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 第五章固体表面与界面
r0 为0K时的表面能； LS 为1m2表面上的原子数； nis、nib分别表示第i个原子在晶体表面和 晶体体内最邻近的原子数; Uo 为晶格能； N 为阿佛加德罗常数。
说明：
实际表面能比理想表面能的值低，原因可能为： (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) 可能是自由表面是由许多原子尺度的阶梯构成，使真 实面积比理论面积大。 总结 固体和液体的表面能与温度、气压、第二相的性质等条
件有关。温度上升，表面能下降。
第二节
一、 弯曲表面效应
界面行为
弯曲表面:由于表面张力的存在而产生一个附加压力ΔΡ。
对于 球面：
对于非球面：
ΔΡ＝2γ/r
ΔΡ＝γ(1/r1+1/r2)
(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，引起表面不均匀。 (5)固体表面宏观光滑，原子尺寸衡量，实际上也是凹凸不平的。
2. 固体表面力场
固体表面力定义：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。
内部原子对称配位受力平衡
表面原子不对称配位受力不平衡
表面力的分类
(1)范得华力(分子引力)
(2)
长程力
(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。
定向作用力FK(静电力) ―发生于极性分子之间。
诱导作用力FD ―发生于极性与非极性分子之间。 分散作用力FL(色散力)―发生于非极性分子之间。
材料科学基础--材料表面与界面(专业课)
正确答案：A.1/11重合位置点阵
5.下列对变形储能描述正确的是（ ）。
正确答案：A.变形储能越大，变形储能差值越大，界面的迁移速率越大。
多选题
----------------------------------------------------------------------------------------------------
2.小于六边形晶粒，向外凸迁移最终会消失。
正确答案：对
3.溶解度低的溶质原子在晶界偏析的程度大。
正确答案：对
6.晶界、亚晶界是晶体结构和组成成分相同、但取向不同的两部分晶体的界面。
正确答案：对
7.扭转晶界是由两组相交的螺型位错所构成。
正确答案：对
正确答案：A.机械作用界面 C.凝固共生界面 D.熔焊界面
6.孪晶界面分为（ ）。
正确答案：
判断题
----------------------------------------------------------------------------------------------------
正确答案：A.晶界曲率是晶界迁移的驱动力 B.界曲率是向凹侧推进
3.小角晶界包括（ ）。
正确答案：A.对称倾侧晶界 B.不对称晶界 C.扭转晶界
4.下列描述中正确的是（ ）。
正确答案：A.变形储能越大，变形储能差值越大。 C.变形储能越大，界面的迁移速率越大
5.下面对常见的材料表面按其形成途径分类描述正确的（ ）。
1.析出物形状是由( )两个互相竞争着的因素所决定。
无机材料科学基础表面与界面ppt学习教案
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透射电子显微镜（TEM）表征
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利用高能电子束穿透样品，通过检测透过样品的电子束或 衍射电子等信号，获得样品的内部结构和晶体信息。
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无机材料表面与界面表征技
05
术
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原理
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应用
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优点
无需真空环境，可观察导体和非导体样品，提供三维表面形貌信息 。
沈阳化工大学无机材料科学基础5-1 固体表面与界面1
无机材料科学基础
一、固体表面的特征
固体表面的特点 固体表面力场
无机材料科学基础
1. 固体表面的特点 （1）固体表面 理想表面 清洁表面：台阶表面、驰豫表面、重构表面 吸附表面 表面偏析
无机材料科学基础
压、第二相的性质等条件有关。如温度上升，表面能下降。
2. 固体表面力场
➢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。
➢固体中表面力分为哪几类？
无机材料科学基础
▲▲
➢表面力的分类：
(1) 化学力（长程力）
0.266nm
NaCl表面层中Na+向里、Cl-向外移动，并形成双电层
无机材料科学基础
➢ 离子极化性能愈大，双电层愈厚，从而 表面能愈低。
➢ 如：PbI2 表面能最小（130尔格／厘米2）； PbF2 次之（900尔格／厘米2）； CaF2 最大（2500尔格／厘米2）
无机材料科学基础
2、粉体表面结构
在熔体转变为玻璃体的过程中，为了保持 最小表面能，玻璃表面各成分将按其对表面自 由能的贡献能力自发地转移和扩散。
在玻璃成型和退火过程中，碱、氟等易挥发 组分自表面挥发损失。
玻璃中的极化离子会对表面结构和性质产 生影响。
无机材料科学基础
4、固体表面的几何结构
实验观测表明，固体实际表面是不规则 而粗糙的，存在着无数台阶、裂缝和凹凸不 平的峰谷。这些不同的几何状态同样会对表 面性质产生影响，其中最重要的是表面粗糙 度和微裂纹。
无机非金属材料结构基础--表面与界面
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1
在不同的技术学科中，人们对材料表面的尺度往往有不同的划分和理解。 从结晶学和固体物理学考虑，表面是指晶体三维周期结构同真空之间的过 渡区，它包括不具备三维结构特征的最外原子层，如一个或数个原子层的区域。 材料学中通常将气相（或真空）与凝聚相之间的分界面称为表面。
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2
从实用技术学科角度考虑，表面是指结构、物性、质点（原子、分子、离 子）的能量状态和受力情况等与体相不相同的整个表面层,它的尺度范围常常随 着客观物体表面状况的不同而改变，也随着不同技术学科领域研究所感兴趣的 表面深度不同而给表面以不同尺度范围的划分。
变化过程：松弛（极化变形，降低表面能）和重建（离 子重排，进一步降低表面能）。
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12
表面离子重排结果：
①正离子的配位数下降，6
5；
②表面形成厚度为0.02nm的双电层；
③晶体表面好象被一层负离子所屏蔽。
18:247413源自双电层的成因：对于离子晶体，处于表面的负离子（Cl-）只受到上下和内侧Na+ 离子的作用，而外侧是不饱和的。于是，表面负离子（Cl-）的 电子云因被拉向内侧正离子一方而变形，形成负电端朝内侧、 正电端朝外侧的偶极子。这种偶极子的形成，必然引起与其相 邻的Na+离子电子云的变化，使Na+离子电子云的正电端朝内侧负 电端朝外侧，形成诱导偶极子。由于负离子的极化变形大于正 离子，因此，表面上的Na+离子被拉向内侧，这相当于表面上的 Cl-离子被推向外侧，正负离子通过重排而使体系在能量上趋于 稳定，并在表面形成双电层。
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15
表面效应：最外层的双电层对次内层发生作用，并引起内层离 子的极化与重排，这种作用随着向晶体内部推移而衰减。作用 深度与阴、阳离子的半径差有关。
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 γSV -γSL >γLV；B γSV >γSL；C γSV -γSL <γLV；D γSV <γSL ）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 ）8．粘土的很多性能与吸附阳离子种类有关，当吸附下列不同阳离子后的变化规律以箭头表示（小→大）：−−−−−−−−−−−→−++++++++++Li Na K NH Mg Ca Sr Ba Al H 422223 与这样变化规律有关的性能是 A 。
无机非金属材料科学基础课件：固体的表面与界面行为(145页PPT课件) -
在常溫時，表面極化離子的電矩通常是 朝內部取向以降低其表面能。因此常溫下鉛 玻璃具有特別低的吸濕性。但隨溫度升高， 熱運動破壞了表面極化離子的定向排列，故 鉛玻璃呈現正的表面張力溫度係數。
如圖，肥皂膜的一端在力F的作用下移動。肥皂 膜沿著x軸方向移動了dx的距離，當它勻速移動時， 拉力F與肥皂膜表面所產生的張力大小相等、方向相 反。如果以γ表示單位長度表面的張力數值，則在把 肥皂膜拉伸dx距離時所作的功W為：
或
某肥皂膜的拉伸
某肥皂泡的膨脹
如果不考慮重力場對肥皂泡的作用，泡總是呈 球形的。假設肥皂泡的半徑為r，它的總表面能值為 4πr2γ。當這個肥皂泡的半徑增大或減小dr時，它的 總表面能就要增大或減小8πrγdr。使肥皂泡擴張的條 件為泡內壓力大於泡外壓力，即在肥皂泡膜的內外 兩側存在一個壓力差△P。這個壓差所產生的膨脹功 為
一些晶體化合物的表面能
3. 粉體表面結構
粉體在製備過程中，由於反復地破碎，不斷形成新 的表面。表面層離子的極化變形和重排使表面晶格畸變， 有序性降低。因此，隨著粒子的微細化，比表面增大， 表面結構的有序程度受到愈來愈強烈的擾亂並不斷向顆 粒深部擴展，最後使份體表面結構趨於無定形化。
基於X射線、熱分析和其他物理化學方法對粉體表面 結構所作的研究測定，提出兩種不同的模型。一種認為 粉體表面層是無定形結構；另一種認為粉體表面層是粒 度極小的微晶結構。 • 粉體表面層是無定形結構 的實驗驗證：
无机材料科学基础5表面与界面教学文案
无机材料科学基础5表面与界面教学文案一、教学内容本节课的教学内容来自于小学科学教材《无机材料科学基础》的第五章，主要涉及“表面与界面”的概念及其特性。
具体内容包括：1. 表面的定义与分类；2. 表面张力及其影响因素；3. 界面现象及其解释；4. 表面处理技术及其应用。
二、教学目标1. 让学生理解并掌握表面与界面的基本概念，了解表面张力及其影响因素。
2. 通过观察和实验，使学生能够发现和解释界面现象。
3. 培养学生对科学知识的兴趣和探究欲望，提高学生的实践操作能力。
三、教学难点与重点重点：表面与界面的概念，表面张力及其影响因素，界面现象的观察与解释。
难点：表面张力的形成机理，界面现象的数学解释。
四、教具与学具准备教具：PPT，实验器材（包括显微镜、放大镜等观察工具）。
学具：实验记录本，彩笔。
五、教学过程1. 情景引入：通过日常生活中的例子（如水滴在叶子上的形状）引入表面的概念，激发学生的兴趣。
2. 知识讲解：讲解表面的定义与分类，重点解释表面张力的概念及其影响因素。
3. 实验观察：让学生用显微镜观察水滴在叶子上的形状，引导学生发现和解释界面现象。
4. 课堂练习：让学生结合实验观察，用彩笔在实验记录本上绘制水滴在叶子上的形状，并尝试用所学的知识解释。
5. 知识拓展：介绍表面处理技术及其在实际应用中的重要性。
六、板书设计板书内容主要包括：表面与界面的概念，表面张力及其影响因素，界面现象的观察与解释。
七、作业设计1. 绘制水滴在叶子上的形状，并用所学的知识解释。
答案：水滴在叶子上的形状是由于表面张力的作用，使水滴尽量减少表面积，形成球形。
2. 查找有关表面处理技术的资料，了解其在实际应用中的重要性。
八、课后反思及拓展延伸课后反思：通过本节课的教学，学生是否掌握了表面与界面的基本概念，是否能运用所学知识解释实际问题。
拓展延伸：表面处理技术在现代工业中的应用，如在制造工艺、材料科学、生物医学等领域的重要作用。
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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
）
8．粘土的很多性能与吸附阳离子种类有关，当吸附下列不同阳离子后的变化规律以箭头表示（小→大）：
−−−−−−−−−−−→−+
++
+++++++Li Na K NH Mg Ca Sr Ba Al H 422223
与这样变化规律有关的性能是 A 。
（ A 泥浆的流动性；B 泥浆的触变性；C 泥浆的滤水性；D 泥团的可塑性；E 泥浆稳定性；F 泥浆浇注时间；G 坯体形成速率；H 粘土的结合水
石在酸性介质中， 边面带 +1 电荷。
（ －2、0、＋1 ）【酸性+1；中性0；碱性-2】
10．同价阳离子所饱和的粘土，其ξ－电位随离子半径减小而 升高 。
（降低、升高、不变）
11．粘土泥浆胶溶必须使介质呈 碱性 ，还必须有 一 价阳离子交换粘土小原来吸附的阳离子。
（ 酸性、碱性、中性、一价、二价、三价 ）
三、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?
表面张力：表面增大一个单位长度所需要的力 表面能：表面增大一个单位面积所作的功 液态：液态下二者数值相等
固体：只有在通过缓慢的扩散条件下引起界面或者表面的变化时二者才能够相等
四、根据图4-3和表4-3（教材P110）可知，具有面心立方晶格不同晶面（110）、（100）、（111）上，原子密度不同，试回答，哪一个晶面上固-气表面能是最低的？为什么？（111）最低；(110)其次;(100)最高
五、试解释粘土结构水、结合水（牢固结合水、松结合水）、自由水的区别，分析后两种水在胶团中的作用范围及其对工艺结构水 牢固结合水 松结合水 自由水 名称
粘土结构中以（OH ）存在的水
靠近内层定向排列的水分子层 介于牢固结合水和自由水之间定
向排列程度差的水分
子
层
松结合水外围的水分子 区别 粘土结构内部 3-10个水分子层 小于20nm 大于20nm 范围
水分子层小于10nm 可塑性好
六、用Na 2CO 3和Na 2SiO 3分别稀释同一种粘土（以高岭石矿物为主）泥浆，试比较电解质加入量相同试，两种泥浆的流动性、注浆速率、触变性和坯体致密的有何差别？
前者无明显变化，后者除了触变性下降，其余均上升
N
U N U n n N U L N
U N U n n N U L N U N U n n N U L ib
is
s
ib is s ib is s 0
0000000046
.0122
-1555.0)1(11052.0124
-1785.0)1(100
45.0126
-1907.0)1(111==-===-===-=）（）（）（）（）（）（γγγ
七、影响粘土可塑性的因素有哪些？生产上可以采用什么措施来提高或降低粘土的可塑性以满足成型工艺的需要。
影响因素1：含水量2：颗粒尺寸3：矿物组成4：吸附阳离子种类
影响方法1：改变泥料处理工艺 2添加塑化剂
九、MgO-Al
2O
3
-SiO
2
系统的低共熔物放在Si
3
N
4
陶瓷片上，在低共
熔温度下，液相的表面张力为900mN/m，液体与固体的界面能为
600mN/m，测得接触角为70.520。
（1）求Si
3N
4
的表面张力；
（2）把Si
3N
4
在低共熔温度下进行热处理，测试其热腐蚀的槽角
为600，求Si
3N
4
的界面能。
γSi
3N
4
=γ（Si
3
N
4
-liquid）+γ（liquid）cosθ
=600+900cos70.520=900
Γ=2γ（Si
3N
4
）cosα=2×900×cos30=1558.8。