第五章表面与界面

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1、1安徽建筑工业学院无机非金属材料教研室安徽建筑工业学院无机非金属材料教研室无机材料科学基础（四）无机材料科学基础（四）2综综 述述无机材料科学基础（四）无机材料科学基础（四）固体表面力场与表面能。固体表面力场与表面能。离子晶体在表面力场作用下，离子的极化与重排过程。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，多相体系中的界面化学：如弯曲效应、润湿与粘附，表面改性。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。多晶材料中的晶界分类，多晶体的组织，晶界应力与电荷。粘土胶粒带电与水化等一系列由表面效应而引起的胶体化学粘土胶粒带电与水化

2、等一系列由表面效应而引起的胶体化学性质如泥浆的流动性和触变性、泥团的可塑性等。性质如泥浆的流动性和触变性、泥团的可塑性等。3 5.1 5.1 固体表面固体表面 5.1 Surface of Solid5.1 Surface of Solid无机材料科学基础（四）无机材料科学基础（四）4主要内容：主要内容： 表面表面把一个相和它本身蒸汽或真空接把一个相和它本身蒸汽或真空接 触的分界面。触的分界面。固体表面的特征、结构和固体的表面能固体表面的特征、结构和固体的表面能 定义定义 ： 界面界面把一相与另一相把一相与另一相(结构不同结构不同)接触接触的分界面。的分界面。54-1.1 固体表面特征固体表面

3、特征（1）、同一种固体物质，制备或加）、同一种固体物质，制备或加工条件不同也会有不同的表面性质；工条件不同也会有不同的表面性质；无机材料科学基础（四）无机材料科学基础（四）（2）、实际晶体的表面由于晶格缺）、实际晶体的表面由于晶格缺陷、空位或位错而造成表面的不均一性；陷、空位或位错而造成表面的不均一性；1、固体表面的不均一性、固体表面的不均一性61、固体表面的不均一性、固体表面的不均一性无机材料科学基础（四）无机材料科学基础（四）（3）、只要固体暴露在空气中，其表面）、只要固体暴露在空气中，其表面总是被外来物质所污染，被吸附的外来原子可总是被外来物质所污染，被吸附的外来原子可占据不同的表面位置

4、，形成有序或无序排列，占据不同的表面位置，形成有序或无序排列，也引起了固体表面的不均一性。也引起了固体表面的不均一性。总之，实际固体表面的不均一性，使固体总之，实际固体表面的不均一性，使固体表面的性质悬殊较大，从而增加了固体表面结表面的性质悬殊较大，从而增加了固体表面结构和性质研究的难度。构和性质研究的难度。72、固体表面力场、固体表面力场 定义：定义：晶体中每个质点周围都存在着一个力场，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

5、性破坏，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，称之为表现出剩余的键力，称之为。 表面力的分类：表面力的分类：(1) 范得华力范得华力(分子引力分子引力)(2) 长程力长程力8 (1) 范得华力范得华力(分子引力分子引力) 是固体表面产生物理吸附或气体凝聚的原因。与液体内压、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。表面张力、蒸汽压、蒸发热等性质有关。表达式：表达式： 说明说明：分子间引力的作用范围极小，一般为：分子间引力的作用范围极小，一般为0.30.5nm。 当两个分子过分靠近而引起电子层间斥力约等于当两个分子过分靠近而引起电子层

6、间斥力约等于B/r3 , 故范得华力只表现出引力作用。故范得华力只表现出引力作用。定向作用力定向作用力范氏力主要来源于三种不同的力范氏力主要来源于三种不同的力：诱导作用力：诱导作用力色散力色散力9(2) 长程力长程力长程力：长程力：固体物体之间相互作用力。它是固体物体之间相互作用力。它是两相之间的分子引力通过某种方式加合和传递两相之间的分子引力通过某种方式加合和传递而产生的，其本质仍属范德华力。而产生的，其本质仍属范德华力。 依靠粒子之间的电场传播的依靠粒子之间的电场传播的 长程力分两类长程力分两类： 通过一个分子到另一个分子逐通过一个分子到另一个分子逐 个传播而达到长距离的。个传播而达到长距

7、离的。104-1.2 固体表面结构固体表面结构离子晶体表面离子晶体表面超细结构超细结构(微观质点排列微观质点排列)显微结构显微结构(表面几何状态表面几何状态)：总是力图形成球形表面来降低系统的表面能。总是力图形成球形表面来降低系统的表面能。固体固体: : 使固体表面处于较高的能量状态使固体表面处于较高的能量状态( (因为固体不能流动因为固体不能流动),),只能借助于离子极化、变形、重排并引起晶格畸来降低表面能，只能借助于离子极化、变形、重排并引起晶格畸来降低表面能，其结果使固体表面层与内部结构存在差异其结果使固体表面层与内部结构存在差异。1、离子晶体的表面、离子晶体的表面11NaCl 晶体图图

8、41 离子晶体表面离子晶体表面的电子云变形和离子重排的电子云变形和离子重排 1. 离子晶体表面离子晶体表面(1)离子晶体离子晶体MX在表面力作用下，在表面力作用下，处于处于表面层的负离子表面层的负离子X在外侧在外侧不饱和，不饱和，离子的极化与离子的极化与重排过程见图重排过程见图4-1。12(2)处于在表面层处于在表面层的负离子（的负离子（X-）在外侧）在外侧不饱和，负离子极化不饱和，负离子极化率大，通过电子云拉率大，通过电子云拉向内侧正离子一方的向内侧正离子一方的极化变形来降低表面极化变形来降低表面能，这一过程称为松能，这一过程称为松弛，是瞬间完成的，弛，是瞬间完成的，接着发生离子重排见接着发

9、生离子重排见图图4-1B。 1. 离子晶体表面离子晶体表面13(3)从晶格点阵稳定从晶格点阵稳定性考虑，作用力较大、性考虑，作用力较大、极化率小的正离子应处极化率小的正离子应处于稳定的晶格位置，而于稳定的晶格位置，而易极化易极化受诱导极化受诱导极化偶极子排斥而推向外侧，偶极子排斥而推向外侧，从而形成双电层从而形成双电层,使晶体使晶体表面能量趋于稳定。表面能量趋于稳定。见图见图4-1。 1. 离子晶体表面离子晶体表面14（4）如）如4-2图：在图：在NaCl晶体表面，最外层晶体表面，最外层和次层质点面网之间和次层质点面网之间Na+离子的距离为离子的距离为0.266nm，而，而CI-间的距间的距离

10、为离为0.286nm，因而形，因而形成厚度为成厚度为0.020nm的表的表面双电层。面双电层。AI2O3、SiO2、ZrO2表面也有此表面也有此现象。现象。 1. 离子晶体表面离子晶体表面15（6）离子极化性能愈大，双电层愈厚，从而表面能愈低。）离子极化性能愈大，双电层愈厚，从而表面能愈低。 应用应用： 硅酸盐材料生产中，通常把原料破碎研磨成微细硅酸盐材料生产中，通常把原料破碎研磨成微细粒子粒子(粉体粉体)以便于成型和高温烧结以便于成型和高温烧结。（5）当表面形成双电层后，它将向内层发生作用，并引）当表面形成双电层后，它将向内层发生作用，并引起内层离子的极化和重排，这种作用随着向晶体的纵深推起

11、内层离子的极化和重排，这种作用随着向晶体的纵深推移而逐步衰减。表面效应所能达到的深度，与阴、阳离子移而逐步衰减。表面效应所能达到的深度，与阴、阳离子的半径差有关，差愈大深度愈深。的半径差有关，差愈大深度愈深。 1. 离子晶体表面离子晶体表面162、晶体表面的几何结构、晶体表面的几何结构4-3图是一个具有面心立方结构的晶体表面图是一个具有面心立方结构的晶体表面构造。构造。分析面心立方结构分析面心立方结构(100)、(110)、(111)三个低指三个低指数面上原子的分布。数面上原子的分布。17表表4-3是各个晶面上原子弹密度。是各个晶面上原子弹密度。2、晶体表面的几何结构、晶体表面的几何结构18实