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![材料科学基础(武汉理工大学,张联盟版)课后习题及答案__第五章[1]](https://img.taocdn.com/s1/m/3aa646cc50e2524de5187ecb.png)
武理833大纲
以下是武汉理工大学材料科学与工程833材料科学基础考研的大纲，主要分为以下几个部分：
1. 第一章：原子结构与元素周期表
原子的电子构型和周期表
原子能级和光谱
化学键和分子结构
2. 第二章：分子结构和分子光谱
分子能级和光谱
分子振动和转动光谱
电子光谱和X射线光谱
3. 第三章：晶体结构和晶体物理学基础
晶体结构和晶格振动
热力学基础和相图
晶体生长和缺陷
4. 第四章：固体表面和界面
表面能和表面张力
表面吸附和表面改性
界面现象和界面反应
5. 第五章：材料力学性能
应力和应变行为
材料的弹性、塑性和脆性
断裂和疲劳行为
6. 第六章：材料物理性能
电学性能（导电、介电、热电等）
磁学性能（磁导、磁畴、磁致伸缩等）
光学性能（折射、反射、吸收等）
7. 第七章：材料化学性能
氧化、腐蚀和防护
化学反应动力学和催化作用
电化学和电池性能
8. 第八章：材料制备与合成
熔炼、铸造、轧制等传统制备方法
化学气相沉积、物理气相沉积等薄膜制备技术
溶胶-凝胶法、水热法等特种制备技术
9. 第九章：材料科学中的计算机模拟与计算方法
材料科学中的计算机模拟方法（蒙特卡罗、分子动力学等）材料性能的计算机预测与优化设计
10. 第十章：材料科学前沿进展与展望
新材料、新工艺和新应用的发展趋势
材料科学的未来挑战和机遇。
第四章固体的表面与界面固体的接触界面可一般可分为表面、界面和相界面：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。
有三类: S／S；S／V； S／L。
产生表面现象的根本原因在于材料表面质点排列不同于材料内部，材料表面处于高能量状态⏹ 4.1 固体的表面及其结构♦ 4.1.1固体的表面1.理想表面2.清洁表面（1）台阶表面（2）弛豫表面（3）重构表面3.吸附表面4. 固体的表面自由能和表面张力5. 表面偏析6. 表面力场固体表面的结构和性质在很多方面都与体内完全不同。
所以，一般将固体表面称为晶体三维周期结构和真空之间的过渡区域。
这种表面实际上是理想表面，此外还有清洁表面、吸附表面等。
1、理想表面没有杂质的单晶，作为零级近似可将清洁表面理想为一个理想表面。
这是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。
它忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，忽略了表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等，忽略了外界对表面的物理化学作用等。
这种理想表面作为半无限的晶体，体内的原子的位置及其结构的周期性，与原来无限的晶体完全一样。
2、清洁表面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。
这种清洁表面的化学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。
根据表面原子的排列，清洁表面又可分为台阶表面、弛豫表面、重构表面等。
（1）台阶表面台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶的表面所组成（2）弛豫表面 –在垂直于表面的方向上原子间距不同于该方向上晶格内部原子间距的表面由于固体体相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子的配位情况发生变化，相应地表面原子附近的电荷分布将有所改变，表面原子所处的力场与体相内原子也不相同。
为使体系能量尽可能降低，表面上的原子常常会产生相对于正常位置的上、下位移，结果表面相中原子层的间距偏离体相内原子层的间距，产生压缩或膨胀。
武汉理工大学材料科学基础考研真题大纲材料科学基础复习大纲第二章晶体结构2.1 结晶学基础1、概念：晶体晶胞晶胞参数七大晶系晶面指数晶面族晶向指数晶向族2、晶面指数和晶向指数的计算2.2 结合力与结合能按照结合力性质不同分为物理键和化学键化学键包括离子键共价键金属键物理键包括范德华键氢键晶体中离子键共价键比例估算（公式2.16）离子晶体晶格能2.3 堆积（记忆常识）1、最紧密堆积原理及其使用范围：原理略适用范围：典型的离子晶体和金属晶体原因：该原理是建立在质点在电子云分布呈球形对称以及无方向性的基础上的2、两种最紧密堆积方式：面心立方最紧密堆积ABCABC 密排六方最紧密堆积ABABAB系统中：每个球周围有6个八面体空隙 8个四面体空隙N个等径球体做最紧密堆积时系统有2N个四面体空隙N个八面体空隙八面体空隙体积大于四面体空隙3、空间利用率：晶胞中原子体积与晶胞体积的比值（要学会计算）两种最紧密堆积方式的空间利用率为74.05﹪（等径球堆积时）4、影响晶体结构的因素内因：质点相对大小（决定性因素）配位数（概念及计算）极化（概念，极化对晶体结构产生的影响）外因（了解）：同质多晶类质多晶同质多晶转变2.4 单质晶体结构（了解）2.5 无机化合物结构（重点每年必考）分析结构从以下几个方面入手：晶胞分子数，何种离子做何种堆积，何种离子添隙，添隙百分比，正负离子配位数，正负离子电价是否饱和，配位多面体，添隙半径的计算（刚好相切时），隙结构与性质的关系。
1、NaCl型：4个NaCl分子 Cl离子做面心立方密堆积，Na离子填充八面体空隙，填充率100﹪，正负离子配位数均为6，电价饱和。
【NaCl6】或【ClNa6】八面体结构与性能：此结构在三维方向上键力均匀，因此无明显解理，破碎后呈颗粒状，粒为多面体形状。
离子键结合，因此有较高的熔点和硬度2、立方ZnS结构：4个ZnS分子S离子做面心立方密堆积，第三章晶体结构缺陷3.1 结构缺陷类型缺陷（概念）：晶体点阵结构中周期性势场的畸变按照几何形态分类：点，线，面，体点缺陷包括：空位，间隙，杂质，色心线缺陷有：位错面缺陷有：晶界，表面按照缺陷产生原因分类：热缺陷（本征缺陷），杂质缺陷和非化学计量缺陷（非本征缺陷）热缺陷分为弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷（理解图 3.2）（弗伦克尔缺陷的特征是空位和间隙质点成对出现，肖特基缺陷特征是正负离子空位成对出现。
第一部分考试说明一、考试性质《材料科学基础》是材料学科的专业基础课，着重研究材料的成分、加工方法与材料的组织、性能之间的关系以及其变化规律，它是如何发挥材料潜力使用好现有材料和研究开发新材料的理论基础，也是学习材料学科专业课的先行课程，所以设立为材料学科专业硕士研究生的入学专业基础考试课程。
二、考试的学科范围考查的详细要点见第二部分。
知识面要全面兼顾，重点在于基础。
三、评价目标对《材料科学基础》的基本理论掌握，应用基本理论分析常见的工程现象的能力。
分析问题要求文字语言通顺，层次清楚；回答问题要求要点明确，即提出论点，指明方向，简要说明理由；计算题要有明确原理，原始数据来源，准确的结果，合理的计量单位。
四、考试形式与试卷结构考试时间180分钟，采用闭卷笔试。
题形为问答方式的分析和论述题，含通用的计算内容。
按题目内容分小题按要点记分。
五、参考书目侧重公有的基础理论，不限书目。
可以为任何90年后出版的材料专业的教科书。
例如西安交大石德柯等编《材料科学基础》，清华潘金生等编《材料科学基础》，哈工大李超编《金属学原理》，中南矿冶曹明盛编《物理冶金基础》等等。
第二部分考查要点一、材料的晶体结构名词概念晶体与非晶体晶格与晶胞晶向指数与晶面指数体心立方面心立方密排六方内容要求1.晶胞中晶向指数与晶面指数表示方法，即指数与图形对应关系。
2.金属中常见三种典型晶型的原子位置、单胞中原子数、致密度、配位数、密排面与密排方向。
3.立方晶系中方向指数的夹角和晶面间距。
二、晶体缺陷名词概念单晶体与多晶体晶粒与晶界点缺陷线缺陷面缺陷空位位错柏氏矢量刃型位错和螺型位错滑移与攀移内容要求1.定性说明晶体平衡时为什么存在一定的空位浓度。
2.简单立方晶系中刃型位错和螺型位错原子模型，及其对应的柏氏矢量。
3.位错滑移运动的条件及其结果。
4.晶体中的界面形式、界面能及其对晶粒形貌的影响。
三、材料的相结构名词概念固溶体与化合物电子浓度内容要求1.固溶体有哪些类型，影响固溶体溶解度的因素。
武汉理工大学材料考研大纲第一部分考试说明一、考试性质《材料科学基础》是材料学科的专业基础课，着重研究材料的成分、加工方法与材料的组织、性能之间的关系以及其变化规律，它是如何发挥材料潜力使用好现有材料和研究开发新材料的理论基础，也是学习材料学科专业课的先行课程，所以设立为材料学科专业硕士研究生的入学专业基础考试课程。
二、考试的学科范围考查的详细要点见第二部分。
知识面要全面兼顾，重点在于基础。
三、评价目标对《材料科学基础》的基本理论掌握，应用基本理论分析常见的工程现象的能力。
分析问题要求文字语言通顺，层次清楚;回答问题要求要点明确，即提出论点，指明方向，简要说明理由;计算题要有明确原理，原始数据来源，准确的结果，合理的计量单位。
四、考试形式与试卷结构考试时间180分钟，采用闭卷笔试。
题形为问答方式的分析和论述题，含通用的计算内容。
按题目内容分小题按要点记分。
五、参考书目侧重公有的基础理论，不限书目。
可以为任何90年后出版的材料专业的教科书。
例如西安交大石德柯等编《材料科学基础》，清华潘金生等编《材料科学基础》，哈工大李超编《金属学原理》，中南矿冶曹明盛编《物理冶金基础》等等。
第二部分考查要点一、材料的晶体结构名词概念晶体与非晶体晶格与晶胞晶向指数与晶面指数体心立方面心立方密排六方内容要求1(晶胞中晶向指数与晶面指数表示方法，即指数与图形对应关系。
2(金属中常见三种典型晶型的原子位置、单胞中原子数、致密度、配位数、密排面与密排方向。
3(立方晶系中方向指数的夹角和晶面间距。
二、晶体缺陷名词概念单晶体与多晶体晶粒与晶界点缺陷线缺陷面缺陷空位位错柏氏矢量刃型位错和螺型位错滑移与攀移内容要求1(定性说明晶体平衡时为什么存在一定的空位浓度。
2(简单立方晶系中刃型位错和螺型位错原子模型，及其对应的柏氏矢量。
3(位错滑移运动的条件及其结果。
4(晶体中的界面形式、界面能及其对晶粒形貌的影响。
三、材料的相结构名词概念固溶体与化合物电子浓度内容要求1(固溶体有哪些类型，影响固溶体溶解度的因素。
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第一章 结晶学基础 第二章 晶体结构与晶体中的缺陷1 名词解释：配位数与配位体，同质多晶、类质同晶与多晶转变，位移性转变与重建性转变，晶体场理论与配位场理论。
晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数（晶面指数）、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、离子极化、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应. 答：配位数：晶体结构中与一个离子直接相邻的异号离子数。
配位体：晶体结构中与某一个阳离子直接相邻、形成配位关系的各个阴离子中心连线所构成的多面体。
同质多晶：同一化学组成在不同外界条件下（温度、压力、pH 值等），结晶成为两种以上不同结构晶体的现象。
多晶转变：当外界条件改变到一定程度时，各种变体之间发生结构转变，从一种变体转变成为另一种变体的现象。
位移性转变：不打开任何键，也不改变原子最邻近的配位数，仅仅使结构发生畸变，原子从原来位置发生少许位移，使次级配位有所改变的一种多晶转变形式。
重建性转变：破坏原有原子间化学键，改变原子最邻近配位数，使晶体结构完全改变原样的一种多晶转变形式。
晶体场理论：认为在晶体结构中，中心阳离子与配位体之间是离子键，不存在电子轨道的重迭，并将配位体作为点电荷来处理的理论。
配位场理论：除了考虑到由配位体所引起的纯静电效应以外，还考虑了共价成键的效应的理论图2-1 MgO 晶体中不同晶面的氧离子排布示意图2 面排列密度的定义为：在平面上球体所占的面积分数。
（a ）画出MgO （NaCl 型）晶体（111）、（110）和（100）晶面上的原子排布图； （b ）计算这三个晶面的面排列密度。
解：MgO 晶体中O2-做紧密堆积，Mg2+填充在八面体空隙中。
（a ）（111）、（110）和（100）晶面上的氧离子排布情况如图2-1所示。
（b ）在面心立方紧密堆积的单位晶胞中，r a 220=（111）面：面排列密度= ()[]907.032/2/2/34/222==∙ππr r （110）面：面排列密度=()[]555.024/224/22==∙ππr r r（100）面：面排列密度=()785.04/22/222==⎥⎦⎤⎢⎣⎡ππr r3、已知Mg 2+半径为0.072nm ，O 2-半径为0.140nm ，计算MgO 晶体结构的堆积系数与密度。
第二章晶体结构【例2-1】计算MgO和GaAs晶体中离子键成分的多少。
【解】查元素电负性数据得，则，，，MgO离子键％＝GaAs离子键％＝由此可见，MgO晶体的化学键以离子键为主，而GaAs则是典型的共价键晶体。
【提示】除了以离子键、共价键结合为主的混合键晶体外，还有以共价键、分子间键结合为主的混合键晶体。
且两种类型的键独立地存在。
如，大多数气体分子以共价键结合，在低温下形成的晶体则依靠分子间键结合在一起。
石墨的层状单元内共价结合，层间则类似于分子间键。
正是由于结合键的性质不同，才形成了材料结构和性质等方面的差异。
从而也满足了工程方面的不同需要。
【例2-2】 NaCl和MgO晶体同属于NaCl型结构，但MgO的熔点为2800℃, NaC1仅为80l℃，请通过晶格能计算说明这种差别的原因。
【解】根据：晶格能（1）NaCl晶体：N0＝6.023×1023 个/mol，A＝1.7476，z1＝z2＝1，e＝1.6×10－19 库仑，，r0＝＝＝0.110＋0.172＝0.282nm＝2.82×10－10 m，m/F，计算，得：EL＝752.48 kJ/mol （2）MgO晶体：N0＝6.023×1023 个/mol，A＝1.7476，z1＝z2＝2，e＝1.6×10－19库仑，r0＝＝0.080＋0.132＝0.212 nm＝2.12×10－10 m，m/F，计算，得：EL＝3922.06 kJ/mol则：MgO晶体的晶格能远大于NaC1晶体的晶格能，即相应MgO的熔点也远高于NaC1的熔点。
【例2-3】根据最紧密堆积原理，空间利用率越高，结构越稳定，但是金刚石的空间利用率很低，只有34.01%，为什么它也很稳定？【解】最紧密堆积的原理只适用于离子晶体，而金刚石为原子晶体，由于C-C共价键很强，且晶体是在高温和极大的静压力下结晶形成，因而熔点高，硬度达，很稳定。
武汉理工大学材料科学基础（第2版）课后习题和答案第一章绪论1、仔细观察一下白炽灯泡，会发现有多少种不同的材料？每种材料需要何种热学、电学性质？2、为什么金属具有良好的导电性和导热性？3、为什么陶瓷、聚合物通常是绝缘体？4、铝原子的质量是多少？若铝的密度为2.7g/cm3，计算1mm3中有多少原子？5、为了防止碰撞造成纽折，汽车的挡板可有装甲制造，但实际应用中为何不如此设计？说出至少三种理由。
6、描述不同材料常用的加工方法。
7、叙述金属材料的类型及其分类依据。
8、试将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜钢筋混凝土橡胶氯化钠铅-锡焊料沥青环氧树脂镁合金碳化硅混凝土石墨玻璃钢9、Al2O3陶瓷既牢固又坚硬且耐磨，为什么不用Al2O3制造铁锤？第二章晶体结构1、解释下列概念晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数（晶面指数）、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、配位数、离子极化、同质多晶与类质同晶、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应.2、（1）一晶面在某、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的米勒指数；（2）一晶面在某、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的米勒指数。
3、在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：（001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（322）与[236]，（257）与[111]，（123）与[121]，（102），（112），（213），[110]，[111]，[120]，[321]4、写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。
5、已知Mg2+半径为0.072nm，O2-半径为0.140nm，计算MgO晶体结构的堆积系数与密度。
6、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。
7、从理论计算公式计算NaC1与MgO的晶格能。
MgO的熔点为2800℃，NaC1为80l℃,请说明这种差别的原因。
武汉理工大学材料科学基础(第2版)课后习题和答案第一章绪论1、仔细观察一下白炽灯泡，会发现有多少种不同的材料？每种材料需要何种热学、电学性质？2、为什么金属具有良好的导电性和导热性？3、为什么陶瓷、聚合物通常是绝缘体？4、铝原子的质量是多少？若铝的密度为2.7g/cm3，计算1mm3中有多少原子？5、为了防止碰撞造成纽折，汽车的挡板可有装甲制造，但实际应用中为何不如此设计？说出至少三种理由。
6、描述不同材料常用的加工方法。
7、叙述金属材料的类型及其分类依据。
8、试将下列材料按金属、陶瓷、聚合物或复合材料进行分类：黄铜钢筋混凝土橡胶氯化钠铅-锡焊料沥青环氧树脂镁合金碳化硅混凝土石墨玻璃钢9、Al2O3陶瓷既牢固又坚硬且耐磨，为什么不用Al2O3制造铁锤？第二章晶体结构1、解释下列概念晶系、晶胞、晶胞参数、空间点阵、米勒指数（晶面指数）、离子晶体的晶格能、原子半径与离子半径、配位数、离子极化、同质多晶与类质同晶、正尖晶石与反正尖晶石、反萤石结构、铁电效应、压电效应.2、（1）一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b、6c，求出该晶面的米勒指数；（2）一晶面在x、y、z 轴上的截距分别为a/3、b/2、c，求出该晶面的米勒指数。
3、在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向：（001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（322）与[236]，（257）与[111]，（123）与[121]，（102），（112），（213），[110]，[111]，[120]，[321]4、写出面心立方格子的单位平行六面体上所有结点的坐标。
5、已知Mg2+半径为0.072nm，O2-半径为0.140nm，计算MgO晶体结构的堆积系数与密度。
6、计算体心立方、面心立方、密排六方晶胞中的原子数、配位数、堆积系数。
7、从理论计算公式计算NaC1与MgO的晶格能。
MgO的熔点为2800℃，NaC1为80l℃, 请说明这种差别的原因。
1 材料引言玻璃——玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。
水泥——水泥是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂，石等材料牢固地胶结在一路的细粉状水硬性材料。
耐火材料——耐火材料是指耐火度不低于1580 摄氏度的无机非金属材料。
硅质耐火材料，镁质耐火材料，熔铸耐火材料，轻质耐火材料，不定形耐火材料。
高聚物——高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。
胶粘剂——胶粘剂是指在常温下处于粘流态，当受到外力作历时，会产生永久变形，外力撤去后又不能恢恢复状的高聚物。
合金——合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素形成的具有金属特性的新物质固溶体——当合金的晶体结构维持溶质组元的晶体结构时，这种合金成为一次固溶体或端际固溶体，简称固溶体。
电子化合物——电子化合物是指具有必然（或近似必然）的电子浓度值，且结构相同或密切相关的相。
间隙化合物——由原子半径较大的过渡金属元素（Fe,Cr,Mn,Mo,W,V 等）和原子半径较小的非（准）金属元素（H,B,C,N,Si,等）形成的金属间化合物。
传统无机非金属材料——主如果指由SiO2 及其硅酸盐化合物为主要成份制成的材料，包括陶瓷，玻璃，水泥和耐火材料等。
新型无机非金属材料——是用氧化物，氮化物，碳化物，硼化物，硫化物，硅化物以及各类无机非金属化合物经特殊的先进工艺制成的材料。
2 晶体结构晶体——晶体是离子，原子或分子按必然的空间结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具有周期性和对称性，因此，晶体具有规则的外形。
晶胞——晶胞是从晶体结构中掏出来的反映晶体周期性和对称性的重复单元。
晶体结构——晶体结构是指晶体中原子或分子的排列情况，由空间点阵+结构基元而组成，晶体结构的形式是无穷多的。
空间点阵——空间点阵是把晶体结构中原子或分子等结构基元抽象为周围环境相同的阵点以后，描述晶体结构的周期性和对称性的图像。
材料科学基础大纲目录第二章晶体结构 (1)2.1 结晶学基础 (1)2.2 结合力与结合能 (1)2.3 堆积（记忆常识） (1)2.4 单质晶体结构（了解） (2)2.5 无机化合物结构（重点每年必考） (2)2.6 硅酸盐晶体结构 (3)第三章晶体结构缺陷 (5)3.1 结构缺陷类型 (5)3.2 点缺陷 (5)3.5 固溶体 (6)3.6 非化学计量化学物 (7)第四章非晶态结构与性质 (8)4.2 熔体的性质 (8)4.3 玻璃的形成 (8)第五章表面结构与性质 (9)5.1 固体表面及其结构 (9)5.3 润湿与黏附 (10)第六章相图（必考） (12)第七章扩散 (13)7.1 菲克定律（重点） (13)7.5 多元系统的扩散 (13)7.6 影响扩散的因素 (14)第八章相变 (14)8.1 相变概述 (14)8.2 成核生长相变 (15)第九章固态反应 (17)9.1 概论 (17)9.3 反应动力学 (17)9.5 影响因素 (19)第十章烧结 (20)10.1 概述 (20)10.2 烧结过程及机理 (20)10.4 再结晶和晶粒长大 (20)10.7 影响因素 (21)第十一章腐蚀 (21)第十二章疲劳与断裂 (22)第二章 晶体结构2.1 结晶学基础1、概念：晶体：晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，即晶体是具有格子构造的固体。
晶胞 ：晶胞是从晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的最小重复单元。
晶胞参数：胞的形状和大小可以用6个参数来表示，此即晶格特征参数，简称晶胞参数。
七大晶系：布拉菲（Bravais ）依据晶胞参数之间关系的不同，把所有晶体划归为7类，即7个晶系。
晶面指数：结晶学中经常用（hkl ）来表示一组平行晶面，称为晶面指数。
数字hkl 是晶面在三个坐标轴（晶轴）上截距的倒数的互质整数比。
晶面族 ：晶体结构中原子排列状况相同但不平行的两组以上的晶面，构成一个晶面族。
第四章固体的表面与界面固体的接触界面可一般可分为表面、界面和相界面：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。
有三类: S／S；S／V； S／L。
产生表面现象的根本原因在于材料表面质点排列不同于材料内部，材料表面处于高能量状态⏹ 4.1 固体的表面及其结构♦ 4.1.1固体的表面1.理想表面2.清洁表面（1）台阶表面（2）弛豫表面（3）重构表面3.吸附表面4. 固体的表面自由能和表面张力5. 表面偏析6. 表面力场固体表面的结构和性质在很多方面都与体内完全不同。
所以，一般将固体表面称为晶体三维周期结构和真空之间的过渡区域。
这种表面实际上是理想表面，此外还有清洁表面、吸附表面等。
1、理想表面没有杂质的单晶，作为零级近似可将清洁表面理想为一个理想表面。
这是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。
它忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，忽略了表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等，忽略了外界对表面的物理化学作用等。
这种理想表面作为半无限的晶体，体内的原子的位置及其结构的周期性，与原来无限的晶体完全一样。
2、清洁表面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。
这种清洁表面的化学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。
根据表面原子的排列，清洁表面又可分为台阶表面、弛豫表面、重构表面等。
（1）台阶表面台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶的表面所组成（2）弛豫表面 –在垂直于表面的方向上原子间距不同于该方向上晶格内部原子间距的表面由于固体体相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子的配位情况发生变化，相应地表面原子附近的电荷分布将有所改变，表面原子所处的力场与体相内原子也不相同。
为使体系能量尽可能降低，表面上的原子常常会产生相对于正常位置的上、下位移，结果表面相中原子层的间距偏离体相内原子层的间距，产生压缩或膨胀。
表面上原子的这种位移称为表面弛豫。
也可以说，弛豫是指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距Ds和体内原子层间距Do相比有所膨胀和压缩的现象。
对于多元素的合金，在同一层上几种元素的膨胀或压缩情况也可能不相同。
表面弛豫往往不限于表面上第1层原子，它可能涉及几个原子层，而每一层间的相对膨胀或压缩可能是不同的，而且离体内越远，变化越显著；愈深入体相，弛豫效应愈弱。
（3）重构表面重构是指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但垂直方向的层间距则与体内相同。
形成重构表面会导致晶体表面自由能增加，这时因为重构的表面原子间距增加，处于亚稳的状态，使表面自由能增加。
3、吸附表面吸附表面有时也称界面。
它是在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。
4、固体的表面自由能和表面张力固体的表面自由能和表面张力的定义与液体的表面自由能和表面张力类似。
在液体中，由于液体原子（分子）间的相互作用力相对较弱，它们之间的相对运动较容易。
因此，液体中产生新的表面的过程实质上是内部原子（分子）克服引力转移到表面上成为表面原子（分子）的过程。
新形成的液体表面很快就达到一种动态平衡状态。
液体的表面自由能与表面张力在数值上是一致的。
但是，对固体来说，其中原子（分子、离子）间的相互作用力相对较强。
就大部分固体而言，组成它的原子（分子、离子）在空间按一定的周期性排列，形成具有一定对称性的晶格。
即使对于许多无定形的固体，也是如此，只是这种周期性的晶格延伸的范围小得多（微晶）。
在通常条件下，固体中原子、分子彼此间的相对运动比液体中的原子、分子要困难得多。
与液体相比：1）固体在表面原子总数保持不变的条件下，由于弹性形变而使表面积增加，也就是说，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）由于固体表面上的原子组成和排列的各向异性，固体的表面张力也是各向异性的。
不同晶面的表面自由能也不相同。
若表面不均匀，表面自由能甚至随表面上不同区域而改变。
在固体表面的凸起处和凹陷处的表面自由能是不同的。
处于凸起部位的分子的作用范围主要包括的是气相，相反处于凹陷处底部的分子的作用范围大部分在固相，显然在固体表面的凸起处的表面自由能与表面张力比凹陷处要大。
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。
为什么固体的表面张力在数值上不等于表面自由能？答：固体中质点间相互作用力相对液体来说要强很多，那么彼此间的相对运动要困难得多，在保持固体表面原子总数不变的条件下，通过弹性形变可使表面积增加，即固体的表面自由能中包含了弹性能，因此，表面张力在数值上已不在等于表面自由能。
5、表面偏析不论表面进行多么严格的清洁处理，总有一些杂质由体内偏析到表面上来，从而使固体表面组成与体内不同，称为表面偏析。
6、表面力场晶体中每个质点周围都存在着一个力场。
由于晶体内部质点排列是有序和周期重复的，故每个质点力场是对称的。
但在固体表面，质点排列的周期重复性中断，使处于表面边界上的质点力场对称性破坏，表现出剩余的键力，这就是固体表面力。
这种剩余的键力是导致固体表面吸引气体分子、液体分子（如润湿或从溶液中吸附）或固体质点（如粘附）的原因。
由于被吸附表面也有力场，因此确切地说，固体表面上的吸引作用，是固体的表面力场和被吸引质点的力场相互作用所产生的，这种相互作用力称为固体表面力。
依性质不同，表面力可分为化学力和分子引力两部分。
4.1.2 固体的表面结构1、晶体表面结构（单晶）2、粉体表面结构3、玻璃表面结构4、固体表面的几何结构通常所说的固体表面是指整个大块晶体的三维周期性结构与真空之间的过渡层，它包括所有与体相内三维周期性结构相偏离的表面原子层，一般是一到几个原子层，可以把它看成是一特殊的相—表面相。
所谓表面结构就是指表面相中的原子组成与排列方式。
1、晶体表面结构表面力的存在使固体表面处于较高能量状态。
但系统总会通过各种途径来降低这部分过剩的能量，这就导致表面质点的极化、变形、重排并引起原来晶格的畸变。
液体总是力图形成球形表面来降低系统的表面能，而晶体由于质点不能自由流动，只能借助离子极化或位移来实现。
这就造成了表面层与内部的结构差异。
对于不同结构的物质，其表面力的大小和影响不同，因而表面结构状态也会不同。
晶体的表面双电层模型对于离子晶体，表面力的作用影响如图所示。
处于表面层的负离子只受到上下和内侧正离子的作用，而外侧是不饱和的。
电子云将被拉向内侧的正离子一方而变形，使该负离子诱导成偶极子。
这样就降低了晶体表面的负电场。
接着，表面层离子开始重排以使之在能量上趋于稳定。
为此，表面的负离子被推向外侧，正离子被拉向内侧从而形成了表面双电层。
与此同时，表面层中的离子间键性逐渐过渡为共价键性。
结果，固体表面好像被一层负离子所屏蔽并导致表面层在组成上成为非化学计量的。
表面双电层建立过程中，负离子向外侧移动，正离子向内侧移动，这种位移是否仅仅局限在最外层与此外层面网间？答：No。
负离子总趋于向外位移；正离子则依第一层向内，第二层向外交替地位移。
与此相应的正、负离子间的作用键强也沿着从表面向内部方向交替地增强和减弱，离子间距离交替地缩短和变长。
因此与晶体内部相比，表面层离子排列的有序程度降低了，键强数值分散了。
实验依据：真空中分解MgCO3后得到的MgO颗粒互相排斥。
可以预期，对于其它由半径大的负离子与半径小的正离子组成的化合物，特别是金属氧化物如Al2O3、SiO2等也会有相应效应。
也就是说，在这些氧化物的表面，可能大部分由氧离子组成，正离子则被氧离子所屏蔽。
而产生这种变化的程度主要取决于离子极化性能。
例子：PbI2表面能最小（130尔格／厘米2），PbF2次之（900尔格／厘米2），CaF2最大（2500尔格／厘米2）。
为什么？答：这正因为Pb++与I-都具有大的极化性能所致。
当用极化性能较小的Ca2+和F-依次置换PbI2中的Pb++和I-离子时，相应的表面能和硬度迅速增加。
极化性能大，表面能小，相应的表面双电层厚度将变大。
4、固体表面的几何结构实验观测表明，固体实际表面是不规则而粗糙的，存在着无数台阶、裂缝和凹凸不平的峰谷。
这些不同的几何状态同样会对表面性质产生影响，其中最重要的是表面粗糙度和微裂纹。
表面粗糙度会引起表面力场变化，进而影响其表面性质。
由于固体表面的不平坦结构，使表面力场变得不均匀，其活性和其它表面性质也随之发生变化。
其次，粗糙度还直接影响到固体比表面积、内、外表面积比值以及与之相关的属性，如强度、密度、润湿、孔隙率和孔隙结构、透气性和浸透性等。
此外，粗糙度还关系到两种材料间的封接和结合界面间的吻合和结合强度。
表面微裂纹是由于缺陷或外力作用而产生。
微裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度这种影响尤为重要。
脆性材料的理论强度约为实际强度的几百倍，正是因为存在于固体表面的微裂纹起着应力倍增器的作用，使位于裂缝尖端的实际应力远远大于所施加的应力。
4.2 润湿与粘附4.2.1 润湿的类型1、沾湿2、浸湿3、铺展4.2.2 接触角和 Young方程4.2.3 非理想固体表面上的接触角1、表面粗糙度的影响2、组合表面3、吸附膜4.2.4 测定固体表面张力的方法4.2.5 粘附及其化学条件4.2.1 润湿的类型润湿是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程。
润湿现象分成沾湿、浸湿和铺展三种类型。
1、沾湿这一过程进行后的总结果是：消失一个固-气和一个液-气界面，产生一个固-液界面。
(4.2.1)式中γLV 、γSV 、γSL --单位面积固-液、固-气和液-气的界面自由能。
沾湿的实质是液体在固体表面上的粘附，沾湿的粘附功W a为（4.2.2）从式（4.4.2）知γSL越小，则W a越大，液体越易沾湿固体。
若W a≥0，则（ΔG）TP≤0，沾湿过程可自发进行。
固一液界面张力总是小于它们各自的表面张力之和，这说明固一液接触时，其粘附功总是大于零。
因此，不管对什么液体和固体沾湿过程总是可自发进行的。
LVSVSLγγγ+<2、浸湿在浸湿过程中，体系消失了固-气界面，产生了固-液界面。
浸湿过程引起的体系自由能的变化为(4.2.3)如果用浸润功W i 来表示这一过程自由能的变化，则是(4.2.4)若W i ≥0，则ΔG≤0，过程可自发进行。
浸湿过程与粘湿过程不同，不是所有液体和固体均可自发发生浸湿，而只有固体的表面自由能比固一液的界面自由能大时浸湿过程才能自发进行。
3、铺展置一液滴于一固体表面。
恒温恒压下，若此液滴在固体表面上自动展开形成液膜，则称此过程为铺展润湿。
