材料表面與界面(2-1)

1、材料的表面與界面材料的表面與界面Surfaces and Interfaces Surfaces and Interfaces in Materialsin Materials第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識n固態(tài)界面的定義固態(tài)界面的定義: :固體材料的界面可以被定義為與兩個(gè)固體緊密相連并將這固體材料的界面可以被定義為與兩個(gè)固體緊密相連并將這兩個(gè)固體隔離開來的與被分隔固體具有不同性質(zhì)的二維薄層。兩個(gè)固體隔離開來的與被分隔固體具有不同性質(zhì)的二維薄層。n被分割的兩個(gè)固體可以是同種物質(zhì)，也可以是不同種物質(zhì)。被分

2、割的兩個(gè)固體可以是同種物質(zhì)，也可以是不同種物質(zhì)。 n界面層的厚度一般在幾個(gè)原子層厚，當(dāng)界面層厚度較大時(shí)，一般稱之為界界面層的厚度一般在幾個(gè)原子層厚，當(dāng)界面層厚度較大時(shí)，一般稱之為界面相或界面層面相或界面層。 。n固體材料的表面是與其周圍的環(huán)境（通常指氣體）所形成的特殊界面，在固體材料的表面是與其周圍的環(huán)境（通常指氣體）所形成的特殊界面，在環(huán)境為真空時(shí)為理想狀態(tài)下固體材料的表面。環(huán)境為真空時(shí)為理想狀態(tài)下固體材料的表面。 n重點(diǎn)介紹有關(guān)重點(diǎn)介紹有關(guān)“固固氣氣”和和“液液氣氣”的表面問題和的表面問題和“固固固固”和和“固固液液”的界面問題的基礎(chǔ)知識。的界面問題的基礎(chǔ)知識。 n表面和界面能量和結(jié)構(gòu)是表

3、面和界面研究的最基礎(chǔ)問題，因此本章將從能表面和界面能量和結(jié)構(gòu)是表面和界面研究的最基礎(chǔ)問題，因此本章將從能量和結(jié)構(gòu)兩方面來介紹表面與界面的有關(guān)基礎(chǔ)知識。量和結(jié)構(gòu)兩方面來介紹表面與界面的有關(guān)基礎(chǔ)知識。 Surface, interface, grain boundary, interfacial phase, interfacial layer, coherent interface, incoherent interface. 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識n研究液體晶體結(jié)構(gòu)的基本假設(shè)： （1）組成液體的原子（或分子）分布均勻、連貫、無規(guī)則； （2）液體中沒有晶態(tài)區(qū)

4、域和能容納其它原子或分子的孔洞； （3）液體的結(jié)構(gòu)主要由原子間形成的排斥力所決定。因此可以使用固態(tài)“剛性球”模型解決液體結(jié)構(gòu)問題。 n液體結(jié)構(gòu)中近鄰原子數(shù)一般為511個(gè)（呈統(tǒng)計(jì)分布），平均為6個(gè)，與固態(tài)晶體密排結(jié)構(gòu)的12個(gè)最近鄰原子數(shù)相比差別很大。這種配位數(shù)的差別是液態(tài)與固態(tài)結(jié)構(gòu)差別的重要特征之一。 n液體結(jié)構(gòu)的這種剛性球自由密堆（Dense Random Packing，簡稱DRP）還可以用間隙多面體來表示，其中原子處在多面體間隙的頂點(diǎn) Crystal structure, longrange order, shortrange order, disorder, Coordination n

5、umber, 2.1 液體的表面液體的表面 2.1.1 液體的液體的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.1 液體的液體的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) 液體自由密堆結(jié)構(gòu)的5種理想間隙：(a)四面體間隙；(b) 八面體間隙；(c)三棱柱的側(cè)表面被覆蓋3個(gè)半八面體間隙；(d)阿基米德反棱柱被覆蓋2個(gè)半八面體間隙；(e)正方十二面體。 (a)(b)(c)(d)(e)第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.1 液體的液體的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) 由73%個(gè)四面體間隙和20%個(gè)八面體間隙組成的自由密堆結(jié)構(gòu)的最大

6、致密度為64%。與之相比，67%個(gè)四面體間隙和33%個(gè)八面體間隙組成的晶體密排結(jié)構(gòu)的最大致密度可以達(dá)到74% 在剛性球模型中在剛性球模型中5種多面體間隙出現(xiàn)的比例種多面體間隙出現(xiàn)的比例多面體間隙種類 數(shù)量百分比（%） 體積百分比（%）四面體 73.0 48.4二分之一八面體 20.3 26.9三棱柱 3.2 7.8阿基米德反棱柱體 0.4 2.1正方十二面體 3.1 14.8第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.1 液體的液體的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) n液體的原子結(jié)構(gòu)可以用X射線衍射方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定。測定結(jié)果通常用徑向分布函數(shù)來表征。n為了將自由密

7、堆模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，我們來看一下材料從其熔點(diǎn)開始加熱過程中原子的變化行為。n在0 K 溫度時(shí)，一個(gè)具有密堆結(jié)構(gòu)的面心立方晶體中，每個(gè)原子被其周圍與其徑向距離為r = re的12個(gè)最近鄰原子所包圍（在雙原子模型中，r為兩原子間距離，re為勢能最低時(shí)的兩原子間距）；被與其徑向距離為r =re的6個(gè)次近鄰原子所包圍；被與其徑向距離為r =re的24個(gè)遠(yuǎn)近鄰原子所包圍 001020re2rer(a)N(r)面心立方晶體（T = 0K）0 K 溫度溫度時(shí)時(shí)具有密堆具有密堆結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的面心立方晶體的面心立方晶體的原子徑的原子徑向密度分布函數(shù)向密度分布函數(shù) 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與

8、界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.1 液體的液體的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) n隨著溫度升高（低于材料熔點(diǎn)Tm），原子間距增加，原子震動(dòng)幅度提高，但仍然保持有序結(jié)構(gòu)。n這時(shí)的原子數(shù)量的變化不再是一系列離散的線，所以再用原子數(shù)量（N(r)）來表示不同徑向距離（r）處原子的分布就顯得不太合適，而通常采用的方法是用在不同徑向距離（r）處原子出現(xiàn)的密度來表示。n用密度分布函數(shù)(r)（Density distribution function）來代替離散的數(shù)量值N(r)時(shí)，分布函數(shù)的峰值就代表了在距離中心原子r處原子出現(xiàn)的概率。在較高溫度（低于熔點(diǎn)在較高溫度（低于熔點(diǎn)Tm）時(shí)具有密堆結(jié)構(gòu)的）時(shí)具有密堆結(jié)

9、構(gòu)的面心立方晶體的原子徑向面心立方晶體的原子徑向密度分布函數(shù)密度分布函數(shù) 002rereN(r)r面心立方晶體（T Tm）r第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.1 液體的液體的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) n液體的原子結(jié)構(gòu)存在以下三個(gè)主要特征：液體的原子結(jié)構(gòu)存在以下三個(gè)主要特征：（1）液體結(jié)構(gòu)中近鄰原子數(shù)一般為511個(gè)（呈統(tǒng)計(jì)分布），平均為 6個(gè)，與固態(tài)晶體密排結(jié)構(gòu)的12個(gè)最近鄰原子數(shù)相比差別很大；（2）在液體原子的自由密堆結(jié)構(gòu)中，四面體間隙占了主要地位。（3）液體原子結(jié)構(gòu)在幾個(gè)原子直徑范圍內(nèi)是短程有序的，而長程是 無序的。 第第2章章 材料表面與界面

10、的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.2 液體的表面能液體的表面能 在液體的內(nèi)部，任何分子周圍的吸引力都是平衡的，可是在液體在液體的內(nèi)部，任何分子周圍的吸引力都是平衡的，可是在液體表面層的分子卻不相同。液體表面層的分子，一方面受到液體內(nèi)層表面層的分子卻不相同。液體表面層的分子，一方面受到液體內(nèi)層的鄰近分子的吸引，另一方面受到液面外部氣體分子的吸引，而且的鄰近分子的吸引，另一方面受到液面外部氣體分子的吸引，而且前者的作用要比后者大，因此在液體表面層中，每個(gè)分子都受到一前者的作用要比后者大，因此在液體表面層中，每個(gè)分子都受到一個(gè)垂直于液面并指向液體內(nèi)部的不平衡力。

11、這種吸引力使表面上的個(gè)垂直于液面并指向液體內(nèi)部的不平衡力。這種吸引力使表面上的分子趨向于擠入液體內(nèi)部，促成液體的最小表面積。要使液體的表分子趨向于擠入液體內(nèi)部，促成液體的最小表面積。要使液體的表面積增大就必須要反抗液體內(nèi)部分子的吸引力而做功，從而增加分面積增大就必須要反抗液體內(nèi)部分子的吸引力而做功，從而增加分子的位能。所以說，分子在表面層比在液體內(nèi)部有較大的位能，這子的位能。所以說，分子在表面層比在液體內(nèi)部有較大的位能，這種位能就是液體的表面能。液體的表面能在數(shù)值上等于液體的表面種位能就是液體的表面能。液體的表面能在數(shù)值上等于液體的表面張力。液體的表面能是從能量角度來描述液體的能量狀態(tài)，而表面

12、張力。液體的表面能是從能量角度來描述液體的能量狀態(tài)，而表面張力是從液體的力學(xué)角度來描述液體的能量狀態(tài)。張力是從液體的力學(xué)角度來描述液體的能量狀態(tài)。 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.2 液體的表面能液體的表面能 液體的表面能首先是一個(gè)存在于液體整個(gè)表面的可測量的作用力。這種作用力來源于原子或分子間的吸引力，使原子或分子間盡可能地保持在它們之間的引力和斥力達(dá)到平衡時(shí)的距離。在這種力的作用下，液體表面層的原子或分子受到內(nèi)部原子或分子的吸引，趨向于擠入液體內(nèi)部，使液體表面積縮小，因此在液體表面的切線方向始終存在一種使液體表面積縮小的力。

13、液體表面的這種作用力被稱為液體的表面張力。 液體的表面張力始終是沿著液體表面的切線方向，合力指向液體內(nèi)部。 （1）液體的表面張力）液體的表面張力 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.2 液體的表面能液體的表面能 fl C D AB液體表面張力示意圖液體表面張力示意圖f = 2l = f/2l （1）液體的表面張力）液體的表面張力 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.2 液體的表面能液體的表面能 液體的表面張力大小受很多因素的影響。如液體的表面張力大小受很多因素的影響。如果

14、不考慮液體內(nèi)部其它組元向液體表面的偏聚和果不考慮液體內(nèi)部其它組元向液體表面的偏聚和液體外部組元在液體表面的吸附，液體表面張力液體外部組元在液體表面的吸附，液體表面張力大小主要受大小主要受物質(zhì)本身結(jié)構(gòu)、所接觸的介質(zhì)和溫度物質(zhì)本身結(jié)構(gòu)、所接觸的介質(zhì)和溫度的影響。的影響。（1）液體的表面張力）液體的表面張力 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.2 液體的表面能液體的表面能 液體中原子或分子間的結(jié)合能越大，表液體中原子或分子間的結(jié)合能越大，表面張力越大。具有金屬鍵原子結(jié)合的物質(zhì)的面張力越大。具有金屬鍵原子結(jié)合的物質(zhì)的表面張力最大；其次由大到

15、小依次為：離子表面張力最大；其次由大到小依次為：離子鍵結(jié)合的物質(zhì)、極性共價(jià)鍵結(jié)合的物質(zhì)、非鍵結(jié)合的物質(zhì)、極性共價(jià)鍵結(jié)合的物質(zhì)、非極性共價(jià)鍵結(jié)合的物質(zhì)。極性共價(jià)鍵結(jié)合的物質(zhì)。 具有不同結(jié)合鍵物質(zhì)的表面張力具有不同結(jié)合鍵物質(zhì)的表面張力結(jié)合鍵結(jié)合鍵物質(zhì)物質(zhì)測量溫度（測量溫度（）表面張力（表面張力（Nm-1）金屬鍵Fe15351.880Cu10241.250Zn4200.768Mg6490.583離子鍵NaCl10000.098KCl9000.090RbCl8280.089CsCl8300.078共價(jià)鍵Cl2-200.025O2-1830.007N2-1830.013H2O180.073第第2章章 材

16、料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.2 液體的表面能液體的表面能 介質(zhì)物質(zhì)的原子或分子與液體表面的原子或分介質(zhì)物質(zhì)的原子或分子與液體表面的原子或分子結(jié)合能越高，液體的表面張力越?。环粗?，介質(zhì)子結(jié)合能越高，液體的表面張力越?。环粗?，介質(zhì)物質(zhì)的原子或分子與液體表面的原子或分子結(jié)合能物質(zhì)的原子或分子與液體表面的原子或分子結(jié)合能越低，液體的表面張力越大。越低，液體的表面張力越大。 水和水銀在不同介質(zhì)環(huán)境下的表面張力水和水銀在不同介質(zhì)環(huán)境下的表面張力液液 體體介介 質(zhì)質(zhì)表面張力（表面張力（Nm-1）水 銀酒 精0.3643苯0.3620水空 氣0.0730

17、苯0.0326戊 醇0.0044第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.2 液體的表面能液體的表面能 液體的表面張力還與溫度有關(guān)。溫度升高，液體的密度降低，液體的表面張力還與溫度有關(guān)。溫度升高，液體的密度降低，液體內(nèi)部原子或分子間的作用力降低，因此液體內(nèi)部原子或分子對液體內(nèi)部原子或分子間的作用力降低，因此液體內(nèi)部原子或分子對表面層的原子或分子吸引力減弱，導(dǎo)致液體的表面張力下降。最早表面層的原子或分子吸引力減弱，導(dǎo)致液體的表面張力下降。最早給出的預(yù)測液體表面張力與溫度關(guān)系的半經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式為：給出的預(yù)測液體表面張力與溫度關(guān)系的半經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式為：

18、 = 0(1T/Tc)n 式中式中Tc為液體的氣化溫度，為液體的氣化溫度，0為為K時(shí)液體的表面張力。從公式可時(shí)液體的表面張力。從公式可以看出，當(dāng)以看出，當(dāng)T=Tc時(shí)液體的表面張力為零。這是因?yàn)楫?dāng)溫度達(dá)到液時(shí)液體的表面張力為零。這是因?yàn)楫?dāng)溫度達(dá)到液體與氣體的臨界溫度時(shí)，液體與氣體接近一致，液體與氣體的界面體與氣體的臨界溫度時(shí)，液體與氣體接近一致，液體與氣體的界面消失。當(dāng)公式中的指數(shù)消失。當(dāng)公式中的指數(shù)n為為1時(shí)，液體的表面張力與溫度呈線性關(guān)系。時(shí)，液體的表面張力與溫度呈線性關(guān)系。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對于一般的液態(tài)金屬，大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對于一般的液態(tài)金屬，n=1.2。第第2章章 材料表面與界面

19、的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.2 液體的表面能液體的表面能 對液體的表面張力隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果還表明，單組元液體的表面張力溫度對液體的表面張力隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果還表明，單組元液體的表面張力溫度系數(shù)（系數(shù)（d/dT）為負(fù)值。一般液體的表面張力溫度系數(shù)為）為負(fù)值。一般液體的表面張力溫度系數(shù)為0.10.2 mJ/m2，其絕對，其絕對值低于一般固體的表面張力溫度系數(shù)（平均為值低于一般固體的表面張力溫度系數(shù)（平均為0.45 mJ/m2）。另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果）。另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，隨液體表面張力的提高，液體的表面張力溫度系數(shù)提高。值得注意的是，還表明，隨

20、液體表面張力的提高，液體的表面張力溫度系數(shù)提高。值得注意的是，對于多組元系統(tǒng)，液體的表面張力溫度系數(shù)可能不為負(fù)值，因?yàn)橐后w中溶質(zhì)的表面對于多組元系統(tǒng)，液體的表面張力溫度系數(shù)可能不為負(fù)值，因?yàn)橐后w中溶質(zhì)的表面偏聚可能導(dǎo)致相反的結(jié)果。偏聚可能導(dǎo)致相反的結(jié)果。一些液態(tài)金屬的表面張力溫度系數(shù)一些液態(tài)金屬的表面張力溫度系數(shù)金屬金屬d/dT金屬金屬d/dT金屬金屬d/dTLi 0.015Al 0.14Fe 0.21Na0.10Ga 0.10Co 0.25K 0.065In 0.10Cu 0.20Rb 0.06Tl 0.12Nb 0.18Cs 0.05Sn 0.10Mo 0.20Mg 0.13Pb 0.19

21、Ag 0.16Ca 0.10Bi 0.09Ta 0.20Sr 0.085Ti 0.20Os 0.25Ba 0.075Cr 0.19Ir 0.23Hg 0.18Mn 0.21Au 0.14第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.2 液體的表面能液體的表面能 水的表面張力隨溫度的升高而下降的趨勢。這一變化規(guī)律可以從兩個(gè)水的表面張力隨溫度的升高而下降的趨勢。這一變化規(guī)律可以從兩個(gè)方面進(jìn)行解釋：一方面，隨溫度升高，水的體積膨脹，內(nèi)部分子間距離增方面進(jìn)行解釋：一方面，隨溫度升高，水的體積膨脹，內(nèi)部分子間距離增大，導(dǎo)致水中內(nèi)部分子對表面分子的吸引力

22、降低；另一方面，隨溫度升高，大，導(dǎo)致水中內(nèi)部分子對表面分子的吸引力降低；另一方面，隨溫度升高，蒸汽壓提高，氣相中的分子對水表面分子的吸引力增大。蒸汽壓提高，氣相中的分子對水表面分子的吸引力增大。 不同溫度下水的表面張力不同溫度下水的表面張力0204060800.0620.0640.0660.0680.0700.0720.0740.076 溫度/表面張力/ Nm-1第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.2 液體的表面能液體的表面能 如果要把液體內(nèi)部的原子或分子移動(dòng)到液體表面，增大液體的表面積，則必須如果要把液體內(nèi)部的原子或分子移動(dòng)到液體

23、表面，增大液體的表面積，則必須對液體做功來克服指向液體內(nèi)部的合力。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在等溫等壓可逆過對液體做功來克服指向液體內(nèi)部的合力。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在等溫等壓可逆過程中，外界對體系所做的最大非體積功等于體系自由能的增加，即：程中，外界對體系所做的最大非體積功等于體系自由能的增加，即：外界對液體體系做功示意圖外界對液體體系做功示意圖 （2）液體的表面自由能）液體的表面自由能 GT, P = W可 W可 = f x W可 = 2lx =S G =S dG =dS Sxfl C D AB第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.2 液

24、體的表面能液體的表面能 由于液體具有很好的流動(dòng)性，所以液體形狀的改變不需要額外提供能由于液體具有很好的流動(dòng)性，所以液體形狀的改變不需要額外提供能量，因此可以認(rèn)為這種體系自由能的增加主要是由于體系表面積增大而產(chǎn)量，因此可以認(rèn)為這種體系自由能的增加主要是由于體系表面積增大而產(chǎn)生的，所以也可稱之為表面自由能生的，所以也可稱之為表面自由能G表。即：表。即： dG表 =dS G表 =S = G表/S 一個(gè)液體體系表面自由能在數(shù)值上等于表面張力和表面積的乘積 表面張力是單位表面積的表面自由能。所以液體的表面張力又被稱為比表面自由能 一個(gè)液體體系在等溫等壓可逆條件下發(fā)生變化時(shí)，體系的表面積和表一個(gè)液體體系在

25、等溫等壓可逆條件下發(fā)生變化時(shí)，體系的表面積和表面張力都可能發(fā)生變化。根據(jù)熱力學(xué)自由能最小原理，一個(gè)過程是否能夠面張力都可能發(fā)生變化。根據(jù)熱力學(xué)自由能最小原理，一個(gè)過程是否能夠自發(fā)進(jìn)行，取決于體系表面自由能的變化。即：自發(fā)進(jìn)行，取決于體系表面自由能的變化。即： dG表 =dS + Sd 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.2 液體的表面能液體的表面能 各種金屬在其熔點(diǎn)溫度下的摩爾表各種金屬在其熔點(diǎn)溫度下的摩爾表面能與金屬汽化熱之間的關(guān)系面能與金屬汽化熱之間的關(guān)系 （3）液體的物理性能與表面能的關(guān)系）液體的物理性能與表面能的關(guān)系 KZn

26、AgSnAlCuAuCrNiCoFeTiPtMoTaW0150300450600750900020406080100120摩爾表 面能 (kJ/mole)氣化熱 (kJ/mole) 液體在其熔點(diǎn)溫度下的表面液體在其熔點(diǎn)溫度下的表面能與其汽化熱之間的關(guān)系可由能與其汽化熱之間的關(guān)系可由下面經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)：下面經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)：m = C0Hv / Vm 式中式中Hv為液體的汽化為液體的汽化熱，熱，Vm為液體的摩爾體積，為液體的摩爾體積，下角標(biāo)下角標(biāo)m表示在液體熔點(diǎn)溫表示在液體熔點(diǎn)溫度下得到的數(shù)值。常數(shù)度下得到的數(shù)值。常數(shù)C0=1.8109 mol-1/3。 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與

27、界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.2 液體的表面能液體的表面能 根據(jù)圖中所示的各種根據(jù)圖中所示的各種金屬在其熔點(diǎn)溫度下金屬在其熔點(diǎn)溫度下的表面能與其熔點(diǎn)溫的表面能與其熔點(diǎn)溫度之間簡單的線性關(guān)度之間簡單的線性關(guān)系，我們可以十分方系，我們可以十分方便地得到各種金屬在便地得到各種金屬在其熔點(diǎn)溫度下的表面其熔點(diǎn)溫度下的表面能數(shù)據(jù)。能數(shù)據(jù)。 WReOsTaNbIrRuRhRhVCoNiFePtTiMoZrCrPdBeSiCuAuAlZnAgGeCaBaSbMgCdPbBiInHgLiTeSeNaKRb0500100015002000250030003500400005001000150

28、0200025003000表表面面能能 (mJ/m2)熔點(diǎn)熔點(diǎn)(K)各種金屬（包括半導(dǎo)體元素）在其熔點(diǎn)溫度下的表各種金屬（包括半導(dǎo)體元素）在其熔點(diǎn)溫度下的表面能與金屬熔點(diǎn)溫度的關(guān)系面能與金屬熔點(diǎn)溫度的關(guān)系 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.2 液體的表面能液體的表面能 液體中溶質(zhì)原子向液體液體中溶質(zhì)原子向液體表面偏聚可以降低液體表面偏聚可以降低液體的表面能，因此是自發(fā)的表面能，因此是自發(fā)進(jìn)行的過程。進(jìn)行的過程。表面能隨組成液體的比表面能隨組成液體的比例變化越大，產(chǎn)生表面例變化越大，產(chǎn)生表面偏聚傾向性越大。偏聚傾向性越大。 一些二元

29、液態(tài)合金的表面能（一些二元液態(tài)合金的表面能（）隨合金組成的變化規(guī)律隨合金組成的變化規(guī)律 （4）液體的表面偏聚）液體的表面偏聚 5010001000500015002000 Cu-Sn(1150) Fe-Sn(1550)NiAuCdCuFeFeFeAgAgSnSn合金元素含量合金元素含量(wt%)表表面面能能 (mJ/m2) Ni-Fe(1550) Au-Ag(1108) Cd-Sn(450)第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.2 液體的表面能液體的表面能 溶質(zhì)含量較少的液態(tài)合金產(chǎn)生表面偏聚的傾向性與液態(tài)合金的等溫壓縮率溶質(zhì)含量較少的

30、液態(tài)合金產(chǎn)生表面偏聚的傾向性與液態(tài)合金的等溫壓縮率（Isothermal compressibility，用，用表示）有關(guān)。使液體表示）有關(guān)。使液體增大的溶質(zhì)原子具增大的溶質(zhì)原子具有產(chǎn)生表面偏聚的傾向性，因此產(chǎn)生表面偏聚的條件為：有產(chǎn)生表面偏聚的傾向性，因此產(chǎn)生表面偏聚的條件為： 式中式中C為溶質(zhì)的濃度。也就是說，在液體中，如果溶質(zhì)的等溫壓縮率高于為溶質(zhì)的濃度。也就是說，在液體中，如果溶質(zhì)的等溫壓縮率高于溶劑，則該溶質(zhì)將具有向液體表面偏聚的傾向性。另外，溶質(zhì)原子是否發(fā)溶劑，則該溶質(zhì)將具有向液體表面偏聚的傾向性。另外，溶質(zhì)原子是否發(fā)生表面偏聚，還受到溶質(zhì)原子和溶劑原子的尺寸差影響。生表面偏聚，還

31、受到溶質(zhì)原子和溶劑原子的尺寸差影響。 （4）液體的表面偏聚）液體的表面偏聚 (d/dC)C=0 0 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.1 液體的表面液體的表面 2.1.2 液體的表面能液體的表面能 合金元素對一些低合金含量二元液態(tài)金屬產(chǎn)生表面偏聚傾向性的影響合金元素對一些低合金含量二元液態(tài)金屬產(chǎn)生表面偏聚傾向性的影響溶劑溶劑溶質(zhì)溶質(zhì)溶質(zhì)與溶劑等溫壓縮率比較（溶質(zhì)與溶劑等溫壓縮率比較（10-11 m2/N）是否發(fā)生表面偏聚是否發(fā)生表面偏聚HgCd, Ag, Sn, Pb, Mg, Tl, Sr, Ba, Na, Li, K,Rb, CsCo, Bi, Zn, Cu2

32、 = 3.8; Sr, Ba和堿金屬：1 2；其它元素：1 2 （原子尺寸起決定因素）所有元素：1 2Cd元素：1 2；其它元素：1 2所有元素：1 2發(fā)生表面偏聚不發(fā)生表面偏聚AlZn, Li, Bi, PbMg, Sb, Sn2 = 1.4; 所有元素：1 2所有元素：1 2發(fā)生表面偏聚不發(fā)生表面偏聚CuSb, Sn, Ag, Au2 = 0.75; Sb, Sn和Ag：1 2；Au：1 2（原子尺寸起決定因素）不發(fā)生表面偏聚發(fā)生表面偏聚AgCu2 = 1.0; 1 2發(fā)生表面偏聚不發(fā)生表面偏聚SbCd, Zn, Pb2 = 2.7; 1 2發(fā)生表面偏聚不發(fā)生表面偏聚PbBi, K, Na

33、, CaSn2 = 2.3; 所有元素：1 21 0時(shí)，表面應(yīng)力值大于表面能；時(shí)，表面應(yīng)力值大于表面能；當(dāng)當(dāng) Gs /e s-l時(shí)，時(shí)，cos 0， 90 o， s-g與與 s-l差越大，潤濕性越好。差越大，潤濕性越好。當(dāng)當(dāng) s-g s-l時(shí)，時(shí)，cos 90 o， s-g與與 s-l差越大，潤濕性越差。差越大，潤濕性越差。以上方程的使用條件：以上方程的使用條件： s-g s-l l-g， s-g為為固體的表面能固體的表面能 潤濕角大小與潤濕程度的關(guān)系：潤濕角大小與潤濕程度的關(guān)系： 90 o：不潤濕：不潤濕 =0 o：完全潤濕：完全潤濕 =180o：完全不潤濕：完全不潤濕 s-gl-gs-l第

34、第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.3 固體和液體之固體和液體之間間的界面的界面 2.3.1 固體表面的固體表面的潤潤濕濕 表面能高的固體比表面能低的固體更容易被液體所潤濕。表面能低于表面能高的固體比表面能低的固體更容易被液體所潤濕。表面能低于0.1Nm-1的物的物質(zhì)為低能表面，如：有機(jī)物，高聚物。表面能為質(zhì)為低能表面，如：有機(jī)物，高聚物。表面能為110Nm-1的物質(zhì)為高能表面，如：金的物質(zhì)為高能表面，如：金屬，金屬氧化物，無機(jī)鹽。屬，金屬氧化物，無機(jī)鹽。 低能表面不易被液體潤濕，但表面張力很低的液體也可能潤濕，甚至完全潤濕低能低能表面不易被液體潤濕，但表面張力很低的

35、液體也可能潤濕，甚至完全潤濕低能表面。對于某一低能表面的固體，當(dāng)液體的表面張力達(dá)到表面。對于某一低能表面的固體，當(dāng)液體的表面張力達(dá)到 c時(shí)，可完全潤濕該固體，則時(shí)，可完全潤濕該固體，則 c稱為該固體被完全潤濕的臨界表面張力。稱為該固體被完全潤濕的臨界表面張力。 （2）臨界表面張力）臨界表面張力 例如：聚四氯乙烯的例如：聚四氯乙烯的 c為為0.018 Nm-1，而水的表面能為，而水的表面能為0.072 Nm-1，所以，水在，所以，水在聚四氯乙烯表面的潤濕角為聚四氯乙烯表面的潤濕角為 128 o。 c是固體材料的一個(gè)特征值，其物理意義是：只有表面張力小于是固體材料的一個(gè)特征值，其物理意義是：只有表

36、面張力小于 c的液體，才的液體，才能對該固體完全潤濕。大于能對該固體完全潤濕。大于 c的液體，有一定的的液體，有一定的 值。值。 由此又提出一個(gè)計(jì)算由此又提出一個(gè)計(jì)算 的經(jīng)驗(yàn)公式：的經(jīng)驗(yàn)公式： cos =1 ( 1-g c )其中其中 的單位是：的單位是：Nm-1； 3040第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.3 固體和液體之固體和液體之間間的界面的界面 2.3.1 固體表面的固體表面的潤潤濕濕 在液體中加入使在液體中加入使 1-s和和 1-g減小的物質(zhì)，可提高其潤濕性減小的物質(zhì)，可提高其潤濕性表面活性物質(zhì)。反之，使?jié)櫇癯潭认陆?。表面活性物質(zhì)。反之，使?jié)櫇癯潭认陆怠?/p>

37、應(yīng)用：液態(tài)金屬在澆鑄模中，兩者的潤濕性對澆鑄質(zhì)量影響很大。應(yīng)用：液態(tài)金屬在澆鑄模中，兩者的潤濕性對澆鑄質(zhì)量影響很大。 如果潤濕性差：金屬與模具不吻合，尖角變圓角。如果潤如果潤濕性差：金屬與模具不吻合，尖角變圓角。如果潤 濕性強(qiáng)：深入模具縫隙，表面不光滑。加入濕性強(qiáng)：深入模具縫隙，表面不光滑。加入Si可以調(diào)整可以調(diào)整 ， 改變改變 值。值。第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.3 固體和液體之固體和液體之間間的界面的界面 2.3.1 液體在固體表面的液體在固體表面的鋪鋪展展 潤濕作用可以從分子間作用力來分析：液體分子間相互吸引力潤濕作用可以從分子間作用力來分析：液體分子

38、間相互吸引力內(nèi)聚內(nèi)聚力，液固分子間吸引力力，液固分子間吸引力粘附力。粘附力。 內(nèi)聚力內(nèi)聚力粘附力：不潤濕粘附力：不潤濕 內(nèi)聚力內(nèi)聚力0時(shí)時(shí)， ，B在在A表面上會(huì)自表面上會(huì)自動(dòng)鋪動(dòng)鋪展開，展開，S值值越大，越大，鋪鋪展越容易。展越容易。S0是是鋪鋪展的基本條件，展的基本條件，這時(shí)這時(shí) A B AB0 對液相在固相表面的鋪展：對液相在固相表面的鋪展： A s-g， B l-g， AB= l-s，所以，所以 s-g l-s l-g 0，所，所以以 s-g l-s l-g。這時(shí)潤濕角方法已經(jīng)不能再適用。鋪展是潤濕的最高標(biāo)準(zhǔn)。這時(shí)潤濕角方法已經(jīng)不能再適用。鋪展是潤濕的最高標(biāo)準(zhǔn)。 （2）鋪展系數(shù)）鋪展系數(shù)

39、 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.4 固體和固體之固體和固體之間間的界面的界面 固體和固體之間的界面可以分為同相界面和異相界面。固體和固體之間的界面可以分為同相界面和異相界面。同相界面是指具有不同晶體取向或者有過渡層分開的兩個(gè)相同相晶體組成的界面，同相界面是指具有不同晶體取向或者有過渡層分開的兩個(gè)相同相晶體組成的界面，如晶界、孿晶界和層錯(cuò)。如晶界、孿晶界和層錯(cuò)。異相界面是指具有不同成分或晶體結(jié)構(gòu)的兩個(gè)晶體所組成的界面。異相界面又可以異相界面是指具有不同成分或晶體結(jié)構(gòu)的兩個(gè)晶體所組成的界面。異相界面又可以分為完全共格界面、半共格界面和非共格界面。分為完全共格界面、

40、半共格界面和非共格界面。完全共格界面是指界面處兩相的晶面和晶向完全連續(xù)。完全共格界面是指界面處兩相的晶面和晶向完全連續(xù)。半共格界面是指界面處兩相晶體結(jié)構(gòu)的錯(cuò)配可以由周期性位錯(cuò)進(jìn)行協(xié)調(diào)。半共格界面是指界面處兩相晶體結(jié)構(gòu)的錯(cuò)配可以由周期性位錯(cuò)進(jìn)行協(xié)調(diào)。非共格界面是指界面處兩相的晶面和晶向沒有任何關(guān)系。非共格界面是指界面處兩相的晶面和晶向沒有任何關(guān)系。 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.4 固體和固體之固體和固體之間間的界面的界面 2.4.1 同相界面（晶界）同相界面（晶界） 多晶體中各晶粒之間的交界多晶體中各晶粒之間的交界晶界。晶界。多晶體的性能與晶內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，也

41、與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)。多晶體的性能與晶內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)。目前對大角晶界提出的晶界結(jié)構(gòu)模型有：目前對大角晶界提出的晶界結(jié)構(gòu)模型有： 晶界是由非晶體粘合物構(gòu)成晶界是由非晶體粘合物構(gòu)成 島狀模型：小島內(nèi)原子排列整齊島狀模型：小島內(nèi)原子排列整齊 晶界點(diǎn)缺陷模型：晶界有大量空位間隙原子晶界點(diǎn)缺陷模型：晶界有大量空位間隙原子 晶界結(jié)構(gòu)位錯(cuò)模型晶界結(jié)構(gòu)位錯(cuò)模型 重合位置點(diǎn)陣重合位置點(diǎn)陣晶界的研究方法有：計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)方法直接觀察兩種方法。晶界的研究方法有：計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)方法直接觀察兩種方法。晶界影響材料性能一般通過以下幾個(gè)方面：晶界影響材料性能一般通過以下幾個(gè)方面： 晶界結(jié)構(gòu)：大角、小角、大角

42、中孿晶界、紊亂晶界、晶界中的各種缺陷、偏聚、偏析。晶界結(jié)構(gòu)：大角、小角、大角中孿晶界、紊亂晶界、晶界中的各種缺陷、偏聚、偏析。 晶界幾何形狀：三維空間曲面，幾何形狀復(fù)雜。晶界幾何形狀：三維空間曲面，幾何形狀復(fù)雜。 晶界位向，相鄰兩晶粒位向差。晶界位向，相鄰兩晶粒位向差。 外界環(huán)境：溫度、加壓、磁場等。外界環(huán)境：溫度、加壓、磁場等。第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.4 固體和固體之固體和固體之間間的界面的界面 2.4.1 同相界面（晶界）同相界面（晶界） 相鄰兩晶粒間位向差小于相鄰兩晶粒間位向差小于15小角晶界。小角晶界分為傾斜晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。小角晶界。小角晶界分為

43、傾斜晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。（1）小角晶界）小角晶界 晶界自由度晶界自由度 二維晶界有兩個(gè)自由度：兩晶粒間夾角（位向角）和晶界與一個(gè)晶粒間夾二維晶界有兩個(gè)自由度：兩晶粒間夾角（位向角）和晶界與一個(gè)晶粒間夾角（方向角）。三維晶界有五個(gè)自由度：位向角：角（方向角）。三維晶界有五個(gè)自由度：位向角：3個(gè)，方向角：個(gè)，方向角：2個(gè)。個(gè)。 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.4 固體和固體之固體和固體之間間的界面的界面 2.4.1 同相界面（晶界）同相界面（晶界） （1）小角晶界）小角晶界 傾斜晶界傾斜晶界 對稱傾斜晶界：由一系列相同符號的刃型位錯(cuò)排列而成：對稱傾斜晶界：由一系列相同符

44、號的刃型位錯(cuò)排列而成：D=b/ 式中：式中： ：位向角，：位向角， b：布氏矢量：布氏矢量 D：位：位錯(cuò)間錯(cuò)間距距非對稱傾斜晶界：由兩組相互垂直的刃型位錯(cuò)組成。非對稱傾斜晶界：由兩組相互垂直的刃型位錯(cuò)組成。 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.4 固體和固體之固體和固體之間間的界面的界面 面心立方面心立方Au中的對稱傾斜晶界中的對稱傾斜晶界的高分辨透射電鏡照片的高分辨透射電鏡照片界面處主要有界面處主要有111晶面和少量的晶面和少量的001晶面構(gòu)成，并且是由晶面構(gòu)成，并且是由大部分的原子匹配區(qū)大部分的原子匹配區(qū)域和周期出現(xiàn)的少量域和周期出現(xiàn)的少量位錯(cuò)組成。因此，對位錯(cuò)

45、組成。因此，對稱傾斜晶界的界面能稱傾斜晶界的界面能高于完全匹配的孿晶高于完全匹配的孿晶界，但高于由非密排界，但高于由非密排晶面組成的小角晶界晶面組成的小角晶界界面能。界面能。 2.4.1 同相界面（晶界）同相界面（晶界） （1）小角晶界）小角晶界 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.4 固體和固體之固體和固體之間間的界面的界面 2.4.1 同相界面（晶界）同相界面（晶界） （1）小角晶界）小角晶界 傾斜晶界傾斜晶界 非對稱傾斜晶界：非對稱傾斜晶界：由兩組相互垂直的刃型位錯(cuò)組成。由兩組相互垂直的刃型位錯(cuò)組成。 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知

46、識2.4 固體和固體之固體和固體之間間的界面的界面 2.4.1 同相界面（晶界）同相界面（晶界） （1）小角晶界）小角晶界 扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界 旋轉(zhuǎn)軸與晶界面垂直，旋轉(zhuǎn)軸與晶界面垂直，螺位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)與中間良好區(qū)組成。螺位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)與中間良好區(qū)組成。 小角晶界的形成與顯示方法小角晶界的形成與顯示方法 （a）液相結(jié)晶過程中，空位凝聚模型）液相結(jié)晶過程中，空位凝聚模型（b）冷變形金屬的回復(fù)過程，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與攀移）冷變形金屬的回復(fù)過程，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與攀移（c）小角晶）小角晶界是亞結(jié)構(gòu)的交界界是亞結(jié)構(gòu)的交界（d）金相腐蝕法顯示位錯(cuò)）金相腐蝕法顯示位錯(cuò)觀察小角晶界觀察小角晶界第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與

47、界面的基礎(chǔ)知識2.4 固體和固體之固體和固體之間間的界面的界面 無論是同相界面還是異相界面，形成界面的主要趨勢是界面自由能最低，因此界面將自發(fā)地趨向無論是同相界面還是異相界面，形成界面的主要趨勢是界面自由能最低，因此界面將自發(fā)地趨向于由原子排列密度較高的晶面和晶向組成。高分辨透射電鏡是確定界面原子結(jié)構(gòu)的有效試驗(yàn)手段。于由原子排列密度較高的晶面和晶向組成。高分辨透射電鏡是確定界面原子結(jié)構(gòu)的有效試驗(yàn)手段。利用高分辨透射電鏡已經(jīng)在很多晶體中觀察到在密排晶面上形成的孿晶和層錯(cuò)同相界面。利用高分辨透射電鏡已經(jīng)在很多晶體中觀察到在密排晶面上形成的孿晶和層錯(cuò)同相界面。 (a)(b)面心立方面心立方SiC晶須

48、中層錯(cuò)晶須中層錯(cuò)(a)和孿晶和孿晶(b)的高分辨透射電鏡照片的高分辨透射電鏡照片在具有面心立方晶在具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)的體結(jié)構(gòu)的SiC晶須晶須內(nèi)部觀察到了大量內(nèi)部觀察到了大量在在111面上的孿面上的孿晶和層錯(cuò)晶和層錯(cuò) 2.4.1 同相界面（晶界）同相界面（晶界） （2）大角晶界結(jié)構(gòu)）大角晶界結(jié)構(gòu) 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.4 固體和固體之固體和固體之間間的界面的界面 面心立方面心立方Cu的高分辨透射電鏡照片的高分辨透射電鏡照片在具有面心在具有面心立方晶體結(jié)立方晶體結(jié)構(gòu)的構(gòu)的Cu中也中也很容易地觀很容易地觀察到察到111孿晶的存在孿晶的存在 第第2章章 材料

49、表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.4 固體和固體之固體和固體之間間的界面的界面 2.4.1 同相界面（晶界）同相界面（晶界） （2）大角晶界結(jié)構(gòu)）大角晶界結(jié)構(gòu) 多晶體晶界一般為大角晶界。大角晶界的結(jié)構(gòu)模型很多，其中重合位置點(diǎn)陣晶界多晶體晶界一般為大角晶界。大角晶界的結(jié)構(gòu)模型很多，其中重合位置點(diǎn)陣晶界 （Coincident-site Lattice，CSL）模型比較成熟。模型比較成熟。相鄰兩晶粒旋轉(zhuǎn)時(shí)，到某一角度，兩晶體中的某些原子位置對稱（重合），這種點(diǎn)陣為相鄰兩晶粒旋轉(zhuǎn)時(shí)，到某一角度，兩晶體中的某些原子位置對稱（重合），這種點(diǎn)陣為重合位置點(diǎn)陣。重合位置點(diǎn)陣。此時(shí)，晶界上的某些

50、原子為兩晶粒共有，類似于孿晶，晶界上由排列紊亂部分和無規(guī)則此時(shí)，晶界上的某些原子為兩晶粒共有，類似于孿晶，晶界上由排列紊亂部分和無規(guī)則部分組成。部分組成。為了定量表示重合位置點(diǎn)陣的數(shù)值，用為了定量表示重合位置點(diǎn)陣的數(shù)值，用“”號表重合點(diǎn)陣占晶體點(diǎn)陣多少號表重合點(diǎn)陣占晶體點(diǎn)陣多少重合數(shù)。重合數(shù)。=（CSL單胞體積）單胞體積）/（晶體點(diǎn)陣單胞體積）（晶體點(diǎn)陣單胞體積）重合位置點(diǎn)陣表示：晶面指數(shù)、旋轉(zhuǎn)角度、重合數(shù)。重合位置點(diǎn)陣表示：晶面指數(shù)、旋轉(zhuǎn)角度、重合數(shù)。 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.4 固體和固體之固體和固體之間間的界面的界面 2.4.1 同相界面（晶界）同

51、相界面（晶界） （3）晶界能量）晶界能量 晶界的能量為單位面積自由能，包含表面張力和成分晶界的能量為單位面積自由能，包含表面張力和成分偏聚的影響。偏聚的影響。式中：式中： ii元素化學(xué)，元素化學(xué)，ii元素界面與內(nèi)部濃度元素界面與內(nèi)部濃度差差從圖從圖2-17可以看出，在小角晶界范圍內(nèi)，晶界能（可以看出，在小角晶界范圍內(nèi)，晶界能（E）隨晶界位向角（隨晶界位向角（）的增加而迅速增大。大角晶界界面）的增加而迅速增大。大角晶界界面能與位向角基本無關(guān)，但在共格孿晶（能與位向角基本無關(guān)，但在共格孿晶（t）和重合位置）和重合位置點(diǎn)陣（點(diǎn)陣（a和和b）出現(xiàn)時(shí)，晶界能有一個(gè)明顯的下降。）出現(xiàn)時(shí)，晶界能有一個(gè)明顯的

52、下降。 dAiidAdFt tb ba aE0 0晶界能與晶界位向角關(guān)系示意圖晶界能與晶界位向角關(guān)系示意圖第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.4 固體和固體之固體和固體之間間的界面的界面 2.4.1 同相界面（晶界）同相界面（晶界） （3）大角晶界能量）大角晶界能量 晶界上原子的偏聚晶界上原子的偏聚（a）偏聚現(xiàn)象：晶界上溶質(zhì)元素濃度高于晶內(nèi)（）偏聚現(xiàn)象：晶界上溶質(zhì)元素濃度高于晶內(nèi)（10-1000倍）倍）（b）偏聚動(dòng)力：晶界處結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量高，溶質(zhì)元素在晶內(nèi)產(chǎn)生畸變能。溶質(zhì)從晶內(nèi)向晶界附近偏聚，使系統(tǒng)能量降低。）偏聚動(dòng)力：晶界處結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量高，溶質(zhì)元素在晶內(nèi)產(chǎn)生畸變

53、能。溶質(zhì)從晶內(nèi)向晶界附近偏聚，使系統(tǒng)能量降低。（c）正吸附與反吸附：）正吸附與反吸附：正吸附：使晶界表面張力降低的溶質(zhì)原子向晶界偏聚，如鋼中正吸附：使晶界表面張力降低的溶質(zhì)原子向晶界偏聚，如鋼中C，P。反吸附：使晶界表面張力增加的溶質(zhì)原子遠(yuǎn)離晶界，如鋼中反吸附：使晶界表面張力增加的溶質(zhì)原子遠(yuǎn)離晶界，如鋼中Al。（d）偏聚與偏析：）偏聚與偏析：偏聚：固態(tài)擴(kuò)散造成為平衡態(tài)偏聚：固態(tài)擴(kuò)散造成為平衡態(tài)平衡偏聚平衡偏聚偏析：液態(tài)凝固時(shí)形成，為非平衡態(tài)偏析：液態(tài)凝固時(shí)形成，為非平衡態(tài)（e）影響因素：）影響因素： 晶界能；雜質(zhì)原子與基體原子尺寸差；濃度；第三種元素晶界能；雜質(zhì)原子與基體原子尺寸差；濃度；第三

54、種元素共同偏聚；晶界結(jié)構(gòu)。共同偏聚；晶界結(jié)構(gòu)。（f）作用）作用不利影響：不利影響： Ca在在Al2O3晶界偏聚：晶界偏聚：KIC下降下降 Ca在在Si3N4晶界偏聚：晶界偏聚： 下降下降 P在在Fe晶界偏聚：晶界偏聚：KIC下降下降 O在在Fe晶界偏聚：晶界偏聚：Tc上升上升有利影響：有利影響： C在在Mo晶界偏聚：塑性增加晶界偏聚：塑性增加 P在在2.25Cr-Mo晶界偏聚：抗拉晶界偏聚：抗拉強(qiáng)強(qiáng)度增加度增加 F在在MgO晶界偏聚：熔點(diǎn)下降，晶界偏聚：熔點(diǎn)下降，熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)性能增加性能增加 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.4 固體和固體之固體和固體之間間的

55、界面的界面 2.4.2 異相界面（相界）異相界面（相界） （1）相界結(jié)構(gòu)）相界結(jié)構(gòu)完全共格界面：完全共格界面： 界面上的原子同時(shí)位于兩相晶格的結(jié)點(diǎn)上，即兩相界面上的原子排列完全匹配，界面上的原子同時(shí)位于兩相晶格的結(jié)點(diǎn)上，即兩相界面上的原子排列完全匹配，界面上的原子為兩相所共有。界面上的原子為兩相所共有。半共格界面：半共格界面： 界面上的兩相原子部分地保持匹配，界面上產(chǎn)生一些位錯(cuò)。界面上的兩相原子部分地保持匹配，界面上產(chǎn)生一些位錯(cuò)。非共格界面：非共格界面： 界面上的兩相原子沒有任何匹配關(guān)系，界面由不規(guī)則排列的很薄的過渡層所構(gòu)成。界面上的兩相原子沒有任何匹配關(guān)系，界面由不規(guī)則排列的很薄的過渡層所構(gòu)

56、成。錯(cuò)配度：錯(cuò)配度： 若以若以a相界面一相沿平行于界面的晶向上的原子間距，相界面一相沿平行于界面的晶向上的原子間距，a a表示兩相在此晶向上的表示兩相在此晶向上的原子間距之差，則錯(cuò)配度原子間距之差，則錯(cuò)配度定義為：定義為： a/a小于小于0.05時(shí)，兩相可以構(gòu)成完全共格界面；時(shí)，兩相可以構(gòu)成完全共格界面；介于介于0.05和和0.25之間時(shí)，兩相可以構(gòu)成半共格界面；之間時(shí)，兩相可以構(gòu)成半共格界面；大于大于0.25時(shí)，兩相只能形成非全共格界面。時(shí)，兩相只能形成非全共格界面。第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.4 固體和固體之固體和固體之間間的界面的界面 Al-Ag合金中

57、析出的富合金中析出的富Ag G.P.區(qū)區(qū)的高分辨透射電鏡照片的高分辨透射電鏡照片在在Al-Ag合金合金中析出的富中析出的富Ag G.P.區(qū)與基體區(qū)與基體Al具有相同的具有相同的晶體結(jié)構(gòu)和不晶體結(jié)構(gòu)和不同的成分，它同的成分，它們組成了們組成了111完全共格界面完全共格界面 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.4 固體和固體之固體和固體之間間的界面的界面 Co-Ni合金合金馬馬氏體相氏體相變變界面界面的高分辨透射電鏡照片的高分辨透射電鏡照片Co-Ni合金合金馬馬氏體相氏體相變變界面界面兩兩側(cè)側(cè)晶體晶體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)不同但成分相不同但成分相同，它同，它們們也形成也形成了了111

58、完全完全共格界面共格界面 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.4 固體和固體之固體和固體之間間的界面的界面 Cu-Ag界面界面的高分辨透射電鏡照片的高分辨透射電鏡照片Cu-Ag界面兩界面兩側(cè)側(cè)的晶的晶體具有相同的晶體體具有相同的晶體結(jié)結(jié)構(gòu)（面心立方）但不同構(gòu)（面心立方）但不同的成分和點(diǎn)的成分和點(diǎn)陣陣常數(shù)常數(shù)（ （Cu和和Ag的點(diǎn)的點(diǎn)陣陣常常數(shù)相差數(shù)相差12%），形成），形成了由了由111晶面構(gòu)晶面構(gòu)成的半共格異相界面。成的半共格異相界面。 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.4 固體和固體之固體和固體之間間的界面的界面 鍺鍺析出相與析出相

59、與鋁鋁基體界面基體界面的高分辨透射電鏡照片的高分辨透射電鏡照片鋁鍺合金中，鋁是由鋁鍺合金中，鋁是由金屬鍵組成的面心立金屬鍵組成的面心立方結(jié)構(gòu)，而鍺是共價(jià)方結(jié)構(gòu)，而鍺是共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，并且兩者的鍵結(jié)構(gòu)，并且兩者的點(diǎn)陣常數(shù)相差點(diǎn)陣常數(shù)相差30%以上，因此鋁以上，因此鋁-鍺界鍺界面為非共格界面，然面為非共格界面，然而，高分辨透射電鏡而，高分辨透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，鋁觀察發(fā)現(xiàn)，鋁-鍺界鍺界面平行于鋁和鍺的面平行于鋁和鍺的111晶面。晶面。 第第2章章 材料表面與界面的基礎(chǔ)知識材料表面與界面的基礎(chǔ)知識2.4 固體和固體之固體和固體之間間的界面的界面 2.4.2 異相界面（相界）異相界面（相界） （1）相界結(jié)構(gòu)）相界結(jié)構(gòu)位向關(guān)系：位向關(guān)系： 當(dāng)兩相界面為完全共格