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第8章 材料的外表与界面材料科学根底材料科学根底18.1 根底知识根底知识1 1〕外表〕外表: :外表是指固体与真空的界面外表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〞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 s／／B B〕；固相与气相之间的相界面〕；固相与气相之间的相界面〔〔s s／／G G〕；固相与液相之间的相界面〔〕；固相与液相之间的相界面〔s s／／L L〕外表问题：外表问题：金属材料金属材料 陶瓷材料陶瓷材料 电子材料电子材料 高聚物高聚物 复合材料复合材料2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38.1.1 物质外表物质外表 固体外表的定义：晶体三维周期结构和真空之间的过渡固体外表的定义：晶体三维周期结构和真空之间的过渡区域。

区域理想外表理想外表清洁外表清洁外表吸附外表吸附外表 理想外表理想外表:外表结构不变地延续到外表后中断，是理论外表结构不变地延续到外表后中断，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 缺陷及外表的物理化学现象等缺陷及外表的物理化学现象等d理想表面结构4Ø清洁外表：是指不存在任何吸附、催化反响、杂质扩散等清洁外表：是指不存在任何吸附、催化反响、杂质扩散等物理化学效应的外表物理化学效应的外表,没有外表污染的实际外表没有外表污染的实际外表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[112][111][110](001)周期周期台阶外表台阶外表台阶外表不是一个平面，台阶外表不是一个平面，它是由有规那么的或不它是由有规那么的或不规那么的台阶的外表所规那么的台阶的外表所组成组成5弛豫外表结构dd0〔〔2 2〕〕 弛豫外表弛豫外表外表层之间以及外表和体内原子层之间的垂直距外表层之间以及外表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6Ø〔〔3〕重构外表：外表原子层在水平方向上的周期性〔晶格〕重构外表：外表原子层在水平方向上的周期性〔晶格基矢基矢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距，但垂直方向上的层间距离与内部层间距离相同离与内部层间距离相同密排六方重构表面示意图asa7Ø吸附外表：在实际存在的外表，普遍存在吸附物质。

吸附外表：在实际存在的外表，普遍存在吸附物质Ø吸附物质：吸附物质：Ø 外表环境中的气相分子、原子及其化合物，外表环境中的气相分子、原子及其化合物，Ø 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Ø吸附形式：吸附形式：Ø 可以被简单吸附在晶体外表可以被简单吸附在晶体外表Ø 可以外延生长在晶体外表构成新的外表层可以外延生长在晶体外表构成新的外表层Ø 进入外表层一定深度同外表原子形成有序的外表合金进入外表层一定深度同外表原子形成有序的外表合金88.1.2 固体的外表自由能和外表张力固体的外表自由能和外表张力外表能：每增加单位外表积时，体系自由能的增量外表能：每增加单位外表积时，体系自由能的增量 单位单位J·m-2外表张力：扩张外表单位长度所需要的力外表张力：扩张外表单位长度所需要的力与液体相比：与液体相比：1〕固体的外表自由能中包含了弹性能外表张力在数值上〕固体的外表自由能中包含了弹性能外表张力在数值上不等于外表自由能；不等于外表自由能；2〕固体的外表上的原子组成和排列是各向异性的，张力〕固体的外表上的原子组成和排列是各向异性的，张力是各向异性的，不同晶面的外表自由能也不相同。

是各向异性的，不同晶面的外表自由能也不相同3〕实际固体的外表绝大多数处于非平衡状态，决定固体〕实际固体的外表绝大多数处于非平衡状态，决定固体外表形态的主要是形成固体外表时的条件以及它所经外表形态的主要是形成固体外表时的条件以及它所经历的历史历的历史4〕固体的外表自由能和外表张力的测定非常困难〕固体的外表自由能和外表张力的测定非常困难 98.1.4 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 10铺展润湿概念：液滴落在清洁平滑固体外表的过程忽略液体重力和粘度影响，那么铺展是由固/气(SG)、固/液(SL)和液/气(LG)三个界面张力所决定： 式中θ是润湿角；F 称润湿张力。

θ > 90°不润湿；θ < 90°润湿；θ = 0° 完全润湿 〔自由铺展〕润湿的先决条件是 > 118.1.5 固固界面与黏附固固界面与黏附Ø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Ø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βaγαβaβγαγβWa=γα+γβ-γαβaaγαβaγαaγαaWa=2γαWa为黏附功12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°； 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〕13 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可以看作是取向一致的两个晶体相互倾转 角形成的界面 分类分类(2)(2)不对称倾斜界面：晶界看成两组互相垂直的刃型位不对称倾斜界面：晶界看成两组互相垂直的刃型位错排列而成的错排列而成的。

3)(3)扭转晶界：将一块晶体沿横断面切开扭转晶界：将一块晶体沿横断面切开, ,并使上下局并使上下局部晶体绕轴转动部晶体绕轴转动θθ角角, ,再与下局部晶体粘在一起形成再与下局部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14大角度晶界大角度晶界 Ø大角度晶界：为原子呈不规那么排列的一过渡层大多数大角度晶界：为原子呈不规那么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晶粒之间的晶界都属于大角度晶界 15Ø晶界特征晶界特征Ø 〔〔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Ø 〔〔2 2〕常温下晶界的存在会对位错的运动起阻碍运动，使〕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〕的硬度和强度提高塑型变形抗力提高，使晶体〔材料〕的硬度和强度提高Ø 〔〔3 3〕晶界处原子具有较高的动能，且晶界处存在大量缺〕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Ø 〔〔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Ø 〔〔5 5〕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Ø 〔〔6 6〕晶界腐蚀速度比晶内快。

〕晶界腐蚀速度比晶内快Ø 〔〔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 168.2.1.4 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，界面上能量高理想的完全共格界面只有在孪晶面〔界〕上能量高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-coherent phase boundary ) 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〔的错配度〔δδ〕〕3.3.非共格界面〔非共格界面〔noncoherent phase boundarynoncoherent phase boundary〕〕 特征：原子不规那么排列的薄层为两相的过渡层特征：原子不规那么排列的薄层为两相的过渡层1718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，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 ，那么偏析的驱动力为：198.3.2 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20● 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 218.6 复合体系的界面结合特性复合体系的界面结合特性Ø界面相是复合材料的一个组成局部，其作用可以归纳一下界面相是复合材料的一个组成局部，其作用可以归纳一下几个方面几个方面Ø传递作用：界面能传递力，即将外力传递给增强物，起到传递作用：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基体和增强体之间的桥梁作用Ø阻断作用：结适宜当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破阻断作用：结适宜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Ø保护作用：界面相可以保护增强体免受环境的侵蚀，防止保护作用：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响，起到保护增强体的作用。

基体与增强体之间的化学反响，起到保护增强体的作用22本章重点本章重点Ø1、掌握固体外表的定义、物质的外表的类型、掌握固体外表的定义、物质的外表的类型Ø2、固体外表自由能和外表张力；与液态相比，固体外表张、固体外表自由能和外表张力；与液态相比，固体外表张力的特点力的特点Ø3、固液界面与润湿〔杨氏方程〕、固液界面与润湿〔杨氏方程〕Ø4、固固界面与黏附、固固界面与黏附Ø5、晶界的类型、相界的类型、影响晶界迁移的主要因素、晶界的类型、相界的类型、影响晶界迁移的主要因素Ø6、界面在复合材料中的作用、界面在复合材料中的作用23Ø作作 业业Ø1.简述影响晶面迁移的因素简述影响晶面迁移的因素Ø2.简述界面相在复合材料中的作用简述界面相在复合材料中的作用 24。