無(wú)機(jī)非金屬材料的表界面講解課件

1、第九章 無(wú)機(jī)非金屬材料 的表界面 無(wú)機(jī)非金屬材料的表界面區(qū)的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)都與總體有較大的差異，并具有一些總體沒有的特殊性。正是這種差異對(duì)材料的表觀性質(zhì)產(chǎn)生了顯著的影響，因此，了解無(wú)機(jī)非金屬材料的表界面的結(jié)構(gòu)、組成與其物理、化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，對(duì)設(shè)計(jì)新材料、賦予材料新的功能等具有重要的意義。 陶瓷材料為無(wú)機(jī)非金屬粉末晶體在一定條件下形成的多晶聚集體。多晶聚集體集合方式是依靠單個(gè)晶粒表面態(tài)的聚集和晶界，因此晶體的表面和晶界的結(jié)構(gòu)特征對(duì)陶瓷材料的性質(zhì)有著重要的影響，甚至是決定性的。 9.1 陶瓷表界面9.1.1晶體的表面與界面 凝聚相與氣相之間的分界面稱為表面，凝聚相之間的分界面稱為界面。不同凝聚

2、相之間的分界面稱為相界面，同一相的表面d內(nèi)部理想表面示意圖晶粒之間的分界稱為晶粒間界，簡(jiǎn)稱晶界。一、理想表面 2、清潔表面 清潔表面是指表面經(jīng)過(guò)特殊處理后，保持在10-1010-9Pa超高真空下的狀態(tài)。（a）馳豫 (b)重構(gòu) （c）偏析 （d）化學(xué)吸附 (e)化合物 （f）臺(tái)階 （1）弛豫表面 指表面層之間以及表面和體內(nèi)原子層之間的垂直間距ds和體內(nèi)原子層間距d0相比有所膨脹和壓縮的現(xiàn)象?？赡苌婕皫讉€(gè)原子層。（2）重構(gòu)表面 指表面原子層在水平方向上的周期性不同于體內(nèi)，但在垂直方向上的層間間距d0與體內(nèi)相同。ds內(nèi)部表面d0d0內(nèi)部表面d0（3）偏析 偏析是指當(dāng)有其他原子進(jìn)入表面時(shí)，出現(xiàn)體內(nèi)不存

3、在的表面結(jié)構(gòu)，也稱為覆蓋結(jié)構(gòu)。即雜質(zhì)由體內(nèi)偏析到表面，使多組分材料體系的表面組成與體內(nèi)不同。將偏析與表面張力聯(lián)系起來(lái)：(1) 若2 1，表面張力較小的組分將在表面上偏析（富集）；(2) 若2= 1，不存在表面偏析。 3、實(shí)際表面 （1）表面形態(tài) 粗糙度（即表面光潔度）就是用來(lái)描述表面不平整程度的。粗糙系數(shù)： R = Ar /Ag （2）表面組織 經(jīng)過(guò)拋光以后，金屬的表面組織與體內(nèi)不同。（3）高溫下的固體表面結(jié)構(gòu) 在低于熔點(diǎn)的高溫下，表面附近的原子發(fā)生強(qiáng)烈的熱振動(dòng)，表面及表面附近感生出許多表面位錯(cuò)、滑移帶、空位群，即在高溫下表面區(qū)產(chǎn)生了高度變形。 4、界面 界面是指兩個(gè)或數(shù)個(gè)凝聚相的交界面，通常

4、是指兩種不同相間的規(guī)則界面。如相界面、內(nèi)界面、晶界等。（1）晶界結(jié)構(gòu) 孿晶界、小角度晶界和大角度晶界。（2）晶界能 晶界區(qū)一般多為固溶體，是高能量區(qū)。（3）晶界應(yīng)力 多晶材料各個(gè)晶粒的光軸取向不同、收縮不同，造成室溫時(shí)各晶粒處于應(yīng)力或夾持狀態(tài)。（4）晶界電位和空間電荷 在熱力學(xué)平衡時(shí)，離子晶體的表面和晶界由于有過(guò)剩的同號(hào)離子而帶有一種電荷。 晶體內(nèi)靜電勢(shì)為： （5）晶界偏析 晶界區(qū)的偏析或沉積是有一個(gè)含雜質(zhì)厚度僅為幾毫米的薄層，其結(jié)構(gòu)和晶粒相同，通常沿用金屬中的術(shù)語(yǔ)稱之為偏析，而非第二相。 9.1.2晶體對(duì)無(wú)機(jī)非金屬陶瓷性能的影響 陶瓷材料是多晶聚集體，晶界會(huì)影響其許多性質(zhì)和在其中所發(fā)生的某些

5、過(guò)程。 晶粒1晶粒2晶界1、ZnO壓敏陶瓷 氧化鋅壓敏陶瓷是一類電阻隨加之其上的電壓而靈敏變化的電阻器，其工作原理基于所用壓敏電阻材料特殊的非線性伏安特性。具有這種特性的材料包括硅、鍺等單晶半導(dǎo)體及SiC、TiO2、BaTiO3、SrTiO3、ZnO半導(dǎo)體陶瓷等，其中以ZnO半導(dǎo)體陶瓷特性最佳。（100X）ZnO+（X/6）（Bi2O3 + 2Sb2O3 + Co2O3 + MnO2 + Cr2O3）2、 BaTiO3熱敏陶瓷 熱敏陶瓷是一類電阻率隨溫度發(fā)生明顯變化的材料，用于制作溫度傳感器、線路溫度補(bǔ)償及溫頻等元件熱敏電阻。按照阻穩(wěn)特性，可把熱敏陶瓷分為負(fù)溫度系數(shù)NTC，正溫度系數(shù)PTC，臨

6、界溫度CRT熱敏電阻及線性阻溫特性熱敏陶瓷四大類。/cm多晶陶瓷單晶T/BaTiO3單晶和陶瓷的T關(guān)系9.2 玻璃表界面廣義包括：無(wú)機(jī)玻璃和有機(jī)玻璃兩大類。這里指無(wú)機(jī)玻璃。定義：介于晶態(tài)和液態(tài)之間的一種特殊狀態(tài)，由熔融體過(guò)冷而得，其內(nèi)能和構(gòu)形熵高于相應(yīng)的晶態(tài)，其結(jié)構(gòu)為短程有序和長(zhǎng)程無(wú)序。9.2.1玻璃的表界面與性質(zhì) 玻璃表面分為清潔表面和實(shí)際表面兩種類型。清潔表面是經(jīng)過(guò)特殊處理并保持在10-910-4Pa超真空下，沾污少得不能用一般表面分析探測(cè)的表面。實(shí)際表面是暴露在未加控制的大氣環(huán)境中的玻璃表面。1、玻璃的表面結(jié)構(gòu) 當(dāng)玻璃從高溫成型冷卻到室溫，或斷裂出現(xiàn)新表面時(shí)，表面就會(huì)存在不飽和鍵，或稱斷

7、鍵。D中心（不足氧單元），此基團(tuán)帶正電荷，即： Si4+(O2-/2)3+或(Si4+(O1.52-)+E中心（過(guò)剩氧單元），此基團(tuán)帶負(fù)電荷，即：Si4+(O2-/2)3 O2-或(Si4+(O2.52-)-2、玻璃表界面的化學(xué)組成 玻璃表界面的化學(xué)組成與玻璃主體的化學(xué)組成有一定的差異，即沿著玻璃表面垂直方向的各組成含量不是恒值，也就是說(shuō)組成隨深度變化而變化。3、玻璃表界面的化學(xué)性質(zhì) 玻璃表面的化學(xué)反應(yīng)是指表面和近表面與氣體和液體的反應(yīng)，如反應(yīng)涉及表面幾個(gè)分子層直到深度10nm左右，為化學(xué)吸附；在10nm以上的為化學(xué)反應(yīng)，包括玻璃表面與水、酸、堿以及氣體的反應(yīng)。4、玻璃表界面的物理性質(zhì)（1）光學(xué)性質(zhì)（2）電學(xué)性質(zhì)（3）力學(xué)性能 平板玻璃斷面上光滑面、 細(xì)紋、粗紋及斷裂交叉面區(qū) 玻璃表面處理是采用物理、化學(xué)、機(jī)械等方法改變玻璃表面形態(tài)、化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)或應(yīng)力狀態(tài)，獲得所要求的性質(zhì)與功能。微觀微粒沉積：介觀或微觀粒子沉積：整體覆蓋：表面改性：9.2.2玻璃表面處理1、玻璃表面鍍膜 以改善玻璃的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、化學(xué)等性能，有些膜有裝飾作用，也有功能性的?？煞譃榛瘜W(xué)鍍膜和物