ch8材料表面与界面

1、1第8章 材料的表面与界面材料科学基础材料科学基础28.1 基础知识基础知识1 1）表面表面: :表面是指固体与真空的界面。表面是指固体与真空的界面。2 2）界面界面: :相邻两个结晶空间的交界面称为相邻两个结晶空间的交界面称为“界面界面”。3 3）相界面相界面: :相邻相之间的交界面称为相界面。相界面有三类，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（如固相与固相的相界面（s sb b）；固相与气相之间的相界面）；固相与气相之间的相界面（s sg g）；固相与液相之间的相界面（）；固相与液相之间的相界面（s sl l）。）。表面问题：表面问题：金属材料金属材料 陶瓷材料

2、陶瓷材料 电子材料电子材料 高聚物高聚物 复合材料复合材料3最常见的材料表界面类型（按形成途径划分）最常见的材料表界面类型（按形成途径划分）机械作用界面机械作用界面化学作用界面化学作用界面固体结合界面固体结合界面液相或气相沉积界面液相或气相沉积界面凝固共生界面凝固共生界面粉末冶金界面粉末冶金界面黏结界面黏结界面熔焊界面熔焊界面48.1.1 物质表面物质表面 固体表面的定义固体表面的定义：晶体三维周期结构和真空之间的过：晶体三维周期结构和真空之间的过渡区域。渡区域。理想表面理想表面清洁表面清洁表面吸附表面吸附表面 理想表面理想表面:表面结构不变地延续到表面后中断，是理论表面结构不变地延续到表面后

3、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。缺陷及表面的物理化学现象等。d理想表面结构5清洁表面清洁表面：是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等：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物理化学效应的表面,没有表面污染的实际表面没有表面污染的实际表面台阶表面台阶表面弛豫表面结构弛豫表面结构重构表面重构表面112111110(001)周期周期台阶表面台阶表面台阶表面不是一个平面，台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规它是由有规则的或不规则的台阶的表面所组成则的台阶的表面所组成6

4、弛豫表面结构dd0（2 2） 弛豫表面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现象离和体内原子层间距相比有所膨胀和压缩现象7（3）重构表面）重构表面：表面原子层在水平方向上的周期性（晶：表面原子层在水平方向上的周期性（晶格基矢格基矢as）不同于体内晶格基矢）不同于体内晶格基矢a，但垂直方向上的层间，但垂直方向上的层间距离与内部层间距离相同距离与内部层间距离相同密排六方重构表面示意图asa8吸附表面吸附表面：在实际存在的表面，普遍存在吸附物质。：在实际存在的表面，普遍存在吸附物质。吸附物质：吸附物质： 表面环

5、境中的气相分子、原子及其化合物，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。来自体内扩散出来的元素物质。吸附形式：吸附形式： 可以被简单吸附在晶体表面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。进入表面层一定深度同表面原子形成有序的表面合金。98.1.2 固体的表面自由能和表面张力固体的表面自由能和表面张力表面能表面能：每增加单位表面积时，体系自由能的增量：每增加单位表面积时，体系自由能的增量 单位单位jm-2表面张力表面张力：扩张表面单位长度所需要的力。：扩张表面单

6、位长度所需要的力。与液体相比：与液体相比：1）固体的表面自由能中包含了固体的表面自由能中包含了弹性能弹性能。表面张力在数值。表面张力在数值上不等于表面自由能；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）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。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）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。历的历史。4）固体的表面自由能和表面

7、张力的测定非常困难。）固体的表面自由能和表面张力的测定非常困难。 108.1.4 8.1.4 固液界面与固液界面与润湿润湿机械润滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、搪瓷坯釉、陶机械润滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、搪瓷坯釉、陶瓷瓷/ /金属的封接等工艺和理论都与润湿过程有关。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。由能降低，称为润湿。润湿形式：润湿形式： 附着润湿附着润湿 铺展润湿铺展润湿 浸渍润湿浸渍润湿 11铺展润湿铺展润湿概念：液滴落在清洁平滑固体表面的过程。概念：

8、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，则铺展是由固忽略液体重力和粘度影响，则铺展是由固/ /气气(sg)(sg)、固、固/ /液液( (slsl) )和液和液/ /气气( (lglg) )三个界面张力所决定：三个界面张力所决定： 式中式中是润湿角；是润湿角；f f 称润湿张力。称润湿张力。 90 90不润湿；不润湿； 90 。 coslgslsgslsglgfcossgsl128.1.5 固固界面与黏附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，是通过跨越两固相黏附：两黏附

9、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。界面的相互作用而产生的。aawa=+-aaaaawa=2wa为黏附功138.1.2.1 8.1.2.1 小角晶界及界面能小角晶界及界面能 小角晶界：两晶粒间的位向差小于小角晶界：两晶粒间的位向差小于10； 大角晶界：位向差超过大角晶界：位向差超过10。 小角晶界又可分：小角晶界又可分：倾转晶界（一系列刃位错构成）倾转晶界（一系列刃位错构成） 扭转晶界（螺位错构成）扭转晶界（螺位错构成）14 对称倾转晶界和扭转晶界对称倾转晶界和扭转晶界（1）对称倾转晶界对称倾转晶界对称倾转晶界可以看作对称倾转晶界可以看作是取向一致的两个晶体是取向一致

10、的两个晶体相互倾转相互倾转 角形成的角形成的界面。界面。 2/分类分类(2)(2)不对称倾斜界面不对称倾斜界面：晶界看成两组互相垂直的刃型：晶界看成两组互相垂直的刃型位错排列而成的。位错排列而成的。(3)(3)扭转晶界扭转晶界：将一块晶体沿横断面切开：将一块晶体沿横断面切开, ,并使上下部并使上下部分晶体绕轴转动分晶体绕轴转动角角, ,再与下部分晶体粘在一起形成。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。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 大角度晶界：为原子呈不规则排列的一过渡层。大多数晶大角度晶界：为原子呈不规则排列的一过渡层。大多数晶粒之间的晶界

11、都属于大角度晶界。粒之间的晶界都属于大角度晶界。 16晶界特征晶界特征 （1 1）晶界处点阵畸变大，存在晶界能。）晶界处点阵畸变大，存在晶界能。 （2 2）常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍运动，使塑）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。型变形抗力提高，使晶体（材料）的硬度和强度提高。 （3 3）晶界处原子具有较高的动能，且晶界处存在大量缺陷）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。原子在晶界处扩散比晶内快得多。 （4 4）固态相变时易在晶界处形成新核。）固态相变时易在晶界处形成新核。 （5 5）

12、晶界上富集杂质原子多，熔点低）晶界上富集杂质原子多，熔点低 （6 6）晶界腐蚀速度比晶内快。）晶界腐蚀速度比晶内快。 （7 7）晶界具有不同与晶内的物理性质。）晶界具有不同与晶内的物理性质。 178.2.1.4 8.2.1.4 相界相界1.1.共格界面共格界面（coherent phase boundary 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。上能量高。理想的完

13、全共格界面只有在孪晶面（界）。理想的完全共格界面只有在孪晶面（界）。2. 2. 半共格界面半共格界面（semi-semi-coherent phase boundary 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。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（的错配

14、度（）3.3.非共格界面非共格界面（noncoherent phase boundarynoncoherent phase boundary） 特征：原子不规则排列的薄层为两相的过渡层。特征：原子不规则排列的薄层为两相的过渡层。18198.3 8.3 界面的偏聚与迁移界面的偏聚与迁移8.3.1 8.3.1 晶界平衡偏析晶界平衡偏析 晶界偏析：晶界偏析：在平衡条件下，溶质原子（离子）在晶界处在平衡条件下，溶质原子（离子）在晶界处 浓度偏离平均浓度。浓度偏离平均浓度。 偏析的自发趋势：偏析的自发趋势：晶界结构缺陷比晶内多，溶质原子晶界结构缺陷比晶内多，溶质原子 （离子）处于晶内的能量比处在晶界的能

15、量高，通过偏析（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。使系统能量降低。 偏析驱动力是内能差：偏析驱动力是内能差：设一个原子位于晶内和晶界的内设一个原子位于晶内和晶界的内 能分别为能分别为e el l 和和e eg g ，则偏析的驱动力为：，则偏析的驱动力为：1ageee208.3.2 8.3.2 晶界迁移晶界迁移晶界迁移晶界迁移 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。典型情况：晶粒长大过程；相变过程。21 影响晶

16、界迁移的主要因素影响晶界迁移的主要因素 溶质或杂质原子溶质或杂质原子 - 降低迁移率，与晶界偏析、晶界结构降低迁移率，与晶界偏析、晶界结构有关。有关。 晶界第二相颗粒晶界第二相颗粒 - - 阻碍作用，晶界脱离第二相颗粒的阻碍作用，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。生晶界迁移的阻力。 温度温度 - 迁移率与晶界扩散系数迁移率与晶界扩散系数d d 由由einstein einstein 关系联系关系联系： 由上式知随温度的升高，晶界迁移率提高。由上式知随温度的升高，晶界迁移率提高。 晶粒位向晶粒

17、位向 - - 晶界的晶粒取向差小，迁移率低。晶界的晶粒取向差小，迁移率低。 ktdb晶界228.6 复合体系的界面结合特性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。几个方面。传递作用传递作用：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到：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基体和增强体之间的桥梁作用阻断作用阻断作用：结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破：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坏、减缓应力集中的作用保护作用保护作用：界面相可以保护增强体免受环境的侵蚀，防止：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。基体与增强体之间的化学反应，起到保护增强体的作用。23本章重点本章重点1、掌握固体表