6表面与界面1详解.pptx

第六章第六章 表面与界面表面与界面 固体的界面一般可分为：固体的界面一般可分为：1 1）表面：表面：固体与真空的界面。固体与真空的界面。2 2）相界面相界面：相邻相之间的交界面。：相邻相之间的交界面。3 3）晶界：晶界：相邻两个结晶空间的交界面。相邻两个结晶空间的交界面。本章内容本章内容 1.1.表面能表面能2.2.固体表面结构固体表面结构3.3.表面性质表面性质4.4.晶界晶界 1.11.1表面能表面能恒温恒压下形成单位新表面所需要的最大功恒温恒压下形成单位新表面所需要的最大功减小减小表面积表面积或减小或减小比表面能比表面能1.11.1表面能表面能影响表面能因素：影响表面能因素：构成物质粒子间相互作用构成物质粒子间相互作用 杂质的影响杂质的影响 温度温度空气固体1.2 1.2 表面力场表面力场 固体表面上的吸引作用，是固体的表面力固体表面上的吸引作用，是固体的表面力场和被吸引质点的力场相互作用所产生的，场和被吸引质点的力场相互作用所产生的，这种相互作用力称为固体表面力。这种相互作用力称为固体表面力。1.2 1.2 表面力场表面力场 依性质不同，表面力可分为：依性质不同，表面力可分为：1 1）化学力）化学力 2 2）分子引力）分子引力 （1 1）化学力：本质上是静电力。）化学力：本质上是静电力。吸附剂吸附剂把电子完全给予把电子完全给予吸附物吸附物，吸附物变成负，吸附物变成负离子（如吸附于大多数金属表面上的氧气）；离子（如吸附于大多数金属表面上的氧气）；吸附物吸附物把电子完全给予把电子完全给予吸附剂吸附剂，变成吸附在固，变成吸附在固体表面上的正离子（如吸附在钨上的钠蒸气）。体表面上的正离子（如吸附在钨上的钠蒸气）。多数情况下吸附是介于上述二者之间，即在固体多数情况下吸附是介于上述二者之间，即在固体吸附剂和吸附物之间共有电子，并且常是不对称。吸附剂和吸附物之间共有电子，并且常是不对称。对于离子晶体，表面主要取决于晶格能和极化作对于离子晶体，表面主要取决于晶格能和极化作用。用。（2 2）分子引力，也称范德华力）分子引力，也称范德华力 一般是指固体表面与被吸附质点（例如气体分子一般是指固体表面与被吸附质点（例如气体分子）之间相互作用力。之间相互作用力。主要来源于三种不同效应：主要来源于三种不同效应：1 1）定向作用定向作用：极性分子（离子）之间。：极性分子（离子）之间。2 2）诱导作用诱导作用：极性分子与非极性分子之间。：极性分子与非极性分子之间。3 3）分散作用分散作用：非极性分子之间。：非极性分子之间。对不同物质，上述三种作用并非均等。对于非极对不同物质，上述三种作用并非均等。对于非极性分子主要是分散作用。性分子主要是分散作用。2.2.固体的表面及其结构固体的表面及其结构2.12.1固体的表面固体的表面2.22.2固体的表面结构固体的表面结构1、理想表面、理想表面没有杂质的单晶没有杂质的单晶;忽略晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响忽略晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响;忽略表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等忽略表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等;忽略外界对表面的物理化学作用。忽略外界对表面的物理化学作用。理论上的结构完整二维点阵平面。理论上的结构完整二维点阵平面。d理想表面结构示意图理想表面结构示意图 2、清洁表面、清洁表面不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。学效应的表面。化学组成与体内相同，化学组成与体内相同，周期结构可以不同于体内。周期结构可以不同于体内。根据表面原子的排列根据表面原子的排列 表面弛豫表面弛豫 表面重构表面重构 表面台阶表面台阶 表面偏聚表面偏聚弛豫表面示意图弛豫表面示意图（1）表面弛豫）表面弛豫 由于固相的三维周期性在固体表面处突然中由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子产生的相对于正常位置的上、下断，表面上原子产生的相对于正常位置的上、下位移，称为表面弛豫。位移，称为表面弛豫。LiF(001)弛豫弛豫表面示意图，表面示意图，Li F d0d0.1A0.35A重构表面示意图重构表面示意图（2）表面重构）表面重构 重构是指表面原子层在水平方向上的周期重构是指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但垂直方向的层间距则与体内性不同于体内，但垂直方向的层间距则与体内相同。相同。d0d0asa位移型重构位移型重构缺行型重构缺行型重构 Pt（557）有序原子台阶表面示意图有序原子台阶表面示意图（3）表面台阶）表面台阶 不是一个平面，有规则的或不规则的台阶的表面所不是一个平面，有规则的或不规则的台阶的表面所组成组成112111110(001)周期周期（4）表面偏聚）表面偏聚 不论表面进行多么严格的清洁处理，总不论表面进行多么严格的清洁处理，总有一些杂质由体内偏析到表面上来，从而有一些杂质由体内偏析到表面上来，从而使固体表面组成与体内不同。使固体表面组成与体内不同。3、吸附表面、吸附表面 吸附表面有时也称界面。吸附表面有时也称界面。在清洁表面上：在清洁表面上：来自体内扩散到表面的杂质来自体内扩散到表面的杂质来自表面周围空间吸附在表面上的质点来自表面周围空间吸附在表面上的质点2.2 固体的表面结构固体的表面结构 1 1、晶体表面结构、晶体表面结构 2 2、粉体表面结构、粉体表面结构 3 3、玻璃表面结构、玻璃表面结构 4 4、固体表面的几何结构、固体表面的几何结构1 1、晶体表面结构、晶体表面结构固体表面处于较高能量状态。固体表面处于较高能量状态。表面质点极化、变形、重排，引起晶格畸变。表面质点极化、变形、重排，引起晶格畸变。不同结构的物质，表面结构状态不同。不同结构的物质，表面结构状态不同。威尔等提出威尔等提出晶体表面双电层模型晶体表面双电层模型。表面能减少表面能减少NaCl晶晶体体 离子晶体表面的电子云变形和离子重排离子晶体表面的电子云变形和离子重排表表面面离离子子受受内内部部离离子子作作用用电电子子云云变形变形离子重排离子重排NaCl表面层中表面层中Na+向里；向里；Cl-向外移动并形成双电层向外移动并形成双电层 晶晶体体内内部部晶晶体体表表面面0.281nm0.266nm0.020nm1 1、晶体表面结构、晶体表面结构威尔等提出威尔等提出晶体表面双电层模型晶体表面双电层模型。由由半径大的负离子与半径小的正离子半径大的负离子与半径小的正离子组成的化合物，特组成的化合物，特别是金属氧化物如别是金属氧化物如Al2O3、SiO2等有相应效应。等有相应效应。产生这种变化的程度主要取决于产生这种变化的程度主要取决于离子极化性能离子极化性能。如：表。如：表面能面能PbI2PbF2 平面平面 峰顶；峰顶；静电力，位于孤立峰顶处静电力，位于孤立峰顶处 凹谷深处。凹谷深处。直接影响到固体比表面积、内、外表面积比值及与直接影响到固体比表面积、内、外表面积比值及与之相关属性，如密度、润湿、孔隙率和孔隙结构、之相关属性，如密度、润湿、孔隙率和孔隙结构、透气性和浸透性等。透气性和浸透性等。关系到两种材料间的封接和结合界面间的吻合和结关系到两种材料间的封接和结合界面间的吻合和结合强度。合强度。表面微裂纹：表面微裂纹：由于晶体缺陷或外力作用而产生。由于晶体缺陷或外力作用而产生。对于脆性材料的强度这种影响尤为重要。对于脆性材料的强度这种影响尤为重要。葛里菲斯（葛里菲斯（GriffithGriffith）的玻璃断裂理论，导出的玻璃断裂理论，导出材料实际断裂强度与微裂纹长度的关系材料实际断裂强度与微裂纹长度的关系式中，式中，R R为断裂强度，为断裂强度，C C为微裂纹长度，为微裂纹长度，E E为弹性模为弹性模量，量，是表面自由能。是表面自由能。本章内容本章内容 1.1.表面能表面能2.2.固体表面结构固体表面结构3.3.表面性质表面性质4.4.晶界晶界 3.3.表面性质表面性质1 1 饱和蒸气压饱和蒸气压2 2 熔点和溶解度熔点和溶解度3 3 反应能力及表面化学反应反应能力及表面化学反应4 4 吸附与表面改性吸附与表面改性5 5 润湿和相分布润湿和相分布 1 1、弯曲表面的附加压力、弯曲表面的附加压力(1)(1)定定义义：弯弯曲曲表表面面两两边边的的压压力力差差称称为为弯弯曲曲表表面面的附加压力。符号：的附加压力。符号：P P。(2)(2)产生原因：由于表面张力的作用。产生原因：由于表面张力的作用。方向：曲率中心方向：曲率中心 （3）P与曲率半径与曲率半径R的关系的关系nP=P0+P或或PPP0n使气泡体积增加使气泡体积增加dV，表面积增加，表面积增加dAn系统得到净功：系统得到净功：WPdVnPdVdA V4/3r3 A4r2P （球形曲面）（球形曲面）方向：指向曲率中心方向：指向曲率中心应用：附加压力推动烧结应用：附加压力推动烧结 过程的进行过程的进行P （球形曲面）（球形曲面）凸液面：凸液面：r0，P0凹液面：凹液面：r0，P 平面平面 凹面蒸汽压。凹面蒸汽压。r0r0r0r0r r练练习习：在在293.2K时时，水水的的密密度度为为998.2kg/m3，表表面面张张力力为为72.75*10-3N/m。分分别别计计算算不不同同半半径径的的圆圆球球小小水水滴滴及及水水中中小小气气泡泡在在半半径径为为10-510-9m范范围围内内，饱和蒸汽压之比。饱和蒸汽压之比。半径为半径为10-5m小水滴小水滴小气泡小气泡讨论：讨论：开尔文公式应用于毛细管内液体的蒸气压变化。开尔文公式应用于毛细管内液体的蒸气压变化。如液体对管壁润湿，则如液体对管壁润湿，则若若00，则表示液体对毛细管完全润湿，液，则表示液体对毛细管完全润湿，液面是凹面面是凹面,毛细管凝结：蒸汽压对平面液体未达饱和毛细管凝结：蒸汽压对平面液体未达饱和,但对管但对管内凹面液体已呈饱和，此蒸汽在毛细管内会凝内凹面液体已呈饱和，此蒸汽在毛细管内会凝聚成液体。聚成液体。3.3.表面性质表面性质1 1 饱和蒸气压饱和蒸气压2 2 熔点和溶解度熔点和溶解度3 3 反应能力及表面化学反应反应能力及表面化学反应4 4 吸附与表面改性吸附与表面改性5 5 润湿和相分布润湿和相分布2 2 熔点和溶解度熔点和溶解度1 1）熔点）熔点3.2 3.2 熔点和溶解度熔点和溶解度1 1）熔点）熔点3.2 3.2 熔点和溶解度熔点和溶解度1 1）熔点）熔点颗粒越小，溶解度愈大2 2）溶解度）溶解度 综上所述，表面曲率对其蒸汽压、溶解度和综上所述，表面曲率对其蒸汽压、溶解度和熔化温度等物理性质有着重要的影响。固体颗熔化温度等物理性质有着重要的影响。固体颗粒愈小，表面曲率愈大，则蒸汽压和溶解度增粒愈小，表面曲率愈大，则蒸汽压和溶解度增高而熔化温度降低。高而熔化温度降低。3.3.表面性质表面性质1 1 饱和蒸气压饱和蒸气压2 2 熔点和溶解度熔点和溶解度3 3 反应能力及表面化学反应反应能力及表面化学反应4 4 吸附与表面改性吸附与表面改性5 5 润湿和相分布润湿和相分布3 3 反应能力及表面化学反应反应能力及表面化学反应微粒比一般颗粒具有更高的反应能力和烧结活性微粒比一般颗粒具有更高的反应能力和烧结活性表面积表面积晶格的畸变晶格的畸变表面化学反应表面化学反应表面电荷表面电荷3.3.表面性质表面性质1 1 饱和蒸气压饱和蒸气压2 2 熔点和溶解度熔点和溶解度3 3 反应能力及表面化学反应反应能力及表面化学反应4 4 吸附与表面改性吸附与表面改性5 5 润湿和相分布润湿和相分布3.4 3.4 吸附与表面改性吸附与表面改性自发减少表面自由能：自发减少表面自由能：1 1）减少比表面积）减少比表面积2 2）降低比表面能）降低比表面能吸附吸附吸附引起晶体表面结构发生变化：吸附引起晶体表面结构发生变化：吸附物引起的弛豫吸附物引起的弛豫吸附物引起的重构吸附物引起的重构形成化和物和表面偏聚形成化和物和表面偏聚表面改性表面改性空气液体液体中分子受力状态示意图表面活性剂表面活性剂无机盐（NaCl,Na2SO4,KOH等）随浓度的增加，表面张力升高；极性有机物（醇，羧酸等）随浓度的增加，表面张力变化不明显；有机酸盐，磺酸盐等，加入少量表面张力迅速降低CTABSDSH atom C atomN atom O atom S atomn表面活性剂基本构成n表面活性剂分为 阳离子：CTAB,阴离子：SDS,非离子型：PVP,表面活性剂：表面活性剂：使用少量就能使表面或者界面的性质（如乳化、增溶、分散和润湿等）发生显著变化的物质空气液体液体中分子受力状态示意图表面活性剂分子n反胶束和胶束胶束胶束反胶束反胶束水水强化粉碎过程强化粉碎过程提高粉体成型性能提高粉体成型性能增加瘠性粉料的可塑性增加瘠性粉料的可塑性表面活性剂的作用：表面活性剂的作用：3.3.表面性质表面性质1 1 饱和蒸气压饱和蒸气压2 2 熔点和溶解度熔点和溶解度3 3 反应能力及表面化学反应反应能力及表面化学反应4 4 吸附与表面改性吸附与表面改性5 5 润湿和相分布润湿和相分布1 润湿的类型润湿的类型q 1）沾湿）沾湿q 2）浸湿）浸湿q 3）铺展）铺展2 接触角和接触角和 Young方程方程3 非理想固体表面上的接触角非理想固体表面上的接触角q 1）表面粗糙度的影响）表面粗糙度的影响q 2）组合表面）组合表面q 3）吸附膜吸附膜4 粘附及其化学条件粘附及其化学条件1 润湿的类型润湿的类型 润湿：一种流体从固体表面置换另一种流润湿：一种流体从固体表面置换另一种流体的过程。体的过程。润湿现象润湿现象沾湿沾湿浸湿浸湿铺展铺展SLv沾湿过程沾湿过程 1）沾湿）沾湿LVSVSL G=SL-LV-SV实质实质：液体在固体：液体在固体表面上的粘附表面上的粘附 G=SL-LV SV0液体和固体沾湿过程自发进行液体和固体沾湿过程自发进行SVL浸湿过程浸湿过程2）浸湿）浸湿SVSL只有固体表面自由能比只有固体表面自由能比固固液界面自由能大时液界面自由能大时浸湿过程才能自发进行浸湿过程才能自发进行SVL液体在固体表面的铺展液体在固体表面的铺展3）铺展）铺展3）铺展）铺展 置置一一液液滴滴于于一一固固体体表表面面。恒恒温温恒恒压压下下，若若此此液液滴滴在在固固体体表表面面上上自自动动展展开开形形成成液液膜膜，称称此此过过程程为为铺展润湿。体系自由能的变化为铺展润湿。体系自由能的变化为 1 润湿的类型润湿的类型 润湿：一种流体从固体表面置换另一种流润湿：一种流体从固体表面置换另一种流体的过程。体的过程。润湿现象润湿现象沾湿沾湿浸湿浸湿铺展铺展注意注意:无外力作用无外力作用从理论上判断一个润湿过从理论上判断一个润湿过程是否能够自发进行。程是否能够自发进行。实际上困难。实际上困难。2.接触角和接触角和 Young方程方程 将将液液滴滴（L）放放在在一一理理想想平平面面（S）上上，如如果果有有一一相相是是气气体体，则则接接触触角角是是气气一一液液界界面面通通过过液液体体而而与与固一液界面所交的角。固一液界面所交的角。SVLSVLVSL液滴在固体表面的接触角液滴在固体表面的接触角2.接触角和接触角和 Young方程方程当三个作用力达到平衡时，应有下面关系当三个作用力达到平衡时，应有下面关系 著著名名的的Young方方程程。式式中中SV和和LV是是与与液液体体的的饱饱和和蒸蒸气气成成平平衡衡时时的的固固体体和和液液体体的的表表面面张张力力（或或表表面面自自由由能）。能）。接接触触角角是是实实验验上上可可测测定定的的一一个个量量。有有了了接接触触角角的的数值，代入润湿过程的判断条件式，即可得：数值，代入润湿过程的判断条件式，即可得：粘湿：粘湿：浸湿：浸湿：铺展：铺展：其中，其中，=0或不存在，或不存在，S0。判断一种液体对一种固体的润湿性能。判断一种液体对一种固体的润湿性能。SVLS沾沾湿湿浸浸湿湿铺铺展展固体进入液体过程固体进入液体过程3.非理想固体表面上的接触角非理想固体表面上的接触角 一般固体表面一般固体表面 （l）固体表面在化学组成上不均一；固体表面在化学组成上不均一；（2）不同晶面表面自由能不同；即使同一晶面，）不同晶面表面自由能不同；即使同一晶面，其表面自由能亦可不同；其表面自由能亦可不同；（3）实际表面均不是理想表面）实际表面均不是理想表面 1）表面粗糙度的影响）表面粗糙度的影响 将一液滴置于一粗糙表面，将一液滴置于一粗糙表面，有有 或或Wenzel方程方程式中式中r：粗糙因子，真实面积与表观面积之比。：粗糙因子，真实面积与表观面积之比。表面粗糙度的影响表面粗糙度的影响ABSLVCDSLVCDnBA(a)(b)因此：因此：（1）90时，时，即在润湿的前提下，表面粗糙即在润湿的前提下，表面粗糙化后化后变小，更易为液体所润湿。变小，更易为液体所润湿。（2）90时，时，即在不润湿的前提下，表面粗即在不润湿的前提下，表面粗糙化后糙化后变大，更不易为液体所润湿。变大，更不易为液体所润湿。大多数有机液体在抛光的金属表面上的接触角小于大多数有机液体在抛光的金属表面上的接触角小于90，因而在粗糙金属表面上的表观接触角更小。纯水，因而在粗糙金属表面上的表观接触角更小。纯水在光滑石蜡表面上接触角在在光滑石蜡表面上接触角在105110之间，但在粗糙的之间，但在粗糙的石蜡表面上，实验发现石蜡表面上，实验发现可高达可高达140。注意：注意：Wenzel方程只适用于热力学稳定平衡状态。方程只适用于热力学稳定平衡状态。2）组合表面）组合表面由两种不同化学组成的表面组合而成的理想光滑平面，由两种不同化学组成的表面组合而成的理想光滑平面，以极小块的形式均匀分布在表面上，以极小块的形式均匀分布在表面上，当液滴在表面展开时两种表面所占分数不变。当液滴在表面展开时两种表面所占分数不变。在在平平衡衡条条件件下下，液液滴滴在在固固体体表表面面扩扩展展一一无无限限小小量量dASL，固一气和固一液两界面自由能的变化为固一气和固一液两界面自由能的变化为x1，x2分别为两种表面所占面积的分数。分别为两种表面所占面积的分数。根据根据Young方程，式可转化为方程，式可转化为 此此即即Cassie方方程程。c为为液液体体在在组组合合表表面面上上的的接接触触角角，1和和2为液体在纯为液体在纯1和纯和纯2表面上的接触角。表面上的接触角。3）吸附膜吸附膜SV：固体在蒸气中的表面张力，表面带有吸附膜：固体在蒸气中的表面张力，表面带有吸附膜SO：除气后，固体在真空中表面张力：除气后，固体在真空中表面张力SV SO，吸附膜将会降低固体表面能，吸附膜将会降低固体表面能 代入代入Young方程方程得：得：吸附膜的存吸附膜的存在使接触角在使接触角增大，阻碍增大，阻碍液体铺展液体铺展4.粘附及其化学条件粘附及其化学条件固体表面的剩余力场固体表面的剩余力场 与气体分子及溶液中质点相互作用发生吸附，与气体分子及溶液中质点相互作用发生吸附，与其紧密接触的固体或液体的质点发生粘附。与其紧密接触的固体或液体的质点发生粘附。粘附本质：两种物质之间表面力作用的结果。粘附本质：两种物质之间表面力作用的结果。两两固固相相相相对对滑滑动动时时的的摩摩擦擦、固固体体粉粉末末的的聚聚集集和和烧烧结等现象表现结等现象表现4.粘附及其化学条件粘附及其化学条件影响条件：影响条件：(1)润湿性润湿性 (2)粘附功（粘附功（W）(3)相溶性或亲和性相溶性或亲和性（1 1）润湿性）润湿性 致密和强度的前提。致密和强度的前提。固固-液液界界面面的的润润湿湿：液液体体在在固固体体表表面面上上的的铺铺展展。润润湿湿性性可可用用临临界界表表面面张张力力C C或或润润湿湿张张力力LVLV.cos.cos来度量：来度量：粘粘附附剂剂对对粘粘附附表表面面润润湿湿愈愈好好，F F愈愈大大，粘粘附附处处的的致致密密度和强度愈高。度和强度愈高。(2)(2)粘附功（粘附功（W W）粘粘附附力力的的大大小小，与与物物质质的的表表面面性性质质有有关关，粘附程度的好坏可通过粘附功（粘附程度的好坏可通过粘附功（W W）衡量。衡量。粘附功：粘附功：把单位粘附界面拉开所需的功。把单位粘附界面拉开所需的功。粘附功和界面张力粘附功和界面张力SLLVSVV拉开固拉开固-液界面液界面固固-液界面消失液界面消失新增固新增固-气界面气界面新增液新增液-气界面气界面 粘附功数值的大小，标志着固一液两相辅展结粘附功数值的大小，标志着固一液两相辅展结合的牢固程度，粘附功数值越大，说明将液体从合的牢固程度，粘附功数值越大，说明将液体从固体表面拉开，需要耗费的能量越大，即互相结固体表面拉开，需要耗费的能量越大，即互相结合牢固；相反，粘附功越小，则越易分离。合牢固；相反，粘附功越小，则越易分离。(3)相溶性或亲和性相溶性或亲和性 水水和和水水银银两两者者表表面面张张力力分分别别为为72和和500达达因因厘厘米米，但但水水却却不不能能在在水水银银表表面面铺铺展展。说说明明水和水银是不亲和的。水和水银是不亲和的。相相溶溶或或亲亲和和，就就是是指指两两者者润润湿湿时时自自由由能能变变化化dG0。因此相溶性越好，粘附也好。因此相溶性越好，粘附也好。综上所述，良好粘附的表面化学条件应是：综上所述，良好粘附的表面化学条件应是：1 1）被被粘粘附附体体的的临临界界表表面面张张力力C C要要大大或或使使润润湿湿张张力力F F增加，以保证良好润湿。增加，以保证良好润湿。2 2）粘附功要大，以保证牢固粘附。）粘附功要大，以保证牢固粘附。3 3）粘粘附附面面的的界界面面张张力力SLSL要要小小，以以保保证证粘粘附附界界面的热力学稳定。面的热力学稳定。4 4）粘粘附附剂剂与与被被粘粘附附体体间间相相溶溶性性要要好好，以以保保证证粘粘附界面的良好键合和保持强度附界面的良好键合和保持强度。另外，粘附性能还与以下因素有关：另外，粘附性能还与以下因素有关：1）粘附与固体表面的清洁度有关粘附与固体表面的清洁度有关 若若固固体体表表面面吸吸附附有有气气体体（或或蒸蒸气气）而而形形成成吸吸附附膜膜，会明显减弱甚至完全破坏粘附性能。会明显减弱甚至完全破坏粘附性能。2）粘附与固体的分散度有关粘附与固体的分散度有关 固固体体细细小小时时，粘粘附附效效应应比比较较明明显显，提提高高固固体体的的分分散散度，可以扩大接触面积，从而可增加粘附强度。度，可以扩大接触面积，从而可增加粘附强度。3）粘附强度与外力作用下固体的变形程度有关粘附强度与外力作用下固体的变形程度有关。如果固体较软或在一定的外力下易于变形，就会如果固体较软或在一定的外力下易于变形，就会引起接触面积的增加，从而提高粘附强度。引起接触面积的增加，从而提高粘附强度。晶界构形：晶界在多晶体中的形状、构造和分晶界构形：晶界在多晶体中的形状、构造和分布称为晶界构形。布称为晶界构形。固态晶粒固态晶粒固态晶粒固态晶粒SVSVSS固态晶粒固态晶粒固态晶粒固态晶粒SLSLSS5 5 润湿和相分布润湿和相分布固态晶粒固态晶粒固态晶粒固态晶粒SVSVSS固态晶粒固态晶粒固态晶粒固态晶粒SLSLSSS-S-VS-S-V系统：两相为相同的晶系统：两相为相同的晶粒，第三相为气相粒，第三相为气相 面间角面间角S-S-LS-SL系统：两相为相同的晶系统：两相为相同的晶粒，第三相为液相，粒，第三相为液相，讨论：讨论：1 1）若）若 2 2）若）若3 3）若）若即液相穿过晶界，晶粒完全被液相分隔浸润，晶即液相穿过晶界，晶粒完全被液相分隔浸润，晶粒成孤岛状分布在液相中粒成孤岛状分布在液相中三个晶粒交界处形成孤岛状液滴三个晶粒交界处形成孤岛状液滴(不润湿不润湿)液相沿晶界渗开，在三个晶粒交界处，液相形成液相沿晶界渗开，在三个晶粒交界处，液相形成三角棱柱体。（润湿）三角棱柱体。（润湿）面角面角 与润湿关系与润湿关系 润湿性润湿性相分布相分布120不不(A)孤立液滴孤立液滴12060局部局部(B)开始渗透晶界开始渗透晶界210全润湿全润湿(D)浸湿整个材料浸湿整个材料3.3.表面性质表面性质1 1 饱和蒸气压饱和蒸气压2 2 熔点和溶解度熔点和溶解度3 3 反应能力及表面化学反应反应能力及表面化学反应4 4 吸附与表面改性吸附与表面改性5 5 润湿和相分布润湿和相分布本章内容本章内容 1.1.表面能表面能2.2.固体表面结构固体表面结构3.3.表面性质表面性质4.4.晶界晶界 1 定义及特点定义及特点晶界：凡结构相同而晶界：凡结构相同而取向不同的晶体相互取向不同的晶体相互接触，其接触界面称接触，其接触界面称为晶界。为晶界。相界面（界面）：相相界面（界面）：相邻晶粒位向、结构、邻晶粒位向、结构、组成不同，即它们代组成不同，即它们代表不同的两相。表不同的两相。晶界的特点晶界的特点（1 1）晶界易受腐蚀、易显露；）晶界易受腐蚀、易显露；（2 2）晶界是原子（离子）快速快散的通道，并易）晶界是原子（离子）快速快散的通道，并易 引起杂质偏聚；引起杂质偏聚；（3 3）晶界处熔点低于晶粒；）晶界处熔点低于晶粒；（4 4）晶界上具有应力；）晶界上具有应力；（5 5）晶界是固态相变时优先成核的区域。）晶界是固态相变时优先成核的区域。1 定义及特点定义及特点2 晶界结构与分类晶界结构与分类1 1、按两个晶粒之间夹角的大小来分类：、按两个晶粒之间夹角的大小来分类：小小角角度度晶晶界界：相相邻邻两两个个晶晶粒粒的的原原子子排排列列错错合合的的角角度很小，约度很小，约2 2-3-3。大角度晶界：晶界上质点排列已接近无序状态。大角度晶界：晶界上质点排列已接近无序状态。2 2、根据晶界两边原子排列的连贯性来划分、根据晶界两边原子排列的连贯性来划分 共共格格晶晶界界：界界面面两两侧侧的的晶晶体体结结构构相相似似，晶晶粒粒取取向向相近。相近。半共格晶界：存在位错。半共格晶界：存在位错。非非共共格格晶晶界界：晶晶界界结结构构差差别别很很大大，而而相相邻邻晶晶体体间间必有畸变的原子排列。必有畸变的原子排列。3 陶瓷界面特征和行为陶瓷界面特征和行为1）晶界应力晶界应力2 2）晶界电位及空间电荷）晶界电位及空间电荷3 3）晶界的溶质偏析）晶界的溶质偏析1.1.热敏陶瓷热敏陶瓷2.2.压敏陶瓷压敏陶瓷3.3.气敏性陶瓷气敏性陶瓷4.4.压电陶瓷压电陶瓷4 功能陶瓷功能陶瓷1.1.压电压电2.2.热电热电3.3.铁电铁电4.4.压磁压磁5.5.铁磁铁磁6.6.气敏气敏7.7.压敏压敏8.8.热敏热敏1.1.热敏陶瓷热敏陶瓷1.1.热敏陶瓷热敏陶瓷热敏陶瓷：电阻值会随着本体温度的变热敏陶瓷：电阻值会随着本体温度的变化呈现出阶跃性的变化。化呈现出阶跃性的变化。按照温度系数的不同分为按照温度系数的不同分为:正温度系数正温度系数(PTC)(PTC)：温度越高：温度越高,电阻值越大电阻值越大.负温度系数负温度系数(NTC)(NTC)温度越高：温度越高,电阻值越小电阻值越小.BaTiO3 PTC陶瓷陶瓷晶粒和晶界的电性能决定晶粒和晶界的电性能决定晶粒晶粒晶界晶界充分半导体化充分半导体化充分半导体化充分半导体化充分半导体化充分半导体化充分绝缘化充分绝缘化充分半导体化充分半导体化适当绝缘性适当绝缘性烧成温度和烧成气氛烧成温度和烧成气氛高电容高电容量陶瓷量陶瓷电容器电容器BaTiO3 PTC陶瓷陶瓷晶粒充分半导体化：采用施主掺杂半导体晶粒充分半导体化：采用施主掺杂半导体化技术化技术晶界适当的电绝缘性：氧化气氛烧结晶界适当的电绝缘性：氧化气氛烧结混入混入Cu,Ti,Mn等等过高温度，过长时间烧结过高温度，过长时间烧结晶界的金属氧化物充分氧化晶界的金属氧化物充分氧化边界层电容器边界层电容器BaTiO3 PTC陶瓷陶瓷Heywang理论：空间电荷区理论：空间电荷区Jonker理论：铁电补偿理论：铁电补偿Daniels理论：边界层理论：边界层1.1.热敏陶瓷热敏陶瓷2.2.压敏陶瓷压敏陶瓷3.3.气敏性陶瓷气敏性陶瓷4.4.压电陶瓷压电陶瓷4 4 功能陶瓷功能陶瓷1.1.压电压电2.2.热电热电3.3.铁电铁电4.4.压磁压磁5.5.铁磁铁磁6.6.气敏气敏7.7.压敏压敏8.8.热敏热敏2.2.压敏陶瓷压敏陶瓷欧姆定律：欧姆定律：I=V/R1-ZnO压敏陶瓷压敏陶瓷2-SiC压敏陶瓷压敏陶瓷3-线性电阻线性电阻过压保护：过压保护：大气过压保护大气过压保护操作过压保护操作过压保护被被保保护护设设备备V1-ZnO压敏陶瓷压敏陶瓷2-SiC压敏陶瓷压敏陶瓷3-线性电阻线性电阻压敏陶瓷主要有压敏陶瓷主要有SiC和和ZnO两大类，两大类，ZnO压压敏特性优于敏特性优于SiC。ZnO晶粒晶界层电极1.1.热敏陶瓷热敏陶瓷2.2.压敏陶瓷压敏陶瓷3.3.气敏性陶瓷气敏性陶瓷4.4.压电陶瓷压电陶瓷1.1.压电压电2.2.热电热电3.3.铁电铁电4.4.压磁压磁5.5.铁磁铁磁6.6.气敏气敏7.7.压敏压敏8.8.热敏热敏4 4 功能陶瓷功能陶瓷3.3.气敏性陶瓷气敏性陶瓷 各种可燃气体、易爆气体、有毒及恶臭气体CO浓度达0.81.15ml/L，呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥等CO浓度达1.84ml/L：有在几分钟内死亡的危险对这些气体进行快速而准确快速而准确的检测、监视、报警就成为十分重要的问题。p p型半导体材料型半导体材料n n型型半导体材料半导体材料Pt wireOxide coatingHeating wireAu electrodep p型半导体材料型半导体材料吸附还原性气体：电阻值增加吸附还原性气体：电阻值增加吸附氧化性气体：电阻值减少吸附氧化性气体：电阻值减少n n型型半导体材料半导体材料在检测到甲烷、一氧化碳、天然气、煤气、液化石油气、乙烷、氢气等气体时，其电阻值将减小 吸附还原性气体：电阻值减少吸附还原性气体：电阻值减少吸附氧化性气体：电阻值增加吸附氧化性气体：电阻值增加 工作原理：元件表面的气体吸附和随之工作原理：元件表面的气体吸附和随之产生的元件电导率变化。产生的元件电导率变化。按材料成分分为金属氧化物系列按材料成分分为金属氧化物系列（SnO2、ZnO、Fe2O3、ZrO2)和复合氧和复合氧化物系列化物系列(通式为通式为ABO3)。SnO2 气敏性陶瓷气敏性陶瓷 混合混合 成型成型 干燥干燥 烧成烧成添加剂添加剂干压或注浆干压或注浆还原气氛还原气氛氧化气氛氧化气氛1.1.热敏陶瓷热敏陶瓷2.2.压敏陶瓷压敏陶瓷3.3.气敏性陶瓷气敏性陶瓷4.4.压电陶瓷压电陶瓷1.1.压电压电2.2.热电热电3.3.铁电铁电4.4.压磁压磁5.5.铁磁铁磁6.6.气敏气敏7.7.压敏压敏8.8.热敏热敏4 4 功能陶瓷功能陶瓷压电效应：挤压或拉伸时，材料的两端会产生不压电效应：挤压或拉伸时，材料的两端会产生不同的电荷。同的电荷。正（顺）压电效应示意图正（顺）压电效应示意图F F F FF FF F 4.4.压电陶瓷压电陶瓷正压电效应示意图正压电效应示意图F F-极化方向极化方向逆压电效应示意图逆压电效应示意图逆压电效应示意图逆压电效应示意图电电电电场场场场方方方方向向向向极化方向极化方向-压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化 (a)(a)未极化未极化(b)(b)电极化电极化 电场电场 方向方向1.钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷）压电陶瓷 由碳酸钡（由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（）和二氧化钛（TiO2）按）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的数（约为石英晶体的50倍）。倍）。居里点温度低（居里点温度低（120），温度稳定性和），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。机械强度不如石英晶体。2.锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）由由PbTiO3和和PbZrO3组成的固溶体组成的固溶体压电系数大，压电系数大，居里点温度居里点温度300，温度影响小，时间稳，温度影响小，时间稳定性好。定性好。添加其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨添加其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）可获得不同性能的等）可获得不同性能的PZT材料。材料。目前压电式传感器中应用最广泛压电材料目前压电式传感器中应用最广泛压电材料3.压电半导体材料压电半导体材料 有有ZnO、CdS、CdTe等，具有灵敏度高，等，具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。数。1.1.压电压电2.2.热电热电3.3.铁电铁电对其挤压或拉伸时，它的两端就会对其挤压或拉伸时，它的两端就会产生不同的电荷。产生不同的电荷。在一定温度范围内含有能自发极化，在一定温度范围内含有能自发极化，极化方向随处电场作可逆转动极化方向随处电场作可逆转动除了应力以外，由于温度变化也可除了应力以外，由于温度变化也可以引起电极化状态的改变以引起电极化状态的改变电介质电介质压电压电热电热电铁电铁电1.1.热敏陶瓷热敏陶瓷2.2.压敏陶瓷压敏陶瓷3.3.气敏性陶瓷气敏性陶瓷4.4.压电陶瓷压电陶瓷1.1.压电压电2.2.热电热电3.3.铁电铁电4.4.压磁压磁5.5.铁磁铁磁6.6.气敏气敏7.7.压敏压敏8.8.热敏热敏4 4 功能陶瓷功能陶瓷本章内容本章内容 1.1.表面能表面能2.2.固体表面结构固体表面结构3.3.表面性质表面性质4.4.晶界晶界