固体表面与界面 文本文档 湿润

第六章 固体表面与界面 习题与解答
1、影响湿润的因素有那些？
答：⑴ 固体表面粗糙度 当真实接触角小于90度时，粗糙度越大，表面接触角越小，就越容易湿润；当真实接触角大于90度，则粗糙度越大，越不利于湿润。
⑵ 吸附膜 吸附膜的存在使接触角增大，起着阻碍作用。
2、说明吸附的本质？
答：吸附是固体表面力场与吸附分子发出的力场相互作用的结果，它是发生在固体上的。根据相互作用力的性质不同，可分为物理吸附和化学吸附两种。
物理吸附：由分子间引力引起的，这时吸附物分子与吸附剂晶格可看作是两个分立的系统。
化学吸附：伴随有电子转移的键合过程，这时应把吸附分子与吸附剂晶格作为一个统一的系统来处理。
3、什么是晶界结构？
答：晶界结构是指晶界在多晶体中的形状、结构和分布。
4、试说明晶粒之间的晶界应力的大小对晶体性能的影响？
答：两种不同热膨胀系数的晶相，在高温燃烧时，两个相完全密合接触，处于一种无应力状态，但当它们冷却时，由于热膨胀系数不同，收缩不同，晶界中就会存在应力。晶界中的应力大则有可能在晶界上出现裂纹，甚至使多晶体破裂，小则保持在晶界内。
5、请分析新的塑料薄膜可以粘结在一起，用旧了为什么就不能？
答：新的塑料表面能大，无任何吸附，故互相之间因相似表面结构而互相吸引，用旧了以后，因表面能降低而且吸附了外界杂质，成不相似
表面而难以吸附。
6、当用焊锡来焊接铜丝时，用挫刀除去表面层，可以使焊接更加牢固，请分析这种现象。
答：除去表面层主要是剔除吸附层，从而增大表面层的表面能。又因为W=rA+rB－rAB，从而使rA+rB增大，粘附力增大，粘附就更加牢固。
7、 液-固-气系统中，试分析接触角的大小对润湿的影响。
答：当接触角<90度时，称润湿，当接触角>90度时，称不润湿，当接触角为0度时，称完全润湿。
8. 固体的表面和界面的定义是什么？
答：表面－－把一个相和它本身蒸汽或真空接触的分界面。
界面－－把一相与另一相(结构不同)接触的分界面。
9．固体表面的不均匀性，表现在哪些方面？
答：(1) 绝大多数晶体是各向异性，因而同一晶体可以有许多性能不同的表面；
(2)同一种物质制备和加工条件不同也会有不同的表面性质；
(3)晶格缺陷、空位或位错而造成表面不均匀；
(4)在空气中暴露，表面被外来物质所污染，吸附外来原子可占据不同的表面位置，形成有序或无序排列，也引起表面不均匀；
(5) 固体表面无论怎么光滑，从原子尺寸衡量，实际上也是凹凸不平的。
10．固

体表面力的定义是什么？分类？
答：定义：晶体中每个质点周围都存在着一个力场，在晶体内部，质点力场是对称的。但在固体表面，质点排列的周期重复性中断，使处于表面边界上的质点力场对称性破坏，表现出剩余的键力，
称之为固体表面力。
分类：(1) 范得华力(分子引力)：是固体表面产生物理吸附或气体凝聚的原因。与液体内压、表面张力、蒸汽压、蒸发热等性质有关。
(2) 长程力：属固体物质之间相互作用力，本质仍是范得华力。按作用原理可 分为依靠粒子间的电场传播的，如色散力，可以加和；一个分子到另一个分子逐个传播而达到长距离的，如诱导作用力。
11．表面力的作用是什么？
答：液体: 总是力图形成球形表面来降低系统的表面能。
固体: 使固体表面处于较高的能量状态(因为固体不能流动),只能借助于离子极化、变形、重排并引起晶格畸变来降低表面能，其结果使固体表面层与内部结构存在差异。
12．实际表面能比理想表面能的值低的原因可能是什么？
答：(1) 可能是表面层的结构与晶体内部相比发生了改变，表面被可极化的氧离子所屏 蔽，减少了表面上的原子数。
(2) 可能是自由表面不是理想的平面，而是由许多原子尺度的阶梯构成，使真实面积比理论面积大。
13．晶界结构的分类有哪些？
答：(1) 按两个晶粒之间夹角的大小来分：
小角度晶界(约2o~3o)、大角度晶界；
(2) 根据晶界两边原子排列的连贯性来分：
共格晶界、半共格晶界、非共格晶
第七、八章 固相反应与烧结 习题与解答
1、什么是固相反应？什么是烧结？两者的推动力分别是什么？
答：固相反应：固体参与直接化学反应并发生化学变化，同时至少在一个过程中起控制作用的反应。
烧结：由于固态中分子（或原子）相互吸引，通过加热使粉末体产生颗粒粘结，经过物质的迁移使粉末产生强度并导致致密化和再结晶的过程。
固相反应推动力：系统化学反应前后的自由焓变化△G<0
烧结推动力：粉状物料的表面能大于多晶烧结体的晶界能。
2、什么是烧结过程的推动力？影响烧结的因素又有哪些？
答：粉状物料的表面能大于多晶烧结体的晶界能，即是烧结的推动力。影响烧结的因素有：粉末粒度、外加剂、烧结温度、保温时间、气氛、成型压力。
3、影响固相反应的因素有哪些？
答：主要影响因素有：温度、颗粒度、矿化剂、压力、泰曼温度
4、什么是杨德尔方程式？它是依据什么模型推导出的？
答：杨德尔方程式：[1－（1－G）1/3]2＝KJT
杨德尔方程式依据球体模型推导出来，且扩散截面积一定的等径球体。

5、论述比较烧结与烧成的区别？烧结分几个阶段进行？
答：烧成包括多种物理和化学变化，如脱水，分解，多相反应和熔融、溶解，烧结等
烧结仅仅指粉料经加热后致密化的简单物理过程。烧结分为初期、中期、晚期三个阶段。
6、什么叫泰曼温度？
答：固相反应强烈进行，体积扩散开始明显进行，也就是烧结的开始温度。
7、固相反应中，什么是抛物线方程？什么是杨德尔方程？它们的适应范围分别是怎样的？
答：抛物线方程：X2＝Kt表示产物层厚度与时间的关系。
杨德尔方程：[1－（1－G）1/3]2＝KJT 说明物质转化率与时间的关系。
抛物线方程适应于平板模型推导出的固相反应系统。
杨德尔方程适应于球体模型推导出来的固相反应系统。
8、试比较固相反应与烧结两个过程的异同点。
答：固相反应和烧结过程均在低于材料熔点温度以下进行。并且在整过程中都必须有一相是固态。不同之处在于固相反应必须有两组元参加并发生化学反应，而烧结不发生化学反应。
固相反应前后微观晶相发生变化，而烧结体除收缩外，微观晶相组成并未变化。
9、固相反应中，什么是杨氏方程？什么是金氏方程？适应范围分别是怎样的？
答：杨德尔方程 （1－（1－G）1/3）2=Kt 适应于球体模型扩散截面积恒定的情形。
金氏方程 X2（1－2/3?（X/R））=Kt 适应于球体模型扩散截面积不恒定的情形。
10. 烧结能否自发进行？
答：由于烧结推动力与相变和化学反应的能量相比，很小，因而不能自发进行，必须加热。固态烧结
11．固态烧结的对象是什么？主要传质方式有哪些？
答：对象：单一粉体的烧结。
主要传质方式：①蒸发－凝聚；
②扩散；
③塑性流变。
12．扩散传质的动力学关系
答：⑴初期：表面扩散显著。
特点：气孔率大，收缩约1％。
原因：表面扩散对空隙的消失和烧结体收缩无明显影响。
⑵中期：晶界和晶格扩散显著。
特点：气孔率降为5％，收缩率达80％～90％。
原因：颗粒粘结，颈部扩大，气孔形状由不规则?圆柱形管道， 且相互连通；晶界开始移动；晶粒正常生长。
⑶后期：中期和后期无明显差异。均呈线性关系。
特点：气孔完全孤立，位于顶点，晶粒已明显长大，坯体收缩率达90％～100％。
13．简答晶界移动的七种方式。
答：⑴－气孔靠晶格扩散迁移；
⑵－气孔靠表面扩散迁移；
⑶－气孔靠气相传递；
⑷－气孔靠晶格扩散聚合；
⑸－气相靠晶界扩散聚合；
⑹－单相晶界本征迁移；
⑺－存在杂质牵制晶界移动。
14．晶界移动的影响因素有哪些？
答：⑴晶界曲率；
⑵气

孔直径、数量；
⑶气孔作为空位源向晶界扩散的速度气孔内气体压力大小；
⑷包裹气孔的晶粒数。
15．晶粒生长和二次再结晶的概念是什么？
答：⑴晶粒生长的概念：晶粒长大不是小晶粒相互粘结，而是晶界移动的结果；晶粒生长取决于晶界移动的速率。
⑵二次再结晶概念：当正常晶粒生长由于气孔等阻碍而停止时，在均匀基相中少数大晶粒在界面能作用下向邻近小晶粒曲率中心推进，而使大晶粒成为二次再结晶的核心，晶粒迅速长大。
16．影响烧结的因素有哪些？
答：⑴ 原始粉料粒度(细而均匀)；
⑵ 外加剂（适量）的作用：
①外加剂与烧结主体形成固溶体两者离子产生的晶格畸变程度越大，越有利于烧结；
②外加剂与烧结主体形成液相在液相中扩散传质阻力小，流动传质速度快，降低了烧结温度和提高了坯体的致密度；
③外加剂与烧结主体形成化合物抑制晶界移动；
④外加剂阻止多晶转变；
⑤外加剂(适量)起扩大烧结范围的作用。

亚稳区特征：
①具有不平衡状态的特征，物相在理论上不能稳定存在， 而实际上却能稳定存在；
②亚稳区内，物系不能自发产生新相，要产生新相，必然要越过亚稳区，这就是过冷却的原因；
③当有外来杂质存在时，或在外界能量影响下，也有可能在亚稳区内形成新相，此时使亚稳区缩小。
析晶过程
析晶过程由晶核形成过程和晶粒长大过程共同构成。过冷却程度对晶核形成和长大速率的影响必有一最佳值。
一方面，当过冷度增大，温度下降，熔体质点动能降低，粒子间吸引力相对增大，因而容易聚结和粘附在晶核表面上，有利于晶核形成。
另一方面，由于过冷度增大，熔体粘度增加，粒子移动能力下降，不易从熔体中扩散到晶核表面，对晶核形成和长大过程都不利，尤其对晶粒长大过程影响更甚。
过冷度过大或过小对成核与生长速率均不利，只有在一定过冷度下才能有最大成核和生长速率。图中对应有Iv和u的两个峰值。
成核速率曲线的峰值一般位于较低温度处。
成核速率与晶体生长速率两曲线的重叠区通常称为“析晶区”。在此区域内，两个速率都有一个较大的数值，最有利于析晶。
图中TM(A点)为熔融温度，两侧阴影区是亚稳区。
成核速率与晶体生长速率两曲线峰值的大小、它们的相对位置（即曲线重叠面积的大小）、亚稳区的宽狭等直接影响析晶过程及制品的性质。
如果成核与生长曲线重叠面积大，析晶区宽则可以用控制过冷度大小来获得数量和尺寸不等的晶体。
若△T大，控制在成核率较大处析晶，则往往容易获得晶粒多而尺寸小的细晶，如搪瓷中TiO2析

晶；
若△T小，控制在生长速率较大处析晶则容易获得晶粒少而尺寸大的粗晶，如陶瓷结晶釉中的大晶花。
两曲线重叠区愈小，愈易形成玻璃；反之，重叠区愈大，则容易析晶而难于玻璃化。由此可见，要使自发析晶能力大的熔体形成玻璃，只有采取增加冷却速度以迅速越过析晶区的方法，使熔体来不及析晶而玻璃化。