沈阳建筑大学：《材料物理化学》课程教学资源（PPT课件讲稿）第六章 固体表面与界面

第六章固体表面与界面 第一节固体的表面 、固体表面的特征 二、晶体表面结构 三、固体的表面能

第六章 固体表面与界面 第一节 固体的表面 二、晶体表面结构 三、固体的表面能 一、固体表面的特征

、固体表面的特征 1.固体表面的特点 不均匀性,表现在: (1)同一种物质制备和加工条件不同也会有不同的表面性质 (2)在空气中暴露,表面被外来物质所污染,吸附外来原子可占 据不同的表面位置,形成有序或无序排列,也引起表面不均匀。 (3)固体表面无论怎么光滑,从原子尺寸衡量,实际上也是凹凸 不平的

(1) 同一种物质制备和加工条件不同也会有不同的表面性质。 (2) 在空气中暴露，表面被外来物质所污染，吸附外来原子可占 据不同的表面位置，形成有序或无序排列，也引起表面不均匀。 (3) 固体表面无论怎么光滑，从原子尺寸衡量，实际上也是凹凸 不平的。 1. 固体表面的特点 不均匀性，表现在： 一、固体表面的特征

2.固体表面力场 定义: 晶体中每个质点周围都存在着一个力场,在 晶体内部,质点力场是对称的。但在固体表面, 质点排列的周期重复性中断,使处于表面边界上 的质点力场对称性破坏,表现出剩余的键力, 称之为固体表面力。 表面力的分类:(1)范得华力(分子引力) (2)化学力

晶体中每个质点周围都存在着一个力场，在 晶体内部，质点力场是对称的。但在固体表面， 质点排列的周期重复性中断，使处于表面边界上 的质点力场对称性破坏，表现出剩余的键力， 称之为固体表面力。 表面力的分类： 定义： (1) 范得华力(分子引力) (2) 化学力 2. 固体表面力场

(1)范得华力(分子引力) 是固体表面产生物理吸附或气体凝聚的原因。与液体内压、 表面张力、蒸汽压、蒸发热等性质有关。 来源三方面:定向作用力F(静电力),发生于极性分子之间。 诱导作用力F,发生于极性与非极性分子之间。 分散作用力F1(色散力),发生于非极性分子之间

(1) 范得华力(分子引力) 是固体表面产生物理吸附或气体凝聚的原因。与液体内压、 表面张力、蒸汽压、蒸发热等性质有关。 来源三方面：定向作用力FK(静电力) ,发生于极性分子之间。 诱导作用力FD ，发生于极性与非极性分子之间。 分散作用力FL(色散力) ，发生于非极性分子之间

(2)化学力: 属固体物质之间相互作用力,本质仍是范得华力 按作用原理可分为: A.依靠粒子间的电场传播的,如色散力,可以加和 B.一个分子到另一个分子逐个传播而达到长距离的 如诱导作用力

(2) 化学力： 属固体物质之间相互作用力，本质仍是范得华力。 按作用原理可分为： A. 依靠粒子间的电场传播的，如色散力，可以加和。 B. 一个分子到另一个分子逐个传播而达到长距离的。 如诱导作用力

、晶体表面结构 1.离子晶体表面 表面力的作用: 液体:总是力图形成球形表面来降低系统的表面能 固体:使固体表面处于较高的能量状态因为固体不能流动) 只能借助于离子极化、变形、重排并引起晶格畸变来 降低表面能,其结果使固体表面层与内部结构存在差异

表面力的作用： 液体: 总是力图形成球形表面来降低系统的表面能。 固体: 使固体表面处于较高的能量状态(因为固体不能流动), 只能借助于离子极化、变形、重排并引起晶格畸变来 降低表面能，其结果使固体表面层与内部结构存在差异。 二、晶体表面结构 1. 离子晶体表面

说明: lacl 1.离子晶体MX在表面 晶体 力作用下,处于表面层 O(o 的负离子X在外侧不饱 和,负离子极化率大, 通过电子云拉向内侧正 离子一方的极化变形来 表面能减少 降低表面能。这一过程 图3-1离子晶体表面的电子云变形和离子重排 称为松弛,它是瞬间完 成的,接着发生离子重 排

说明： 1. 离子晶体MX在表面 力作用下，处于表面层 的负离子X在外侧不饱 和，负离子极化率大， 通过电子云拉向内侧正 离子一方的极化变形来 降低表面能。这一过程 称为松弛，它是瞬间完 成的，接着发生离子重 排。 NaCl 晶 体 图3－1 离子晶体表面的电子云变形和离子重排

ac 2.从晶格点阵稳定性 晶 体 考虑作用力较大,极 化率小的正离子应处 CCc 于稳定的晶格位置而 易极化的负离子受诱 导极化偶极子排斥而 表面能减少 推向外侧,从而形成 图3-1离子晶体表面的电子云变形和离子重排 表面双电层。重排结 果使晶体表面能量趋 于稳定

NaCl 晶 体 图3－1 离子晶体表面的电子云变形和离子重排 2. 从晶格点阵稳定性 考虑作用力较大，极 化率小的正离子应处 于稳定的晶格位置而 易极化的负离子受诱 导极化偶极子排斥而 推向外侧，从而形成 表面双电层。重排结 果使晶体表面能量趋 于稳定

3、NaC形成双电层厚度为002m,在Al2O3、SiO2、 ZrO2等表面上也会形成双电层。 4、当表面形成双电层后,它将向内层发生作用,并引 起内层离子的极化和重排,这种作用随着向晶体的纵深推 移而逐步衰减。表面效应所能达到的深度,与阴、阳离子 的半径差有关,差愈大深度愈深。 5、离子极化性能愈大,双电层愈厚,从而表面能愈低

3、 NaCl形成双电层厚度为0.02nm,在Al2O3、SiO2、 ZrO2等表面上也会形成双电层。 4、当表面形成双电层后，它将向内层发生作用，并引 起内层离子的极化和重排，这种作用随着向晶体的纵深推 移而逐步衰减。表面效应所能达到的深度，与阴、阳离子 的半径差有关，差愈大深度愈深。 5、离子极化性能愈大，双电层愈厚，从而表面能愈低

实验观测表明: 固体的实际表面是不规则和粗糙的, 最重要的表现为表面粗糙度和微裂纹 表面粗糙度:(1)使表面力场变得不均匀,其活性及其它表面性 质也随之发生变化。 (2)直接影响固体表面积,内、外表面积比值以及相 关的属性 (3)与两种材料间的封接和结合界面间的啮合和结合 强度有关

实验观测表明： 固体的实际表面是不规则和粗糙的， 最重要的表现为表面粗糙度和微裂纹。 表面粗糙度：(1)使表面力场变得不均匀，其活性及其它表面性 质也随之发生变化。 (2)直接影响固体表面积，内、外表面积比值以及相 关的属性。 (3)与两种材料间的封接和结合界面间的啮合和结合 强度有关