材料表面与界面复习题答案

1.液体的原子结构的主要特征。

液体的原子结构存在以下三个主要特征：

(1)液体结构中近邻原子数一般为5~11个（呈统计分布），平均为6个，与固态晶体密排结构的12个最近邻原子数相比差别很大；

(2)在液体原子的自由密堆结构中，四面体间隙占了主要地位。

(3)液体原子结构在几个原子直径范围内是短程有序的，而长程是无序的。

2.液体表面张力的概念和影响因素。

液体表面分子或原子受到内部分子或原子的吸引，趋向于挤入液体内部，使液体表面积缩小，因而在液体表面切向方向始终存在一种使液体表面积缩小的力，液体表面这种沿着切向方向，合力指向液体内部的作用力，就称为液体表面张力。

液体表面张力影响因素很多，如果不考虑液体内部分子或原子向液体表面的偏聚和外部原子或分子对液体表面的吸引，影响液体表面张力的因素主要有：

(1)液体自身结构：液体的表面张力来源于液体内部原子或分子间的吸引力，因此液体内部原子或分子间的结合能的大小直接影响到液体的表面张力的大小。一般来说，液体中原子或分子的结合能越大，液体表面张力越大，一般液体表面张力随结构不同变化趋势是：金属键结合物质>离子键结合物质>极性共价键结合物质>非极性共价键结合物质

(2)表面所接触的介质：液体的表面张力的产生是由于处于表面层的原子或分子一方面受到液体内部原子或分子的吸引，另一方面受到液体外部原子或分子的吸引。当液体处在不同介质环境时，液体表面的原子或分子与不同物质接触所受的作用力不同，因此导致液体表面张力的不同。一般来说，介质物质的原子或分子与液体表面原子或分子结合能越大，液体表面能越小，反之越大

(3)温度：随着温度的升高，液体密度下降，液体内部原子或分子间的作用力降低，液体内部原子或分子对表面原子或分子的吸引力减弱，液体表面张力下降。最早给出的预测液体表面张力与温度关系的半经验表达式为：

γ= γ0(1－T/T c)n

式中T c为液体的气化温度，γ0为０K时液体的表面张力。

3.固体表面能的影响因素。

影响固体表面能的主要因素有：固体原子间的结合能、固体表面原子的晶面取向和温度。由于表面能的大小主要取决于形成固体新表面所消耗的断键功，因此原子间的结合能越高，断开相同结合键需要消耗的能量越高，所形成的固体表面能越高。由于固体晶体结构是各向异性的，不同晶面的原子面密度不同，所以形成单位面积的新表面需要断开原子键的数量不同，导致所形成的表面能不同。一般来说，固体表面原子面密度越高，形成单位面积的新表面需要断开原子键的数量越小，表面能越低。与液体一样，固体的表面能随温度的升高而下降，并且固体表面能随温度升高而下降的速度大于液体。

4.计算并讨论立方晶系（100）、（110）和（111）面的表面能大小。

采用“近邻断键模型”（Nearest-neighbor broken-bond model）来计算固体晶体的表面能，两点假设：

第一，每个原子只与其最近邻的原子成键（最近邻原子数即为该晶体结构的配位数），并且只考虑最近邻原子间的结合能；

第二，原子间的结合能（-Ua）不随温度变化。

对于具有任意晶体结构的固态晶体，某一晶面{hkl}的表面能（γS{hkl}）可以用下式计算：

γS{hkl} = N{hkl}Z(Ua /2)

式中，N{hkl}为{hkl}晶面单位面积的原子数，Z为晶体沿{hkl}晶面断开形成新表面时{hkl}晶面上每个原子需要断裂的键数。

简单立方晶体

面心立方晶体

5.讨论液体在固体表面的润湿与铺展现象。

润湿：

液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿。润湿与不润湿不是截然分开的，可用润湿角进行定量描述。润湿角定义：当固液气三相接触达到平衡时，从三相接触的公共点沿液—气界面作切线，切线与固－液界面的夹角为润湿角。

润湿角大小与润湿程度的关系：

θ<90 o：润湿

θ>90 o：不润湿

θ=0 o：完全润湿

θ=180o：完全不润湿

润湿角公式：

σs-g=σs-l+σl-g cosθ

所以cosθ＝（σs-g－σs-l）/σl-g

当σs-g>σs-l时，cosθ>0，θ<90 o，σs-g与σs-l差越大，润湿性越好。

当σs-g<σs-l时，cosθ<0，θ>90 o，σs-g与σs-l差越大，不润湿程度越大。

以上方程的使用条件：σs-g－σs-l≤σl-g，σs-g为固体的表面能

低能表面不易被液体润湿，但表面张力很低的液体也可能润湿，甚至完全润湿低能表面。对于某一低能表面的固体，当液体的表面张力达到σc时，可完全润湿该固体，则σc称为该固体被完全润湿的临界表面张力。

σc是固体材料的一个特征值，其物理意义是：只有表面张力小于σc的液体，才能对该固体完全润湿。大于σc的液体，有一定的θ值。

由此又提出一个计算θ的经验公式

cosθ=1－β(σ1-g－σc )

其中σ的单位是：Nm-1；β＝30～40

铺展：

一种液体能否在另一种与其不相溶的液体或固体表面上铺展，可用粘附功和内聚功之差来表示：

S＝Wa－Wc

=[σA+σB－σAB]－2σ B

＝σA－σB－σAB

S－铺展系数

S>0时，B在A表面上会自动铺展开，S值越大，铺展越容易

S<0时，B在A表面上不铺展，负值越大，铺展越难

S>0是铺展的基本条件，这时σA－σB－σAB>0

对液相在固相表面的铺展：σA＝σs-gσB＝σl-gσAB=σl-s，所以σs-g－σl-s－σl-g >0，所以σs-g－σl-s >σ l-g。这时润湿角方法已经不能再适用。铺展是润湿的最高标准

6.分析晶界结构模型。

多晶体的性能与晶内晶体结构有关，也与晶界结构有关。多晶体中各晶粒之间的交界称为晶界。而且多晶体晶界一般为大角晶界。目前对大角晶界提出的晶界结构模型有：

晶界是由非晶体粘合物构成

岛状模型：小岛内原子排列整齐

晶界点缺陷模型：晶界有大量空位间隙原子

晶界结构位错模型

重合位置点阵

其中重合位置点阵晶界（Coincident-site Lattice，CSL）模型比较成熟。

小角晶界是指相邻两晶粒间位向差小于15℃的晶界，研究比较成熟，主要分为倾斜晶界和扭转晶界。其中倾斜晶界又分为：对称倾斜晶界：由一系列相同符号的刃型位错排列而成的晶界，和非对称倾斜晶界：由两组相互垂直的刃型位错组成的晶界；