材料表面与界面 07.ppt

材料界面结构,,1 固体界面的分类,界面：两相之间的接触面；如相界面、内界面、晶界等同相界面：相同化学成分和晶体结构的晶粒间界面，晶界、孪晶界、畴界和堆垛层错；异相界面：不同化学成分和晶体结构的区域间界面，如同质异构体界面、异质异构体界面、同素异构体间的界面－相界(如/界面),1.1 界面的分类：依据形成途径分类,（1）机械作用界面；（2）化学作用界面；（3）固体结合界面；（4）液相或气相沉积界面；（5）凝固共生界面；（6）粉末冶金界面；（7）粘结界面；（8）熔焊界面；,（1）机械作用界面：受机械作用而形成的界面称为机械作用界面常见的机械作用包括切削、研磨、抛光、喷砂、变形、磨损等2）化学作用界面：由于表面反应、粘结、氧化、腐蚀等化学作用而形成的界面称为化学作用表面3）固体结合界面：由两个固体相直接接触，通过真空、加热、加压、界面扩散和反应等途径所形成的界面称为固体结合界面4）液相或气相沉积界面：物质以原子尺寸形态从液相或气相析出而在固态表面形成的膜层或块体称为液相或气相沉积界面5）凝固共生界面：两个固相同时从液相中凝固析出，并且共同生长所形成的界面称为凝固共生界面6）粉末冶金界面：通过热压、热锻、热等静压、烧结、热喷涂等粉末工艺，将粉末材料转变为块体所形成的界面称为粉末冶金界面。

7）粘结界面：由无机或有机粘结剂使两个固相结合而形成的界面称为粘结界面8）熔焊界面：在固体表面造成熔体相，然后两者在凝固过程中形成冶金结合的界面称为熔焊界面1.2 界面的分类：依据结晶学分类,（1）平移界面；（2）孪晶界面；（3）混合界面；（4）反演界面；,（1） 平移界面,在结构相同的晶体中，一部分相对于另一部分平滑移动一个位移矢量 其间的界面称为平移界面A.P.B,SF,A.P.B --- 等于点阵矢量，称反相界面；,SF --- 不等于点阵矢量，称层错2） 孪晶界面,孪晶界面又称取向界面,（3） 混合界面,当晶体结构由中心对称向非中心对称转变时，由反演操作联系起来的两个畴之间形成反演界面 IB反演界面两侧点阵相同，但通过一个反演中心联系着4）反演界面,晶界是结构相同而取向不同晶体之间的界面在晶界面上，原子排列从一个取向过渡到另一个取向，故晶界处原子排列处于过渡状态晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界固态相变中，晶核先在晶界处形成，长大当晶体生长时相界面与另一晶体的相界面相遇，形成新的稳定晶界晶界对位错、磁畴壁(domain wall)、铁电畴壁等有钉扎作用由于晶界处能量及应力高，裂纹(cracks)常从晶界处开始，然后扩大，最后产生断裂。

杂质容易在晶界处扩散2 晶界,2.1 晶界分类,(1) 按两个晶粒之间夹角的大小来分： 小角度晶界： θ＝0°→3～10° 中角度晶界： θ＝3°→10～15° 大角度晶界： θ＞15° (2) 根据晶界两边原子排列的连贯性来分：共格晶界: 两种相的原子在界面处完全匹配，形成完整格界面半共格晶界：晶面间距相差较大，在界面上将产生一些位错，以降低界面的弹性应变能，这时界面上两相原子部分地保持匹配 非共格晶界: 界面上两相原子无任何匹配关系2.1.1 小角晶界分类,对称倾斜晶界,不对称倾斜晶界,扭转晶界,2.1.2 晶界的显微照片,晶界的高分辨TEM,Ni0.76Al0.24:500ppm B 的小角晶界（倾斜7°）,TiAl合金,有轻微错配的共格相界面,共格晶界或相界是一类特殊而常见的低能态界面，结构特征是界面上的原子同时位于其两侧晶格的结点上，即界面两侧的晶格点阵彼此衔接，界面上的原子为两者共有半共格界面特征：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2.1.3 非共格晶界,2.2 晶界对材料性质性能的影响A、降低材料机械强度B、晶界能够富集杂质原子C、晶界原子能量较高可以成为高温传质过程的快速通道。

晶界应力晶界应力与热膨胀系数Δα、温度变化、d成正比，如热膨胀为各向同性即Δα =0,τ=0晶粒越大，应力愈大强度越差，抗热冲击性也差人为引入具有不同α和弹性模量的晶界相和第二相的弥散，进行晶界应力设计，有助于材料的强韧化高材料的强度是几个世纪以来材料研究的核心问题迄今为止强化材料的途径可分为四类：固溶强化、第二相弥散强化、加工（或应变）强化和晶粒细化强化这些强化技术的实质是通过引入各种缺陷（点缺陷、线、面及体缺陷等）阻碍位错运动，使材料难以产生塑性变形而提高强度但材料强化的同时往往伴随着塑性或韧性的急剧下降，造成高强度材料往往缺乏塑性和韧性，而高塑韧性材料的强度往往很低长期以来这种材料的强韧性“倒置关系”成为材料领域的重大科学难题和制约材料发展的重要瓶颈如何提高材料的强度而不损失其塑性？这是众多材料科学家面临的一个重大挑战中科院沈阳金属卢柯等与美国麻省理工学院S. Suresh教授合作，在过去大量研究工作的基础上提出，为了使材料强化后获得良好的综合强韧性能，强化界面应具备三个关键结构特征： (1)界面与基体之间具有晶体学共格关系； (2) 界面具有良好的热稳定性和机械稳定性； (3) 界面特征尺寸在纳米量级(<100nm)。

进而，他们提出了一种新的材料强化原理及途径--利用纳米尺度共格界面强化材料润湿的类型接触角和 Young方程非理想固体表面上的接触角测定固体表面张力的方法吸附和粘附,3 润湿与吸附、粘附,润湿是固－液界面上的重要行为,液体在与固体接触时，沿固体表面扩展的现象 定义：固液接触后，体系吉布斯自由焓降低时 就称为润湿应用：机械的润滑、金属焊接、陶瓷和搪瓷的 坯釉结合、陶瓷与金属的封接等分类：：,3.1 润湿,,按润湿程度,附着润湿浸渍润湿铺展润湿,,,,,S,v,附着润湿过程示意图,,3.1.1 附着润湿:,液－气界面(L-g)固－气界面(S-g),,固－液界面(S-L),附着润湿时吉布斯自由焓变化为：,ΔG1 ＝γSL －(γLV ＋γSV ),W ：附着功或粘附功γSL越小，则W越大，润湿也越容易，液体容易润湿固体S,L,γLV,γSV,,,V,ΔG2 ＝ γLV ＋γSV － γSL ＝W,逆过程：,W愈大表示固液界面结合愈牢， 即附着润湿愈强附着润湿的实质是液体在固体表面上的粘附，沾湿的粘附功Wa为 (2) 从上式可知γSL越小，则Wa越大，液体越易沾湿固体。

若Wa≥0， 则（ΔG）T，P≤0，附着润湿过程可自发进行 固一液界面张力总是小于它们各自的表面张力之和，这说明固一液接触时，其粘附功总是大于零因此，不管对什么液体和固体附着润湿过程总是可自发进行的S,,,V,L,浸湿过程示意图,3.1.2 浸渍润湿,浸渍润湿指固体浸入液体中的过程 例：生坯的浸釉 浸渍润湿自由能的变化： －ΔG＝ γLV cosθ＝ γSV － γSL 讨论：若γSV > γSL ,则θ90o ,要将固体浸入液体之 中必须做功， 此时 ΔG>0,玻璃板上的水银之所以能在玻璃板上滚动而不附着，主要是因为水银对玻璃是不浸润的液体是否浸润固体是由固液双方的性质决定例如，水银可以浸润锌，水可以浸润玻璃却不能浸润石蜡大 小 不 同 的 水 银 在 玻 璃 板 上,,,,置一液滴于一固体表面恒温恒压下，若此液滴在固体表面上自动展开形成液膜，则称此过程为铺展润湿体系自由能的变化为,,,,3.1.3 铺展润湿,,,,,,,,,,铺展过程,液体在固体表面的铺展示意图,对于铺展润湿，常用铺展系数SL/S来表示体系自由能的变化，如 若S≥0，则ΔG≤0，液体可在固体表面自动展开。

铺展系数也可用下式表示 Wc是液体的内聚功从上式可以看出，只要液体对固体的粘附功大于液体的内聚功，液体即可在固体表面自发展开铺展系数(spreading coefficient),接触角(contact angle),在气、液、固三相交界点，气-液与气-固界面张力之间的夹角称为接触角，通常用q表示若接触角大于90°，说明液体不能润湿固体，如汞在玻璃表面；,若接触角小于90°，液体能润湿固体，如水在洁净的玻璃表面接触角(contact angle),接触角的示意图：,润湿亲液性固体,不润湿,憎液性固体,接触角(contact angle),接触角的示意图,荷叶及其显微结构,Young方程,Young方程:,Young方程,,（1）完全润湿 时，Young方程不成立， 但液体仍然可以在固体表面完全铺展开来；,（2）润湿 固体能为液体所润湿；,（3）不润湿 固体不能为液体所润湿；,Young方程,注：1. 接触角为平衡接触角； 2.,接触角是实验上可测定的一个量。

有了接触角的数值，代入润湿过程的判断条件式，即可得： 粘湿： 浸湿：,,,,,,,铺展：铺展系数S 其中，θ=0或不存在，S≥0 根据上面三式，通过液体在固体表面上的接触角即可判断一种液体对一种固体的润湿性能。

V,L,沾湿,浸湿,铺展,固体进入液体过程,对同一对液体和固体，在不同的润湿过程中，其润湿条件是不同的对于浸湿过程，θ=90°完全可作为润湿和不润湿的界限；θ90°，则不润湿但对于铺展，则这个界限不适用 在解决实际的润湿问题时，应首先分清它是哪一类型，然后才可对其进行正确的判断如图15所示的润湿过程，从整个过程看，它是一浸湿过程但实际上它却经历了三个过程：（a）到（b）为附着润湿，（b）到（c）为浸湿，（c）到（d）为铺展。