7固体表面与界面
第六章表面与界面
?固体的表面
?固体的界面
?晶界
?固体表面是固相和气相（或真空）的接触面。?一个固相与另一个固相（结构不同）接触面称为固体界面。
●多晶材料的界面分为：
同相界面：相同化学成分和晶体结构的晶粒间界面，
如晶界、孪晶界、畴界等。
异相界面：不同化学成分和晶体结构的区域间界面，
如同质异构体界面、异质异构体界面。
概述
●表面质点所处环境不同于内部质点，存在悬键或受力不均而处于较高能态，呈现一系列特殊的性质。
●表面与界面可近似看作是材料中的二维缺陷。
●引起熔点、沸点、蒸汽压、溶解度、吸附、润湿、化学活性、化学反应等方面的变化。
●有关强度、韧性、导热、导电、介电、传感、腐蚀、氧化、催化、能量交换、摩擦磨损、光的吸收与反射等都与表面与界面特性密切相关。
第一节固体的表面
一、固体表面的特征
?1、固体表面的特点
–表面结构缺陷引起表面性质变化。
–实际固体表面常被外来物污染而影响表面性
质。
–在原子尺度上，实际固体表面是凹凸不平的。
–晶体的各向异性在表面上也体现。
●固体表面与液体相似处是表面受力不对称；不同处是
固体表面原子(离子)不能自由流动，使定量描述更困
难。
2、固体表面力场
●晶体中质点的受力场可认为是有心对称的。
●固体表面质点力场对称性被破坏，存在有指向的剩余力场，使固体表面表现出对其他物质有吸引作用（如吸附、润湿等），该力称为固体表面力。
●固体表面力分为化学力和范德瓦尔斯力（分子力）
（1）化学力：本质是静电力。当固体表面质点通过不饱和键与被吸附物间发生电子转移时，产生化学力。
对于离子晶体，晶体表面化学力主要取决于晶格能和极化作用。（2）范德瓦尔斯力（分子引力），是固体表面产生物理吸附和气体凝聚的原因。
●定向作用力(静电力)：发生在极性物质之间。相邻两个极化电矩相互
作用的力。
●诱导作用力：发生在极性与非极性物质之间。指在极性物质作用
下，非极性物质被极化诱导出暂态的极化电矩，随后与极性物质产生定向作用。
●分散作用力(色散力)：发生在非极性物质之间。非极性物质瞬间电
子分布并非严格对称，呈现瞬间的极化电矩，产生瞬间极化电矩间相互作用。
在固体表面上，化学力和范德华力可以同时存在，但两者在表面力中所占比重，将随具体情况而定。
二、固体的表面结构
?固体表面结构可以从微观质点排列状态（原子尺寸范围）和表面几何状态（一般显微结构）两方面来描述。
?固体表面质点在表面力作用下使表面层处于较高的能量状态。
为降低表面能：
?液体表面趋向形成球状
?固体表面质点极化、变形、重排产生晶格畸变
?清洁表面－表面原子排列的变化
?实际表面－表面层结构特征及表面平整度
离子晶体表面双电层
?表面负离子的外侧受力不饱和，其电子云受内部的正离子的影响而变形。
?在离子晶体表面上，作用力较大、极化率小的正离子处于稳定的晶格位置。
?为降低表面能，各离子周围的互作用将尽量趋于对称，因而M+离子在周围质点作用下向晶体内靠拢，而易极化的X－离子受诱导极化偶极子的排斥而被推向外侧形成表面双电层。
?下图示出AX型离子晶体的极化与重排。
图（A）理想表面；
图（B）X－离子受M+ 离子的作用诱导出偶极子；
图（C）产生表面弛豫、离子重排。
离子晶体双电层的产生使表面层键性改变。即共价键性增强，固体表面被一层负离子所屏蔽而导致组成非化学计量。
离子晶体表面的电子云变形和离子重排
NaCl晶体(100)面表面双电层
?极化和重排作用引起表面层的晶格畸变和晶胞参数的改变；
?这种影响随着向晶体内部深入而递减；?表面结构的改变对材料的烧结性、表面活性和润湿性等有重要影响。
三、粉体表面结构
?粉体在不断粉碎时，不断形成新的表面?表面晶格畸变，有序度降低，表面结构趋于无定形化
?表面双电层结构使粉体易于聚集
?解释表面结构的学说（无定形结构及微晶结构）
?四、玻璃表面结构
?玻璃从熔体变为玻璃体的过程中，为保持
最小表面能，碱、氟等易挥发组分自表面
挥发损失，使玻璃表面少碱。
?对于含有较高极化性能的离子如Pb2+, Sn2+, Sb2+, Cd2+等的玻璃，其表面结构和性质会受到这些离子在表面的排列取向状况的影响。
?玻璃表面Si-O键的断裂使玻璃表面容易受到侵蚀。
五、晶体表面的几何结构
?不同晶面上原子密度不同，因此不同结晶面上吸附性、晶体生长、溶解度及反应活性也不同。
面心立方晶格的低指数面
?固体的实际表面是不规则和粗糙的。?表面粗糙度会引起表面力场的变化。?表面微裂纹对脆性材料的强度有重要影响。
?固体表面的性质与固体内部地性质有较大差别。
六、固体的表面能
●表面能—增加单位表面所需做的可逆功，
单位(J·m-2)。
●表面张力—产生单位长度新表面所需的力，
单位(N·m-1)。
对没有外力作用的表面系统，系统总表面能将自发趋向于最低化。
?液体倾向于形成球形表面，降低总表面能。其表面能与表面张力在数值上是相同的。
?固体表面能
一般不等于表面张力，其差值与过程的弹性应变有关。
?原因为：
--固体表面质点没有流动性，能够承受剪应力的作用。
--固体的弹性变形行为改变了增加面积的做功过程，不再使表面能与表面张力在数值上相等。
?如果固体在较高的温度下能表现出足够的质点可移动性，则仍可近似认为表面能与表面张力在数值上相等。
固体表面能确定方法：
?实验法
–将固体熔化后，测定液态表面张力与温度的关系，作图外推至凝固点以下来估算固体的表面张力。
?理论计算法
–较复杂，近似计算
第四章 表面与界面
第四章表面与界面 例题 4-1何谓表面张力和表面能？在固态和液态这两者有何差别？ 解：表面张力是将物体表面最大一个单位面积所需作的功。也可理解为作用在单位长度上的力。表面能是在恒温恒压及组成不变的条件下，每增加一个单位的表面积时，体系自由焓的增值。 液体因不能承受剪应力，外力所做的功表现为表面积的扩展。因而表面能与表面张力的单位及数量是相同的。其单位为J?m-2。固溶体因能承受剪切力，外力的作用除了表现为表面积的增加外，有一部分变成塑性形变。因此，固体的表面能与表面张力不等。 4-2在真空条件下Al2O3的表面张力约为0.9J/m2，液态铁的表面张力为1.72J/m2，同样条件下的界面张力（液态铁-氧化铝）约为2.3J/m2，问接触角有多大？液态铁能否润湿氧化铝？ 解：已知γSV＝0.90J/m2，γLV＝0.72J/m2，γSL＝2.3J/m2 cosθ＝ SV SL LV γγ γ - ＝72 .1 30 .2 90 .0- ＝－0.8139 θ＝144.48 因为θ>90 ，所以液态铁不能润湿氧化铝。 4-3测定了含有一个固态氧化物、一个固态硫化物和一个液态硅酸盐的显微结构，有以下的两面角：（a）两个硫化物颗粒之间的氧化物是112°；（b）两个硫化物颗粒之间的液体是60°；（c）两个氧化物颗粒之间的硫化物是100°；（d）一个氧化物和一个硫化物之间的液体是70°。假如氧化物和氧化物之间界面能是0.9J/m2，求其它界面能是多少？ 解：按题意绘图如下： 图4-1例题4-3附图
2 2 J/m 70.056 cos 2/γJ/m 78.056 cos 50 cos 2 100cos /2112cos /) 2/100 cos(2) () 2/112 cos(2)(==== ===? SS SO OO SS OO SS SO OO SO SS γγγγγγγc γγa 由题意 2 2 J/m 41.0J/m 45.030 cos 2)2/60cos(2)()2/70cos()2/70cos()(=== =+=OL SS SL SL SS OL SL SO γγγγγb γγγd 由题意 题中γSS 是硫化物之间界面张力；γOO 为氧化物之间界面张力；γOL 是氧化物与液体间界面张力。 4-4 在石英玻璃熔体下20cm 处形成半径为5×10-8 m 的气泡，熔体密度ρ＝2200Kg/m 3 ，表面张力γ＝0.29N/m ，大气压力为1.01×105Pa ，求形成此气泡所需最低内压力是多少？ 解：P 1（熔体柱静压力）＝h ρg ＝0.2×2200×9.81＝4316.4kg/m ·s 2 ＝4316.4N/m 2 ＝4316.4Pa 附加压力△P ＝2γ/r ＝2×0.29/5×10-8＝1.16×107Pa ，故形成此气泡所需压力至少为 P ＝P 1+△P+P 大气＝4.16+1.16×10 7 +1.01×105＝117.04×105 从以上计算可见，产生微小气泡时主要阻力来自附加压力。在石英玻璃熔体中，初生微小气泡压力要大于117.04×105Pa ，气泡才能存在，这是很困难的。实际上玻璃熔体中由于配合料在熔化过程中，一系列化学反应放出大量气泡，玻璃液与耐火材料间物理化学作用也会产生气泡。新析出的气相一次为核心，一开始就形成较大的气泡，这样△P 就大为降低。例如若生成气泡半径为0.1cm ，则ΔP ＝2×0.29/1×10-3＝580Pa 。此时附加压力与大气压相比已减少到可忽略的程度，一次通体中气泡就能够形成。 4-5 假如在母相α晶粒内由一个球状的第二相β，当β相移动到两个α晶粒的晶界上时，它所具有的形状是双球冠形，如图4-2示。 双冠的体 积＝ 3 3αβ 23cos cos 2[( )] 3 r θθ π-+；双球冠的面积＝2 αβ2[2(1cos )]r πθ- （a ）当β相为双球冠形，β在α相中的二面角为120°时，试分析β在α晶粒内呈球状较稳定，还是在境界上呈双球冠形较为稳定？ （b ）如果β在晶界上呈薄膜状，情况又将如何？ 解：（a ）若设 γαβ 为α-β界面上的表面张力；γαα为α -α界面上的表面张力。 当β相为球冠状存在于晶界上时，如图4-2示，表面能为： 22αβαβA αβαβ 22(1cos 60)]2γγγr r ππ?- 晶界（）＝[＝ 当β相呈球状存在于晶粒内部时如图4-3示，总表面能A γ晶界 （）晶内将由两部分组成：一种示α -β界 面上的表面能 αβ ()γA ；二是由于晶界上步存在β相和存在β相对比，增加了一块α -α界面，其界面能为
无机材料科学基础第五章表面与界面复习课程
无机材料科学基础第五章表面与界面
第5章固体表面与界面 一、名词解释 1.阳离子交换容量：为PH＝7 时100g干粘土所吸附的离子的毫克当量数 2.可塑性：粘土与适当的水混合均匀制成泥团，当其受到高于某一个剪切应力值时，可以塑造成任何形状，这种去除应力能够保持形状。 3.触变性：泥浆的稀释流动状态到泥浆的稠化凝聚状态之间还有一个中间态，通过扰动和摇动，凝固的泥浆又变回流动状态，当停止扰动或摇动，又变回凝固的泥浆 4.滤水性：用石膏模型注浆成型时，泥浆形成的固化泥层透过水的能力 5.聚沉值：使一定量的胶体溶液在一定的时间内开始凝聚所需要的电解质浓度 6.粘土阳离子交换：粘土颗粒吸附的阳离子被溶液中其它浓度大、价数高的阳离子所交换 二、填空与选择 1．范氏力主要来源于三种不同效应：发生在极性分子和极性分子之间的静电力；发生在极性分子和非极性分子之间的诱导力和发生在非极性分子和非极性分子之间的色散力。2．不同类型的物体在应力作用下出现的流动形式可有：粘性流动、宾汉流动、塑性流动、假塑性流动和膨胀流动。3．粘土阳离子交换顺序为 H＋>Al3＋>Ba2＋>Sr2＋>Ca2＋>NH4＋>K＋>Na＋>Li＋（半径大、电价高交换能力强）。 4．粘土荷电的主要原因有：类质同晶取代、边棱破键和腐殖质电离。 5．水和粘土作用以后，水在粘土胶粒周围随着距离的增大可分为：牢固结合水、疏松结合水和自由水。（电价低、半径小结合水多） 6．当液体与固体相接触，固相不被液体所润湿，则两相的表面张力的关系应是D 。 （ A γ SV -γ SL >γ LV ；B γ SV >γ SL ；C γ SV -γ SL <γ LV ；D γ SV <γ SL ） 7．离子晶体通常借助表面离子的极化变形和重排来降低其表面 能，对于下列离子晶体的表面能，最小的是 PbI 2 、。 （ CaF 2、PbF 2 、PbI 2 、BaSO 4 、SrSO 4 ）
表面与界面-电子教案
第四章表面与界面 1.表面与界面的意义 表面的质点由于受力不均衡而处于较高的能阶。这就使物体表面呈现一系列特殊的性质。高分散度物系比低分散度物系能量高得多，必然使物系由于分散度的变化而使两者在物理性能（如熔点、沸点、蒸气压、溶解度、吸附、润湿和烧结等）和化学性质（化学活性、催化、固相反应）方面有很大的差别。随着材料科学的发展，固体表面的结构和性能日益受到科学界的重视。随着近年来表面微区分析、超高真空技术以及低能电子衍射等研究手段的发展，使固体表面的组态、构型、能量和特性等方面的研究逐渐发展和深入，并逐渐形成一门独立学科——表面化学和表面物理。 表面与界面的结构、性质，在无机非金属固体材料领域中，起着非常重要的作用。例如固相反应、烧结、晶体生长、玻璃的强化、陶瓷的显微结构、复合材料都与它密切相关。 2.固体的表面 表面——一个相和它本身蒸汽（或真空）接触面~； 界面——一个与另一个相（结构不同）接触的分界面~； 固体表面力——固体表面质点排列的周期重复性中断质点的对称性破坏，表现出剩余的键力~。 2.1表面力场 1．长程力：作用范围较范德华力大得多，两相分子间的分子引力，实质是范德华力。2．范德华力：A-静电力（极性分子之间）；B诱导力（极性与非极性分子）；C色散力（非极性分子之间） 2.2晶体表面结构 2.2.1晶体表面的微观排列状态（维尔威结构学说） A．松弛过程：如图（图4-1）表面层负电子外侧不饱和，电子云将被拉向内侧正离子一方，极化变形，通过电子云极化变形来降低表面能过程~（瞬间完成改变表面层键性）B．重排过程：晶格必须稳定，作用力大，极化率小的正离子应处于稳定位置，正离子向内负离子排斥向外——重排。 C．离子键逐渐过渡为共价键，表面为一层负离子所屏蔽——表面双电层。 D．表面等负性：易吸附正离子
第5章习题及答案-无机材料科学基础
第五章固体表面与界面 5-1 名词解释 驰豫表面重构表面定向作用诱导作用色散作用范德华力润湿角临界表面张力粘附功阳离子交换容量聚沉值触变性滤水性可塑性 5-2 何谓表面张力和表面能？在固态和液态这两者有何差别？ 5-3 在石英玻璃熔体下 20处形成半径5×10－8m的气泡，熔体密度为 22003，表面张力为0.29，大气压力为 1.01×105，求形成此气泡所需最低内压力是多少？ 5-4 （1）什么是弯曲表面的附加压力？其正负根据什么划分？（2）设表面张力为0.92，计算曲率半径为0.5μm、5μm的曲面附加压力？ 5-5什么是吸附和粘附？当用焊锡来焊接铜丝时，用挫刀除去表面层，可使焊接更加牢固，请解释这种现象？ 5-6在高温将某金属熔于2O3片上。（1）若2O3的表面能估计为12，此熔融金属的表面能也与之相似，界面能估计约为0.32，问接触角是多少？（2）若液相表面能只有2O3表面能的一半，而界面能是2O3表面张力的2倍，试估计接触角的大小？
5-7在 20℃及常压下，将半径为10－3m的汞分散成半径为10－9m的小汞滴，求此过程所需作的功是多少？已知20℃时汞的表面张力0.470。 5-8在 2080℃的2O3（L）内有一半径为10－8m的小气泡，求该气泡所受的附加压力是多大？已知 2080℃时2O3（L）的表面张力为0.700。 5-9 20℃时苯的表面张力为0.0289，其饱和蒸气压为10013，若在 20℃时将苯分散成半径为10－6m的小滴，计算：（1）苯滴上的附加压力；（2）苯滴上的蒸气压与平面上苯液饱和蒸气压之比。 5-10 20℃时，水的饱和蒸气压力为2338，密度为998.33，表面张力为0.07275，求半径为10－9m的水滴在 20℃时的饱和蒸气压为多少？ 5-11若在101325， 100℃的水中产生了一个半径为10－8m的小气泡，问该小气泡能否存在并长大？此时水的密度为9583，表面张力为0.0589。 5-12 17℃时大颗粒的1，2－二硝基苯在水中的溶解度为0.0059，1，2－二硝基苯固体与溶液的界面张力为0.0257，计算直径为10－8m的1，2－二硝基苯在水中的溶解度。1，2－二硝基苯固体的密度为 15653。
固体表面与界面翻译
《固体的表面与界面》期末考试作业 姓名：刘继琼学号：200907120002 翻译章节：第三章翻译页码：32-42
Chapter 3 Electron spectroscopy 电子能谱 3.1 Introduction 3.1 引言 If we want to learn something about a system, a general experimental approach is a scattering technique: we shoot some particles in a well-prepared state on the target and look at particles coming out of the target (which do not have to be the same). In surface science the most basic questions we want to solve with this approach are for example: Is the surface clean? Which elements are on the surface? And in which chemical compound? What is the exact geometric structure of the surface? 如果我们想要了解一个系统，通常的实验方法是采用散射技术：我们向靶发射一些处于特定状态的粒子，观察它们从靶出射的情况（各个粒子出射情况不同），在表面科学中我们想通过这种方法解决的最基本的问题有：表面是否清洁？哪种元素处在表面？以及它们的化学组成？表面的精确的几何结构是什么样的？ The most common particles to scatter from surfaces are electrons, ions, atoms and photons both as probe and response particles. An important issue is the surface sensitivity of an experiment. In general, it is high if we choose particles which have a small mean free path in the solid because this means that the detected particles must originate near the surface. The opposite is true, for example, when the scattering of light by the surface is investigated(reflectivity and change of polarization). The photons will penetrate relatively deeply into the crystal. The amount of photons scattering at or near the surface be very small. Hence, light scattering is not a good tool to study surfaces. In some cases we can increase the surface sensitivity by choosing an experimental set-up where we use a very grazing angle of incidence or emission. In this way the particles travel a long way close to the surface, even if their mean free path is relatively long. 从表面上散射出来的最常见的粒子是电子，离子，原子和声子，它们即作为探测粒子又作为反应粒子。一个重要的因素是实验的表面灵敏度。通常，如果当我们选择的微粒在固体中有一个小的平均自由程时表面灵敏度很高，因为这就意味着探测粒子必须在表面附近产生。反之亦然，例如，研究表面光的散射（折射率和偏振变化）。光子将相对较深的深入固体。在表面及其表面附近散射的光子数量就会很少。因此，光子散射不适宜用来研究表面性能。有时候，我们可以选择合适的入射角和出射角来提高表面灵敏度。这样，及时粒子的平均自由程很长，它们也会在表面附近运动很长的一段距离。 surface sensitivity-表面灵敏度 mean free path-平均自由程
材料表面与界面-习题含答案
第一章 1、什么是Young 方程？接触角的大小与液体对固体的润湿性好坏有怎样的关系？ 答：Young 方程：界面化学的基本方程之一。它是描述固气、固液、液气界面自由能γsv ，γSL ，γLv 与接触角θ之间的关系式，亦称润湿方程，表达式为：γsv -γSL =γLv COSθ。该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。 关系：一般来讲，接触角θ的大小是判定润湿性好坏的依据，若θ=0.cosθ=1，液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；若0＜θ＜90°，液体可润湿固体，且θ越小，润湿性越好；90°＜θ＜180°，液体不润湿固体；θ=180°，完全不润湿固体，液体在固体表面凝集成小球。 2、水蒸气骤冷会发生过饱和现象，在夏天的乌云中，用飞机撒干冰微粒，试气温骤降至293K ，水气的过饱和度（P/Ps ）达4，已知在293K 时，水的表面能力为0.07288N/m ，密度为997kg/m 3，试计算： （1）在此时开始形成雨滴的半径。 （2）每一雨滴中所含水的分子数。 答：（1）根据Kelvin 公式有 '2ln 0R RT M P P ργ= 开始形成的雨滴半径为： 0ln 2'p p RT M R ργ= 将数据代入得： m R 101079.74ln 997293314.8018.007288.02'-?=?????= （2）每一雨滴中所含水的分子数为N=N A n ，n=m/M=ρV/M ，得 个661002.6018.03997)1079.7(14.34)(34233103'=???????===-A A N M R N M V N ρπρ
第四章 固体的表面与界面
第四章 固体的表面与界面 【教学目的】了解固体的表面及结构与液体的不同界面及界面行为。基本掌握晶界理论、表面吸附、粘土-水系统性质。 【教学内容】固体表面结构、固体界面结构、界面吸附效应、粘土-水系统性质。 【教学重点】表面结构、界面效应中的吸附和改性、泥浆的各种性质。 【教学方法及手段】多媒体课件展示图、表 第一节 晶界类型 一.根据相邻晶粒的位向差分： 位向差大——大角度晶界 位向差小——小角度晶界 1.小角度晶界：亚晶界 单晶体中“镶嵌结构”产生小角度晶界。小角度晶界位向差小，晶界很薄。小角度晶界形成原因是单晶体在成长过程中受热或机械应力或表面张力作用产生的。 同号位错在同一滑移面上相互排斥
异号位错在同一滑移面上相互吸引。 同号位错不在同一滑移面上相互吸引。 2.大角度晶界：多晶材料之间的晶界，其结构为无定型结构，厚度较大。 二.根据晶面两侧晶格的吻合程度分： 1.共格界面：界面两侧具有相近的原子排列和原子间距，越过晶面原子排列是连续的，即界面上的原子同时处于相邻的晶列的晶格结点上。 共格界面，其上结点属于界面两侧两个晶粒，但两侧的晶粒晶格常数略有差别，通过弹性变形来协调。 孪晶（双晶）间界面为共格晶界，可通过堆垛层错产生。 A B C A 孪晶 2.半共格晶界 晶格间距失配度太大，弹性变形不能协调,插入刃型位错，在界面上插入附加的半平面（引入刃型位错）形成半共格界面。
3.非共格晶界面： 晶界两侧结构相差太大，此时晶界结构为无定形的，为非共格晶面。 二.晶界能 晶界比晶体内部具有过剩的能量。 晶界能：大角度晶界 > 小角度晶界 非共格晶界 > 半共格晶界 > 共格晶界 三.晶界应力 晶体各向异性，晶界两侧位向不同，两侧晶体沿晶界同一方向上弹性模量、热膨胀系数不同，会产生晶界应力，若应力过大，晶界开裂，有裂纹出现。 第二节 晶体的表面结构 表面是指晶体与真空（或与本身蒸汽）之间的界面。 一.表面对键强分布的影响： 表面的存在会影响晶体内部键强的分布。表面的键强两极分化，最强键、最弱键都分布在表面，随离开表面距离的增大，键增强、减弱的程度减小，表面的影响程度越来越弱，到离开表面足够远的地方，键强已经不受表面影响了。
第五章 表面与界面复习提纲
习题 1．什么叫表面张力和表面能? 在固态下和液态下这两者有何差别? 2．一般说来，同一种物质，其固体的表面能要比液体的表面能大，试说明原因。 3．什么叫吸附、粘附? 当用焊锡来焊接铜丝时，用锉刀除去表面层，可使焊接更加牢固，请解释这种现象。 4．方镁石的表面能为1000尔格/cm2，如果密度为3.68克/cm3，求将其粉碎为1u颗粒时，每克需能量多少卡? 5．试说明晶界能总小于两个相邻晶粒的表面能之和的原因。 7．1克石英在粉碎机中轧成粒度为1u的粉末时，重量增至1.02克，若这是吸附了空气中水分的结果，试求吸附水膜的厚度(假定破碎后颗粒为立方体)。 8．真空中Al2O3的表面张力约为900erg／cm2，液态铁的表面张力为1729erg/cm2，同样条件下，界面张力(液态铁—氧化铝)约为2300erg／cm2，问接触角有多大? 液态铁能否润湿氧化铝? 答:θ=14429′ 9．表面张力为500erg／cm2的某液态硅酸盐与某种多晶氯化物表面相接触，接触角θ=45°；若与此氧化物相混合，则在三晶粒交界处，形成液态小球，二面角φ平均为90°，假如没有液态硅酸盐时，氧化物－氧化物界面的界面张力为1000dyn／cm，试计算氧化物的表面张力。答：γsv=1060.7dyn/cm2 10．MgO—A12O3—SiO2系统的低共熔物，放在Si3N4陶瓷片上，在低共溶温度下，液相的表面张力为900erg/cm2，液体与固体的界面能为600erg/cm2，测得接触角为70.52°， (1)求Si3N4的表面张力。 (2)把Si3N4在低共熔温度下进行热处理，测得其腐蚀的槽角为123.75°，求Si3N4的 晶界能。 (3)如果把20％的低共熔物与Si3N4粉末混合，加热到低共溶温度下，试画出由低共熔 物与Si3N4混合组成的陶瓷显微结构示意图。 答： (1) γsv=900erg／cm2 (2) γsv＝848.5erg／cm2 复习提纲 1．基本概念：表面、晶界、相界、弛豫表面、重构表面、黏附、润湿、吸附 2．固体是如何降低系统的表面能的，为什么相同组成的固体的表面能总是高于液体的表面能； 3．固体的表面力场的分类和本质，晶体的表面结构特点，表面粗糙度、表面微裂纹对表面力场的影响； 4．固体的界面行为对固体表面结构和性质的影响；粗糙表面的润湿行为； 一、表面力的存在使固体表面处于高能量状态，然而，能量愈高系统愈不稳定，那么固体是 通过何种方式降低其过剩的表面能以达到热力学稳定状态的。
材料科学经典例题解答第五章
第五章固体表面与界面 【例5-1】什么叫吸附、粘附？当用焊锡来焊接铜丝时，用锉刀除去表面层，可使焊接更加牢固，试解释这种现象。 【解】吸附：以一种物质的分子或原子负者在另一种物质表面上的现象，通常发生在固－气介面上，是固体表面力场与被吸附分子发出的力场相互作用的结果，吸附作用能使固体表面上的不平衡力达到某种程度的饱和，从而降低表面能。所以一切固体具有不同程度的吸附周围介质（分子、原子或离子）到自己表面上的能力，是一个自发过程。 粘附：是发生在固－液或固－固界面上的行为，指两个发生接触的表面之间的吸引，通常以粘附功表示，粘附功是指分开单位面积粘附表面所需要的功或能。良好的粘附要求粘附的地方完全致密并有高的粘附强度。 焊锡焊接铜丝其实质是焊锡对铜丝的粘附。焊接前先用锉刀除去铜丝表面层，其目的为： （1）锉去铜丝表面吸附层，露出新鲜铜表面，增加表面能。 （2）增加铜表面粗糙度。由于锡对铜是润湿的，则增加润湿性和粘附面，故能同时产生机械啮合，增加粘附牢固性。 【例5-2】新的塑料薄膜粘结在一起，用旧的为什么就不能？ 【解】新鲜表面具有较高的表面能，有自发吸附其他物质以降低表面能的趋势，所以新的塑料薄膜容易相互粘结在一起。但用旧了的塑料薄膜上面已吸附了很多物质，如油污、气体、尘土等，表面能降低，则彼此就不会粘结在一起了。 【例5-3】测定了含有一个固态氧化物、一个固态硫化物和一个液态硅酸盐的显微结构，有以下的两面角：（a）两个硫化物颗粒之间的氧化物是112°；（b）两个硫化物颗粒之间的液体是60°；（c）两个氧化物颗粒之间的硫化物是100°；（d）一个氧化物和一个硫化物之间的液体是70°。假如氧化物和氧化物之间的界面能是0.9J/m2，求其它界面能是多少？ 【解】按题意作图示于图5-1，其中是硫化物之间界面张力；为氧化物之间界面张力；是氧化物与液体间界面张力； 是硫化物与液体间界面张力；是硫化物与氧化物与液体间界面张力。 图5-1
材料表面与界面课后思考题胡福增
第一章 1.试述表面张力（表面能）产生的原因。怎样测试液体的表面张力 （1）原因 液体表面层的分子所受的力不均匀而产生的。液体表面层即气液界面中的分子受到指向液体内部的液体分子的吸引力，也受到指向气相的气体分子的吸引力，由于气相吸引力太小，这样，气液界面的分子净受到指向液体内部并垂直于表面的引力作用，即为表面张力。这里的分子间作用力为范德华力。 （2）测试 ①毛细管上升法 测定原理 将一支毛细管插入液体中, 液体将沿毛细管上升, 升到一定高度后, 毛细管内外液体将达到平衡状态, 液体就不再上升了。此时, 液面对液体所施加的向上的拉力与液体总向下的力相等。则γ=1 /2(ρl-ρg)ghrcosθ (1) (1)式中γ为表面张力, r为毛细管的半径, h为毛细管中液面上升的高度,ρl为测量液体的密度,ρg为气体的密度( 空气和蒸气) , g为当地的重力加速度, θ为液体与管壁的接触角。若毛细管管径很小, 而且θ=0 时, 则上式(1)可简化为γ=1/2ρghr (2） ②Wilhelmy 盘法 测定原理
用铂片、云母片或显微镜盖玻片挂在扭力天平或链式天平上, 测定当片的底边平行面刚好接触液面时的压力, 由此得表面张力, 公式为: W总-W片=2γlcosφ 式中,W总为薄片与液面拉脱时的最大拉力,W片为薄片的重力, l为薄片的宽度, 薄片与液体的接触的周长近似为2l, φ为薄片与液体的接触角。 ③悬滴法 测定原理 悬滴法是根据在水平面上自然形成的液滴形状计算表面张力。在一定平面上, 液滴形状与液体表面张力和密度有直接关系。由Laplace 公式, 描述在任意的一点P 曲面内外压差为 式中R1, R2 为液滴的主曲率半径; z 为以液滴顶点O为原点, 液滴表面上P 的垂直坐标; P0 为顶点O处的静压力。 定义S= ds/de式中de为悬滴的最大直径, ds为离顶点距离为de处悬滴截面的直径再定义H=β(de/b)2 则得γ= (ρl-ρg)gde2/H 式中b为液滴顶点O处的曲率半径。若相对应与悬滴的S值得到的1/H为已知, 即可求出表(界) 面张力。即可算出作为S的函数的1/H值。因为可采用定期摄影或测量ds/de 数值随时间的变化, 悬滴法可方便地用于测定表(界)面张力。 ④滴体积法 测定原理
固体的表面与界面
1 粗糙度对润湿的影响是（） ?A、粗糙度愈大，愈不利于润湿。 ?B、粗糙度愈大，愈有利于润湿。 ?C、当真实接触角θ小于90°时，粗糙度愈大，愈容易润湿。 ?D、当真实接触角θ大于90°时，粗糙度愈大，愈容易润湿。 正确答案：C 我的答案：C 得分：5.0分 2 黏土泥浆只有在一定的条件下才表现出触变性，它与黏土颗粒表面吸附的电解质的种类与数量有关，如果黏土浆体具有较小的触变性，则满足以下哪个条件（）。 ?A、吸附阳离子价数越小 ?B、吸附阳离子价数越大 ?C、价数相同离子半径越大 ?D、价数相同时与阳离子半径大小没有关系 正确答案：A 我的答案：A 得分：5.0分 3 随着温度的升高，固体的表面能（）。 ?A、升高 ?B、下降 ?C、先降后升 ?D、先升后降 正确答案：B 我的答案：B 得分：5.0分 4
毛细管凝聚现象在生活和生产中经常遇到，例如，陶瓷生坯中有许多毛细孔，从而有许多毛细孔凝聚水，这些水由于蒸汽压低而不易被排除，若不预先充分干燥，入窑将容易炸裂，这种现象可以用（）解释。 ?A、拉普拉斯方程 ?B、金斯特林格方程 ?C、开尔文公式 ?D、丁达尔效应 正确答案：C 我的答案：C 得分：5.0分 5 黏土颗粒周围吸附着定向排列的水分子层和水化阳离子，这部分水称为（）?A、结构水 ?B、牢固结合水 ?C、松结合水 ?D、自由水 正确答案：B 我的答案：B 得分：5.0分 6 矿物组成是影响黏土的阳离子交换容量的因素之一，同等条件下，在以下三种黏土矿物中，阳离子交换容量最大的是（）。 ?A、高岭石 ?B、蒙脱石 ?C、伊利石 正确答案：B 我的答案：B 得分：5.0分 7
材料表面与界面-习题含答案
材料表面与界面-习题含答案
第一章 1、什么是Young 方程？接触角的大小与液体对固体的润湿性好坏有怎样的关系？ 答：Young 方程：界面化学的基本方程之一。它是描述固气、固液、液气界面自由能γsv ，γSL ，γLv 与接触角θ之间的关系式，亦称润湿方程，表达式为：γsv -γSL =γLv COSθ。该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。 关系：一般来讲，接触角θ的大小是判定润湿性好坏的依据，若θ=0.cosθ=1，液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；若0＜θ＜90°，液体可润湿固体，且θ越小，润湿性越好；90°＜θ＜180°，液体不润湿固体；θ=180°，完全不润湿固体，液体在固体表面凝集成小球。 2、水蒸气骤冷会发生过饱和现象，在夏天的乌云中，用飞机撒干冰微粒，试气温骤降至293K ，水气的过饱和度（P/Ps ）达4，已知在293K 时，水的表面能力为0.07288N/m ，密度为997kg/m 3，试计算： （1）在此时开始形成雨滴的半径。 （2）每一雨滴中所含水的分子数。 答：（1）根据Kelvin 公式有 开始形成的雨滴半径为： 将数据代入得： '2ln 0R RT M P P ργ=0ln 2'p p RT M R ργ=
=J 4-1015.9 第二章 1、什么是CMC 浓度？试讨论影响CMC 的因素。请设计一种实验测定CMC 的方法。 答： （1）CMC 浓度是指随着表面活性剂浓度上升，溶液的表面张力逐渐下降，直至表面张力几乎不变时所发生转折时的浓度。 （2）疏水基的影响、亲水基、温度、添加剂（电解质、有机物）。 （3）测定方法：测定电导率、渗透压、冰点、增溶性、洗净力等物理量发生显著变化的转折点 2、温度对离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂溶解度的影响有什么不同？为什么离子型表面活性剂在K.P 点以上溶解度迅速增大，而非离子型表面活性剂溶液在C.P 点变成浑浊？ 答：（1）离子型：在足够低的温度下，溶解度随温度升高而慢慢增大，当温度达到一定值后，溶解度会突然增大——Krafft 现象 非离子型：溶解度随温度升高而下降，当温度升高到一定温度时，溶液会突然变浑浊 （2）离子型：表面活性剂以胶束形式溶解
第5章习题及答案-无机材料科学基础教学教材
第5章习题及答案-无机材料科学基础
第五章固体表面与界面 5-1 名词解释 驰豫表面重构表面定向作用诱导作用色散作用范德华力润湿角临界表面张力粘附功阳离子交换容量聚沉值触变性滤水性可塑性 5-2 何谓表面张力和表面能？在固态和液态这两者有何差别？ 5-3 在石英玻璃熔体下 20cm处形成半径5×10－8m的气泡，熔体密度为 2200kg/m3，表面张力为 0.29N/m，大气压力为1.01×105Pa，求形成此气泡所需最低内压力是多少？ 5-4 （1）什么是弯曲表面的附加压力？其正负根据什么划分？（2）设表面张力为0.9J/m2，计算曲率半径为0.5μm、5μm的曲面附加压力？ 5-5什么是吸附和粘附？当用焊锡来焊接铜丝时，用挫刀除去表面层，可使焊接更加牢固，请解释这种现象？ 5-6在高温将某金属熔于Al2O3片上。（1）若Al2O3的表面能估计为1J/m2，此熔融金属的表面能也与之相似，界面能估计约为0.3J/m2，问接触角是多少？（2）若液相表面能只有Al2O3表面能的一半，而界面能是Al2O3表面张力的2倍，试估计接触角的大小？ 5-7在 20℃及常压下，将半径为10－3m的汞分散成半径为10－9m的小汞滴，求此过程所需作的功是多少？已知 20℃时汞的表面张力0.470N/m。 5-8在 2080℃的Al2O3（L）内有一半径为10－8m的小气泡，求该气泡所受的附加压力是多大？已知2080℃时Al2O3（L）的表面张力为0.700N/m。 5-9 20℃时苯的表面张力为0.0289N/m，其饱和蒸气压为10013Pa，若在 20℃时将苯分散成半径为10－6m的小滴，计算：（1）苯滴上的附加压力；（2）苯滴上的蒸气压与平面上苯液饱和蒸气压之比。 5-10 20℃时，水的饱和蒸气压力为2338Pa，密度为 998.3kg/m3，表面张力为0.07275N/m，求半径为10－9m的水滴在 20℃时的饱和蒸气压为多少？ 5-11若在101325Pa， 100℃的水中产生了一个半径为10－8m的小气泡，问该小气泡能否存在并长大？此时水的密度为 958kg/m3，表面张力为0.0589N/m。
表面与界面习题
Chapter 1 1、表面与界面的定义。 1)表面：固体与真空的界面； 2)界面：相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。 2、叙述表面与本体的不同点。 表面与本体：结构、化学组成、性质都存在不同。 材料与外界的相互作用是通过表面来进行的。因此，表面具有特殊性，它的性质将直接影响材料的整体性质。材料的性质虽然与组成的本体有关，但其表面对性能的影响却占很大的比重。因为，不少性能是通过表面来实现的，如表面硬度、表面电导，同时，材料某些性能将通过表面受到外界环境的影响。 3、什么叫相界面？有哪几类？ 1)相界面：相邻相之间的交界面成为相界面。 2)分为3类：固相与固相的界面，固相与气相的界面，固相与液相的界面。 4、材料表面与界面的表征手段有哪些？ 材料表面与界面的表征主要通过对比表面积、表面张力（表面能）等测定来实现 1）比表面积 a 静态吸附法（BET ）（测量准确度和精度都很好，但达到吸附平衡慢，仪器装置较复杂，需要高真空系统，并且要使用大量的汞，逐步被动态吸附法所取代） b 动态吸附法：常压流动法，气相色谱法（操作简单而快速 ） 2）表面张力 a 高聚物熔体表面张力外推法(γ∝T 成直线关系，测定不同温度下高聚物熔体的表面张力，外推到20℃时的表面张力) b Zisman 的浸润临界表面张力法(测定固体在已知表面张力的液体中的接触角 ) C 还有几何平均方程求解法、状态方程测求法等等 d 理论计算：等张比容法、内聚能密度法、Tg 参数计算法 5、试述表面张力产生的原因。 材料的表面结构和性质与其本体有明显的差别，这是因为位于材料本体的原子受到周围原子的相互作用是相同的，处于对称力场之中，总的作用之和等于0；而处于表面的原子只有局部受到与本体相同的相互作用，而其余的部分则完全不同,表面由此产生表面张力。 6、单位体积的物体所具有的表面积称为比表面，请得 出下列结果： (1)半径为r 的球形颗粒，其比表面为： (2)质量为m ，密度为ρ的球形颗粒的比表面： (3) 边长为L 的立方体的比表面为： (4) 质量为m ，密度为ρ的立方体的比表面为： 7.水蒸气迅速冷却至25℃会发生过饱和现象。已知25℃时水的表面张力为71.49×10－3 N/m ，当过饱和水的蒸气压为正常平衡蒸气压的4倍时，求： （1）在此过饱和情况下，开始形成液滴的半径； （2）一滴此种水滴中含有多少个水分子？ r M 2r V 2P P ln RT 0ρσ=σ=
第5章习题及答案 无机材料科学基础
第五章固体表面与界面 5-2 何谓表面张力和表面能？在固态和液态这两者有何差别？ 解：表面张力：垂直作用在单位长度线段上的表面紧缩力或将物体表面增大一个单位所需作的功；σ=力/总长度（N/m） 表面能：恒温、恒压、恒组成情况下，可逆地增加物系表面积须对物质所做的非体积功称为表面能；J/m2=N/m 液体：不能承受剪应力，外力所做的功表现为表面积的扩展，因为表面张力与表面能数量是相同的； 固体：能承受剪切应力，外力的作用表现为表面积的增加和部分的塑性形变，表面张力与表面能不等。 5-5什么是吸附和粘附？当用焊锡来焊接铜丝时，用挫刀除去表面层，可使焊接更加牢固，请解释这种现象？ 解：吸附：固体表面力场与被吸附分子发生的力场相互作用的结果，发生在固体表面上，分物理吸附和化学吸附； 粘附：指两个发生接触的表面之间的吸引，发生在固液界面上； 铜丝放在空气中，其表面层被吸附膜（氧化膜）所覆盖，焊锡焊接铜丝时，只是将吸附膜粘在一起，锡与吸附膜粘附的粘附功小，锉刀除去表面层露出真正铜丝表面（去掉氧化膜），锡与铜相似材料粘附很牢固。 5-6在高温将某金属熔于Al2O3片上。（1）若Al2O3的表面能估计为1J/m2，此熔融金属的表面能也与之相似，界面能估计约为0.3J/m2，问接触角是多少？（2）若液相表面能只有Al2O3表面能的一半，而界面能是Al2O3表面张力的2倍，试估计接触角的大小？ 解：（1）根据Yong方程： 将已知数据代入上式=0.7，所以可算得接触角约为45.6度 （2）将已知数据代入Yong方程=0.8，可算得接触角约为36.9度。
5-11若在101325Pa，100℃的水中产生了一个半径为10－8m的小气泡，问该小气泡能否存在并长大？此时水的密度为958kg/m3，表面张力为0.0589N/m。 解：根据公式，可算得附加压力为△P=2×0.0589/10－8=1.178×107 Pa 对于液体中的气泡，气泡的压力为P=P0—△P=101325—1.178×107﹤0 所以该小气泡不能存在。 5-14 20℃时，乙醚－水、汞－乙醚及汞－水的界面张力分别为0.0107、0.379及0.375N/m，在乙醚与汞的界面上滴一滴水，求其接触角。 解：， 5-15在真空下的氧化铝表面张力约为0.9 N/m，液态铁的表面张力为1.72 N/m，同样条件下液态铁－氧化铝的界面张力为2.3 N/m，问接触角有多大？液态铁能否润湿氧化铝？ 解：=-0.814，，所以不能润湿。
固体表面与界面复习题
1.表面力：表面力无处不在，也是各种表面与界面现象的根源。主要包括分子引力、静电 力和化学力等。 分子引力：也称范德华力，一般是指固体表面与被吸附质点之间相互作用力，包括色散力、诱导力和取向力等。 色散力：存在于一切分子之间，是分子相互靠拢时，瞬时偶极矩之间会产生的很弱吸引力。色散力与分子的变形性有关，变形性越强越易被极化，色散力也越强。色散力不仅存在于非极性分子间，也存在于极性分子间以及极性与非极性分子间。 取向力：当两个极性分子充分靠近时，固有偶极就会发生同极相斥、异极相吸的取向（或有序）排列。这种极性分子与极性分子之间的固有偶极之间的静电引力称为取向力，又叫定向力。 诱导力：在极性分子的固有偶极诱导下，临近它的分子可产生诱导偶极，诱导偶极与固有偶极之间的电性引力称为诱导力。在极性分子和非极性分子之间以及极性分子和极性分子之间都存在诱导力。 2理想表面： 从理论上看，它是结构完整的二维点阵平面。忽略了外界对表面的物理化学作用等。清洁表面： 清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。清洁表面的化学组成与体内相同，但周期结构可以不同于体内。 表面重构：重构是指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间距则与体内相同 表面偏析：不论表面进行多么严格的清洁处理，总有一些粒子由体内偏析到表面上来，从而使固体表面组成与体内不同，称为表面偏析。根源是表面力的不均衡。 5单位质量的某种液体变成气体时所吸收的热量，叫做这种气体的蒸发热。 6物理吸附 当吸附质分子与固体表面间的作用较弱时，吸附需要较低的表面温度和较长停留时间。弱相互作用主要是指分子与表面原子间的偶极—偶极、诱导偶极之间的范德华力以及其他短程作用力。由这些弱相互作用所产生的吸附叫做物理吸附。 化学吸附：如果被吸附分子与固体表面原子之间有部分的或完全的电子转移，那么吸附分子就被较强的静电力束缚在表面原子上。二者之间的作用能跟它们之间距离的一次方成反比，这种吸附叫做化学吸附。 7吸附等温线：吸附等温线是指在一定温度下溶质分子在两相界面上进行的吸附过程达到平衡时它们在两相中浓度之间的关系曲线。
第四章材料的表面与界面
第四章材料的表面与界面 4-1 什么叫表面张力和表面能？在固态下和液态下这两者有何差别？ 4-2 在晶体中，不同的结晶面上，表面上原子的密度住往是不一样的（见无机材料物理化学表6-1）。你认为原子密度大的晶面的表面能大呢？还是密度小的大？试解释之。 4-3 一般说来，同一种物质，其固体的表面能要比液体的表面能大，试说明原因。 4-4 什么叫吸附、粘附？当用焊锡来焊接铜丝时，手用挫刀除去表面层，可使焊接更加牢固，请解释这种现象。 4-5 为什么在实际晶体中，不存在理想晶体所设想的完整平面？至少也会有相当于螺形位错的柏氏矢量大小的台阶。 4-6 试说明晶界能总小于两个相邻晶粒的表面能之和的原因。 4-7 （a）什么叫弯曲表面的附加压力：其正负根据什么划分？ （b）设表面张力为900尔格／厘米2，计算曲率半径为0.5的曲面附加压力？ 4-8 真空中Al2O3的表面张力约为900尔格／厘米2，液态铁的表面张力为1720尔格/厘米2，同样条件下，界面张力（液态铁－氧化铝）约为2300尔格/厘米2。问接触角有多大？液态铁能否润湿氧化铝？ 4-9 表面张力为500尔格/厘米2的某液态硅酸盐与某种多晶氧化物表面相接触，接触角θ =450；若与此氧化物混合，则在三晶粒交界处，形成液态小球，二面角ψ平均为900，假如没有液态硅酸盐时，氧化物－氧化物界面的界面张力为1000达因/厘米，试计算氧化物的表面张力。 4-10 MgO－Al2O3－SiO2系统的低共熔物，放在Si3N4脚瓷片上，在低共熔温度下，液相的表面张力为900尔格/厘米2，液体与固体的界面能为600尔格/厘米2，测得接触角为70.520。（1）求Si3N4的表面张力。 （2）把Si3N4在低共熔温度下进行热处理，测得其腐蚀的槽角为123.750，求Si3N4晶界能。（3）如果把20％的低共熔物与Si3N4粉末混合，加热到低共熔温度下，试画出低共熔物与Si3N4混合组成的陶瓷显徽结构示意图。 4-11 氟化锂晶体经多边形化、抛光和腐蚀后，观察到沿某一直线的位错腐蚀坑的间距为10微米，在外加剪应力作用下观察到小角度晶界垂直于晶界平面移动，为什么会发生这种现象？若柏氏矢量为2.83?，穿过晶界的倾斜角是多少？ 4-12 在高温将某金属熔于Al2O3片上。 （a）若Al2O3的表面能估计为1000尔格/厘米2，此熔融金属的表面能也与之相似，界面能估计约为300尔格/厘米2，问接触角是多少？ （b）若液相表面能只有Al2O3表面能的一半，而界面能是Al2O3表面张力的两倍，试估计接触角的大小？ （c）在（a）所述条件下，混合30％金属粉末与Al2O3成为金属陶瓷，并加热到此金属熔点以上。试描述并作图示出金属与Al2O3之间的显徽结构。 4-13 在0℃时冰－水体系的固－液界面能为28尔格/厘米2，晶界能为70尔格/厘米2，液相表面能为76尔格/厘米2，并且液态水能完全润湿冰的表面。 （a）估计冰在空气中及冰在水下的晶界腐蚀角。 （b）酒精加入液相中，则观察到固－液界面能降低。若要使晶界腐蚀角降低到零度，需使界面能降低到什么程度？ （c）怎样比较冰与（a）SiO2（固相）－硅酸盐液及（b）MgO（固相）－硅酸盐液体系的晶界腐蚀？解释如何和为什么后面两个体系相异或相同。