固体表面与界面行为
13页1、第六章固体表面与界面行为固体表面与界面行为,对固体材料的物理化学性质和工艺过程具有重要意 义。6-1 固体表面结构一、表面力场J内部质点 力场作用 固定周期晶体结构外部质点 结构中断 不对称力场作用固体表面力化学力和分子间力(一)化学力:本质上为静电力,来自表面质点的不饱和价键用表面能表达。(二)分子间力:固体表面与被吸附质点之间物理作用力,为固体产生物理 吸附和凝聚的原因。分子间力来源于三种不同效应。1、定向作用:发生在极性分子之间本质上为静电力。2、诱导作用:发生在极性分子与非极性分子之间,极性分子诱导非极性分 子产生作用。3、分散作用:发生在非极性分子之间。二、晶体表面结构 表面不同于内部结构可以表示微观质点的排列状况和表面状态方面。 表面力存在使固体具有较高能量状态,但系统通过各种途径降低过剩能量,导致表面结构极化变形和原来晶格的畸变。固体,形式极化变形降低表面能如图三、粉体表面结构 粉体:微细的固体微料集合体大小,表面材料工艺中,原料加工成微细颗粒以利于成型和烧结。粉体制备:反复粉碎形成一系列新表面,离子极化变形重排畸变有序性降低, 随粒子的微细化从表面增大,无序性增大并向纵
2、深发展,不影响内部结构表 面层的无定形结构和粒度极小的微晶结构的玻璃表面结构。玻璃表面力场同晶体类似,玻璃内能 晶体内能表面力场作用更为明显。玻璃表面化学成分结构中内部质点的性质,表面相对率,化学稳定性,结晶 倾向和强度不同。表面结构性质取决于材料的离子Pb2+, Sn2+, Sb2+, Ca2+, Zn2+等离子极化 性质的差异并进入表面层的离子对其影响不同。四、固体表面的结构固体实际表面为不平坦的(1)具有不同厚度的台阶(2)台阶部分具有一系列的断口(3)数目不多的原子被吸附在晶体及台阶表面上,表面粗糙度和裂纹。 实际表面由于吸附出现不同的变化,表面被一层吸附膜所覆盖。如玻璃表面K+取代Na+产生压应力提高其机械强度,工业玻璃加入Na2O, CaO, X2O 等,其中表面结构系为K+取代Na+从而表面产生一层压应力,提高其 机械强度。6-2 表面能及表面张力(1)表面能 每形成一个新表面环境,对系统做功表面离子比内部离子能量高。(2)表面张力沿表面作用在单位长度上的力(N/m)(3)液体表面能与表面张力数值相等单位相同。即液体不能承受剪切应力, 无塑性变形,但固体能承受剪切应力外力
3、作用表现在表面积增加,有部分变成塑 性形变,因而固体表面能及表面张力不相等。固体表面张力,通过向表面增加附加原子,从而在新表面形成时所作的功。 ( 4)液体表面张力F 二 2VLW = F - X = 2 LyX = VAAWV =AA依表面能定义,T, P及组分不变时每增加一个单位表面所需做功,则V为表面能。液体表面张力=液体表面能 其中,表面张力为作用在单位长度,缩小表面积作用于固体或液体边界线垂 直于边界线方向,指表面内部或作用于固体液表面上任一条直线垂直于该线方 向,指向液面表面方向的拉力,方向通过作用点与表面相切这种力使液体缩小表 面积呈球形。6-3 固体表面能1、固体自由能体积自由能 过剩界面层自由能固体表面能指过剩界面自由能用表示,以每单位面积计算的过剩界面层 自由能丫 二(AV)SVLs2、晶体表面能的理论计算固体表面能与晶格能的关系设:(Jv)sv: 一个原子表面及内部两种状态内能差Vib,Vis:第i个原子在内部和表面上时与最邻近原子的作用能。nib,nis:第i原子在内部和表面时最邻近原子的数目。mi /at八qib.vib nis, vis nibvib nis
4、则:(AV) SO =h = k(1 -丽)期中 nib uib u uis结论:(1) V0与晶格能U0成正比;( 2 ) V V ;理论 实际原因:真实表面有松弛,重排造成配位数降低即nib也降低,所以由公式实 际V也降低。o没有考虑表面台阶,实际表面积较 V 降低实3、固体表面能与环境关系Tf表面能v0f介质不同,表面能数值不同4、固体表面张力表面张力主表面能,且前者大于后者,表面张力即可分为表面能及塑性变形两部分。6-4 吸附与粘附1、吸附物质表面具有不饱和价键,能吸引其它原子或离子,本质为力场作用,由于 吸附表面能降低为一自发过程。由于吸附 n:s 增加表面原子LsVon : sv =(1 -)o Nn: bVJ即吸附降低表面能吸附两种类型:物理吸附: 范德华力放热小几个单分子层化学吸附: 化学结合力 放热大单分子层氧分压与表面能的关系:即氧压增大,表面张力下降等于吸附增强。2、吸附对表面结构及性能影响(1)如 NaCl 型的 NiO 吸附后,由配位数4变成 6,成为八面体结构,结构 趋于稳定。(2)表面结构改变硅酸盐表面吸附水膜形成硅醇基团。(3)吸附可以降低材料机械强度i
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