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文檔簡(jiǎn)介
無(wú)機(jī)材料科學(xué)基礎(chǔ)表面與界面第一頁(yè),共十五頁(yè),2022年,8月28日一、固體表面的特征
二、晶體表面結(jié)構(gòu)三、固體的表面能主要內(nèi)容第二頁(yè),共十五頁(yè),2022年,8月28日(1)
絕大多數(shù)晶體是各向異性,因而同一晶體可以有許多性能不同的表面。(2)同一種物質(zhì)制備和加工條件不同也會(huì)有不同的表面性質(zhì)。(3)晶格缺陷、空位或位錯(cuò)而造成表面不均勻。(4)在空氣中暴露,表面被外來物質(zhì)所污染,吸附外來原子可占據(jù)不同的表面位置,形成有序或無(wú)序排列,也引起表面不均勻。(5)
固體表面無(wú)論怎么光滑,從原子尺寸衡量,實(shí)際上也是凹凸不平的。1.固體表面的不均表現(xiàn)在:一、固體表面的特征第三頁(yè),共十五頁(yè),2022年,8月28日定義:晶體中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)周圍都存在著一個(gè)力場(chǎng),在晶體內(nèi)部,質(zhì)點(diǎn)力場(chǎng)是對(duì)稱的。但在固體表面,質(zhì)點(diǎn)排列的周期重復(fù)性中斷,使處于表面邊界上的質(zhì)點(diǎn)力場(chǎng)對(duì)稱性破壞,表現(xiàn)出剩余的鍵力,稱之為固體表面力。
表面力的分類:
(1)范得華力(分子引力)(2)長(zhǎng)程力
2.固體表面力場(chǎng)第四頁(yè),共十五頁(yè),2022年,8月28日是固體表面產(chǎn)生物理吸附或氣體凝聚的原因。與液體內(nèi)壓、表面張力、蒸汽壓、蒸發(fā)熱等性質(zhì)有關(guān)。來源三方面定向作用力FK(靜電力),發(fā)生于極性分子之間。誘導(dǎo)作用力FD,發(fā)生于極性與非極性分子之間。分散作用力FL(色散力),發(fā)生于非極性分子之間。表達(dá)式:F范=FK+FD+FL1/r7
說明:分子間引力的作用范圍極小,一般為3~5A0。
當(dāng)兩個(gè)分子過分靠近而引起電子層間斥力約等于B/r3,故范得華力只表現(xiàn)出引力作用。
范得華力(分子引力)
第五頁(yè),共十五頁(yè),2022年,8月28日
屬固體物質(zhì)之間相互作用力,本質(zhì)仍是范得華力。
按作用原理可分為:A.依靠粒子間的電場(chǎng)傳播的,如色散力,可以加和。B.一個(gè)分子到另一個(gè)分子逐個(gè)傳播而達(dá)到長(zhǎng)距離的。如誘導(dǎo)作用力。長(zhǎng)程力:第六頁(yè),共十五頁(yè),2022年,8月28日二、晶體表面結(jié)構(gòu)
離子晶體表面超細(xì)結(jié)構(gòu)(微觀質(zhì)點(diǎn)排列)顯微結(jié)構(gòu)(表面幾何狀態(tài))1.離子晶體表面表面力的作用:液體:總是力圖形成球形表面來降低系統(tǒng)的表面能。
固體:
使固體表面處于較高的能量狀態(tài)(因?yàn)楣腆w不能流動(dòng)),只能借助于離子極化、變形、重排并引起晶格畸變來降低表面能,其結(jié)果使固體表面層與內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異。第七頁(yè),共十五頁(yè),2022年,8月28日?qǐng)D1離子晶體表面的電子云變形和離子重排說明:
1.
離子晶體MX在表面力作用下,處于表面層的負(fù)離子X在外側(cè)不飽和,負(fù)離子極化率大,通過電子云拉向內(nèi)側(cè)正離子一方的極化變形來降低表面能。這一過程稱為松弛,它是瞬間完成的,接著發(fā)生離子重排。
NaCl晶體表面第八頁(yè),共十五頁(yè),2022年,8月28日?qǐng)D1離子晶體表面的電子云變形和離子重排2.從晶格點(diǎn)陣穩(wěn)定性考慮作用力較大,極化率小的正離子應(yīng)處于穩(wěn)定的晶格位置而易極化的負(fù)離子受誘導(dǎo)極化偶極子排斥而推向外側(cè),從而形成表面雙電層。重排結(jié)果使晶體表面能量趨于穩(wěn)定。NaCl晶體第九頁(yè),共十五頁(yè),2022年,8月28日
3.NaCl形成雙電層厚度為0.02nm,在Al2O3、SiO2、ZrO2等表面上也會(huì)形成雙電層。
4.當(dāng)表面形成雙電層后,它將向內(nèi)層發(fā)生作用,并引起內(nèi)層離子的極化和重排,這種作用隨著向晶體的縱深推移而逐步衰減。表面效應(yīng)所能達(dá)到的深度,與陰、陽(yáng)離子的半徑差有關(guān),差愈大深度愈深。
5.離子極化性能愈大,雙電層愈厚,從而表面能愈低。
應(yīng)用:硅酸鹽材料生產(chǎn)中,通常把原料破碎研磨成微細(xì)粒子(粉體)以便于成型和高溫?zé)Y(jié)。第十頁(yè),共十五頁(yè),2022年,8月28日
晶體表面的幾何結(jié)構(gòu)分析面心立方結(jié)構(gòu)(100)、(110)、(111)三個(gè)低指數(shù)面上原子的分布。(11第十一頁(yè),共十五頁(yè),2022年,8月28日固體的實(shí)際表面是不規(guī)則和粗糙的,最重要的表現(xiàn)為表面粗糙度和微裂紋。
表面粗糙度:(1)使表面力場(chǎng)變得不均勻,其活性及其它表面性質(zhì)也隨之發(fā)生變化。
(2)直接影響固體表面積,內(nèi)、外表面積比值以及相關(guān)的屬性。
(3)與兩種材料間的封接和結(jié)合界面間的嚙合和結(jié)合強(qiáng)度有關(guān)。
實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明:第十二頁(yè),共十五頁(yè),2022年,8月28日表面裂紋因晶體缺陷或外力而產(chǎn)生。表面裂紋在材料中起著應(yīng)力倍增器的作用,使位于裂紋尖端的實(shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)大于所施加的應(yīng)力。格里菲斯關(guān)于微裂紋的公式:表面裂紋第十三頁(yè),共十五頁(yè),2022年,8月28日三、固體的表面能
ub為破壞化學(xué)鍵所需能量us為表面能1.共價(jià)晶體表面能2.離子晶體的表面能r0為0K時(shí)的表面能;LS為1m2表面上的原子數(shù);nis、nib分別表示第i個(gè)原子在晶體表面和晶體體內(nèi)最鄰近的原子數(shù);Uo為晶格能;N為阿佛加德羅常數(shù)。第十四頁(yè),共十五頁(yè),2022年,8月28日說明:
實(shí)際表面能比理想表面能的值低,原因可能為:
(1)
可能是表面層的結(jié)構(gòu)與晶體內(nèi)部相比發(fā)生了改變,表面被可極化的氧離子所屏蔽,減少了表面上的原子數(shù)。
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