无机材料化学 表面界面
表界面化学在材料研究中的应用_刘佳
第08期・ ・1 综述专论刘佳 程山（中北大学 化工与环境学院 030051）摘要：表界面化学一直是人们研究的重要方向，本文综述了表界面化学知识在无机材料及复合材料中的应用，尤其近些年又一突破性的进展—在军工方面中的应用，总结了一些研究材料表界面的现代分析方法。
研究表界面化学知识不仅对人们的生产、生活具有重要的意义，而且还对军工研究具有重要指导意义。
关键词：表界面化学 无机材料 复合材料中图法分类号：TQ562文献标识码：A文章编号：T1672-8114(2013)08-001-031 引言表界面科学是当代国际上最活跃的学科之一。
它涉及物理化学、数学、生物学、半导体科学、材料科学等许多基础学科和应用学科，而逐渐形成多学科交叉的发展极为迅速的一个科学领域。
尽管表界面科学是多学科交叉的科学，但涉及日常生活、工业生产、生命科学等许多方面，具有很强的实用性。
近些年来，随着现代表面测试和研究手段不断发展及创新，使人们有可能从更深层次观察多种体系的表面和界面现象，对表面及界面发生的化学过程和物理过程都可获得直观的信息。
因此，研究工作也得到很大的发展。
由于表面科学的基础理论研究取得了一定的进展，从而推动了与其密切相关的科学技术和工业生产的进步。
2 表界面化学在无机材料中的应用表界面化学可概括许多表面或界面现象，其在人们的日常生活中非常普遍。
本文首先研究表界面在单一无机材料中的应用[1]。
（1）金属材料的腐蚀：将Cr镀在不锈钢表面，由于Cr对空气或氧以及酸类有很大的惰性，可使钢材防腐蚀。
（2）表面活性剂的开发：人们熟悉的如肥皂、洗表界面化学在材料研究中的应用涤剂、清洁剂等，都是表面有活性的物质。
在工业生产领域里，纺织、造纸、矿山都离不开高效工业表面活性剂，就连实现强化采掘油也需加入表面活性剂以有效地降低岩芯与石油混合物之间的表面张力以及黏度。
（3）催化作用：目前全世界约有85％左右的化学产品是经催化作用实现的。
《无机材料物理化学》知识点
《无机材料物理化学》知识点无机材料物理化学是一门研究无机材料的结构、性能、制备和反应等方面的学科，它融合了物理学、化学和材料科学的知识，对于理解和开发新型无机材料具有重要意义。
一、晶体结构晶体是原子、离子或分子在空间按一定规律周期性排列而成的固体。
晶体结构的描述包括晶格参数（如晶胞边长和夹角）、原子坐标和晶体对称性等。
常见的晶体结构有立方晶系（如简单立方、体心立方和面心立方）、六方晶系和四方晶系等。
晶体中的原子结合方式主要有离子键、共价键、金属键和范德华力等。
离子键具有较强的方向性和饱和性，通常形成离子晶体，如氯化钠。
共价键结合的晶体具有很高的硬度和熔点，如金刚石。
金属键使金属晶体具有良好的导电性和导热性。
晶体结构的缺陷对材料的性能有重要影响。
点缺陷包括空位、间隙原子和杂质原子；线缺陷主要是位错；面缺陷则有晶界和相界等。
二、热力学在无机材料中的应用热力学第一定律指出能量守恒，即能量可以在不同形式之间转换，但总量不变。
在无机材料的研究中，可以通过计算反应过程中的能量变化来判断反应的可行性和方向。
热力学第二定律引入了熵的概念，用于描述系统的混乱程度。
对于一个自发的过程，系统的熵总是增加的。
通过计算反应的熵变和焓变，可以确定反应在给定条件下是否能够自发进行。
相图是热力学在材料研究中的重要应用之一。
通过绘制相图，可以清晰地了解不同成分和温度下材料的相组成和相变规律，为材料的制备和性能优化提供指导。
三、动力学过程反应动力学研究反应速率和反应机制。
对于无机材料的制备过程，了解反应动力学有助于控制反应条件，提高反应效率和产物质量。
扩散是物质在固体中的迁移过程，它对材料的相变、烧结和性能均匀性等方面起着关键作用。
扩散系数与温度、晶体结构和缺陷等因素密切相关。
四、表面与界面材料的表面和界面具有独特的物理化学性质。
表面能的大小决定了材料的表面活性和吸附性能。
界面的结构和性质对复合材料和多相材料的性能有重要影响。
五、相变相变是指物质从一种相态转变为另一种相态的过程，如固相到液相、液相到气相等。
无机材料科学基础-5-表面与界面讲解
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。
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、
表面粗糙度：(1)使表面力场变得不均匀，其活性及其它表面性 质也随之发生变化。
(2)直接影响固体表面积，内、外表面积比值以及相 关的属性。
(3)与两种材料间的封接和结合界面间的啮合和结合 强度有关。
表面裂纹
表面裂纹因晶体缺陷或外力而产生。表面裂纹在 材料中起着应力倍增器的作用，使位于裂纹尖端 的实际应力远大于所施加的应力。格里菲斯关于 微裂纹的公式：
理想晶体和玻璃体：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 用完全相同。
实际晶体和玻璃体：处于物体表面的质点， 其境遇和内部是不同的， 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。
内容提要
固表面力场与表面能。 离子晶体在表面力场作用下，离子的极化与重排过程。 多相体系中的界面化学：如弯曲效应、润湿与粘附， 表面改性。 多晶材料中的晶界分类，多晶体的组织，晶界应力与电荷。
(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： A. 依靠粒子间的电场传播的，如色散力，可以加和。 B. 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。
二、晶体表面结构 1. 离子晶体表面
超细结构(微观质点排列) 显微结构(表面几何状态)
表面力的作用： 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。
《无机非金属材料科学基础》第6章 固体的表面与界面行为
由此我们可以得到一个重要的结论:肥皂池的半径越 小，泡膜两侧的压差越大。
上式是针对球形表面而言的压差计算式，对于 一般的曲面，即当表面并非球形时，压差的计算式 有所不同。一般地讲，描述一个曲面需要两个曲率 半径之值;对于球形，这两个曲率半径恰好相等。一 般曲面两个曲率的半径分别为R1和R2。我们可以得 到一般曲面的压差计算式:
1. 共价键晶体表面能
2. 离子晶体表面能
每一个晶体的自由焓都是由两部分组成，体积 自由焓和一个附加的过剩界面自由焓。为了计算 固体的表面自由焓，我们取真空中0K下一个晶体 的表面模型，并计算晶体中一个原子(离子)移到晶 体表面时自由焓的变化。在0K时，这个变化等于 一个原子在这两种状态下的内能之差。
目录
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节 • 第五节
表面与界面物理化学基本知识 固体的表面(固-气) 固-液界面 浆体胶体化学原理 固-固界面
6.1 表面与界面物理化学基本知识
固体的界面可一般可分为表面、界面和相界面： 1）表面:表面是指固体与真空的界面。 2）界面:相邻两个结晶空间的交界面称为“界面”。 3）相界面:相邻相之间的交界面称为相界面。相界面有
界面间的吻合和结合强度。
表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生。微 裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度 这种影响尤为重要。
脆性材料的理论强度约为实际强度的几百倍，正是 因为存在于固体表面的微裂纹起着应力倍增器的作用， 使位于裂缝尖端的实际应力远远大于所施加的应力。
葛里菲斯（Griffith）建立了著名的玻璃断裂理论， 并导出了材料实际断裂强度与微裂纹长度的关系
R 2E C
(完整word版)材料的表面界面特征及在材料工程上的意义
四川大学2009级研究生期末考试论文（2009-1010学年下半学年）课程名称:材料的表面与界面论文题目:材料的表界面特征及在材料工程上的意义学院:材料科学与工程学院专业:材料材料与纳米技术学号:S092030姓名:管东波材料的表面界面特征及在材料工程上的意义摘要：本文首先提出为什么要研究材料的表界面，随后又系统的阐述了何为材料的表界面，接着文章从液体材料表面、固体材料表面、固-液界面、金属材料表面、高分子材料表界面、无机材料表面等不同类型的材料表面来具体分析了材料表面的特征，最后文章简单的说明了材料的表界面对提高、改善材料工程上很多材料的性能有极大的帮助，研究材料的表界面对材料工程有着非常重要的意义。
关键词：材料的表界面、表面、界面、材料工程1．前言材料科学、信息科学和生命科学是当今新技术革命的三大前沿科学，而材料科学方面材料的表界面占有十分重要的地位，所以说研究材料的表界面特征对我们材料科学的发展、对我们材料工程的设计有着非常重要的意义。
材料的表面界面与其内部本体在结构上和化学组成上都有很明显的差别，这是因为在材料内部的原子周围布满原子，原子之间相互作用，中间原子所受的力是平衡的，而对于处于表面界面的原子，它所受的力场是不平衡的，所以在材料的表面产生了表面能（若是界面则称为界面能）。
对于不同组分构成的材料，组分与组分之间可形成界面，而对于单组份材料，由于其内部不可避免的会存在有缺陷，所以即使单组份材料内部也会产生界面。
材料的表界面对材料的整体性能有很大的影响，有的甚至直接决定了材料的性能，所以我们有必要把研究材料的表界面作为我们研究材料的一个重要研究对象。
2．材料表界面的定义及其特征2.1材料表界面的定义何谓材料的表界面？表界面研究的对象是不均匀的体系，具有多相性，即该体系中存在两个或两个以上的不同的相，而表界面就是指由一个相过渡到另一个相的这段过渡区域。
虽然说表面和界面都是指这段过渡区域，但由于习惯的不同，我们还是把表面和界面区分开来的，一般把固-气、液-气的过渡的过渡区域称为表面，而把固-液、液-液、固-固之间的过渡区域称为界面。
无机材料表界面化学的研究
无机材料表界面化学的研究随着现代科技的飞速进步，新材料的发展已经成为当今科技领域的重要议题之一。
其中，无机材料作为一种重要的材料类别，一直备受关注。
与之相关的表界面化学研究也逐渐引起了研究者们的兴趣和关注。
一、无机材料表面的性质无机材料的表面性质是十分重要的研究方向，因为这些性质直接决定了材料在特定环境下的应用。
例如，在电子元件领域中，无机材料表面的导电性能、稳定性以及化学反应活性等都是十分重要的因素。
无机材料的表面性质常常受到表界面化学的影响。
表界面化学是研究材料表面与周围环境相互作用的学科。
这些相互作用可能包括吸附、生成化学键、表面催化等。
表界面化学的研究是无机材料表面性质探究的重要手段之一。
二、表界面化学的方法表界面化学的研究方法与原理十分多样。
其中，常用的方法包括表面的光谱学方法、电化学方法、动力学方法以及物理化学方法等。
表面光谱学方法是表界面化学的重要手段之一。
在这种方法中，采用光谱学技术对样品表面的物理和化学性质进行研究。
这些技术有X射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等。
这些技术可以用来研究在不同条件下样品表面的化学成分、结晶度、晶体结构、材料形貌等信息。
电化学方法是表界面化学常用的另一种手段。
这种方法是一种通过对电化学反应的观察来研究材料表面物理和化学性质的方法。
电化学技术包括电化学红ox反应、循环伏安法、交流阻抗法等，它们可以被用来研究非均相催化反应、电催化反应等。
动力学方法用于研究材料表面吸附反应的过程。
这种方法追踪吸附物种的吸附和解吸过程，并且可以用于表征表面催化反应和表面扩散过程。
物理化学方法同样适用于表面化学研究。
例如，原位拉曼光谱可以用来研究固体表面上的化学反应体系。
此外，还有原位反射差分光谱、X射线衍射等技术可用于研究固体表面的化学反应体系。
三、表界面化学在材料设计中的应用表界面化学的研究给了材料设计方面十分多的启发。
研究者通过改变材料的表面特性，来改变材料性质，并且满足不同的工程需求。
XPS在无机材料界面分析中的应用
XPS在无机材料界面分析中的应用X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)是一种常用的表征材料表面成分和分析表面化学键的技术。
它适用于大多数固体表面、气相和溶液中的物质分析。
无机材料界面分析是其中的一个重要应用领域。
本文将介绍XPS在无机材料界面分析中的应用。
一、XPS原理XPS是利用光电效应，测定材料中原子的价态和化学键的信息。
XPS实验中，材料表面被强度为1.5×10^11 W/cm^2左右的单色X射线照射，产生出电子，同时测量这些电子的动能(KE)，从而计算出电子的结合能(BE)。
根据库仑-约束定理(Einstein's photoelectric law)，一束光子通过一个电子产生的最大能量为hv，其中h为普朗克常数且v为光子的频率。
因此，一个扫描范围内的固定结合能代表了特定化学环境下一个元素的化学状态。
XPS允许表征材料的表面成分、氧化程度、分子结构和多种其他表征信息。
二、1.高分辨率XPS能够表征表面化学键和成分。
例如，对于氧化铝表面，在Al和0 2p3/2峰之间，峰的位置和形状表明Al-O化学键和不同程度的负离子氧化态。
O 1s峰可以进一步分解为表征不同化学环境中氧化态的峰。
2.扫描XPS可以确定材料的化学性质，例如，能够表征金属和半导体表面的禁带宽度和晶格上的偏差，以及表征材料的表面离子对活性的影响。
3.XPS能够精密地分析化学物质的组成。
例如，对于硅/氧化物界面中的无机氨基硅酸盐，XPS可以帮助确定分子化学式(Si-O-NH)和配体形成的指定位点。
其显然优势在于能够基于成分分级表征材料。
4. XPS能够验证表面分析过程中溶剂保护影响。
来自有机物或离子溶液的吸附在固体表面的物质会对实验结果产生干扰。
XPS允许检测和鉴定这些物质。
例如，在氢氧化铝表面分析中，存在它的程序使任何化学吸附体都可以被简单地去除。
5.XPS能够用于分析化学物质的元素分布以及界面位置。
第五章 表面与界面
堆垛层错常见于紧密堆积结构和层状结构的
晶体中，是晶体的密排面按正常顺序堆垛时引入
反常顺序堆垛所形成的一种面缺陷。
如面心立方结构和六方结构式最简单的密堆
结构。
面心立方的密排面 （111）
正常的密排堆积方式：ABCABC……
六方密堆的密排面：（0001）
正常的密排堆积方式：ABAB……
在正常的堆垛顺序中引入了不正常顺序堆垛 的原子面而产生的面缺陷，称为堆垛层错层错）。 例如：面心立方晶体中以…ABCABABC…或 以…ABCBABC…，前者称为抽出型层错，后者称 为插入型层错。 层错可以通过多种物理过程形成：晶体生长 过程、点缺陷的聚集等。
”的平坦的表面而言。
5.1.3
晶体表面的缺陷
晶体表面从微观上看是不平整的，表面除出 现明显的起伏，还可能伴有吸附原子、裂纹和空 洞。单晶表面可能存在的各种缺陷类型可以用 TLK模型概括，图5.8所示。 表面原子具有剩余力场，表面原子的活动能 力较体内大，形成点缺陷的能量小，因而表面上 的热平衡点缺陷浓度远大于体内。
5.3.1 晶界结构与分类 1、定义：凡结构相同而取向不同的晶体相互接触， 其接触面称为晶界。
1、晶界的结构
2、晶界的分类 (1) 按两个晶粒之间夹角的大小来分： 小角度晶界 大角度晶界
0 0 当 （ 10 15 ） 0 0
为小角度晶界
3、 晶界的特点
晶界具有一些不同于晶粒的特性。 （1）晶界上原子排列疏松，晶界易受腐蚀后很易显露 出来； （2）由于晶界上结构结构疏松，存在空位、位错等缺 陷，故晶界是原子（或离子）快速扩散的通道，并易引起 杂质原子（离子）偏聚，同时也使晶界处熔点低于晶粒； （3）晶界上原子排列混乱，使之处于应力畸变状态， 能阶较高，使得晶界成为固态相变时优先成核的区域。
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粒子(粉体)以便于成型和高温烧结。
+ 3、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）。这正因为Pb2+与I-都具有大的极化性能 所致。当用极化性能较小的Ca2+和F-依次置换PbI2中 的Pb2+和I-离子时，相应的表面能和硬度迅速增加。 可以预料相应的表面双电层厚度将减小。
第五章
固体的表面与界面行为
1g 粉料 常规 um nm
15m2 90m2 180m2
1g粉料具有如此大的空间，其界面占据 总体积50％以上，奇特的表面效应
2020/4/24
2
球形颗粒S表 正比于d2 V正比于 d3 比表面积（S表 ／V）反比于d； d↓，比表面积↑↑，表面原子所占百分数↑↑ 颗粒尺寸小于 0.1微米时 ，表面效应将不
多数情况下吸附是介于上述二者之间，即在固 体吸附剂和吸附物之间共有电子，并且经常是不 对称的。
对于离子晶体，表面主要取决于晶格能和极化 作用。
（2）分子引力，也称范德华(van der Walls)力，一般是指固体 表面与被吸附质点（例如气体分子）之间相互作用力。 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。
0.020nm
晶
晶
体
体
内
表
部
面
图5.1.2 Na0C.28l表1nm面层0中.26N6nam+向里； Cl-向外移动并形成双电层
说明： 1、 NaCl形成双电层厚度为0.02nm,可以预期，对于其它 由半径大的负离子与半径小的正离子组成的化合物，特别 是金属氧化物如Al2O3、SiO2、ZrO2等表面上也会形成双 电层。
新物理现象、新效应 巨大应用潜力
2020/4/24
9
5.1 固体的表面特性及表面结构
5.1.1固体的表面特征 5.1.2 固体的表面结构 5.1.3 固体的表面能
5.1.1 固体表面的特征
1. 固体表面的不均匀性，表现在：
(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。
威尔（Weyl）等人基于结晶化学原理，研 究了晶体表面结构，认为晶体质点间的相互作 用，键强是影响表面结构的重要因素，提出了 晶体的表面双电层模型，如图5.1.1、5.1.2所示
NaCl
表面离子受
内部离子作用电
子云变形
晶
体
离子重排表面能减少来自图5.1.1 离子晶体表面的电子云变形和离子重排 注：正负离子示意相反
来源三方面：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。
表达式：F范＝FK＋FD＋FL 1/r7 说明：分子间引力的作用范围极小，一般为3～5A0。
当两个分子过分靠近而引起电子层间斥力约等于B/r3 , 故范得华力只表现出引力作用。
固气、固液、固固界面 晶界（面）：晶相与另一晶相接触界面
2020/4/24
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理想晶体在于其完全周期性、对称性， 除零维点缺陷、一维位错外，最重要的 缺陷即：面缺陷
两类面缺陷：表面、界面
2020/4/24
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有限大小的晶体， 表面是平移对称性的中止
晶体与外界相互作用也 通过表面实现
表面理论和技术 ——至关重要
2020/4/24
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另一类面缺陷出现于晶体内部，界面： 有的是和理想点阵结构的偏离 有的涉及化学组分或相的差异 有的则对应电磁结构的有序越变 对晶体材料各种性质产生重要影响
晶界 2020/4/24
晶界
相界
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表面与界面起突出作用的新型材料， 如薄膜、多层膜、超晶格、超细微 粒与纳米材料等发展如日中天
5.1.2 固体的表面结构
1、晶体表面结构 2、粉体表面结构 3、玻璃表面结构 4、固体表面的几何结构
1、晶体表面结构
表面力的存在使固体表面处于较高能量状 态。但系统总会通过各种途径来降低这部分过 剩的能量，这就导致表面质点的极化、变形、 重排并引起原来晶格的畸变。对于不同结构的 物质，其表面力的大小和影响不同，因而表面 结构状态也会不同。
应用： 硅酸盐材料生产中，通常把原料破碎研磨
成微细粒子(粉体)以便于成型和高温烧结。
2、粉体表面结构
粉体在制备过程中，由于反复地破碎，不断 形成新的表面。表面层离子的极化变形和重排使 表面晶格畸变，有序性降低。因此，随着粒子的 微细化，比表面增大，表面结构的有序程度受到 愈来愈强烈的扰乱并不断向颗粒深部扩展，最后 使份体表面结构趋于无定形化。
容忽略
2020/4/24
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超微颗粒的表面具有很高的活性，在空 气中颗粒甚至会迅速氧化而燃烧
利用表面活性，超微颗粒可望成为新一 代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点 材料
表面界面效应十分重要
2020/4/24
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固体（相）表面：固相和自身蒸汽（或真空）的 接触分界面
固体（相）界面：一个固相与另一相的接触面
晶体内部——质点排列周期性，有序性 故：每个质点力场对称 固体表面——质点排列周期性中断，表
面边界上质点力场对称性破坏，表现出 剩余的键力——固体表面力（化学力、 分子间力）
固体表面化学/物理吸附或气体凝聚的原因
2020/4/24
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（1）化学力：本质上是静电力。
当固体吸附剂利用表面质点的不饱和价键将吸 附物吸附到表面之后，吸附剂可能把它的电子完 全给予吸附物，使吸附物变成负离子（如吸附于 大多数金属表面上的氧气）；或，吸附物把其电 子完全给予吸附剂，而变成吸附在固体表面上的 正离子（如吸附在钨上的钠蒸气）。
(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。
2. 固体表面力场