h8-材料表面与界面

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1、1 第 8章 材料的表面与界面 材料科学基础 2 8.1 基础知识 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。相界面有三类， 如固相与固相的相界面（ s B）；固相与气相之间的相界面 （ s G）；固相与液相之间的相界面（ s L）。 表面问题： 金属材料 陶瓷材料 电子材料 高聚物 复合材料 3 最常见的材料表界面类型（按形成途径划分） 机械作用界面 化学作用界面 固体结合界面 液相或气相沉积界面 凝固共生界面 粉末冶金界面 黏结界面 熔焊界面 4 8.1.1 物质表面 固体表面的定义

2、 ：晶体三维周期结构和真空之间的过 渡区域。 理想表面 清洁表面 吸附表面 理想表面 :表面结构不变地延续到表面后中断，是理论 上结构完整的二维点阵平面，忽略了热运动热扩散和热 缺陷及表面的物理化学现象等。 d 理想表面结构 5 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 ,没有表面污染的实际表面 台阶表面 弛豫表面结构 重构表面 112 111 110 周期 台阶表面 台阶表面不是一个平面， 它是由有规则的或不规 则的台阶的表面所组成 6 弛豫表面结构 d d0 （ 2） 弛豫表面 表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直距 离和体内原子层间距相比有所膨胀和压缩

3、现象 7 （ 3）重构表面 ：表面原子层在水平方向上的周期性（晶 格基矢 as）不同于体内晶格基矢 a，但垂直方向上的层间 距离与内部层间距离相同 密排六方重构表面示意图 as a 8 吸附表面 ：在实际存在的表面，普遍存在吸附物质。 吸附物质： 表面环境中的气相分子、原子及其化合物， 来自体内扩散出来的元素物质。 吸附形式： 可以被简单吸附在晶体表面 可以外延生长在晶体表面构成新的表面层 进入表面层一定深度同表面原子形成有序的表面合金。 9 8.1.2 固体的表面自由能和表面张力 表面能 ：每增加单位表面积时，体系自由能的增量 单位 Jm-2 表面张力 ：扩张表面单位长度所需要的力。 与液体

4、相比： 1） 固体的表面自由能中包含了 弹性能 。表面张力在数值 上不等于表面自由能； 2）固体的表面上的原子组成和排列是各向异性的，张力 是各向异性的，不同晶面的表面自由能也不相同。 3）实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，决定固体 表面形态的主要是形成固体表面时的条件以及它所经 历的历史。 4）固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。 10 8.1.4 固液界面与 润湿 机械润滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、搪瓷坯釉、陶 瓷 /金属的封接等工艺和理论都与润湿过程有关。 润湿的热力学定义：固体与液体接触后能使体系的吉布斯自 由能降低，称为润湿。 润湿形式： 附着润湿 铺展润湿 浸渍润湿

5、 11 铺展润湿 概念：液滴落在清洁平滑固体表面的过程。 忽略液体重力和粘度影响，则铺展是由固 /气 (SG)、固 /液 (SL)和液 /气 (LG)三个界面张力所决定： 式中 是润湿角； F 称润湿张力。 90 不润湿； 。 c o sLGSLSG SLSGLGF c o s SG SL 12 8.1.5 固固界面与黏附 固固界面：结构与组分中存在不同的两个固相之间的界面 黏附：两黏附固体界面上的黏结现象，是通过跨越两固相 界面的相互作用而产生的。 a a Wa=+- a a a a Wa=2 Wa为黏附 功 13 8.1.2.1 小角晶界及界面能 小角晶界：两晶粒间的位向差小于 10 ；

6、大角晶界：位向差超过 10 。 小角晶界又可分： 倾转晶界（一系列刃位错构成） 扭转晶界（螺位错构成） 14 对称倾转晶界和扭转晶界 （ 1） 对称倾转晶界 对称倾转晶界可以看作 是取向一致的两个晶体 相互倾转 角形成的 界面。 2/ 分类 (2)不对称倾斜界面 ：晶界看成两组互相垂直的刃型 位错排列而成的。 (3)扭转晶界 ：将一块晶体沿横断面切开 ,并使上下部 分晶体绕轴转动 角 ,再与下部分晶体粘在一起形成。 可看成是由互相交叉的螺位错所组成。 15 大角度晶界 大角度晶界：为原子呈不规则排列的一过渡层。大多数晶 粒之间的晶界都属于大角度晶界。 16 晶界特征 （ 1）晶界处点阵畸变大，

7、存在晶界能。 （ 2）常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍运动，使塑 型变形抗力提高，使晶体（材料）的硬度和强度提高。 （ 3）晶界处原子具有较高的动能，且晶界处存在大量缺陷 。原子在晶界处扩散比晶内快得多。 （ 4）固态相变时易在晶界处形成新核。 （ 5）晶界上富集杂质原子多，熔点低 （ 6）晶界腐蚀速度比晶内快。 （ 7）晶界具有不同与晶内的物理性质。 17 8.2.1.4 相界 1.共格界面 （ coherent phase boundary ）： 特征：界面两侧的保持一定的位向关系，沿界面两相具有 相同或近似的原子排列，两相在界面上原子匹配得好，界面 上能量高。 理想的完全共格界面只有

8、在孪晶面（界）。 2. 半共格界面 （ semi-coherent phase boundary ) 特征：沿相界面每隔一定距离产生一个刃型位错，除刃 型位错线上的原子外，其余原子都是共格的。所以半共格界 面是由共格区和非共格区相间组成。 半共格界面上的位错间距取决于相界处两相匹配晶面 的错配度（ ） 3.非共格界面 （ noncoherent phase boundary） 特征：原子不规则排列的薄层为两相的过渡层。 18 19 8.3 界面的偏聚与迁移 8.3.1 晶界平衡偏析 晶界偏析： 在平衡条件下，溶质原子（离子）在晶界处 浓度偏离平均浓度。 偏析的自发趋势： 晶界结构缺陷比晶内多，

9、溶质原子 （离子）处于晶内的能量比处在晶界的能量高，通过偏析 使系统能量降低。 偏析驱动力是内能差： 设一个原子位于晶内和晶界的内 能分别为 El 和 Eg ，则偏析的驱动力为： 1agE E E 20 8.3.2 晶界迁移 晶界迁移 晶界在其法线上的位移，从微观上看，是通 过晶粒边缘上的原子向其邻近晶粒的跳动实现的 典型情况：晶粒长大过程；相变过程。 21 影响晶界迁移的主要因素 溶质或杂质原子 - 降低迁移率，与晶界偏析、晶界结构 有关。 晶界第二相颗粒 - 阻碍作用，晶界脱离第二相颗粒的 迁移是系统能量提高的过程（需生长出这段晶界），产 生晶界迁移的阻力。 温度 - 迁移率与晶界扩散系数

10、 D 由 Einstein 关系联系 ： 由上式知随温度的升高，晶界迁移率提高。 晶粒位向 - 晶界的晶粒取向差小，迁移率低。 kTDB 晶界 22 8.6 复合体系的界面结合特性 界面相是复合材料的一个组成部分，其作用可以归纳一下 几个方面。 传递作用 ：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到 基体和增强体之间的桥梁作用 阻断作用 ：结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破 坏、减缓应力集中的作用 保护作用 ：界面相可以保护增强体免受环境的侵蚀，防止 基体与增强体之间的化学反应，起到保护增强体的作用。 23 本章重点 1、掌握固体表面的定义、物质的表面的类型 2、固体表面自由能和表面张力；与液态相比，固体表面 张力的特点 3、固液界面与润湿（杨氏方程） 4、固固界面与黏附 5、晶界的类型、相界的类型、 影响晶界迁移的主要因素 6、界面在复合材料中的作用 24 作 业 1.简述影响晶面迁移的因素 2.简述界面相在复合材料中的作用