第5章 固-固界面

1、5.1 晶界结构、界面热力学参数的测定及理论计算5.1.1 晶界结构1.表面结构l表面驰豫l表面重构2. 晶界结构l小角度晶界l大角度倾斜晶界l共格晶界l连贯性边界l半连贯性晶界NiO材料中一倾斜晶界高分辨图及对应的结构示意图具有确定取向关系的TiAl与Ti3Al之间界面结构TiB/-Ti界面的高分辨像ABOw/Al复合材料的界面Fe-Mo-Si-B纳米合金的形貌及晶界结构纳米钯材料中的晶界结构深冲用深冲用IFIF钢轧制变钢轧制变形组织的形组织的TEMTEM图像图像10压下量30压下量70压下量50压下量Copper-ICopper-IIS-IIS-Brass-IIBrass-IcubeRan

2、dom0-1010-2020-3030RDND大轧制变形材料大轧制变形材料TEMTEM照片、位错界照片、位错界面取向差及微区织构单元分布图面取向差及微区织构单元分布图l描述晶界的几何参量(1)一个晶粒相对于相邻晶粒的位向：x、y、 z；(2)一个点阵相对于另一点阵的位向：；(3)晶界相对于一个点阵的位向：；(4)一个点阵中的原子相对于另一点阵中的原子的平移量：x、y 、z；l小角度晶界的能量当很小时，=D，故：b/,b/tansinDb/tansin5.1.2 晶界的界面能1. 位错应变能l刃型位错 l螺型位错BrRvbGEed02ln)1 (4BrRbGEsc0ln42. 晶界Gibbs能l

3、 晶界Gibbs能的一般表达式l 晶界Gibbs能简化式),(izyzyxgbCTfbbxgbTSEf)(3. 大角度晶界与晶粒形状5.1.3 晶界界面Gibbs能的测定1. 晶界沟槽2. 晶体表面张力与晶界界面张力的平衡关系cos20coscossvgbsvsvgb或5.1.4 晶界界面Gibbs能的计算5.1.5 相界面与相界面的焓变1. 相界结构l非共格相界l共格相界l准共格相界2. 相界面的焓变ZNHZnHHHZnHBbbBBAAABbbc)(215.2.1 杂质在晶界偏析的影响因素l晶界结构l晶界Gibbs能l晶界电势l杂质原子与基质质点尺寸失配应变能5.2.2 杂质在界面偏聚的理论

4、计算)exp(1)exp(1)exp(RTUACCCRTUACRTUACCLgLLLg时：5.2.3 讨论l由于U为正，故升温使Cg下降；l晶内溶质含量CL越大，Cg也越大，即材料内溶入的杂质越多，偏析也越严重；l晶内最大固溶度Cm越小，溶质处于晶内越困难，则Cg将会越大；l杂质在晶界上的偏析量通常小于5010-6，但引起的材料性能的变化却是很大的。Nanoprobe Composition AnalysisSm(CobalFe0.1Cu0.08Zr0.04)7.5-60 -50 -40-30 -20 -10 010 20 30 40 50 60-1001020304050607080 Fe

5、ZrCu: 0. 08 Sm Co CuElement Content (at%)Distance from Center of Cell Boundary (nm)Cell Boundary: Cu , Co and Fe Cell Center:Cu , Co and Fe 5.3.1 润湿吸附理论1. 固固界面上的接触2. 界面上的相互作用l 分子间的van der Walls 力l 化学键合作用l 界面上微观的机械连接作用3. 粘附过程的影响因素l 润湿性能l 接触程度l 扩散能力l 化学键合l 机械镶嵌作用4. 润湿吸附理论l 润湿吸附理论的基本观点：胶粘剂与粘附体表面的分子以Van

6、 Der Walls力结合，即聚合物分子在粘附体表面的物理吸附；l 两相界面接触的程度与它们的润湿情况密切相关。l聚合物中含有极性基团或可形成氢键的基团，则粘附强度高；l若胶粘剂与粘附体材料的极性相匹配，其两相的润湿能力就最强，则其粘附作用势必达到最大；l润湿吸附理论存在的问题：粘附强度的理论计算值远大于实际值；无法解释非极性聚合物强的粘附力；5.3.2 扩散理论1. 扩散理论的基本观点l 胶粘剂在粘附体表面发生润湿作用；l 聚合物分子链或分子链段发生相互扩散作用；l 形成过渡区界面层；l 链段的缠绕及内聚力粘附力；2. 扩散作用与聚合物的溶解性能的关系l 扩散作用与聚合物的相容性；l 溶解度

7、参数及相容性的量度； 溶解度参数： Hildebrond公式：2/1VE22121)(VHml扩散热力学：溶解度参数；形成氢键的能力；l扩散动力学：溶剂，加热，加压。3. 扩散理论存在的问题l 无法解释聚合物相对分子质量提高，粘附强度也随之增加的现象；l 很难解释聚合物对金属、玻璃或其他与聚合物不相溶的固体间的粘附过程中高分子是如何进行相互扩散作用的；5.3.3 化学粘附理论 化学粘附理论认为，粘附界面上产生化学键和作用，可以提高粘附强度与粘附体系的稳定性。l 胶粘剂与粘附体中所含活性基团的相互 反应；l 偶联剂使分子间产生化学键合；5.3.4 弱边界层理论 所谓弱边界层，是指一个厚度比原子尺寸大而所能承受的应力又比两本体相小的薄层。 弱边界层理论认为，粘附强度既取决于界面结构和两相间分子的相互作用，也取决于界面区的力学性质。5.4.1 固体接触面间的摩擦1. 变形摩擦理论 l Coulomb摩擦理论2. 粘附摩擦理论l Hardy与Bowden摩擦理论5.4.2 吸附层对摩擦的影响l 极性吸附