材料表面与界面(全套215页PPT课件)
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表界面是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。
若其中一相为气体,这种界面通常称为表面。
表面:在真空状态下,物体内部和真空之间的过渡区域,是物体最外面的几层原子和覆盖其上的外来原子和分子所形成的表面层。
表面层有其独特的性质,和物体内部的性质完全不同。
几何概念:表面是具有二维因次的一块面积,无厚度、体积。
界面:两个物体的相态相接触时的过渡区域,由于分子间的相互作用,形成在组成、密度、性质上和两相有交错并有梯度变化的过渡区域。
几何概念:它不同于两边相态的实体,有独立的相、占有一定空间,有固定的位置,有相当的厚度和面积。
弛豫;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d0相比有所膨胀和压缩的现象。
可能涉及几个原子层。
重构:指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内,但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。
这种不平衡作用力使表面有自动收缩的趋势,使系统能量降低的倾向,由此产生表面张力以σ表示,称为表面张力,即:6=f/2l,6=dw/da,σ也可以理解为表面自由能,简称表面能。
例题:20℃时汞的表面张力为4.85×10-1 Jm-2,求在此温度及101.325 kPa 的压力下,将半径1mm的汞滴分散成半径10-5 mm的微小汞滴,至少需要消耗多少功?解:已知:σ=4.85×10-1 Jm-2,r1=1mm, r2=10-5 mm,界面张力的热力学定义。
在恒温、恒压下研究表面性能,故常用下式表示。
广义表面自由能的定义:保持相应的特征变量不变,每增加单位表面积时,相应热力学函数的增值。
狭义表面自由能的定义:保持温度、压力和组成不变,每增加单位表面积时,Gibbs自由能的增加值称为表面Gibbs自由能,或简称表面自由能或表面能,用符号σ表示,单位为J·m-2。
表面张力与表面Gibbs自由能的异同:相同点:数值相同,量纲相同。
不同点:物理意义不同,单位不同。
例:试求25℃,质量m=1g的水形成一个球形水滴时的表面自由能E1。
第四章 材料的表面与界面表面与界面的概念:固体的表面现象与液体相似,通常把一个相和它本身蒸气(或真空)接触的分界面称为表面。
一个相与另一相(结构不同)接触的分界面称为界面。
固体的表面力:晶体中每个质点周围都存在着一个力场,在晶体内部,质点力场是对称的。
但在固体表面,质点排列的周期性重复中断,使处于表面边界上的质点力场对称性被破坏,表现出剩余的键力,这就是固体的表面力。
表面力的存在使固体表面处于较高的能量状态。
表面的结构:晶体由于质点不能自由流动,只能借助离子极化、变形、重排并引起晶格畸变来降低表面能,这样就造成表面层与内部结构的差异。
离子晶体(MX 型)在表面力作用下,处于表面层的负离子(X -)只受到上下和内侧正离子(M +)的作用,而外侧是不饱和的,该负离子通过极化变形来降低表面能,这一过程称为松驰,松驰在瞬间即可完成,其结果改变了表面层的键性。
接着是发生离子重排过程。
从晶格点阵排列的稳定性考虑,作用力较大、极化率小的正离子应处于稳定的晶格位置。
为降低表面能,各离子周围作用能应尽量趋于对称,从而形成表面双电层。
而产生这种变化的程度主要取决于离子极化性能,对于PbI2、PbF2、BaSO4、SrSO4、CaF2,PbI 2表面能最小,CaF 2最大。
这是因为Pb 2+和I -都具有最大的极化性能,双电层厚导致表面能和硬度都降低。
固体的表面能:表面能的含义是每增加单位表面积时,体系自由能的增量。
固体的表面能可以通过实验测定或理论计算法来确定。
1. 共价键晶体表面能共价键晶体不必考虑长程力的作用,表面能(u s )即是破坏单位面积上的全部键所需能量之一半。
b s u u 21= 式中:u b 为破坏化学键所需能量。
2. 离子晶体的表面能每一个晶体的自由能都是由两部分组成:体积自由能和一个附加的过剩界面自由能。
为了计算固体的表面自由能,我们取真空中绝对零度下一个晶体的表面模型,并计算晶体中一个原子(或离子)移到晶体表面时自由能的变化。