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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。
第一章晶体结构缺陷 defect, imperfection 点缺陷 point defect线缺陷 line defect, dislocation 面缺陷 interface defect体缺陷 volume defect 位错排列 dislocation arrangement位错线 dislocation line 刃位错 edge dislocation螺位错 screw dislocation 混合位错 mixed dislocation晶界 grain boundaries 大角度晶界 high-angle grain boundaries小角度晶界 tilt boundary, 孪晶界 twin boundaries位错阵列 dislocation array 位错气团 dislocation atmosphere位错轴 dislocation axis 位错胞 dislocation cell位错爬移 dislocation climb 位错聚结 dislocation coalescence位错滑移 dislocation slip 位错核心能量 dislocation core energy位错裂纹 dislocation crack 位错阻尼 dislocation damping位错密度 dislocation density 原子错位 substitution of a wrong atom 间隙原子 interstitial atom 晶格空位 vacant lattice sites间隙位置 interstitial sites 杂质 impurities弗伦克尔缺陷 Frenkel disorder 肖脱基缺陷 Schottky disorder主晶相 the host lattice 错位原子 misplaced atoms缔合中心 Associated Centers. 自由电子 Free Electrons电子空穴 Electron Holes 伯格斯矢量 Burgers克罗各-明克符号 Kroger Vink notation 中性原子 neutral atom原子质量单位 Atomic mass unit (amu) 原子数 Atomic number原子量 Atomic weight 波尔原子模型 Bohr atomic model键能 Bonding energy 库仑力 Coulombic force共价键 Covalent bond 分子的构型 molecular configuration电子构型 electronic configuration 负电的 Electronegative正电的 Electropositive 基态 Ground state氢键 Hydrogen bond 离子键 Ionic bond同位素 Isotope 金属键 Metallic bond摩尔 Mole 分子 Molecule泡利不相容原理 Pauli exclusion principle 元素周期表 Periodic table原子 atom 分子 molecule分子量 molecule weight 极性分子 Polar molecule量子数 quantum number 价电子 valence electron范德华键 van der waals bond 电子轨道 electron orbitals点群 point group 对称要素 symmetry elements各向异性 anisotropy 原子堆积因数 atomic packing factor(APF)体心立方结构 body-centered cubic (BCC) 面心立方结构 face-centered cubic (FCC)布拉格定律bragg’s law配位数 coordination number晶体结构 crystal structure 晶系 crystal system晶体的 crystalline 衍射 diffraction中子衍射 neutron diffraction 电子衍射 electron diffraction晶界 grain boundary 六方密堆积 hexagonal close-packed (HCP)鲍林规则Pauling’s rules NaCl型结构 NaCl－type structureCsCl型结构 Caesium Chloride structure 闪锌矿型结构 Blende-type structure 纤锌矿型结构 Wurtzite structure 金红石型结构 Rutile structure萤石型结构 Fluorite structure 钙钛矿型结构 Perovskite-type structure尖晶石型结构 Spinel-type structure 硅酸盐结构 Structure of silicates岛状结构 Island structure 链状结构 Chain structure层状结构 Layer structure 架状结构 Framework structure滑石 talc 叶蜡石 pyrophyllite高岭石 kaolinite 石英 quartz长石 feldspar 美橄榄石 forsterite各向同性的 isotropic 各向异性的 anisotropy晶格 lattice 晶格参数 lattice parameters密勒指数 miller indices 非结晶的 noncrystalline多晶的 polycrystalline 多晶形 polymorphism单晶 single crystal 晶胞 unit cell电位 electron states (化合)价 valence电子 electrons 共价键 covalent bonding金属键 metallic bonding 离子键 Ionic bonding极性分子 polar molecules 原子面密度 atomic planar density衍射角 diffraction angle 合金 alloy 配位数 coordination number粒度,晶粒大小 grain size 显微结构 microstructure显微照相 photomicrograph 扫描电子显微镜 scanning electron microscope (SEM)透射电子显微镜 Transmission electron microscope (TEM)重量百分数 weight percent 四方的 tetragonal 单斜的 monoclinic第二章晶体结构缺陷-固溶体固溶度 solid solubility 间隙固溶体 interstitial solid solution金属间化合物 intermetallics 转熔型固溶体 peritectic solid solution无序固溶体 disordered solid solution取代型固溶体 Substitutional solid solutions非化学计量化合物 Nonstoichiometric compound第三章熔体结构熔体结构 structure of melt 过冷液体 supercooling melt玻璃态 vitreous state 软化温度 softening temperature粘度 viscosity 表面张力 Surface tension介稳态过渡相 metastable phase 组织 constitution淬火 quenching 退火的 softened玻璃分相 phase separation in glasses 体积收缩 volume shrinkage第四章固体的表面与界面表面 surface 界面 interface 惯习面 habit plane同相界面 homophase boundary 异相界面 heterophase boundary晶界 grain boundary 表面能 surface energy小角度晶界 low angle grain boundary 大角度晶界 high angle grain boundary 共格孪晶界 coherent twin boundary 晶界迁移 grain boundary migration错配度 mismatch 驰豫 relaxation重构 reconstuction 表面吸附 surface adsorption表面能 surface energy 倾转晶界 titlt grain boundary扭转晶界 twist grain boundary 倒易密度 reciprocal density共格界面 coherent boundary 半共格界面 semi-coherent boundary非共格界面 noncoherent boundary 界面能 interfacial free energy应变能 strain energy 晶体学取向关系 crystallographic orientation 第五章相图相图 phase diagrams 相 phase 组分 component 组元 compoonent 相律 Phase rule 投影图 Projection drawing浓度三角形 Concentration triangle 冷却曲线 Cooling curve成分 composition 自由度 freedom相平衡 phase equilibrium 化学势 chemical potential热力学 thermodynamics 相律 phase rule吉布斯相律 Gibbs phase rule 自由能 free energy吉布斯自由能 Gibbs free energy 吉布斯混合能 Gibbs energy of mixing 吉布斯熵 Gibbs entropy 吉布斯函数 Gibbs function热力学函数 thermodynamics function 热分析 thermal analysis过冷 supercooling 过冷度 degree of supercooling杠杆定律 lever rule 相界 phase boundary相界线 phase boundary line 相界交联 phase boundary crosslinking共轭线 conjugate lines 相界有限交联 phase boundary crosslinking相界反应 phase boundary reaction 相变 phase change相组成 phase composition 共格相 phase-coherent金相相组织 phase constentuent 相衬 phase contrast相衬显微镜 phase contrast microscope 相衬显微术 phase contrast microscopy 相分布 phase distribution 相平衡常数 phase equilibrium constant相平衡图 phase equilibrium diagram 相变滞后 phase transition lag相分离 phase segregation 相序 phase order相稳定性 phase stability 相态 phase state相稳定区 phase stabile range 相变温度 phase transition temperature相变压力phase transition pressure 同质多晶转变polymorphic transformation同素异晶转变allotropic transformation 相平衡条件phase equilibrium conditions显微结构 microstructures 低共熔体 eutectoid不混溶性 immiscibility第六章扩散下坡扩散 Downhill diffusion 互扩散系数 Mutual diffusion渗碳剂 carburizing 浓度梯度 concentration gradient浓度分布曲线 concentration profile 扩散流量 diffusion flux驱动力 driving force 间隙扩散 interstitial diffusion自扩散 self-diffusion 表面扩散 surface diffusion空位扩散 vacancy diffusion 扩散偶 diffusion couple扩散方程 diffusion equation 扩散机理 diffusion mechanism扩散特性 diffusion property 无规行走 Random walk达肯方程 Dark equation 柯肯达尔效应 Kirkendall equation本征热缺陷 Intrinsic thermal defect 本征扩散系数 Intrinsic diffusion coefficient 离子电导率 Ion-conductivity 空位机制 Vacancy concentration第七章相变过冷 supercooling 过冷度 degree of supercooling晶核 nucleus 形核 nucleation形核功 nucleation energy 晶体长大 crystal growth均匀形核 homogeneous nucleation 非均匀形核 heterogeneous nucleation形核率 nucleation rate 长大速率 growth rate热力学函数 thermodynamics function临界晶核 critical nucleus 临界晶核半径 critical nucleus radius枝晶偏析 dendritic segregation 局部平衡 localized equilibrium平衡分配系数 equilibrium distributioncoefficient 有效分配系数 effective distribution coefficient成分过冷 constitutional supercooling 引领（领现相） leading phase共晶组织 eutectic structure 层状共晶体 lamellar eutectic伪共晶 pseudoeutectic 离异共晶 divorsed eutectic表面等轴晶区 chill zone 柱状晶区 columnar zone中心等轴晶区 equiaxed crystal zone 定向凝固 unidirectional solidification 急冷技术 splatcooling 区域提纯 zone refining单晶提拉法 Czochralski method 晶界形核 boundary nucleation位错形核 dislocation nucleation 晶核长大 nuclei growth斯宾那多分解spinodal decomposition 有序无序转变disordered-order transition马氏体相变 martensite phase transformation 马氏体 martensite第八、九章固相反应和烧结固相反应 solid state reaction 烧结 sintering烧成 fire 合金 alloy再结晶 Recrystallization 二次再结晶 Secondary recrystallization成核 nucleation 结晶 crystallization子晶，雏晶 matted crystal 耔晶取向 seed orientation异质核化heterogeneous nucleation 均匀化热处理homogenization heat treatment铁碳合金 iron-carbon alloy 渗碳体 cementite铁素体 ferrite 奥氏体 austenite共晶反应 eutectic reaction 固溶处理 solution heat treatment。
第四章表面与界面§4-1 固体的表面一、固体表面的特征1、固体表面的不均一性（1）、同一种固体物质，制备或加工条件不同也会有不同的表面性质；（2）、实际晶体的表面由于晶格缺陷、空位或位错而造成表面的不均一性；（3）、只要固体暴露在空气中，其表面总是被外来物质所污染，被吸附的外来原子可占据不同的表面位置，形成有序或无序排列，也引起了固体表面的不均一性。
总之，实际固体表面的不均一性，使固体表面的性质悬殊较大，从而增加了固体表面结构和性质研究的难度。
2、固体表面力场定义：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，称之为固体表面力。
长程力：固体物体之间相互作用力。
它是两相之间的分子引力通过某种方式加合和传递而产生的，其本质仍属范德华力。
长程力分两类：一类是依靠粒子之间的电场传播的；另一类是通过一个分子到另一个分子逐个传播而达到长距离的。
范氏力主要来源于三种不同的力：定向作用力诱导作用力色散力二、晶体表面结构1、离子晶体的表面离子晶体MX在表面力作用下，离子的极化与重排过程见图4-1。
处于在表面层的负离子（X-）在外侧不饱和，负离子极化率大，通过电子云拉向内侧正离子一方的极化变形来降低表面能，这一过程称为松弛，是瞬间完成的，接着发生离子重排。
从晶格点阵稳定性考虑，作用力较大、极化率小的正离子应处于稳定的晶格位置，而易极化Ｘ－受诱导极化偶极子排斥而推向外侧，从而形成双电层。
如：NaCI表面形成厚度为0.02nm的表面双电层。
AI2O3、SiO2、ZrO2表面也有此现象。
2、晶体表面的几何结构随着晶体面的不同，表面上原子的密度也不同。
固体的实际表面是不规则和粗糙的，存在着无数台阶、裂缝和凹凸不平的山峰谷，这些不同的几何状态必然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。
第四章 固体的表面与界面【教学目的】了解固体的表面及结构与液体的不同界面及界面行为。
基本掌握晶界理论、表面吸附、粘土-水系统性质。
【教学内容】固体表面结构、固体界面结构、界面吸附效应、粘土-水系统性质。
【教学重点】表面结构、界面效应中的吸附和改性、泥浆的各种性质。
【教学方法及手段】多媒体课件展示图、表第一节 晶界类型一.根据相邻晶粒的位向差分：位向差大——大角度晶界位向差小——小角度晶界1.小角度晶界：亚晶界单晶体中“镶嵌结构”产生小角度晶界。
小角度晶界位向差小，晶界很薄。
小角度晶界形成原因是单晶体在成长过程中受热或机械应力或表面张力作用产生的。
同号位错在同一滑移面上相互排斥异号位错在同一滑移面上相互吸引。
同号位错不在同一滑移面上相互吸引。
2.大角度晶界：多晶材料之间的晶界，其结构为无定型结构，厚度较大。
二.根据晶面两侧晶格的吻合程度分：1.共格界面：界面两侧具有相近的原子排列和原子间距，越过晶面原子排列是连续的，即界面上的原子同时处于相邻的晶列的晶格结点上。
共格界面，其上结点属于界面两侧两个晶粒，但两侧的晶粒晶格常数略有差别，通过弹性变形来协调。
孪晶（双晶）间界面为共格晶界，可通过堆垛层错产生。
ABCA 孪晶2.半共格晶界晶格间距失配度太大，弹性变形不能协调,插入刃型位错，在界面上插入附加的半平面（引入刃型位错）形成半共格界面。
3.非共格晶界面：晶界两侧结构相差太大，此时晶界结构为无定形的，为非共格晶面。
二.晶界能晶界比晶体内部具有过剩的能量。
晶界能：大角度晶界 > 小角度晶界非共格晶界 > 半共格晶界 > 共格晶界三.晶界应力晶体各向异性，晶界两侧位向不同，两侧晶体沿晶界同一方向上弹性模量、热膨胀系数不同，会产生晶界应力，若应力过大，晶界开裂，有裂纹出现。
第二节 晶体的表面结构表面是指晶体与真空（或与本身蒸汽）之间的界面。
一.表面对键强分布的影响：表面的存在会影响晶体内部键强的分布。
表面的键强两极分化，最强键、最弱键都分布在表面，随离开表面距离的增大，键增强、减弱的程度减小，表面的影响程度越来越弱，到离开表面足够远的地方，键强已经不受表面影响了。
二．离子晶体的表面双电层产生表面双电层的原因是极化，半径小、电价高的正离子对半径大的负离子极化作用大，易形成表面双电层，双电层的厚度也与极化大小有关。
由于表面被负离子所屏蔽，因而表面呈负电性。
形成表面双电层后表面能降低，而且表面双电层厚度越大，表面能降低越多。
因为表面双电层产生后，正离子受力比较均衡，而且最表面负离子之间产生共价键结合，释放能量，使表面能量降低。
第三节 晶体的表面能一， 表面能定义每增加单位表面体系自由焓的增量——（比）表面自由焓（比表面能、表面能），是指每单位面积表面比内部过剩的自由焓。
二．晶体表面能的理论计算设Ub：质点在晶体内时与最近邻质点的相互作用能Us ：质点在表面时与最近邻质点的相互作用能 Us≈ Ubn b ：质点在晶体时周围最近邻的质点数n s ：质点在表面时周围最近邻的质点数 n b > n s把一个质点从内部移出需要断键数量比从表面移出需要断键数量多，因而需要能量大，高出的能量为ΔU。
表面质点本身可动性大，说明表面质点本身能量高，ΔU 就是表面质点比内部质点过剩的能量。
ΔU = U b n b /2- U s n s /2= U b n b /2（1- n s / n b ）= U 晶/N 0（1- n s / n b ）设表面密度：Ls（单位面积表面拥有的质点数）Ls·ΔU = Ls·U 晶/ N 0（1- n s / n b ）Ls·ΔU 代表单位面积表面比内部过剩的能量，即表面内能。
自由焓：G = U-TS，0K 时，G = U = Ls·U 晶/ N 0（1- n s / n b ）由此式可知：（1）当T 升高时，表面自由焓小于表面内能。
（2）表面自由焓和晶格能成近似正比关系。
（3）表面能是各向异性的（4）表面能随温度T升高而降低①T↑，质点间键力↓，将质点转到表面的能量↓，表面能↓。
② T↑，熵所引起的作用↑，所以表面能↓。
三．表面能与表面张力的关系液体表面存在沿着表面作用在单位长度上的力，力图使表面缩小。
由于液体形成新表面的过程是可逆的，所以表面张力的数值等于表面能。
固体形成表面的过程是非可逆的，所以表面张力的数值不等于表面能。
四. 固体的表面活性表面质点能量高，活性大，因此，物料的比表面积越大，活性就越大，也就是需要的活化能越小。
物料粉磨时，由于高分散度的物料体系自由焓高，不稳定，倾向于自发聚结，所以粉磨到到一定程度后比表面积很难再增加，但即使如此，物料活性仍在增加，因为物料的晶格缺陷随粉磨的进行在增加。
五．界面能：当两相化学性质相似时，界面能小。
如果两相化学性质相差较大但有强烈吸引力，也会使界面能小。
第四节 表面力一. 表面力处于内部的质点，受力是均衡的，而处在表面的质点，由于力场不平衡，因此有剩余键力，使表面有吸附作用。
这种固体表面和被吸附质点之间的作用力称为表面力。
二.表面力的种类：1、物理力，即范德华力。
2、化学力：固体表面和被吸附质点之间发生了电子转移。
第五节 表面行为一. 表面吸附表面吸附是一个自发过程，放热过程。
可以利用吸附来进行表面改性，所谓表面改性，是指通过各种表面处理改变固体表面结构和性质，以适应各种预期要求。
表面活性剂是指加入少量就能显著降低表面能的物质。
表面活性剂一般有具有“两亲结构”，一端亲水、一端亲油，所以可以改性。
二.润湿1.润湿的度量θ≤900 润湿θ>900 不润湿σsg =σlg cosθ+σslcosθ=（σsg -σls ）/σlg2.润湿过程（1）润湿类型①附着润湿（粘附润湿） 由原来的液体表面和固体表面变成固液界面。
G 始-G 终 =σlg +σsg -σl s = W 粘附W 粘附 —把固液界面拆开需要环境做的最小功，反映两相之间结合程度。
W↑，结合牢固。
②浸渍润湿（浸润）固液界面代替原来固体表面。
G 始-G 终 =σsg -σls = W 浸渍W 浸渍—反映了在固体表面上液体取代气体能力的大小。
W 浸渍 = 浸润张力F =σsg -σls =σlg cosθ③铺展润湿（铺展）在液体在固体表面铺展的同时，液气界面也在。
即扩展固液界面和液气表面代替固气界面。
G 始- G 终=σsg -σls -σlg = S（铺展系数）当S≥0时，液体就可以在固体表面铺展。
S =σsg -σls -σlg = F-σlg 当润湿张力大于σlg 时可以铺展。
（2）不同润湿过程发生的条件：①能量判据：附着润湿：W 粘= F+σlg浸渍润湿：W 浸= F铺展润湿：S = F-σlg②接触角判据：W 粘=σlg （1+cosθ）≥0 θ≤180OW 浸=σlg cosθ ≥0 θ≤90OS =σlg （cosθ-1）≥0 θ≤03.表面粗糙度对润湿的影响根据热力学原理，物系平衡条件：dG/dS=0σls · dS-σsg ·dS +σlg ·dS cosθ= 0∴σls -σsg +σlg cosθ=0cosθ =（σls -σsg ）/σlg实际表面从微观上看是凹凸不平的。
θn—表观接触角。
给定粗糙系数n = 真实表面积/表观表面积。
n 总是大于1。
当表观表面积增加dS，则：nσls · dS - nσsg ·dS +σlg ·dS cosθn = 0∴nσls -nσsg +σlg cosθn = 0cosθn = n（σls -σsg ）/σlg当σls <σsg , cosθn > 0, n↑, cosθn↑, θn↓因此，如果本来就润湿，表面越粗糙，则越有利于润湿。
当σls >σsg , cosθn<0,n↓,cosθn↓, θn↑本来不润湿，表面越粗糙，就越不容易润湿。
4. 润湿对材料微观结构的影响（1）固-液系统φ是二面角，大小取决于固-固界面能和固-液界面能的比值。
σss = 2σsl cos（φ/2）∴cos（φ/2）=1/2·σss /σsl 当σss /σsl =当σss /σsl >1, cos（φ/2）<1/2, φ>1200当σss /σsl = 2, cos（φ/2）=1, φ=0当σss /σsl=3，cos（φ/2）=23, φ=600当σss /σsl>3，cos（φ/2）>23, φ<600z微观结构分为:①固-固直接结合结构：φ大，σss /σsl小。
如需要耐高温的耐火材料，则固固直接结 合的结构好。
②固-液-固结合结构：φ小，σss /σsl大。
(2)固-气系统气孔分布状况由固-固界面能和固体表面能比值决定。
此现象称为热腐蚀现象。
其中φ称为沟槽角，又叫槽角或热腐蚀角。
第六节 弯曲表面效应一. 毛细现象在毛细管中，由于液体的弯曲表面产生的力，称为毛细管力。
弯曲表面上的饱和蒸汽压与曲率半径的关系如下式所示：开尔文公式：)11(2ln1212rrRTMPP−=ρσ其中：M—分子量 ρ—密度 σ—表面张力 P—表面上的饱和蒸汽压r1、r2—曲率半径当r1= r2= ∞（平表面）时，l弯平弯RTrMPPnρσ2=弯曲表面为凸面：r弯>0,P凸>P平,r↑, (P凸-P平) ↑弯曲表面为凹面：r弯<0,P凹<P平,r↓, (P凹-P平) ↓∴P凸> P平> P凹由于弯曲表面上的饱和蒸汽压受曲率半径的影响，微小晶体的溶解度增大, 熔点降低。
