材料表面与界面(2-2)..
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材料的表面与界面
区局部融化，然后又迅速冷却而结晶，会造成了表面层约1微米范围内晶粒尺寸不均匀.
（2）贝尔比层：材料经抛光后，表面形成厚度约5-100nm的光亮而致密层，称为· 金属和合金的贝尔比层往往存在非晶、微晶和金属氧化物.贝尔比层坚硬并且具有 良好的耐腐蚀性. 机械加工后金属表面组织：氧化物层（10-100nm）-贝尔比层（5-100nm）-严重 畸变区（1-2μ m）-强烈畸变区-轻微畸变区
通过晶格的收缩或扩张而形成特殊排列的位错作为两相的过渡区.过渡区的位错称为失配位错.
多晶材料中的界面；（1）多晶材料中的相平衡 两个非共格相界的平衡： ①120︒<ψ <180︒时，第二相在母相中呈圆形，对母相不润湿，呈柱状分布； ②60︒<ψ <120︒时，第二相在母相三晶粒交界处沿晶界部分渗入； ③0︒<ψ <60︒时，第二相在母相三晶粒交界处形成三角状，随二面角减小铺展的越开； ④ψ =0︒时，第二相在母相的晶界区铺开；
旋转对称：旋转角θ =2π /n,n为正整数，称为旋转对称的滑移群：对某一直线作镜像反应后，再沿此线平行方向滑移 半个平移基失.镜像滑移群+点群→17种对称群，称为二位空间群. 原子的表面密度：单胞中某一表面上原子的总面积与该表面积之比.ρ =Aa/As （2）清洁表面：在真空中分开晶体，或将已有表面在真空中经过离子轰击、高温 脱附后得到的表面，这种表面没有吸附其它异类原子，只存在表面原子的排列变化 ①表面重构：形成晶体表面的悬空键的存在，使其处于高能不稳定状态，为了降低 表面自由能，表面原子的位置必然发生变化，这种变化的结果，使得表面原子的 平移对称性与理想表面显著不同，这种表面变化称为表面重构. ②表面弛豫：为了降低体系能量，表面上的原子会发生相对正常位置的上或者下 位移，表面原子的这种位移称为表面弛豫.其显著特征是表面第一层原子和第二层 原子之间的距离改变，越深入体相，弛豫效应越弱，并迅速消失. ③表面台阶结构：存在各种各样的缺陷：TLK模型，T指平台，L表示单原子高度的 台阶，K表示单原子尺度的扭折. （3）吸附表面：除了表面原子几何位置发生变化外，还通过吸附外来原子来降低 表面自由能.包括物理吸附(弱、快、无选择性)和化学吸附（强、慢、选择性）. 表面热力学：①表面自由能：自由能极图 ②表面自由能的各向异性影响因素：a.键能Eb； b.单位面积键的数量 ③晶体的稳定形状：表面自由能趋向最小，所以对于各向同性的液体来说，形状 总是趋于球形.定义体积恒定情况下表面自由能最小的形状为平衡形状. 对于各向异性的晶体来说，晶体的平衡形状就是自由能极图的最大内接多边形 实际表面：①表面粗糙度（表面不平整程度小于1mm时）R=Ar/Ag Ag为几何表面积；Ar为包括内表面在内的实际表面积 ②表面杂质的偏析（表面杂质浓度比体内大时）与耗尽（表面浓度比体内小时） 如果杂质原子在表面能使表面自由能降低，则形成偏析，反之形成耗尽； 由热力学条件得出、且偏析尺度为原子尺度（纳米级），称为平衡偏析； 实际上表面的偏析主要发生在几十纳米到几个微米的范围，这种偏析为非平衡 偏析，原因：表面区内存在许多空位、晶格畸变等缺陷，它们形成了明显的应力 场，并引起相应的畸变能，与主成分原子半径不同的各种杂质，进入畸变区域后， 将有利于畸变能的减少，使表面自由能降低，故形成各种非平衡偏析. ③金属与合金的表面组织受环境温度、氧气分压、合金组分浓度等的影响； 表面组织： （1）表面层晶粒尺寸变化：在切磨、抛光等机械加工时，产生大量的热，使表面
（2）贝尔比层：材料经抛光后，表面形成厚度约5-100nm的光亮而致密层，称为· 金属和合金的贝尔比层往往存在非晶、微晶和金属氧化物.贝尔比层坚硬并且具有 良好的耐腐蚀性. 机械加工后金属表面组织：氧化物层（10-100nm）-贝尔比层（5-100nm）-严重 畸变区（1-2μ m）-强烈畸变区-轻微畸变区
通过晶格的收缩或扩张而形成特殊排列的位错作为两相的过渡区.过渡区的位错称为失配位错.
多晶材料中的界面；（1）多晶材料中的相平衡 两个非共格相界的平衡： ①120︒<ψ <180︒时，第二相在母相中呈圆形，对母相不润湿，呈柱状分布； ②60︒<ψ <120︒时，第二相在母相三晶粒交界处沿晶界部分渗入； ③0︒<ψ <60︒时，第二相在母相三晶粒交界处形成三角状，随二面角减小铺展的越开； ④ψ =0︒时，第二相在母相的晶界区铺开；
旋转对称：旋转角θ =2π /n,n为正整数，称为旋转对称的滑移群：对某一直线作镜像反应后，再沿此线平行方向滑移 半个平移基失.镜像滑移群+点群→17种对称群，称为二位空间群. 原子的表面密度：单胞中某一表面上原子的总面积与该表面积之比.ρ =Aa/As （2）清洁表面：在真空中分开晶体，或将已有表面在真空中经过离子轰击、高温 脱附后得到的表面，这种表面没有吸附其它异类原子，只存在表面原子的排列变化 ①表面重构：形成晶体表面的悬空键的存在，使其处于高能不稳定状态，为了降低 表面自由能，表面原子的位置必然发生变化，这种变化的结果，使得表面原子的 平移对称性与理想表面显著不同，这种表面变化称为表面重构. ②表面弛豫：为了降低体系能量，表面上的原子会发生相对正常位置的上或者下 位移，表面原子的这种位移称为表面弛豫.其显著特征是表面第一层原子和第二层 原子之间的距离改变，越深入体相，弛豫效应越弱，并迅速消失. ③表面台阶结构：存在各种各样的缺陷：TLK模型，T指平台，L表示单原子高度的 台阶，K表示单原子尺度的扭折. （3）吸附表面：除了表面原子几何位置发生变化外，还通过吸附外来原子来降低 表面自由能.包括物理吸附(弱、快、无选择性)和化学吸附（强、慢、选择性）. 表面热力学：①表面自由能：自由能极图 ②表面自由能的各向异性影响因素：a.键能Eb； b.单位面积键的数量 ③晶体的稳定形状：表面自由能趋向最小，所以对于各向同性的液体来说，形状 总是趋于球形.定义体积恒定情况下表面自由能最小的形状为平衡形状. 对于各向异性的晶体来说，晶体的平衡形状就是自由能极图的最大内接多边形 实际表面：①表面粗糙度（表面不平整程度小于1mm时）R=Ar/Ag Ag为几何表面积；Ar为包括内表面在内的实际表面积 ②表面杂质的偏析（表面杂质浓度比体内大时）与耗尽（表面浓度比体内小时） 如果杂质原子在表面能使表面自由能降低，则形成偏析，反之形成耗尽； 由热力学条件得出、且偏析尺度为原子尺度（纳米级），称为平衡偏析； 实际上表面的偏析主要发生在几十纳米到几个微米的范围，这种偏析为非平衡 偏析，原因：表面区内存在许多空位、晶格畸变等缺陷，它们形成了明显的应力 场，并引起相应的畸变能，与主成分原子半径不同的各种杂质，进入畸变区域后， 将有利于畸变能的减少，使表面自由能降低，故形成各种非平衡偏析. ③金属与合金的表面组织受环境温度、氧气分压、合金组分浓度等的影响； 表面组织： （1）表面层晶粒尺寸变化：在切磨、抛光等机械加工时，产生大量的热，使表面
材料物理化学-第五章 表面与界面
材料物理化学
湖南工学院
④n↑或↓ 三、吸附与表面改性 吸附：新鲜的固体表面能迅速地从空气中吸附气体或其它物质来降低其表面能。吸附是 一种物质的原子或分子附着在另一种物质表面现象。 表面改性：通过改变固体表面结构状态和官能团。 表面活性剂：降低体系的表面（或界面）张力的物质。
5.3 无机材料的晶界与相界
液体
开 the contact 两相的化学性能或
F 为润湿张力，θ为润湿角（接触角 angle），由于 所以，润湿先决条件是γSV>γS或γSL很小，当固液 化学结合方式很接近时，是可以满足这一要求。
材料物理化学
固
湖南工学院
改变γSV——减少氧化吸附膜； 改变γSL——两相组成相似； 改变γLV——液体中加入表面活性剂 ⑶浸渍润湿 浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。
湖南工学院
第五章
表面与界面
表面的质点由于受力不均衡而处于较高的能阶。这就使物体表面呈现一系列特殊的性 质。高分散度物系比低分散度物系能量高得多，必然使物系由于分散度的变化而使两者在物 理性能（如熔点、沸点、蒸气压、溶解度、吸附、润湿和烧结等）和化学性质（化学活性、 催化、固相反应）方面有很大的差别。随着材料科学的发展，固体表面的结构和性能日益受 到科学界的重视。随着近年来表面微区分析、超高真空技术以及低能电子衍射等研究手段的 发展，使固体表面的组态、构型、能量和特性等方面的研究逐渐发展和深入，并逐渐形成一 门独立学科——表面化学和表面物理。 表面与界面的结构、性质，在无机非金属固体材料领域中，起着非常重要的作用。例如 固相反应、烧结、晶体生长、玻璃的强化、陶瓷的显微结构、复合材料都与它密切相关。 表面：—个相和它本身蒸汽（或真空）接触面称之。 界面：—个相与另一个相（结构不同）接触的分界面称之。 相界：指具有不同组成或结构的两固相间的分界面。 晶界：是指同材料相同结构的两个晶粒之间的边界。 习惯上把液-气界面、固-气界面称为液体表面和固体表面。表面可以由一系列的物理化 学数据来描述（表面积、表面组成、表面张力、表面自由能、熵、焓等），表面与界面的组 成和结构对其性能有着重要的影响。 表面与界面起突出作用的新型材料，如薄膜、多层膜、超晶格、超细微粒与纳米材料等 发展如日中天。
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④n↑或↓ 三、吸附与表面改性 吸附：新鲜的固体表面能迅速地从空气中吸附气体或其它物质来降低其表面能。吸附是 一种物质的原子或分子附着在另一种物质表面现象。 表面改性：通过改变固体表面结构状态和官能团。 表面活性剂：降低体系的表面（或界面）张力的物质。
5.3 无机材料的晶界与相界
液体
开 the contact 两相的化学性能或
F 为润湿张力，θ为润湿角（接触角 angle），由于 所以，润湿先决条件是γSV>γS或γSL很小，当固液 化学结合方式很接近时，是可以满足这一要求。
材料物理化学
固
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改变γSV——减少氧化吸附膜； 改变γSL——两相组成相似； 改变γLV——液体中加入表面活性剂 ⑶浸渍润湿 浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。
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第五章
表面与界面
表面的质点由于受力不均衡而处于较高的能阶。这就使物体表面呈现一系列特殊的性 质。高分散度物系比低分散度物系能量高得多，必然使物系由于分散度的变化而使两者在物 理性能（如熔点、沸点、蒸气压、溶解度、吸附、润湿和烧结等）和化学性质（化学活性、 催化、固相反应）方面有很大的差别。随着材料科学的发展，固体表面的结构和性能日益受 到科学界的重视。随着近年来表面微区分析、超高真空技术以及低能电子衍射等研究手段的 发展，使固体表面的组态、构型、能量和特性等方面的研究逐渐发展和深入，并逐渐形成一 门独立学科——表面化学和表面物理。 表面与界面的结构、性质，在无机非金属固体材料领域中，起着非常重要的作用。例如 固相反应、烧结、晶体生长、玻璃的强化、陶瓷的显微结构、复合材料都与它密切相关。 表面：—个相和它本身蒸汽（或真空）接触面称之。 界面：—个相与另一个相（结构不同）接触的分界面称之。 相界：指具有不同组成或结构的两固相间的分界面。 晶界：是指同材料相同结构的两个晶粒之间的边界。 习惯上把液-气界面、固-气界面称为液体表面和固体表面。表面可以由一系列的物理化 学数据来描述（表面积、表面组成、表面张力、表面自由能、熵、焓等），表面与界面的组 成和结构对其性能有着重要的影响。 表面与界面起突出作用的新型材料，如薄膜、多层膜、超晶格、超细微粒与纳米材料等 发展如日中天。
材料物理与化学材料表面与界面物理与化学概念梳理
材料物理与化学材料表面与界面物理与化学概念梳理材料物理与化学—材料表面与界面物理与化学概念梳理在材料科学与工程领域中，表面与界面物理与化学是一个重要的研究方向。
了解材料表面与界面的性质对于改良材料性能、开发新型材料以及提高材料的应用性具有重要意义。
本文将对材料表面与界面物理与化学的相关概念进行梳理。
一、表面与界面的定义与特点1. 表面的定义与特点表面是指材料内部与外部环境之间的界面，是材料与外界相互作用的主要区域。
表面具有以下特点：（1）表面具有较高的表面自由能，导致表面能量较高；（2）表面具有不规则的形貌特征，如微观粗糙度和凹凸不平等；（3）表面具有较低的占有体积，而占据材料总体积很少。
2. 界面的定义与特点界面是指两个不同相的材料之间的边界，不同相可以是不同的材料，或者同一材料的不同相。
界面具有以下特点：（1）界面能量通常高于体相能量；（2）界面存在着各种缺陷，如孪晶、晶粒边界、位错等；（3）界面对材料的力学、电学、光学等性质具有重要影响。
二、表面与界面物理的研究内容1. 表面物理的研究内容表面物理主要研究材料表面的结构、形貌以及物理性质等。
具体研究内容包括：（1）表面结构的分析与表征，如表面晶胞结构、表面晶格畸变等；（2）表面形貌的研究，如表面粗糙度、表面平整度等；（3）表面态的研究，如表面态密度、表面电子结构等。
2. 界面物理的研究内容界面物理主要研究不同相之间的界面结构、界面缺陷以及物理性质等。
具体研究内容包括：（1）界面结构的分析与表征，如界面原子排列、界面层间结合等；（2）界面缺陷的研究，如界面晶格错配、界面位错等；（3）界面电子结构的研究，如界面态密度、界面电子传输等。
三、表面与界面化学的研究内容1. 表面化学的研究内容表面化学主要研究材料表面的化学成分、表面反应以及表面吸附等。
具体研究内容包括：（1）表面成分的分析与表征，如表面含有的原子、分子及其吸附态等；（2）表面反应的研究，如表面催化反应、表面氧化还原反应等；（3）表面吸附的研究，如表面吸附物的类型、吸附等温线等。
(完整word版)材料的表面界面特征及在材料工程上的意义
四川大学2009级研究生期末考试论文（2009-1010学年下半学年）课程名称:材料的表面与界面论文题目:材料的表界面特征及在材料工程上的意义学院:材料科学与工程学院专业:材料材料与纳米技术学号:S092030姓名:管东波材料的表面界面特征及在材料工程上的意义摘要：本文首先提出为什么要研究材料的表界面，随后又系统的阐述了何为材料的表界面，接着文章从液体材料表面、固体材料表面、固-液界面、金属材料表面、高分子材料表界面、无机材料表面等不同类型的材料表面来具体分析了材料表面的特征，最后文章简单的说明了材料的表界面对提高、改善材料工程上很多材料的性能有极大的帮助，研究材料的表界面对材料工程有着非常重要的意义。
关键词：材料的表界面、表面、界面、材料工程1．前言材料科学、信息科学和生命科学是当今新技术革命的三大前沿科学，而材料科学方面材料的表界面占有十分重要的地位，所以说研究材料的表界面特征对我们材料科学的发展、对我们材料工程的设计有着非常重要的意义。
材料的表面界面与其内部本体在结构上和化学组成上都有很明显的差别，这是因为在材料内部的原子周围布满原子，原子之间相互作用，中间原子所受的力是平衡的，而对于处于表面界面的原子，它所受的力场是不平衡的，所以在材料的表面产生了表面能（若是界面则称为界面能）。
对于不同组分构成的材料，组分与组分之间可形成界面，而对于单组份材料，由于其内部不可避免的会存在有缺陷，所以即使单组份材料内部也会产生界面。
材料的表界面对材料的整体性能有很大的影响，有的甚至直接决定了材料的性能，所以我们有必要把研究材料的表界面作为我们研究材料的一个重要研究对象。
2．材料表界面的定义及其特征2.1材料表界面的定义何谓材料的表界面？表界面研究的对象是不均匀的体系，具有多相性，即该体系中存在两个或两个以上的不同的相，而表界面就是指由一个相过渡到另一个相的这段过渡区域。
虽然说表面和界面都是指这段过渡区域，但由于习惯的不同，我们还是把表面和界面区分开来的，一般把固-气、液-气的过渡的过渡区域称为表面，而把固-液、液-液、固-固之间的过渡区域称为界面。
材料表面与界面课后思考题
材料表⾯与界⾯课后思考题第⼀章1.试述表⾯张⼒（表⾯能）产⽣的原因。
怎样测试液体的表⾯张⼒？（1）原因液体表⾯层的分⼦所受的⼒不均匀⽽产⽣的。
液体表⾯层即⽓液界⾯中的分⼦受到指向液体内部的液体分⼦的吸引⼒，也受到指向⽓相的⽓体分⼦的吸引⼒，由于⽓相吸引⼒太⼩，这样，⽓液界⾯的分⼦净受到指向液体内部并垂直于表⾯的引⼒作⽤，即为表⾯张⼒。
这⾥的分⼦间作⽤⼒为范德华⼒。
（2）测试①⽑细管上升法测定原理将⼀⽀⽑细管插⼊液体中, 液体将沿⽑细管上升, 升到⼀定⾼度后, ⽑细管内外液体将达到平衡状态, 液体就不再上升了。
此时,液⾯对液体所施加的向上的拉⼒与液体总向下的⼒相等。
则γ=1 /2(ρl-ρg)ghrcosθ(1)(1)式中γ为表⾯张⼒, r为⽑细管的半径, h为⽑细管中液⾯上升的⾼度,ρl为测量液体的密度,ρg为⽓体的密度( 空⽓和蒸⽓) , g为当地的重⼒加速度, θ为液体与管壁的接触⾓。
若⽑细管管径很⼩, ⽽且θ=0 时, 则上式(1)可简化为γ=1/2ρghr (2）②Wilhelmy 盘法测定原理⽤铂⽚、云母⽚或显微镜盖玻⽚挂在扭⼒天平或链式天平上, 测定当⽚的底边平⾏⾯刚好接触液⾯时的压⼒, 由此得表⾯张⼒,公式为:W总-W⽚=2γlcosφ式中,W总为薄⽚与液⾯拉脱时的最⼤拉⼒,W⽚为薄⽚的重⼒, l为薄⽚的宽度, 薄⽚与液体的接触的周长近似为2l, φ为薄⽚与液体的接触⾓。
③悬滴法测定原理悬滴法是根据在⽔平⾯上⾃然形成的液滴形状计算表⾯张⼒。
在⼀定平⾯上, 液滴形状与液体表⾯张⼒和密度有直接关系。
由Laplace 公式, 描述在任意的⼀点P 曲⾯内外压差为式中R1, R2 为液滴的主曲率半径; z 为以液滴顶点O为原点, 液滴表⾯上P 的垂直坐标; P0 为顶点O处的静压⼒。
定义S= ds/de式中de为悬滴的最⼤直径, ds为离顶点距离为de处悬滴截⾯的直径再定义H=β(de/b)2 则得γ= (ρl-ρg)gde2/H 式中b为液滴顶点O处的曲率半径。
材料的表面与界面第一章 表面与界面的基础知识
p2 /r 式中的是液体或水的表面张力，r是气泡的半径。
r/nm p/Pa
1
2
10
1000
1440×105 720×105 144×105 1.44×105
对于主曲率半径为R1和R2的任一曲面，可以得到Laplace公式的普遍形式：
p
1 1
R 1 R 2
（1）当p指弯曲液面的内外压力差： p=p内-p外， p内通常指曲 率半径为正值一侧压力，如气泡内的压力；曲率半径的正负号要 取正确。
（2）过程自由能变化 沽湿：若恒温恒压下形成单位界面，自由能变化为 -GA= sg + lg - sl = WA WA称为黏附功，是将单位面积固液界液体分子间）作用力的大小。
WA>0,则-GA <0，沽湿过程自发进行。
铺展：液体自发在固体表面展开成一薄层。 形成单位界面时的自由能改变：
气体和气体之间总是均相体系，因此不存在表面与界面。
固—气，液—气之间的过渡区域叫做表面； 固—液，液—液．固—固的过渡区域称为界面。
实际上两相之间并不存在截然的分界面。相与相之间是个逐步过渡的区域， 表面与界面区的结构、能量、组成等都呈现连续的梯度的变化。因此， 表面与界面不是几何学上的平面，而是一个结构复杂，厚度约为几个分 子长度的准三维区域，因此常把界面区域当作一个相或层来处理，称作 界面相或界面层。
二、液体表面张力的影响因素
1. 物质的本质 液体表面张力是指将液体分子从体相中拉到表面上所做功的大小，因此
它与液体分子之间的相互作用力的性质与大小有关。相互作用强烈， 不易脱离体相，表面张力就大。如水分子间有氢键作用，并可形成结 构，因此水是常见液体中表面张力最大的。
一般情况下： （1）液态金属的表面张力大是由于金属键的强度大，使其相对移动困难，
r/nm p/Pa
1
2
10
1000
1440×105 720×105 144×105 1.44×105
对于主曲率半径为R1和R2的任一曲面，可以得到Laplace公式的普遍形式：
p
1 1
R 1 R 2
（1）当p指弯曲液面的内外压力差： p=p内-p外， p内通常指曲 率半径为正值一侧压力，如气泡内的压力；曲率半径的正负号要 取正确。
（2）过程自由能变化 沽湿：若恒温恒压下形成单位界面，自由能变化为 -GA= sg + lg - sl = WA WA称为黏附功，是将单位面积固液界液体分子间）作用力的大小。
WA>0,则-GA <0，沽湿过程自发进行。
铺展：液体自发在固体表面展开成一薄层。 形成单位界面时的自由能改变：
气体和气体之间总是均相体系，因此不存在表面与界面。
固—气，液—气之间的过渡区域叫做表面； 固—液，液—液．固—固的过渡区域称为界面。
实际上两相之间并不存在截然的分界面。相与相之间是个逐步过渡的区域， 表面与界面区的结构、能量、组成等都呈现连续的梯度的变化。因此， 表面与界面不是几何学上的平面，而是一个结构复杂，厚度约为几个分 子长度的准三维区域，因此常把界面区域当作一个相或层来处理，称作 界面相或界面层。
二、液体表面张力的影响因素
1. 物质的本质 液体表面张力是指将液体分子从体相中拉到表面上所做功的大小，因此
它与液体分子之间的相互作用力的性质与大小有关。相互作用强烈， 不易脱离体相，表面张力就大。如水分子间有氢键作用，并可形成结 构，因此水是常见液体中表面张力最大的。
一般情况下： （1）液态金属的表面张力大是由于金属键的强度大，使其相对移动困难，
《材料表面与界面》教学大纲
为后续学习打下基础。
张力、表面能等基本概念和
计算方法。
讲解了固-液、固-气、液-气 等界面的形成、特性及相互 作用机制，包括界面张力、 界面电势等。
系统介绍了物理、化学、机 械等多种表面改性方法，如 表面涂层、离子注入、激光 处理等。
阐述了界面设计的基本原理 和方法，包括界面相容性、 界面稳定性等方面的考虑， 以及界面优化的策略和技术。
介绍按成膜物质、涂层功能、涂层厚 度等分类的涂层技术。
介绍涂层结合力、硬度、耐磨性、耐 腐蚀性等性能的评价方法和标准。
涂层制备方法
阐述物理气相沉积（PVD）、化学气 相沉积（CVD）、电镀、喷涂等涂层 制备方法的原理和特点。
表面改性技术
表面化学热处理
解释渗碳、渗氮、碳氮共渗等表 面化学热处理的原理和应用。
工设备的原理和使用方法。
微纳加工应用
介绍微纳加工在微电子、光电子、 生物医学等领域的应用实例和发
展趋势。
05
材料界面控制技术
界面设计原理与方法
界面设计的基本原理
包括界面能、界面张力、润湿与粘附等基本概念，以及Young-Dupre方程、 Wenzel方程等界面设计的基本原理。
界面设计方法
介绍基于第一性原理、分子动力学模拟、相场模拟等计算方法的界面设计，以及实 验手段如X射线光电子能谱、扫描隧道显微镜等在界面设计中的应用。
06
材料表面与界面性能评价
表面形貌与粗糙度评价
表面形貌观察
利用光学显微镜、扫描电子显微镜等手段观察材料表面的微观形 貌，了解表面缺陷、污染物等情况。
粗糙度测量
采用触针式轮廓仪、光学干涉仪等设备测量表面的粗糙度，评价 表面的平滑程度和纹理特征。
表面波度分析
材料表面与界面的物理化学特性和应用
材料表面与界面的物理化学特性和应用材料表面与界面的物理化学特性与应用材料表面和界面是物理化学界中的热门研究课题，其在生产和工程领域中应用广泛，例如电子、光电、光电化学、光催化等。
本文将从一些方面简要阐述材料表面和界面的物理化学特性和应用。
一、材料表面物理化学特性材料表面是与外部环境接触的区域，其物理化学特性直接影响着材料的表面性能和功能，例如，反应活性、化学惰性、电化学与光电化学性能、热力学性能等。
表面区域会对材料的机械性能产生影响，并且影响通过它的接触、化学反应、透射率、吸附等现象表现在材料的表面上。
二、材料界面物理化学特性材料界面是两种不同材料之间的接触面积。
它是由更小的基本单元形成的，包括颗粒和晶体级别给固体和液体和气相之间的界面。
界面反应和界面性质也是不断受到研究和应用的领域。
界面的结构、电子性质和化学反应是由相互作用机制（如化学键合和溶致相互作用等）所控制的，因此其本质特性存在复杂性。
三、应用在材料科学领域，材料表面和界面性质的研究对材料物理化学反应的研究具有重要意义。
它们在催化、电化学以及材料生物学领域中都有着广泛的应用。
材料表面和界面在催化领域中具有重要的应用作用，由于催化反应通常发生在材料表面，材料表面上分子间的相互作用和分子结构对反应机理的影响必须了解。
以催化剂为例，制备催化剂时很多时候会对表面做一些处理以提高催化反应的活性。
在电化学中，材料表面和界面也具有重要的应用。
氧化还原反应和界面电化学反应可以通过电化学实验进行研究，这需要建模并模拟材料表面和界面的化学活性。
操作建模是开发新的电化学体系的一个关键方面。
材料表面和界面性质也会影响到材料生物学的研究。
例如：人工髋关节的材料具有生物相容性，即它们必须对组织没有毒性，防止组织周围感染，而组织对材料的生长和结合必须是有利的。
骨与人工髋关节表面和界面的相互作用是一种材料学和生物学问题，需要深入研究。
总之，材料表面和界面在物理化学研究以及实际应用中具有极其重要的地位。
材料表面与界面
材料表面与界面
材料的表面和界面性质对其性能具有重要影响，因此对材料表面与界面的研究一直是材料科学领域的热点之一。
材料的表面是指材料与外界相接触的部分，而界面则是指材料内部不同相或不同材料之间的接触面。
材料的表面与界面性质的研究不仅有助于深入理解材料的性能和行为，还对材料的设计、合成和应用具有重要意义。
首先，材料的表面性质对其与外界的相互作用具有重要影响。
例如，材料的表面能影响其与其他材料的粘附性能，直接影响材料的耐磨性、耐腐蚀性等。
此外，材料的表面性质还会影响其光学、电子、热学等性能，因此对材料表面的研究具有重要意义。
其次，材料的界面性质对材料的力学性能和耐久性能具有重要影响。
例如，多相复合材料中不同相之间的界面性质直接影响材料的强度、韧性和断裂行为。
在材料的界面处往往会出现应力集中、裂纹扩展等现象，因此对材料界面的研究对提高材料的力学性能具有重要意义。
此外，材料的表面与界面性质还对材料的加工、成型和应用具有重要影响。
例如，在材料的表面处理过程中，可以通过改变表面的化学成分、形貌和结构来改善材料的表面性能，从而提高材料的耐磨性、耐腐蚀性等。
在材料的界面设计中，可以通过界面改性、界面结构设计等手段来改善材料的力学性能和耐久性能，从而拓展材料的应用领域。
综上所述，材料的表面与界面性质对材料的性能和应用具有重要影响，因此对材料表面与界面的研究具有重要意义。
随着材料科学的不断发展，对材料表面与界面的研究也将不断深入，为材料的设计、合成和应用提供重要支撑。
希望通过对材料表面与界面的研究，能够开发出更加性能优越的新型材料，推动材料科学领域的发展。
材料科学基础---第四章 表面与界面
单位面积上的能量和单位长度上的力是等因次的，
J/m2 Nm2mm N
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？
1)—开尔文方程
r2
P—曲面上蒸汽压 P0—平面上蒸汽压 r —球形液滴的半径 R—气体常数
—液体密度 M—分子量 —表面张力
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
lnP2M1cos P0 RT r
材料科学基础---第四章 表面 与界面
பைடு நூலகம்
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。
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？
第二节 界面行为
一、弯曲表面效应 二、润湿与粘附
一、 弯曲表面效应
1、弯曲表面的附加压力 (1)定义：弯曲表面两边的压力差称为弯曲表面的附加压力。 符号：∆P。 (2)产生原因：由于表面张力的作用。方向：曲率中心。
图4－6 润湿的三种情况
（1）附着润湿
J/m2 Nm2mm N
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？
1)—开尔文方程
r2
P—曲面上蒸汽压 P0—平面上蒸汽压 r —球形液滴的半径 R—气体常数
—液体密度 M—分子量 —表面张力
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
lnP2M1cos P0 RT r
材料科学基础---第四章 表面 与界面
பைடு நூலகம்
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。
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？
第二节 界面行为
一、弯曲表面效应 二、润湿与粘附
一、 弯曲表面效应
1、弯曲表面的附加压力 (1)定义：弯曲表面两边的压力差称为弯曲表面的附加压力。 符号：∆P。 (2)产生原因：由于表面张力的作用。方向：曲率中心。
图4－6 润湿的三种情况
（1）附着润湿
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固体表面能随温度的变化关系主要来源于固体表面熵的变化。由于与固体内部原子 相比，固体表面原子的运动自由度和表面点缺陷密度都较大，所以固体产生单位表面积 的熵是增加的，即Ss为正值。因此(∂γ/∂T)p为负值。因此，随温度升高，固体的表面能下 降。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（1）固体的表面能和表面应力
表面张力（Surface tension）、表面能（Surface energy）和表面应力（Surface stress）是我们在研究物质表面能量状态时经常用到的三个参数。这三个参数具有相 同的单位，即：单位面积的能量（J/m2）或单位长度的力（N/m）。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.3 固体晶体的平衡形状
（2）固体晶体表面平衡形状的确定方法
(a) (b) (c) (10) (11) (10) (11)
Cu Al Sn Mo
Nb
弹 性 模 量 10 (1 05 5 kg/ m m2)
Stainless Steel
Sn Al
Ag
Au
Ni-20/Cr Ni Ni-40/Cu -Fe Cu/Al Pt Cu-30/Zn Cu
Cr
Mo
d(Gs A) = Afde =fdA Gs dA + dGsA = fdA f = Gs + A (dGs/dA) = Gs + dGs/de
固体表面应力与表面能的之差为固体表面单位弹性应变下的表面能变化（ ∂Gs/∂e）。 只有当∂ Gs /∂e = 0时，表面应力等于表面能（例如液体）。对于许多固体，∂ Gs /∂e ≠ 0。 固体的表面应力与表面能通常在一个数量级。当∂ Gs /∂e > 0时，表面应力值大于表面能； 当∂ Gs /∂e < 0时，表面应力值小于表面能。
E = NEa + AEs
式中E为固体的总能量，N为固体中的总原子数，Ea为固体中每个原子所具有的 能量，A为固体的表面积，Es为固体表面单位面积所具有的能量。 固体的总熵值（S）也可以表示为：
S = NSa + ASs
固体的总自由能（G）也可以表示为：
G = NGa + AGs
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.2 固体不同晶面的表面能
（2）简单立方晶体固体表面能的计算
a a a
(a)单胞结构
(b){001}晶面
(c){011}晶面
(d){111}晶面
简单立方晶体的单胞结构和其中的{001}，{011}和{111}晶面原子排列示意图
简单立方晶体{001}，{011}和{111}晶面的表面能计算结果
1
500
1000
1500
2000
2500
表面能 (kJ/mole)
0 0 150 300 450 600 750 900
一些固态金属或合金的弹性模量与 表面能之间的关系。
升华热 (kJ/mole)
一些固态金属的表面能与 其升华热之间的关系。
固体的表面能与其升华热、弹性模量和熔 点等物理性能之间基本呈线性关系。 主要是因 为这些物理量都与固体内部原子间结合力大小
在用以上方法计算固体晶体表面能时，忽略了固体断 开后，形成新表面原子的松弛能。表面原子松弛将导致表 面能降低，但由于一般表面原子的松弛能要远远小于表面 能，所以在计算时，往往可以忽略表面原子松弛对表面能 产生的影响。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.3 固体晶体的平衡形状
晶面{hkl} {001} N{hkl} Z 1 γS{hkl}
1 a2
2
2
Ua 2a 2
2Ua
{011}
2a 3a
2
2a 2
3Ua
{111}
3
2
3
2a 2
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.2 固体不同晶面的表面能
（3）面心立方晶体固体表面能的计算
a a
a
(a)单胞结构
(b){001}晶面
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（3）固体的表面能与物理性能之间的关系
120
Ta W
50
W
摩 100 尔 表 80 面 能 60 (kJ/ mol 40 e)
20
Pt Cr Fe Ti Co Au Ni Ag Zn K
1 a2
2
2
2Ua a2
2Ua
{011}
a
2 4 1（次表面） 1（再次表面）
a2
3Ua
{111}
3
3a 2
a2
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.2 固体不同晶面的表面能面 再次表面 次表面
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.2 固体不同晶面的表面能
材料的表面与界面 Surfaces and Interfaces in Materials
第2章 材料表面与界面的基础知识
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
与固体内部原子相比，固体表面原子具有额外高的能量，因此，一个固体 总的能量应该等于固体中所有原子的能量和加上固体表面原子的能量和，即：
a
3 2Ua a2 2 3Ua a2
次表面 最表面
{111}
4 3 3a 2
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.2 固体不同晶面的表面能
（4）体心立方晶体固体表面能的计算
体心立方晶体{001}，{011}和{111}晶面的表面能计算结果
晶面{hkl} {001} N{hkl} Z 4 γS{hkl}
(c){011}晶面
(d){111}晶面
面心立方晶体的单胞结构和其中的{001}，{011}和{111}晶面原子排列示意图
面心立方晶体{001}，{011}和{111}晶面的表面能计算结果
晶面{hkl} {001} N{hkl} Z 4 5 1（次表面） 3 γS{hkl}
2 a2
2
2
4Ua a2
{011}
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（2）固体的表面能的影响因素
影响固体表面能的主要因素有：固体原子间的结合能、固体表面原子的晶面取向和温度。
Gs = Hs - TSs
Gs Ss T p T p
（1）固体晶体表面平衡形状及其形成原则
固体晶体的表面平衡形状一方面取决于所形成的总表面积大小，但更重要的是决定 于构成表面的晶面表面能大小。一般情况下，固体晶体的表面由那些表面能较低的低指 数晶面组成，从而形成多面体形状。
固体晶体平衡形状（多面体）形成的原则是固体总表面自由能最低。当固态球状晶 体加热后，固体晶体会变为多面体，其原因就是这样的多面体的总表面自由能最低。因 此，固体表面的平衡形状为多面体。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.2 固体不同晶面的表面能
（1）固体表面能的计算
采用“近邻断键模型”（Nearest-neighbor broken-bond model）来计算 固体晶体的表面能。 两点假设：第一，每个原子只与其最近邻的原子成键（最近邻原子数即为 该晶体结构的配位数），并且只考虑最近邻原子间的结合能；第二，原子间 的结合能（-Ua）不随温度变化。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（1）固体的表面能和表面应力
如果在拉伸或压缩应力的作用下，固体材料表面发生弹性变形，则由于弹性应变的 产生将导致表面能量状态发生变化。固体表面的弹性变形可以用表面弹性应变张量e来 表示。如果固体材料表面的弹性应变产生一个微小的可逆变化（de），则固体的表面积 也将产生一个微小的变化。由于这个微小弹性应变导致的额外表面自由能的增加为：
1727 2250 1027 1338 907 1100 1400 1535 1311 1047 1535 1250 16.5
金属的表面能一般在1000-2000 mJ/m2，陶瓷晶体的表面能一般是金属 的一半，而有机物液体的表面能非常低，一般比金属表面能低2个数量级。
第2章 材料表面与界面的基础知识
密切相关。
第2章 材料表面与界面的基础知识
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（3）固体的表面能与物理性能之间的关系
一些固态和液态金属的表面能测量结果
物质 表面能 (mJ/m2) 测量温度 (℃) 一些固态陶瓷和有机物液体的表面能测量结果 物质 LiF (固体) NaCl (固体) KCl (固体) MgO (固体) CaF2 (固体) BaF2 (固体) He N2 乙醇 水 苯 n-辛烷 四氯化碳 溴 醋酸 苯甲醛 硝基苯 表面能 (mJ/m2) 340 227 110 1200 450 280 0.31 9.71 22.75 72.75 28.88 21.80 26.95 41.50 27.80 15.50 25.20 测量温度 (℃) -195 25 25 25 -195 -195 -270.5 -195 20 20 20 20 20 20 20 20 20
2.2 固体的表面 2.2.1 固体的表面能
（4）固体的表面能的测量
由于固体晶体表面能受固体表面晶面取向影响很大，并且固体表面晶 体缺陷对表面能影响十分复杂，所以精确测量固体表面能是十分困难的。 利用单晶体解理断裂功测量方法可以测量固体晶体某一晶面的表面能。 利用大块晶体与不同尺寸粉末晶体的溶解热差测量方法可以近似求出晶体 的平均表面能。利用表面张力直接显示法可以得到固体接近熔点时的表面 能。 另外，从前面的学习内容可以看出，固体的表面能与其很多物理性能 密切相关，因此可以通过测量固体的一些物理性能数据，再通过固体表面 能与这些物理性能之间的定量关系，通过计算得到固体的表面能。