陶瓷材料的表面与界面教学幻灯片讲义.ppt

－共格界面特征1）增加了界面上原子的能量，产生了界面 能中的唯一化学分量：γ共格 = γ化学。2）当界面上的原子间距差异不大，点阵发 生一定畸变后仍保持共格。3）引起的点阵扭曲称为共格畸变或共格应 变。 无应变的共格相界 有畸变的共格界面 MgO(310)挛生面的共格晶界 －半共格界面 半共格界面示意 半共格界面二维 错配的位错网络 位错模型单位长度界面附加半晶面数等于 ，位错间的距离D = －1，故 或 一维点阵错配用一组刃位错补偿，当δ较小位错间距D近似写成：b是柏氏矢量，b=（aα+ aβ）/2。   对二维失配，可用界面上两组不同方向的刃位错描述，位错间距分别为：该位错列（上图）可以松弛共格应变场。 半共格界面能 近似由化学项和结构项（结构扭曲附加能量）组成，即： γ半共格 = γ化学+γ结构 根据Brooks理论，这个能量可表示： 式中 , r0是与位错线有关的一个长度。 －非共格界面特征1）界面上没有匹配关系。2）如同大角晶界，能量较高，界能对界面取 向不敏感。3）尽管能量较高，但由于表面原子间相互作 用，晶界能仍低于表面能。 非共格界面 4 界面特性4.1 界面润湿4.2 晶界偏析4.3 晶界迁移4.4 晶界扩散4.5 晶界应力4.6 晶界电荷与静电势4.7 晶界效应4.8 晶界能与显微结构 4.1 界面润湿热力学定义：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： 铺展润湿 附着润湿 浸渍润湿  铺展润湿由S/V、S/L和L/V三个界面张力决定：   F: 润湿张力。θ: 润湿角；θ 90° 不润湿；θ 90° 润湿；θ = 0° 完全润湿。润湿的先决条件 。  铺展润湿 4.2 晶界偏析晶界及附近出现组成不同于晶粒成份有如下几种主要原因：1）溶质在晶界上吸附；2）点阵的本征缺陷浓度在晶界附近的增减；3）非本征缺陷浓度在晶界附近的增减；4）晶界处析出新相—分相（分凝）。偏析—晶界区溶质浓度上的增减。分相—组成、结构、形态均有变化。 偏析驱动力是内能差。偏析阻力是组态熵(结构熵)。平衡偏析—达到热力学平衡。非平衡偏析—未达到热力学平衡。 偏析表达式设一个质点位于晶内的内能为El，晶界的为Eg ，则偏析的驱动力为： 设晶内位置数N，晶界位置数n，晶内溶质质点数P,晶界的为Q ，则组态熵为： 该状态下的吉布斯自由能为：将上式带入，应用斯特林公式lnx!≈xlnx－x：平衡条件为： ，  平衡关系式：或：  设ΔE为1mol的内能差：则：因而有：对稀固溶体C0＜＜l，上式写成：再做近似：  影响晶界偏析的主要因素：1）溶质浓度C0 : 随C0 ↗, C ↗。2）温度T : △E为正，随T↗,C ↘。但T 过 低影响扩散。3）内能△E : 随△E ↗，C ↗。 关于内能△E畸变能—溶质与基质尺寸不同，互溶产生的弹性形变能使系统自由能上升。当溶质偏析迁移到缺陷较多的晶界时，可以松弛形变能，降低系统自由能。r—基质离子半径 △r—离子尺寸失配B—体积模数 μ—切变模量 关于内能△E界面能—吉布斯指出，能降低表面能的元素，将在界面产生偏析。二元系等温吸附方程：    ：单位面积溶质浓度与晶内平均浓度之差；γ：比界面能； x：溶质在晶体中的平均体积浓度。 当 时，随溶质浓度↗，比界面能↘，有利于偏析。当 时，随溶质浓度↗，比界面能↗，不利于偏析。 关于内能△E静电互作用能—陶瓷晶界存在空间电荷层