《表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》PPT課件.ppt

1、什么是Chapter 5曲面結(jié)構(gòu)和特性、曲面和界面？固體表面與性質(zhì)的關(guān)系是什么？實(shí)際工程有哪些應(yīng)用程序？5.1固體的表面及其結(jié)構(gòu)5.2潤(rùn)濕和粘合，表面質(zhì)點(diǎn)與內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)處于不同的環(huán)境下，弦或力不均勻，在高能狀態(tài)下，表現(xiàn)出一系列特殊性質(zhì)。強(qiáng)度、韌性、熱傳導(dǎo)、導(dǎo)電、介電、傳感、腐蝕、氧化、催化劑、能量更換、摩擦磨損、光吸收和反射等與表面和介面特性密切相關(guān)。引起熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、蒸氣壓、溶解度、吸附、潤(rùn)濕、化學(xué)活性、化學(xué)反應(yīng)等變化。曲面和界面是材質(zhì)的二維缺陷，可以粗略地看到。概述，(1)表面：固體和真空(或自身蒸汽)面。幾個(gè)茄子概念，圖5.1理想表面結(jié)構(gòu)示意圖是指晶體內(nèi)部的周期性勢(shì)場(chǎng)對(duì)晶體表面中斷、表面原子的

2、熱運(yùn)動(dòng)、熱擴(kuò)散、熱缺陷、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一模一樣。(實(shí)際上并不存在)，5.1固體的表面，5.1.1理想表面，干凈的表面是沒(méi)有物理-化學(xué)效果的表面，例如吸附、催化反應(yīng)、雜質(zhì)擴(kuò)散等。這種表面的構(gòu)成與體內(nèi)相同，但周期性的結(jié)構(gòu)可能與體內(nèi)不同。(根據(jù)表面原子排列狀態(tài))，5.1.2表面清潔，樓梯表面不是平面，而是由規(guī)則或不規(guī)則樓梯的表面組成。圖4.1.2 Pt(557)對(duì)齊的原子樓梯表面圖表，(1)樓梯表面，面中心立方體晶體接近(100)面的相鄰面的平臺(tái)樓梯扭轉(zhuǎn)模型圖，(a) (100)面平臺(tái)的樓梯，(B)樓梯的紐結(jié)，石墨表面的外延清楚地觀察約0.3nm的生長(zhǎng)階梯

3、。弛豫是指表面層之間、表面和體內(nèi)原子層之間的垂直間距比體內(nèi)原子層間距膨脹和壓縮的現(xiàn)象。圖5.3李莞表面示意圖，(2)李莞表面，重構(gòu)說(shuō)表面原子層水平方向的周期性與體內(nèi)不同，但垂直方向的層間距離與體內(nèi)相同。圖5.5表示重建表面示意圖，(3)重建表面，吸附表面，也稱為接口。是指由在干凈的表面上從體內(nèi)擴(kuò)散到表面的雜質(zhì)和在表面周?chē)臻g中吸附到表面上的質(zhì)點(diǎn)組成的表面。吸附方法：物理吸附、化學(xué)吸附、表面5.1.3吸附、固體表面自由能3360恒溫、恒壓條件、表面增加1個(gè)單位時(shí)所做的工作(J/m2)。(形成單位面積表面時(shí)系統(tǒng)Gibbs自由焓的增加) (熱力學(xué)平衡特性和相關(guān))表面張力：擴(kuò)展曲面單位長(zhǎng)度所需的力(N

4、/m)。(機(jī)械性質(zhì)和相關(guān))，注：固體和液體形成表面時(shí)原子移動(dòng)的難度不同，前者很困難，后者容易，因此固體表面經(jīng)常處于不平衡狀態(tài)，而液體快速達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。5.1.4固體表面自由能和表面張力，對(duì)于沒(méi)有外力的表面系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的表面可能自發(fā)最小化。液體表面傾向于形成球形表面，從而降低整個(gè)表面能量。液體表面能量和表面張力值相同。固體表面能一般不像表面張力，其差異與過(guò)程的彈性變形有關(guān)。原因：-嗯？對(duì)于固體來(lái)說(shuō)，如果表面變形過(guò)程比原子遷移率快得多，表面結(jié)構(gòu)就會(huì)拉伸或壓縮，與一般結(jié)構(gòu)不同，因此固體的表面可能與表面張力數(shù)值不一樣。擴(kuò)展表面時(shí)，必須克服原始原子、分子或離子之間的相互作用，因此表面張力和物質(zhì)的原

5、始結(jié)合方式相關(guān)作用力很弱。運(yùn)行小表面的作用力很強(qiáng)，表面能和溫度：隨著溫度，表面能一般減少。因?yàn)闊徇\(yùn)動(dòng)削弱了質(zhì)點(diǎn)之間的吸引力。表面能量和雜質(zhì)：表面含有可以減少表面的少量成分，濃縮在表面，顯著降低表面能量。如果含有少量表面可以增加的成分，則傾向于在體內(nèi)濃縮，對(duì)表面的影響不大。(1)通常固體的表面張力和固體的表面自由能在數(shù)值上不相等。(因?yàn)楣腆w表面可能包含彈性)；(2)固體表面張力各向異性。(因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的各向異性和表面不均勻)；(3)決定固體表面形態(tài)的是表面張力、形成固體表面時(shí)的條件及其經(jīng)歷的歷史；(4)實(shí)際固體表面經(jīng)常被外來(lái)物污染，影響表面的性質(zhì)。在原子尺度上，實(shí)際固體表面凹凸不平。(5)固體的表面

6、自由能和表面張力測(cè)量困難。固體表面特性：?jiǎn)栴}？一般來(lái)說(shuō)，同樣的物質(zhì)可能比液體的表面大，所以我想說(shuō)明原因。表面力場(chǎng)的形成：表面破碎鍵剩余的關(guān)鍵點(diǎn)力稱為表面力。它們吸引氣體分子、液體分子或固體粒子。這種吸引作用是由固體表面力和被質(zhì)點(diǎn)吸引的力場(chǎng)相互作用引起的。這種相互作用力稱為固體表面力。指固體表面的不飽和原子和吸附物之間的作用，即發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生化學(xué)力，形成表面化合物。5.1.5表面力場(chǎng)，(2)分子重力(表面物理吸附和氣體凝聚的主要原因)，(1)化學(xué)力，A，方向力：與它的大小、分子的電偶極矩和分子之間的距離有關(guān)。b，誘導(dǎo)力：其大小與分子的電偶極矩及分子間距離以及非極性分子的極化率相關(guān)。c，色散力

7、(分散力):與大小和非極性分子的極化率以及分子間距離有關(guān)。分子重力主要用重力表示。(2)分子重力(表面物理吸附和氣體凝聚的主要原因)，一般所說(shuō)的固體表面是指整個(gè)大晶體的三維周期性結(jié)構(gòu)和真空之間的過(guò)渡層，表面結(jié)構(gòu)是指表面上原子的構(gòu)成和排列方式。表面結(jié)構(gòu)和體上的差異通常包括表面松弛。曲面重建曲面樓梯結(jié)構(gòu)等。5.2固體的表面結(jié)構(gòu)，負(fù)離子電子云被拉向內(nèi)部的正離子，引導(dǎo)到傳記偶極，表面雙電層，固體表面被一層負(fù)離子阻隔，表面層可以進(jìn)行非化學(xué)測(cè)量?；菑碾x子鍵過(guò)渡到共價(jià)鍵城。這些影響延伸到晶體內(nèi)部，表示減少狀態(tài)。根據(jù)Benson等計(jì)算，NaCl晶體的這種作用發(fā)生在大約5個(gè)電離層范圍內(nèi)。(1)晶體(單晶)，圖

8、5.6離子晶體表面的電子云變形和離子重排，表面還原，NaCl晶體，Cl-雙電層，晶體內(nèi)部，晶體表面，粉末表面結(jié)構(gòu)模型：一、非晶結(jié)構(gòu)；第二，非常小的微型晶體結(jié)構(gòu)。(2)粉末，粉末：10000.1m膠體：0.110-3m，配置與內(nèi)部不同。在熔體中轉(zhuǎn)換為玻璃體的過(guò)程，為了保持最小的表面能量，表面上活性大的離子自發(fā)地聚集在表面上。第二，整形、退化過(guò)程中的一些物質(zhì)，如钚、堿、溴等揮發(fā)性成分在表面揮發(fā)的損失。(3)玻璃，表面力場(chǎng)和表面可以高于晶體。高極化離子對(duì)表面結(jié)構(gòu)特性的影響。以Pb2為例，降低表面能量，具有正溫度系數(shù)。粗糙：它會(huì)使表面的力場(chǎng)不均勻。表面粗糙度與鄭智薰表面積、潤(rùn)濕性、兩種材料之間的密封等

9、有關(guān)。表面微裂紋：對(duì)表面特性，尤其是脆性材料有很大影響。例如：對(duì)強(qiáng)度影響的理論強(qiáng)度是實(shí)際強(qiáng)度的數(shù)百倍。r:斷裂強(qiáng)度；c:微裂紋長(zhǎng)度；e:楊氏模量；表面自由能。(4)固體表面的幾何，5.3潤(rùn)濕和粘合，與潤(rùn)濕相關(guān)的現(xiàn)象，粘合相關(guān)的現(xiàn)象，蜥蜴膠帶，潤(rùn)濕：一種流體從固體表面轉(zhuǎn)換為另一種流體的過(guò)程。5.3.1潤(rùn)濕類型，固-氣和液-氣界面消失，固-液界面濕。如果濕面積是單位面積，則牙齒過(guò)程中自由能量的變化是S-solid。l-liquid；V-vapour，(1)濕的，本質(zhì)上是液體在固體表面的粘合。以下記號(hào)： (點(diǎn)火過(guò)程總是可以自發(fā)進(jìn)行的)，潤(rùn)濕：固體表面氣體都被液體代替。濕結(jié)果：系統(tǒng)消失了固-氣界面，產(chǎn)

10、生了固-液界面。固體總面積為單位面積的話，恒溫恒壓下牙齒過(guò)程產(chǎn)生的系統(tǒng)自由能的變化是，(3)展開(kāi)，擴(kuò)散潤(rùn)濕：將液體滴入固體表面，在一定溫度下，牙齒水滴自動(dòng)在固體表面展開(kāi)，形成液膜。潤(rùn)濕結(jié)果擴(kuò)散：失去固-氣界面，形成液-氣和固-液界面。對(duì)于擴(kuò)散潤(rùn)濕，通常用擴(kuò)散系數(shù)表示。即，系統(tǒng)自由能的變化是，V，L，濕，濕，擴(kuò)散，固體進(jìn)入液體的過(guò)程，與5.3.2YoungFormula的接觸角，5.3.2 youngformula的接觸角，如何判斷潤(rùn)濕？濕，濕，擴(kuò)散，LV (1cos) 0，180，LV cos0，90，LV (cos-1) 0，=0，=，潤(rùn)濕性的影響因素，真空不容易改變。清潔表面，去除吸附膜，

11、采用類似的化學(xué)性質(zhì)兩相系統(tǒng)。在玻璃上放入B2O3及PbO，許多產(chǎn)業(yè)技術(shù)要求改善固體-液體界面的潤(rùn)濕性，但也有很多反效果的情況，要求不要弄濕。(威廉莎士比亞，美國(guó)電視電視劇，成功):防水材料等。潤(rùn)濕性的改善主要是3表面能量的相對(duì)大小，一般不可能改變SV，只能考慮改變另外兩個(gè)。例如：在陶瓷生產(chǎn)中，通常通過(guò)使固液兩相配置盡可能接近來(lái)降低SL，通過(guò)在玻璃上添加B2O3和PbO來(lái)降低LV。金屬陶瓷中純銅和碳化鋯(ZrC)之間的接觸角為135(1100)，在銅中加入少量鎳(0.25%)，并將接觸角降低到54，降低SL，提高銅-碳化鋯結(jié)合性能。注意：污染表面的表面張力比真空中的表面張力小得多，提高了接觸角。

12、實(shí)際曲面與理想曲面不同。(1)由于固體表面本身或表面污染(特別是高能表面)，固體表面在化學(xué)構(gòu)成中經(jīng)常不均勻。(2)根據(jù)原子或離子緊密排列的程度，不同晶面的表面自由能不同，同一晶面的表面缺陷濃度也不同，因此表面能量可能不同。(3)由于表面粗糙、不平等的原因，接觸角度測(cè)量變得困難。5.4.3表面粗糙度對(duì)潤(rùn)濕性的影響，隨著潤(rùn)濕的進(jìn)行，液體逐漸鋪在固體表面。假設(shè)界面從上圖中的A點(diǎn)到B點(diǎn)從固體表面推進(jìn)，固體界面放大S，固體界面減小S，液體界面增大scos。系統(tǒng)平衡后，介面位置的微小移動(dòng)所產(chǎn)生的介面能量?jī)糇兓繛榱?。A、平滑曲面、A、B、90、N。(即，在潤(rùn)濕的前提下，表面變粗糙，接觸角變小，容易弄濕。)90的時(shí)候，兩者都是一樣的。90