材料表面与界面3.pptx

第第2章章 材料表面与界面的基础知识材料表面与界面的基础知识2.1 液体的表面液体的表面 2.1.2 液体的表面能液体的表面能 液体中溶质原子向液体液体中溶质原子向液体表面偏聚可以降低液体表面偏聚可以降低液体的表面能，因此是自发的表面能，因此是自发进行的过程。进行的过程。表面能随组成液体的比表面能随组成液体的比例变化越大，产生表面例变化越大，产生表面偏聚倾向性越大。偏聚倾向性越大。一些二元液态合金的表面能（一些二元液态合金的表面能（）随合金组成的变化规律随合金组成的变化规律（4）液体的表面偏聚）液体的表面偏聚 5010001000500015002000 Cu-Sn(1150)Fe-Sn(1550)NiAuCdCuFeFeFeAgAgSnSn合金元素含量合金元素含量(wt%)表表面面能能 (mJ/m2)Ni-Fe(1550)Au-Ag(1108)Cd-Sn(450)第第2章章 材料表面与界面的基础知识材料表面与界面的基础知识2.1 液体的表面液体的表面 2.1.2 液体的表面能液体的表面能 溶质含量较少的液态合金产生表面偏聚的倾向性与液态合金的等温压缩率溶质含量较少的液态合金产生表面偏聚的倾向性与液态合金的等温压缩率（Isothermal compressibility，用，用表示）有关。使液体表示）有关。使液体增大的溶质原子具增大的溶质原子具有产生表面偏聚的倾向性，因此产生表面偏聚的条件为：有产生表面偏聚的倾向性，因此产生表面偏聚的条件为：式中式中C为溶质的浓度。也就是说，在液体中，如果溶质的等温压缩率高于溶为溶质的浓度。也就是说，在液体中，如果溶质的等温压缩率高于溶剂，则该溶质将具有向液体表面偏聚的倾向性。另外，溶质原子是否发生剂，则该溶质将具有向液体表面偏聚的倾向性。另外，溶质原子是否发生表面偏聚，还受到溶质原子和溶剂原子的尺寸差影响。表面偏聚，还受到溶质原子和溶剂原子的尺寸差影响。（4）液体的表面偏聚）液体的表面偏聚(d/dC)C=0 0 第第2章章 材料表面与界面的基础知识材料表面与界面的基础知识2.1 液体的表面液体的表面 2.1.2 液体的表面能液体的表面能 合金元素对一些低合金含量二元液态金属产生表面偏聚倾向性的影响合金元素对一些低合金含量二元液态金属产生表面偏聚倾向性的影响溶剂溶剂溶质溶质溶质与溶剂等温压缩率比较（溶质与溶剂等温压缩率比较（10-11 m2/N）是否发生表面偏聚是否发生表面偏聚HgCd,Ag,Sn,Pb,Mg,Tl,Sr,Ba,Na,Li,K,Rb,CsCo,Bi,Zn,Cu2=3.8;Sr,Ba和碱金属：1 2；其它元素：1 2（原子尺寸起决定因素）所有元素：1 2Cd元素：1 2；其它元素：1 2所有元素：1 2发生表面偏聚不发生表面偏聚AlZn,Li,Bi,PbMg,Sb,Sn2=1.4;所有元素：1 2所有元素：1 2发生表面偏聚不发生表面偏聚CuSb,Sn,Ag,Au2=0.75;Sb,Sn和Ag：1 2；Au：1 2（原子尺寸起决定因素）不发生表面偏聚发生表面偏聚AgCu2=1.0;1 2发生表面偏聚不发生表面偏聚SbCd,Zn,Pb2=2.7;1 2发生表面偏聚不发生表面偏聚PbBi,K,Na,CaSn2=2.3;所有元素：1 21 0时，表面应力值大于表面能；时，表面应力值大于表面能；当当 Gs/e 0时，表面应力值小于表面能。时，表面应力值小于表面能。第第2章章 材料表面与界面的基础知识材料表面与界面的基础知识2.2 固体的表面固体的表面 2.2.1 固体的表面能固体的表面能 影响固体表面能的主要因素有：固体原子间的结合能、固体表面原子的晶面取向和温度。影响固体表面能的主要因素有：固体原子间的结合能、固体表面原子的晶面取向和温度。（2）固体的表面能的影响因素）固体的表面能的影响因素 Gs=Hs-TSs 固体表面能随温度的变化关系主要来源于固体表面熵的变化。由于与固体内部原子固体表面能随温度的变化关系主要来源于固体表面熵的变化。由于与固体内部原子相比，固体表面原子的运动自由度和表面点缺陷密度都较大，所以固体产生单位表面积相比，固体表面原子的运动自由度和表面点缺陷密度都较大，所以固体产生单位表面积的熵是增加的，即的熵是增加的，即Ss为正值。因此为正值。因此(/T)p为负值。因此，随温度升高，固体的表面能下为负值。因此，随温度升高，固体的表面能下降。降。第第2章章 材料表面与界面的基础知识材料表面与界面的基础知识2.2 固体的表面固体的表面 2.2.1 固体的表面能固体的表面能 从从Cu，Au和和Ag三种面心立方金属的表面能三种面心立方金属的表面能随温度的随温度的变化关系可以看出三种金属固化关系可以看出三种金属固态时的表的表面能与温度之面能与温度之间的直的直线关系的斜率关系的斜率(/T)p分分别为：-0.5,-0.47和和-0.43 mJ/m2K。对于于许多固多固态金金属，属，(/T)p一般取一般取值为-0.45 mJ/m2K。另外，各。另外，各金属在其熔点温度下固金属在其熔点温度下固态表面能（表面能（S）是液）是液态表面表面能（能（L）的）的1.2倍左右。因此可以通倍左右。因此可以通过测量液量液态金属金属在其熔点温度的表面能来推在其熔点温度的表面能来推测其在固其在固态状状态熔点熔点温度的表面能，再通温度的表面能，再通过固固态金属表面能与温度的金属表面能与温度的线性关系和斜率性关系和斜率值（-0.45 mJ/m2K），来估算不同），来估算不同温度下固温度下固态金属的表面能，其金属的表面能，其经验表达式如下：表达式如下：S=1.2(L)m+0.45(Tm T)式中，式中，S为固态金属在熔点温度以下某一温度为固态金属在熔点温度以下某一温度（T）的表面能，）的表面能，(L)m为液态金属在熔点温度为液态金属在熔点温度（Tm）的表面能。）的表面能。（2）固体的表面能的影响因素）固体的表面能的影响因素 AgAuCu温度温度()S,L(mJ/m2)Cu，Au和和Ag三种面心立方金属的三种面心立方金属的表面能随温度的表面能随温度的变化关系化关系 第第2章章 材料表面与界面的基础知识材料表面与界面的基础知识2.2 固体的表面固体的表面 2.2.1 固体的表面能固体的表面能 固体的表面能与其升华热、弹性模量和熔点固体的表面能与其升华热、弹性模量和熔点等物理性能之间基本呈线性关系。等物理性能之间基本呈线性关系。主要是因为主要是因为这些物理量都与固体内部原子间结合力大小密切这些物理量都与固体内部原子间结合力大小密切相关。相关。（3）固体的表面能与物理性能之间的关系）固体的表面能与物理性能之间的关系 升华热升华热(kJ/mole)摩摩尔尔表表面面能能 (kJ/mole)一些固态金属的表面能与其升华热之间的关系。弹弹性性模模量量(105 kg/mm2)表面能表面能(kJ/mole)一些固态金属或合金的弹性模量与表面能之间的关系。第第2章章 材料表面与界面的基础知识材料表面与界面的基础知识物质表面能(mJ/m2)测量温度()W(固体固体)Nb(固体固体)Au(固体固体)Au(液体液体)Ag(固体固体)Ag(液体液体)Fe(固体固体)Fe(液体液体)Pt(固体固体)Cu(固体固体)Cu(液体液体)Ni(固体固体)Hg(液体液体)290021001410114011408792150188023401670130018504871727225010271338907110014001535131110471535125016.52.2 固体的表面固体的表面 2.2.1 固体的表面能固体的表面能 一些固态陶瓷和有机物液体的表面能测量结果一些固态陶瓷和有机物液体的表面能测量结果（3）固体的表面能与物理性能之间的关系）固体的表面能与物理性能之间的关系 一些固态和液态金属的表面能测量结果一些固态和液态金属的表面能测量结果 金属的表面能一般在金属的表面能一般在1000-2000 mJ/m2，陶瓷晶体的表面能一般是金属，陶瓷晶体的表面能一般是金属的一半，而有机物液体的表面能非常低，一般比金属表面能低的一半，而有机物液体的表面能非常低，一般比金属表面能低2个数量级。个数量级。物质表面能(mJ/m2)测量温度()LiF(固体固体)NaCl(固体固体)KCl(固体固体)MgO(固体固体)CaF2(固体固体)BaF2(固体固体)HeN2乙醇乙醇水水苯苯n-辛烷辛烷四氯化碳四氯化碳溴溴醋酸醋酸苯甲醛苯甲醛硝基苯硝基苯34022711012004502800.319.7122.7572.7528.8821.8026.9541.5027.8015.5025.20-195252525-195-195-270.5-195202020202020202020