材料表面与界面PPT课件
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《表面与界面》PPT课件
〔3〕重构外表 重构是指外表原子层在水平方向上的周期性不
同于体内，但垂直方向的层间距那么与体内一样。
as
a
d0 d0
图4－8 重构外表示意图
3、吸附外表 吸附外表有时也称界面。它是在清洁外表
上有来自体内扩散到外表的杂质和来自外表周 围空间吸附在外表上的质点所构成的外表。
根据原子在基底上的吸附位置，一般可分 为四种吸附情况，即顶吸附、桥吸附、填充吸 附和中心吸附等。
表面能减少
图4—10 离子晶体外表的电子云变形 和离子重排
〔2〕 从晶格点阵稳 定性考虑作用力较大， 极化率小的正离子应 处于稳定的晶格位置 而易极化的负离子受 诱导极化偶极子排斥 而推向外侧，从而形 成外表双电层。重排 结果使晶体外表能量
0.286nm
0.02nm
在NaCl晶体中，阳离子从〔100〕 面缩进去， 在外表层中形成一个 0.02nm厚度的双电层
化学性质：化学活性、催化、固相反响 等 〔反响能力增强、存在固体的外表 二、固体外表的特征 三、固体外表构造 四、固体的外表能 定义： 外表:一个相和它本身蒸汽或真空接触的分界面。 界面:一相与另一相(构造不同)接触的分界面。
液—气界面
固—气界面
液—液界面
《表面与界面》PPT课件
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概述：
晶体和玻璃体：假定任一个原 子或离子都处在三维无限连续的 空间中，周围对它作用完全一样。
(5) 固体外表无论怎么光滑，从原子尺寸衡量，
第三章 材料表面与界面
铜合金中的孪晶
9.相界
在多相组织中，具有不同晶 体结构的两相之间的分界面 称为相界。
小角度晶界
对称倾侧晶界 、不对称 倾侧晶界、 扭转晶界
小角度晶界 最简单的小角度晶界是对称倾侧晶界， 最简单的小角度晶界是对称倾侧晶界， 对称倾侧晶界 由一系列柏氏矢量互相平行的同号刃型 位错垂直排列而成，晶界两边对称， 位错垂直排列而成，晶界两边对称，两 晶粒的位相差为θ，柏氏矢量为b 晶粒的位相差为 ，柏氏矢量为 ，当θ很 很 小时，求得晶界中位错间距为D=b/θ。 小时，求得晶界中位错间距为 。 对称倾侧晶界中同号位错垂直排列， 对称倾侧晶界中同号位错垂直排列， 刃型位错产生的压应力场与拉应力场可 互相抵消，不产生长程应力场， 互相抵消，不产生长程应力场，其能量 最低。 最低。
D.非平衡偏聚 由于空位的存在，促使溶质原子向晶界迁移 的偏聚，辐射或加热时产生大量空位在冷却 时向晶界迁移并消失，同时拖着溶质原子运 动，溶质原子富集在晶界。
E.非平衡偏聚特点： a. 偏聚范围大，在晶界上形成一定宽度偏聚 带，达几微米，偏聚带两侧有溶质原子贫化 区。 b. 非平衡偏聚在适当冷却速度下发生 c. 一定冷速下，淬火温度升高，由于空位增 多，偏聚及贫化宽度增加
C. 二面角的用途 （a）杂质在金属压力加工中影响 Cu中Bi有 热脆是因为Bi低熔点液相薄膜分布 （b）粉末冶金烧结时润湿性：选Co与WC （c）对焊料影响：焊接时用助焊剂使焊料润 湿被焊金属表面
6.晶界偏聚平衡偏聚及非平衡偏聚 A. 平衡偏聚 平衡条件下由于溶质与溶剂原子尺寸相差很 大，溶质原子在晶内、晶界的畸变能差很大， 造成溶质原子在晶界富集 ，如Cu-1Sn%合 金，：Sn的偏析，Sn的原子半径比Cu大9%， 发生严重点阵畸变
第四章 表面与界面
第四章
材料的表面与界面
固体（晶体、玻璃体）的表面与内部有什么不同？
实际上晶体和玻璃体：处于物体表面的质点，其 环境和内部是不同的，表面的质点由于受力不均衡而 处于较高的能阶，所以导致材料呈现一系列特殊的性 质。
例如：石英的粉碎。1kg直径为10－2米变成10－9米 ，表面积和表面能增加107倍。
物理性质：熔点、蒸汽压、溶解度、吸附、润湿和烧 结等（微小晶体蒸汽压增大、熔点下降、溶解度增加， 表面上存在着吸附等现象）。
即用于增加物系的表面能。故：∆PdV＝γdA
V＝4/3πR3 A＝4πR2
∴∆P＝ 2 （球形曲面）
R
对非球形曲面：∆P＝
1 r1
1 r2
— 拉普拉斯公式
r1、r2—曲面的主曲率半径
方向：指向曲率中心
2、弯曲表面上的饱和蒸汽压
将一杯液体分散成为微小液滴时，液面就由平面变成凸面， 凸形曲面对液滴所施加的附加压力使液体的化学位增加，从 而使液滴的蒸气压随之增大。所以，液滴的蒸气压必然大于 同温度下平面的蒸气压。它们之间的关系可以用开尔文方程 来描述。
2、固体表面力场
固体内部：质点受到周围质点的控制， 静电平衡、存在力场、力场对称。
固体表面：周期性重复中断，力场对称性破坏， 产生指向空间的剩余力场。
剩余力场表现：固体表面对其它物质有吸引作用 （如润湿、吸附、粘附性）
固体表面上的吸引作用，是固体的表面力场和被吸引质点的力场相 互作用所产生的，这种相互作用力称为固体表面力。
2、浸湿（Soakage）
V S
L
G SL SV
浸湿过程
浸湿过程引起的体系自由能的变化为
G SL SV
如果用浸润功Wi来表示，则是
材料的表面与界面
固体（晶体、玻璃体）的表面与内部有什么不同？
实际上晶体和玻璃体：处于物体表面的质点，其 环境和内部是不同的，表面的质点由于受力不均衡而 处于较高的能阶，所以导致材料呈现一系列特殊的性 质。
例如：石英的粉碎。1kg直径为10－2米变成10－9米 ，表面积和表面能增加107倍。
物理性质：熔点、蒸汽压、溶解度、吸附、润湿和烧 结等（微小晶体蒸汽压增大、熔点下降、溶解度增加， 表面上存在着吸附等现象）。
即用于增加物系的表面能。故：∆PdV＝γdA
V＝4/3πR3 A＝4πR2
∴∆P＝ 2 （球形曲面）
R
对非球形曲面：∆P＝
1 r1
1 r2
— 拉普拉斯公式
r1、r2—曲面的主曲率半径
方向：指向曲率中心
2、弯曲表面上的饱和蒸汽压
将一杯液体分散成为微小液滴时，液面就由平面变成凸面， 凸形曲面对液滴所施加的附加压力使液体的化学位增加，从 而使液滴的蒸气压随之增大。所以，液滴的蒸气压必然大于 同温度下平面的蒸气压。它们之间的关系可以用开尔文方程 来描述。
2、固体表面力场
固体内部：质点受到周围质点的控制， 静电平衡、存在力场、力场对称。
固体表面：周期性重复中断，力场对称性破坏， 产生指向空间的剩余力场。
剩余力场表现：固体表面对其它物质有吸引作用 （如润湿、吸附、粘附性）
固体表面上的吸引作用，是固体的表面力场和被吸引质点的力场相 互作用所产生的，这种相互作用力称为固体表面力。
2、浸湿（Soakage）
V S
L
G SL SV
浸湿过程
浸湿过程引起的体系自由能的变化为
G SL SV
如果用浸润功Wi来表示，则是
《材料表面与界面》PPT
•贝尔比层形成与作用 •动抛性光(熔时化抛)光, 在剂凝磨固去前表，面由层于原面子表，面下张面力一的层作在用瞬使间表内面保变持得流平
滑。
•由于金属有高的热导率，表面层又迅速地凝固成20Å 左右
的非晶态层。
• 对于金属和合金来说，它们的抛光表面大都有一层贝尔比
层，其成分是金属和它的氧化物的混合物。贝尔比层可起到 耐蚀、强化的作用。。
会吸附水分子，并解离成羟基(OH-)，而使表面的物埋化表面：空气/表面组成/设计组成。 •表面组成：表面能小的氧化物易在玻璃表面富集,如PbO,
材料 铝
铁
加工方式与粗糙系数
加工条件 箔
板材抛光 阳极氧化层，厚20µm
2号金刚砂抛光，苯去脂 膜
粗糙系数 6 1.6
200~900
3.8 60
(3) 粗糙度对材料或应用的影响 材料表面受力的影响 由于固体的表面是不平整性，当两个表面相互接触时, 真实接 触面积与表观接触面积差别较大。
在实际应用中，表观面积与加工方式和负荷无关。 而真实接触面积会随受力负荷而改变：
几种调整的方式后形式清洁表面结构示意图
(1) 弛豫
•表面区原子(或离子)间的距离偏离体内的晶格常数，而晶胞
结构基本不变, 这种情况称弛豫。
• 离子晶体的表面容易发生弛豫，主要作用力是库仑静电力，
这是一种长程作用。
•弛豫产生原子位置偏移，主要在垂直表面方向。因此，一
般认为弛豫后表面原子排列的平移对称性不变，只是微观对 称性发生了变化。
贝尔比层 微晶区 明显变形区
磨料颗粒
•研磨时, 金属表面的温度可达500℃~1000℃，有时会产生熔
化。
•金属导热性好, 冷却迅速, 熔化的原子来不及回到平衡位置，
材料表面与界面-第一章
润湿性
指液体在固体表面上扩散 和附着的能力。
影响因素
表面吸附和润湿性受表面 张力、表面能、物质性质 等因素的影响。
表面形貌与结构
表面形貌
指固体表面的几何形状和 外观特征。
表面结构
指固体表面的化学组成和 分子排列结构。
影响因素
表面形貌和结构受物质性 质、制备方法和环境条件 等因素的影响。
03 材料界面的基本概念
材料表面与界面-第一章
目录
• 引言 • 材料表面的基本性质 • 材料界面的基本概念 • 材料表面与界面的应用 • 总结与展望
01 引言
表面与界面的定义与重要性
定义
表面是指物质的最外层，而界面 则是指两种不同物质之间的接触 面。
重要性
表面与界面在许多物理、化学和 生物过程中起着关键作用，如催 化反应、电子传输、生物分子相 互作用等。
04 材料表面与界面的应用
表面技术在材料制备中的应用
表面涂层技术
通过在材料表面涂覆一层具有特 殊性能ห้องสมุดไป่ตู้涂层，以提高材料的耐
腐蚀、耐磨、隔热等性能。
表面合金化技术
通过改变材料表面的元素组成和 相结构，使其具有优异的耐高温、
抗氧化、抗疲劳等性能。
表面微纳结构制备
利用微纳加工技术，在材料表面 制备出具有微纳尺度结构的表面， 以提高材料的表面能、润湿性、
摩擦学性能等。
界面技术在复合材料中的应用
界面设计
01
通过优化界面结构和性质，提高复合材料的力学性能、电性能、
热性能等。
界面增强
02
利用界面层对复合材料的增强作用，提高复合材料的强度、韧
性、耐疲劳等性能。
界面相容性
表面界面物理(绪论)
习惯上将比较有规则的界面称为内表面。 而将规则性较差的界面称为粒界（晶粒间 界，GRAIN BOUNDARY）。
内表面
粒界
5.相界（Phase Boundary）
系统中有不同的相存在时（如成分、晶格结构、晶 格常数不同）相与相之间的交界处称为相界。如：
固——固相界 固——液相界 固——气想界
研究表面与界面的意义
表面重构和表面弛豫的概念：
理想的晶体表面具有二维周期性，其 单位网格由基矢决定。由于表面原子受力 的情况与体内不同，或由于有外来原子的 吸附，最表面层原子常会有垂直于或倾斜 于表面的位移，表面下的数层原子也会有 垂直或倾斜于表面的位移，这种现象称为 表面重构。如果表面原子只有垂直于表面 的运动，则称为表面驰豫。
出” ，R =0.26 Å；而
体积较小的的Na+（0.98 Å） 则被“拉进” 0.21 Å。
•表面重构
许多半导体（包括化合物半导体）和金属的表面原子排 列与体内相差较大，其平移对称性与体内有明显的不同， 这种现象称为重构。
两种常见的类型：
•表面晶格与体内完全不相同，如Au的，[001]方向 的表面是与[111]表面相近的密堆积。 •表面晶格尺寸较体内大——晶格常数增大。
材料的表面积与尺 寸的关系： •材料的体积 r3； •表面积 r2
材料颗粒尺寸的减小 表面的影响作用尤为 重要。
21世纪新器件的开发，除了满足高速、轻、薄、 短、小、多功能、数字化等要求外，目前主要是发展超晶 格器件、三维立体器件、耐恶劣环境器件和固体多功能器 件。
1.超晶格器件 是人工自组装 设计的典型例 子。如如GaAs和 AlAs交替重叠 而成的、共共50 个周期（层） 的超晶格，其 每层厚度为 40~45Å，有49 个界面存在。
生物材料的表面与界面材料表界面ppt课件
3.3 生物相容性的研究意义
生物相容性是生物材料极其重要的性能，是区 别于其他材料的标志，是生物医用材料能否安 全使用的关键性能。
控制和改善生物材料的表面性质，是促进材料 表面与生物体间的有利相互作用、抑制不利相 互作用的关键途径。
如何提高材料的生物相容性
？
生物材料的表面工程是一种非常重要的方法！
国内从事生物材料表界面研究的课题组
生物材料的表面改性与功能化；
蛋白质、细胞与材料表面的相互作用；
苏州大学陈红教授课题组
➢Combining surface topography wi生 polymer chemistry: exploring new interfacial biological phenomena. Polym. Chem., 2013, DOI: 10.1039/C3PY00739A ➢Aptamer-Modified Micro/Nanostructured Surfaces: Efficient Capture of Ramos Cells in Serum Environment. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5, 3816.
第一部分：生物材料表界面学科的诞生
1. 生物材料的概念（Biomaterials):
与生物体相接触的、或移入生物体内起某种取代、 修复活组织，增进或恢复其功能的特殊材料。
2. 生物材料的发展阶段
➢最初：一些临床应用的生物材料并不专门针对医用设计 （实现基本临床功能，也带来了不良的生物反应)
➢20世纪60-70年代：第一代生物材料（惰性生物材料） （物理性能适宜、对宿主反应较小；寿命延长5-25年）
其他领域的表面工 程技术和材料引入 生物材料领域或基 于体内物质的初步 模仿
材料表面与界面
可采用红外光谱法分析表面官能团的种类。
透射法――abrasion法； 表面反射法： ATR法（attenuated total internal reflection）衰减全反射法MIR法（multiple internal reflection）多重内 反射法
FT－IR法： FT－IR －ATR差谱、FT－IR高灵敏度反射法、 FT－IR－扩散反射法等。
③结晶性的评价 聚合物表面结晶情况如何将大大影响聚合物的表面性质。是什么样的结晶？结晶度如何？对结晶度定量化 目前很难，只能采取定性的方法。
1)由表面张力进行推测 通常，在结晶性高的表面上单位面积上的原子或分子的密度大。 分子密度大的表面分子间力大于内部分子间力之和，表面的分子间力通常用表面张力来表示。
材料表面与界面
第七章 聚合物表面与界面概述 （Polymer Surface and Interface） 7.1 概述 随着聚合物制品的品种不断的增多，人们不仅希望制品存在优异的内在性能，而且对其表面性质的要求也越来越高。 要求制品有精美的外观以提高制品的商品价值； 要求制品具有某些特殊的表面性能以满足制品的各种使用要求。 这除了需要开发新品种以满足要求外，主要靠材料的表面改性来实现。
α
A
A′
S
S′
B
B′
β
α与β为不同的两个物质，它们接触到一起就会产生界面。
SS′为两相接触的面（相界面），为了方便处理，通常将界面看作一个虚构的几何面。
AA′与BB′之间的部分为界面相，很薄，几个分子厚。
许多研究者已经证实：处于两相间的交界部分乃是一个具有一定厚度（厚度很小，一般只有零点几纳米到几纳 米，通常小于0.1μm）的区域，物质的组分和能量可以通过这个区域从一个相连续地变化到另一个相。这层的结构和 性质与相邻两相的结构和性质都不一样。在界面区域内压力是不均一的，在垂直于界面的方向上存在压力梯度。与此 相反，在本体相区域内压力是均一的，不存在着梯度，并且是各向同性的。在本体相区域内可逆地输送物质不会消耗 净能量。
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Ph=P吸p－P吸h < 0
即平行表面的作用力表现为张应力—正向引 力和侧向引力相比明显被削弱所致。
固体表面自由能和表面张力 Gibbs首先指出，与液体不同，当固体已
有表面弹性拉伸时，增加单位面积所需之
可逆功一般不等于表面张力γ，其表面形
变参与功耗过程。 （液体不承受剪应力，固体承受剪应力）
若固体表面弹性变形用表面弹性应变张量
式中：δ 为克罗内克符号。
ij
（实际上剪切应变不改变面积）
得到：
A ij d ij Ad Afij d ij
f ij
ij
ij
f xx
d d xx
f yy
d d yy
f xy
d d xy
上式表明，若界面面积变化不改变界面状
态，则（如液体）：
r 0,
fij ij ,
对各向同性材料，上式可写为：
wσ
d dwσ
A
dA
U形液膜模型有：
dw fdx l dx f l f
l
由热力学知:
dF SdT PdV dA
F ( A )T ,V
dG SdT VdP dA
G ( A )T ,P
由以上得出液体表面张力：
①恒温恒容或恒温恒压下形成单位表面的自
由能变化（J/m2） ②界面所具有的单位长度上的收缩力 （N/m）
f
2．固体表面 2.1 表面结构的驰豫与重构 －表面力使系统表面处于高能态。 液体以降低表面积来降低系统的表面能； 固体以离子重排、变形、极化、晶格畸变来降 低表面能。
－理想表面：体内结构不变地延续到表面层， 是理论完整的二维点阵平面。
－真实清洁表面：有表面结构的弛豫和重构。
－表面结构弛豫： 在几个原子层范围上点阵参数与体内有差异， 特别表现在垂直于表面原子层方向上的变化， 即法向弛豫。
驰豫表面示意图
－表面重构：表面层的晶体结构和体内不 同。
重构表面示意图
－极化重排:离子晶体在表面力作用下，离子 发生极化与重排形成表面双电层。导致表面 层离子键性消弱，共价键性增强，组成上倾 向于非化学计量，使晶体表面能更为稳定。
表面电子云变形和离子重排
－离子键性氧化物表面，大部分由氧离子 组成，正离子被氧离子所屏蔽。
εi,j（i，j=1，2）表示，与之对应的表面
张力张量以f i,j表示。 当一可逆过程，f i,j作用于无限小的弹性应
变dεi,j引起面积A发生微小变化，则表面自 由能之增量d（γA）和dεi,j间关系为：
d ( A) Afijd
dA A ij d ij
材料的表面与界面
硕士研究生课程讲义
课程教学方式：课堂重点介绍与自学。
主要参考文献： 材料科学基础 天津大学出版社 表面与界面物理 恽正中 表面与界面物理 朱履冰 材料表面与界面 李恒德
引言
—陶瓷材料有典型的多晶多相结构特征。
—表面与界面问题涉及整个材料制备科学与 工程中，含有丰富的研究内容。
—直接相关：熔点、沸点、蒸汽压、溶解 度、吸附、润湿、化学活性、固相反应、 烧结、界面物理、化学及生物性质等。
－双电层效应的作用距离与阴阳离子的半 径差有关，一般为2-5个离子层。其程度还 取决于离子极化性能，如Pb2+和I－都有强 的极化性能，双电层厚。氧化钠晶体形成 厚度为0.02nm的表面双电层。
2.2 固体表面能 －固体表面能与表面张力在数值上一般不 相等。
－确定固体表面能可以通过实验测定或理 论计算。
实验测定：将固体熔化测定液态表面张力 与温度的关系，作图外推到凝固点以下来 估算。
分为化学力和分子力： －化学力：表面质点不饱和键产生的静电力，
有电子转移的性质。
范德华力：
—定向力: 极性物质间极化电矩的相互作用力。
—诱导力: 极性物质极化诱导非极性物质产生暂 态极化电矩，随后发生定向作用。
—色散力: 非极性物质间瞬时极化电矩间的作用。
1.3 表面能和表面张力
液体表面张力
用恒温恒容或恒温恒压下形成单位面积表面 的可逆功表示（或微分式）：
表面张力的物理说明(52年黄昆)： a）质点间即存在引力又存在斥力，引力作 用范围大，斥力作用范围小。
b) 作用力P =P斥-P吸 当P斥>P吸表现为＋压力。如液体内压力各
向同性，压强P=ρgh为斥力。斥力是短程
力，远程不存在，故可近似视为各向同性。 c)液体表面各向异性 垂直方向与平行方向受力不同。
§1．固体表面的基本特征 －表面：固体与真空或其蒸气接触的分界面。
1.1表面不均一性 －表面受力不对称且表面原子(离子)有定位性。 －晶态固体的各向异性在表面性质上表现突出。
1.2 表面力 －晶体内部质点力场是有心、对称的。 －表面质点力场的对称性被破坏，产生有指向 的剩余力场，表现出对其他物质有吸引作用 （如吸附、润湿等），称为表面力。
在 吸h表>P面吸p层，范(因围上内部，气因体P斥或h真=P空斥p存；在但之吸故力）为。P
d)表面张力的解释 表面层的作用力: P = P斥－P吸 垂直方向：大气压力P0 = P斥p－P吸p
得：P斥h＝P0 + P吸p 平行方向：P h = P斥h－P吸h = P0 + P吸p－P吸h 结合c）结论并忽略P0项:
表面与界面类型： Gas/Liquid Gas/Solid Liquid/Liquid liquid/Solid Solid/Solid（异相） Solid/Solid（同相）
表面与界面具有利弊二重性
利用方面: 纳米晶界效应、超塑性、多晶半 导体晶界效应。
不利方面：破坏结构均匀性、周期性，强度 降低，物理化学性能恶化。
陶瓷—离子键、共价键 金属—金属键
陶瓷与金属界面基本性质的比较： 类似： 可用热力学方法处理界面能和界面张力； 迁移率受杂质的制约影响； 晶界扩散大于晶格扩散； 晶界滑移产生形变； 具有溶质偏析现象； 晶界是空位、填隙缺陷的产生源和消失阱； 位错行为类似，小角晶界可由位错阵列描述
不同： 陶瓷晶界形成静电势和空间电荷区； 陶瓷点阵缺陷的形成能高（～6ev）； 金属本征缺陷浓度高于杂质缺陷浓度（～2个 量级） 陶瓷本征缺陷浓度低于杂质缺陷浓度（～3个 量级） 金属异质固溶度受溶质原子形变能影响突出 陶瓷异质固溶度受空位能大小的影响突出
即平行表面的作用力表现为张应力—正向引 力和侧向引力相比明显被削弱所致。
固体表面自由能和表面张力 Gibbs首先指出，与液体不同，当固体已
有表面弹性拉伸时，增加单位面积所需之
可逆功一般不等于表面张力γ，其表面形
变参与功耗过程。 （液体不承受剪应力，固体承受剪应力）
若固体表面弹性变形用表面弹性应变张量
式中：δ 为克罗内克符号。
ij
（实际上剪切应变不改变面积）
得到：
A ij d ij Ad Afij d ij
f ij
ij
ij
f xx
d d xx
f yy
d d yy
f xy
d d xy
上式表明，若界面面积变化不改变界面状
态，则（如液体）：
r 0,
fij ij ,
对各向同性材料，上式可写为：
wσ
d dwσ
A
dA
U形液膜模型有：
dw fdx l dx f l f
l
由热力学知:
dF SdT PdV dA
F ( A )T ,V
dG SdT VdP dA
G ( A )T ,P
由以上得出液体表面张力：
①恒温恒容或恒温恒压下形成单位表面的自
由能变化（J/m2） ②界面所具有的单位长度上的收缩力 （N/m）
f
2．固体表面 2.1 表面结构的驰豫与重构 －表面力使系统表面处于高能态。 液体以降低表面积来降低系统的表面能； 固体以离子重排、变形、极化、晶格畸变来降 低表面能。
－理想表面：体内结构不变地延续到表面层， 是理论完整的二维点阵平面。
－真实清洁表面：有表面结构的弛豫和重构。
－表面结构弛豫： 在几个原子层范围上点阵参数与体内有差异， 特别表现在垂直于表面原子层方向上的变化， 即法向弛豫。
驰豫表面示意图
－表面重构：表面层的晶体结构和体内不 同。
重构表面示意图
－极化重排:离子晶体在表面力作用下，离子 发生极化与重排形成表面双电层。导致表面 层离子键性消弱，共价键性增强，组成上倾 向于非化学计量，使晶体表面能更为稳定。
表面电子云变形和离子重排
－离子键性氧化物表面，大部分由氧离子 组成，正离子被氧离子所屏蔽。
εi,j（i，j=1，2）表示，与之对应的表面
张力张量以f i,j表示。 当一可逆过程，f i,j作用于无限小的弹性应
变dεi,j引起面积A发生微小变化，则表面自 由能之增量d（γA）和dεi,j间关系为：
d ( A) Afijd
dA A ij d ij
材料的表面与界面
硕士研究生课程讲义
课程教学方式：课堂重点介绍与自学。
主要参考文献： 材料科学基础 天津大学出版社 表面与界面物理 恽正中 表面与界面物理 朱履冰 材料表面与界面 李恒德
引言
—陶瓷材料有典型的多晶多相结构特征。
—表面与界面问题涉及整个材料制备科学与 工程中，含有丰富的研究内容。
—直接相关：熔点、沸点、蒸汽压、溶解 度、吸附、润湿、化学活性、固相反应、 烧结、界面物理、化学及生物性质等。
－双电层效应的作用距离与阴阳离子的半 径差有关，一般为2-5个离子层。其程度还 取决于离子极化性能，如Pb2+和I－都有强 的极化性能，双电层厚。氧化钠晶体形成 厚度为0.02nm的表面双电层。
2.2 固体表面能 －固体表面能与表面张力在数值上一般不 相等。
－确定固体表面能可以通过实验测定或理 论计算。
实验测定：将固体熔化测定液态表面张力 与温度的关系，作图外推到凝固点以下来 估算。
分为化学力和分子力： －化学力：表面质点不饱和键产生的静电力，
有电子转移的性质。
范德华力：
—定向力: 极性物质间极化电矩的相互作用力。
—诱导力: 极性物质极化诱导非极性物质产生暂 态极化电矩，随后发生定向作用。
—色散力: 非极性物质间瞬时极化电矩间的作用。
1.3 表面能和表面张力
液体表面张力
用恒温恒容或恒温恒压下形成单位面积表面 的可逆功表示（或微分式）：
表面张力的物理说明(52年黄昆)： a）质点间即存在引力又存在斥力，引力作 用范围大，斥力作用范围小。
b) 作用力P =P斥-P吸 当P斥>P吸表现为＋压力。如液体内压力各
向同性，压强P=ρgh为斥力。斥力是短程
力，远程不存在，故可近似视为各向同性。 c)液体表面各向异性 垂直方向与平行方向受力不同。
§1．固体表面的基本特征 －表面：固体与真空或其蒸气接触的分界面。
1.1表面不均一性 －表面受力不对称且表面原子(离子)有定位性。 －晶态固体的各向异性在表面性质上表现突出。
1.2 表面力 －晶体内部质点力场是有心、对称的。 －表面质点力场的对称性被破坏，产生有指向 的剩余力场，表现出对其他物质有吸引作用 （如吸附、润湿等），称为表面力。
在 吸h表>P面吸p层，范(因围上内部，气因体P斥或h真=P空斥p存；在但之吸故力）为。P
d)表面张力的解释 表面层的作用力: P = P斥－P吸 垂直方向：大气压力P0 = P斥p－P吸p
得：P斥h＝P0 + P吸p 平行方向：P h = P斥h－P吸h = P0 + P吸p－P吸h 结合c）结论并忽略P0项:
表面与界面类型： Gas/Liquid Gas/Solid Liquid/Liquid liquid/Solid Solid/Solid（异相） Solid/Solid（同相）
表面与界面具有利弊二重性
利用方面: 纳米晶界效应、超塑性、多晶半 导体晶界效应。
不利方面：破坏结构均匀性、周期性，强度 降低，物理化学性能恶化。
陶瓷—离子键、共价键 金属—金属键
陶瓷与金属界面基本性质的比较： 类似： 可用热力学方法处理界面能和界面张力； 迁移率受杂质的制约影响； 晶界扩散大于晶格扩散； 晶界滑移产生形变； 具有溶质偏析现象； 晶界是空位、填隙缺陷的产生源和消失阱； 位错行为类似，小角晶界可由位错阵列描述
不同： 陶瓷晶界形成静电势和空间电荷区； 陶瓷点阵缺陷的形成能高（～6ev）； 金属本征缺陷浓度高于杂质缺陷浓度（～2个 量级） 陶瓷本征缺陷浓度低于杂质缺陷浓度（～3个 量级） 金属异质固溶度受溶质原子形变能影响突出 陶瓷异质固溶度受空位能大小的影响突出