第章表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

Chapter5表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)什么是表面、界面？固體的表面與性質(zhì)有何關(guān)系？實(shí)際工程中有那些應(yīng)用？5.1固體的表面及其結(jié)構(gòu)5.2潤(rùn)濕與粘附表面質(zhì)點(diǎn)所處環(huán)境不同于內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)，存在懸鍵或受力不均而處于較高能態(tài)，呈現(xiàn)一系列特殊的性質(zhì)。有關(guān)強(qiáng)度、韌性、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、介電、傳感、腐蝕、氧化、催化、能量交換、摩擦磨損、光的吸收與反射等都與表面與界面特性密切相關(guān)。引起熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、蒸汽壓、溶解度、吸附、潤(rùn)濕、化學(xué)活性、化學(xué)反應(yīng)等方面的變化。表面與界面可近似看作是材料中的二維缺陷。

概述（1）表面：固體與真空（或自身的蒸汽）的面。幾個(gè)概念（2）相界：相鄰相之間的交界面稱相界面（廣義）。（固-固、固-液、固-氣）；

結(jié)構(gòu)不同的兩塊晶體或結(jié)構(gòu)相同而點(diǎn)陣參數(shù)不同的兩塊晶體接合所形成的交界面（狹義）固－固晶界d圖5.1理想表面結(jié)構(gòu)示意圖

指忽略晶體內(nèi)部周期性勢(shì)場(chǎng)在晶體表面中斷、表面原子的熱運(yùn)動(dòng)、熱擴(kuò)散、熱缺陷及外界對(duì)表面的物理－化學(xué)作用等的影響的表面。其周期性與理想晶體完全一樣。（實(shí)際上不存在）5.1固體的表面5.1.1理想表面清潔表面是指不存在任何吸附、催化反應(yīng)、雜質(zhì)擴(kuò)散等物理-化學(xué)效應(yīng)的表面。這種表面的組成與體內(nèi)相同，但周期性結(jié)構(gòu)可以不同于體內(nèi)。清潔表面臺(tái)階表面弛豫表面重構(gòu)表面（根據(jù)表面原子排列狀況）

5.1.2清潔表面臺(tái)階表面不是一個(gè)平面，它是由有規(guī)則的或不規(guī)則的臺(tái)階的表面所組成。[112][111][110](001)周期圖4.1.2Pt（557）有序原子臺(tái)階表面示意圖（1）臺(tái)階表面兩個(gè)不同的晶面面心立方晶體接近(100)面的鄰位面的平臺(tái)－臺(tái)階－扭折模型圖(a)(100)面平臺(tái)上的臺(tái)階；（b）臺(tái)階上的扭折原子力顯微鏡觀察石墨表面上外延生長(zhǎng)的有機(jī)薄膜，層狀成長(zhǎng)明顯。清晰地觀察到約0.3nm生長(zhǎng)階梯。弛豫是指表面層之間以及表面和體內(nèi)原子層之間的垂直間距和體內(nèi)原子層間距相比有所膨脹和壓縮的現(xiàn)象。圖5.3弛豫表面示意圖0.1A0.35A圖5.4LiF(001)弛豫表面示意圖Li

F

d0（2）弛豫表面

重構(gòu)是指表面原子層在水平方向上的周期性不同于體內(nèi)，但垂直方向的層間距離與體內(nèi)相同。圖5.5重構(gòu)表面示意圖d0d0asa（3）重構(gòu)表面吸附表面有時(shí)也稱界面。它是指在清潔表面上有來(lái)自體內(nèi)擴(kuò)散到表面的雜質(zhì)和來(lái)自表面周?chē)臻g吸附在表面上的質(zhì)點(diǎn)所構(gòu)成的表面。吸附的方式：物理吸附、化學(xué)吸附

5.1.3吸附表面固體表面自由能:恒溫、恒壓條件下，增加一個(gè)單位表面積時(shí)所做的功（J/m2）。（形成單位表面積時(shí)，體系Gibbs自由焓的增量）(與熱力學(xué)平衡性質(zhì)有關(guān))表面張力：是擴(kuò)張表面單位長(zhǎng)度所需要的力(N/m)。(與機(jī)械性質(zhì)有關(guān))注：由于固體與液體形成表面時(shí)，其中原子移動(dòng)的難易程度不同，前者難而后者易，因而，固體表面往往處于一種非平衡態(tài)，而液體則很快達(dá)到動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)。

5.1.4固體的表面自由能和表面張力對(duì)沒(méi)有外力作用的表面系統(tǒng)，系統(tǒng)總表面能將自發(fā)趨向于最低化。

液體表面能

傾向于形成球形表面，降低總表面能。

液體表面能和表面張力具有相同的數(shù)值。

固體表面能

一般不等于表面張力，其差值與過(guò)程的彈性應(yīng)變有關(guān)。

原因：？？對(duì)于固體，引起表面變形過(guò)程比原子遷移率快的多，則表面結(jié)構(gòu)受拉伸或壓縮而與正常結(jié)構(gòu)不同，因而，固體的表面能與表面張力在數(shù)值上不相等。擴(kuò)張表面時(shí)要克服原有原子、分子或離子之間的相互作用，故表面張力與物質(zhì)原有的鍵合方式相關(guān)

作用力弱：做功小表面能低作用力強(qiáng)：做功大表面能高表面能與鍵性：表面能反映的是質(zhì)點(diǎn)間的引力作用，因此強(qiáng)鍵力的金屬和無(wú)機(jī)材料表面能較高。表面能與溫度：隨溫度升高表面能一般為減小。因?yàn)闊徇\(yùn)動(dòng)削弱了質(zhì)點(diǎn)間的吸引力。表面能與雜質(zhì)：物質(zhì)中含有少量使表面能減小的組分，則會(huì)在表面上富集并顯著降低表面能；若含有少量表面能增加的組分，則傾向在體內(nèi)富集并對(duì)表面能影響不大。（1）一般情況下，固體的表面張力與固體的表面自由能在數(shù)值不相等。（因?yàn)楣腆w的表面能包含了彈性能）；（2）固體的表面張力是各向異性的。（由于結(jié)構(gòu)的各向異性及表面不均勻所致）；（3）決定固體表面形態(tài)不是表面張力，而是形成固體表面時(shí)的條件和它所經(jīng)歷的歷史；（4）實(shí)際固體表面常被外來(lái)物污染而影響表面性質(zhì)。在原子尺度上，實(shí)際固體表面是凹凸不平的。（5）固體的表面自由能和表面張力的測(cè)定困難。固體表面特點(diǎn)：注：在研究固體表面時(shí)，對(duì)于與機(jī)械性質(zhì)有關(guān)的場(chǎng)合，應(yīng)用表面張力的概念，對(duì)于與熱力學(xué)平衡性質(zhì)有關(guān)的場(chǎng)合應(yīng)用表面自由能。問(wèn)族題?一般堤說(shuō)來(lái)瘋，同律一種吃物質(zhì)棚，其覺(jué)固體挪的表灣面能科要比眉液體煎的表盒面能鄉(xiāng)豐大，享試說(shuō)較明原抹因。

同一種物質(zhì)，其液體固體的表面結(jié)構(gòu)不同，液體分子可自由移動(dòng)，總是通過(guò)形成球形表面來(lái)降低其表面能；固體則不能，固體質(zhì)點(diǎn)不能自由移動(dòng)，只能通過(guò)表面質(zhì)點(diǎn)的極化、變形、重排來(lái)降低系統(tǒng)的表面能，固體表面處于高能量狀態(tài)（由于表面力的存在）。表面錦力場(chǎng)所的形蹦成：嬸表面魯斷鍵啄表現(xiàn)鞭出剩婆余鍵島力稱櫻為表逗面力戒。它乞們導(dǎo)照致吸決引氣鏈體分寄子、旨液體晃分子軌或固熄體質(zhì)喪點(diǎn)。幅這種蝴吸引崗作用我是固體日表面脈力和捏被吸磨引質(zhì)活點(diǎn)的全力場(chǎng)供相互粉作用部產(chǎn)生霞的。這輛種相憑互作助用力跨稱為固體跳表面頓力。是指梅固體蔥表面襪的不尊飽和悲價(jià)鍵過(guò)與被博吸附蘭物之腔間作吹用，方發(fā)生杰電子閘轉(zhuǎn)移棄而產(chǎn)挖生化息學(xué)力緞，即晉形成位表面醒化合殊物。5.杯1.5表面悲力場(chǎng)（2）分老子引荒力（表胳面物異理吸然附和楊氣體魄凝聚老的主縱要原碰因）（1）化咳學(xué)力A、定我向作稠用力麗：其壯大小膨與分中子的木電偶哨極矩何及分且子間沈的距渴離有寸關(guān)。B、誘古導(dǎo)作貍用力奔：其炮大小摘與分慈子的請(qǐng)電偶揭極矩舍及分城子間盜的距昌離以朽及非憲極性輕分子強(qiáng)的極封化率煙有關(guān)被。C、色卡散力而（分華散作貫用力箭）：棚其大剖小與怨非極香性分流子的股極化雙率及哲分子足間的霞距離撈有關(guān)既。分子扇引力栗主要撞表現(xiàn)遭為引袋力。（2）分身子引須力（縣表面奧物理漫吸附巾和氣盤(pán)體凝預(yù)聚的每主要盟原因歡）注：三種作用力均與分子間距離的七次方成反比，可見(jiàn)分子間力作用范圍極小，一般約為3~5?通常包所說(shuō)夫的固斬體表命面是朽指整饒個(gè)大嫩塊晶旦體的藥三維芒周期有性結(jié)洪構(gòu)與擔(dān)真空周之間誕的過(guò)最渡層述，包叮括所獵有與叢體相駐內(nèi)三器維周倍期性時(shí)結(jié)構(gòu)練相偏詢離的勇表面澆原子噴層，獎(jiǎng)一般險(xiǎn)是一到苗幾個(gè)汽原子辮層，厚徐度為0.厘5-誘2.定0n潔m，把登它看極成是繪一特型殊的夕相，錯(cuò)即表受面相龜。所謂驅(qū)表面囑結(jié)構(gòu)步就是往指表面吩相中落的原扒子組斥成與縣排列阻方式。表望面結(jié)享構(gòu)與豆體相準(zhǔn)的差常別通裳常包早括：騰表面編弛豫寧；表井面重余構(gòu)；婦表面搏臺(tái)階儀結(jié)構(gòu)利等。5.弊2紗固體融的表先面結(jié)姑構(gòu)負(fù)離四子電曬子云變將被癢拉向呀內(nèi)側(cè)瓜的正裳離子返一方溜而變遼形，褲誘導(dǎo)弟成電胃偶極柜子，謹(jǐn)形成表面立雙電煉層，固逐體表牛面好夜像被姜一層船負(fù)離茄子所治屏蔽貍，并陳導(dǎo)致舞表面喚層在剪組成威上成踢為非唇化學(xué)盆計(jì)量霉的。鍵性護(hù)由離蘇子鍵玻過(guò)渡哄為共舊價(jià)鍵獻(xiàn)性。這禍種影膚響將阿延伸遭到晶創(chuàng)體的竿內(nèi)部戲，并疤呈遞份減狀筍態(tài)。傘根據(jù)Be撫ns絹on等人紛的計(jì)予算，Na同Cl晶體罵中的音這種鼻作用孩發(fā)生醫(yī)在約5個(gè)離項(xiàng)子層診的范例圍內(nèi)競(jìng)。（1）晶瓜體（拜單晶諸）圖5.木6離子鑒晶體膛表面地的電機(jī)子云濁變形為和離靜子重柔排表面闖能減藏少Na窯Cl晶體表面臺(tái)離子張受內(nèi)慢部離葉子作盤(pán)用電叔子云世變形察，離蹦子重命排圖5.墊7梢N硬aC糖l表面機(jī)層中Na+向里淺；Cl-向外忍移動(dòng)妄并形惠成雙唐電層晶體飄內(nèi)部晶體塵表面0.皮28老1n眨m0.買(mǎi)26揪6n川m0.君02宇0n欄m離子者極化私性能浩愈大匪，雙梨電層堆愈厚聲，從班而表虧面能逢愈低驚。某些叼晶體腫的極若化性胖能與徒表面存能隨著鞏粒子垮的細(xì)齡微化選，比循表面攝積越川來(lái)越虹大，球粉體騎表面振層質(zhì)預(yù)點(diǎn)除穴了極被化變鴉形和鬧重排龍使表醋面晶騰格畸圖變外匹，因鄙機(jī)械委力作歌用而供使表因面層話結(jié)構(gòu)勤發(fā)生虧更大集破壞適，結(jié)扁構(gòu)的應(yīng)有序淘程度箱降低趟，使柳粉體表面辱無(wú)定德形化。粉體粒表面仇結(jié)構(gòu)匹模型貪：一禽是無(wú)定付形結(jié)剃構(gòu)；患二是貓粒度姜極小紋的微遷晶結(jié)暑構(gòu)。（2）粉根體粉體葉：10牛00～0.鉛1μ酒m膠體插：0.斤1～10-3μm組成箱與內(nèi)煤部不塘同。由熔紐奉體轉(zhuǎn)濫變成碧玻璃惱體的金過(guò)程煙，為宣保持茄最小飲表面冷能，確表面消活性逮大的賣(mài)離子蹤蝶自發(fā)籠聚集檢于表派面。范其次烤，成編型、雖退火篩過(guò)程喘某些券物質(zhì)壺，如果硼、戰(zhàn)堿、飄氟等餡易揮海發(fā)成唐分自怨表面險(xiǎn)的揮周發(fā)損蹈失。（3）玻奔璃表面枯力場(chǎng)湖和表逐面能忘高于架晶體靈。高極郊化離術(shù)子對(duì)需表面巖結(jié)構(gòu)濤性質(zhì)姐的影贈(zèng)響。以Pb2＋為例督，降紙低表轉(zhuǎn)面能爆，具躲有正睬溫度裹系數(shù)淘。粗糙芹：它將逼引起撒表面賽力場(chǎng)填不均旱。表澇面粗為糙度覆關(guān)系羊到比顏表面頓積、程潤(rùn)濕幟性、積兩種昨材料維間的躲封接各等。表面援微裂訓(xùn)紋：對(duì)表攻面性皮質(zhì)影磨響較爪大，樸尤其嶺是對(duì)出脆性兔材料庸。例愁如：結(jié)對(duì)強(qiáng)企度的尿影響潑，理怒論強(qiáng)憶度是咽實(shí)際孝強(qiáng)度壟的幾擾百倍統(tǒng)。R：斷追裂強(qiáng)澡度；C：微積裂紋盯長(zhǎng)度陷；E：彈挺性模要量；α:表面螺自由政能。(4土)固體煩表面陷的幾克何結(jié)栗構(gòu)Griffith:玻璃斷裂理論5.打3潤(rùn)濕染與粘收附與潤(rùn)品濕有溜關(guān)的縣現(xiàn)象與粘飛附有胸關(guān)的涂現(xiàn)象壁虎險(xiǎn)膠帶潤(rùn)濕飲：一底種流森體從冊(cè)固體品表面按轉(zhuǎn)換銅另一窩種流原體的釀過(guò)程凍。5.3.1潤(rùn)濕直的類悼型消失候一個(gè)新固-氣和疾一個(gè)彎液-氣界嘗面，少產(chǎn)生扣一個(gè)敬固-液界磨面為蘿沾濕孟。若堤沾濕青面積嶄為單書(shū)位面構(gòu)積，哲此過(guò)瓜程自印由能彼的變誘化是纖：S-輔so償li注d;做L我-l撓iq散ui如d;幸V新-v澇ap玻ou橡r（1）沾負(fù)濕實(shí)質(zhì)洗是液況體在余固體望表面掌上的祖粘附盈。用下兵式表枕示：（粘胃濕過(guò)荒程總哪是可常自發(fā)尋進(jìn)行壺）浸濕撓：固體言表面釣氣體妻均為調(diào)液體蹄所置質(zhì)換。浸濕架結(jié)果：體系專消失詠了固-氣界員面，罵產(chǎn)生寸了固-液界塑面。若固濕體的庭總面陣積為縣單位烏面積液，則柜在恒墳溫恒怒壓下季，此堂過(guò)程女所引姿起的笨體系楊自由離能的郵變化鵲為：（2）浸序濕相應(yīng)糾的浸喉潤(rùn)功肆為：浸潤(rùn)竊功大陣于0，此珍過(guò)程柄自發(fā)理進(jìn)行扔。若鋪皂展系苗數(shù)S≥披0，則桶液體尊可在獎(jiǎng)固體嚇表面焰自動(dòng)交展開(kāi)郊。（3）鋪亞展鋪展忠潤(rùn)濕綿：置液矩滴于注固體宿表面蝴，在售恒溫狠恒壓欲下，允若此貓液滴徐在固援體表停面上紗自動(dòng)虹展開(kāi)禽形成像液膜職。鋪展永潤(rùn)濕圣結(jié)果：失去副固-氣界禮面，施形成廣液-氣和傷固-液界奪面。對(duì)于麻鋪展斜潤(rùn)濕閑，常倡用鋪彈展系識(shí)數(shù)來(lái)煌表示允，即袋：體系輔自由柏能的尊變化為為：圖5.21流體在固體表面上的鋪展SVLS沾濕浸濕鋪展固體縣進(jìn)入銳液體柜過(guò)程V圖5.22液滴在固體表面上的接觸角5.3.2蠶Y蠅ou錫ng剖F汪or烏mu謹(jǐn)la與接觸謝角18副05年，Yo佛un呆g提出海，接壤觸角喇可用虛固體摟上液付滴受殊三個(gè)測(cè)界面扣張力碼的作展用，努當(dāng)三瘦力達(dá)川到平域衡時(shí)絡(luò)，有鈴如下梁關(guān)系偵：是與兩液體斧的飽搏和蒸彎汽成吐平衡彼時(shí)的刷固體丟和液際體的享表面扎張力筑。如何推使用喪接觸墨角來(lái)士判斷好潤(rùn)濕越情況助？沾濕浸濕鋪展γLV(1朝+c鉤os捎θ)≥0θ≤栗18真0°γLVco罰sθ切≥0θ≤窯90掀°γLV(c也os他θ-掌1)麗≥0θ=0陣°θ=9刺0°作為始潤(rùn)濕與不韻潤(rùn)濕偵的界護(hù)線。影響迫潤(rùn)濕若性能劃的因縣素？真空懶中不窗容易稻改變虜；清潔新表面?zhèn)プ畛旮侥げ捎貌ɑ瘜W(xué)福性質(zhì)捕相近巾的兩迫相系輝統(tǒng)。如玻損璃相醋中加皂入B2O3和Pb妨O

改善潤(rùn)濕性能降低γLV降低γSL增大γSV很多顆工業(yè)任技術(shù)輝中要智求改蜜善固-液界奧面的爺潤(rùn)濕街性，堅(jiān)但也世有很勝多場(chǎng)記合適碑得其徹反，憶要求研不潤(rùn)耀濕。如：兄防水循材料融等。改善垮潤(rùn)濕黑性能石主要訂取決撒于三農(nóng)表面拼能的歲相對(duì)豪大小，一般齡改變?chǔ)肧V是不戀可能鐘的，捎只能牌從改孤變其拍它兩輪者考?jí)緫]。如：驕陶瓷革生產(chǎn)摘中常代采用頑使固圖液兩頭相組團(tuán)成盡按量接魄近來(lái)弊降低γSL和通身過(guò)在泛玻璃豬相中憐加入B2O3和Pb焦O來(lái)降鍬低γLV。在混金屬詞陶瓷語(yǔ)中，莫純銅若與碳夸化鋯員（Zr污C）之真間接較觸角勺為13賞5°（11罷00鵲℃），批而在壺銅中院加入浩少量嘆鎳（0.除25蝴%），擴(kuò)接觸淺角降鍬為54習(xí)°，降奴低了γSL，使描銅-碳化肢鋯結(jié)疊合性灰能得賀到改廣善。注：迎污染溝表面斤的表昏面張搞力較醉其在展真空玩中的油表面寶張力遺小得喊多，灑使接涂觸角繩增大資。實(shí)際臭表面繩與理瘡想表轉(zhuǎn)面不秘同之矩處：（1）固舉體表彼面本以身或鉆由于程表面誤污染內(nèi)（特涂別是瓣高能遣表面混），桑固體奶表面前在化學(xué)捆組成微上往刷往是客不均恥一的；（2）因惱原子準(zhǔn)或離兆子排反列的訪緊密沃程度只不同尺，不裹同晶灑面具膀有不問(wèn)同的勉表面田自由過(guò)能，托即使霜同一召晶面沸，因朗表面脾的缺曲陷濃估度不侍同，例其表救面能寨亦可守能不煉同；（3）表面羨粗糙院不平等原摸因，妖使接圣觸角贊的測(cè)氏定帶互來(lái)困爸難。5.企4.妥3擊表面默粗糙題度對(duì)譽(yù)潤(rùn)濕純性能腸的影暴響隨著欲潤(rùn)濕唇的進(jìn)孤行，記液體菊在固忍體表已面逐撒漸鋪蛇展開(kāi)戴。假戶