体未达和，但对管内凹面液体已呈饱和，此蒸汽在毛细管内会凝聚成液体。 举例：陶瓷生坯中的水，水泥地面冻裂 二、润湿与粘附 1、润湿的热力学定义：固体与液体接触后，体系（固体与液体）的吉布斯自由能降低时就称润湿。 2、分类：按润湿程度不同可分为： 附着润湿、铺展润湿和浸渍润湿。 （1）附着润湿 ●固体和液体接触后，变液-气界面和固-气界面为固-液界面。设界面张力分别为： ●上述过程的自由焓变化为： 对附着润湿的逆过程： 拉开固液界面,外界对体系做的功称为附着功： 附着功（粘附功）——表示将单位截面积的液固界面拉开所作的功。 注：生产中，通常采用化学性能相近的两相系统，可以降低 ，以便提高粘附功。 （2）铺展润湿 讨论： ①θ﹥900时，润湿张力小（F0），不润 湿； ②θ﹤900时，F0，能润湿； ③θ＝00时，润湿张力F最大，完全润湿，即液体在固体表面上自由铺展。 润湿的先决条件：?SV ?SL或?SL十分微小。 （3）浸渍润湿 ●指