h8-材料表面與界面ppt課件

1、第8章 資料的外表與界面資料科學(xué)根底資料科學(xué)根底8.1 根底知識根底知識1 1外表外表: :外表是指固體與真空的界面。外表是指固體與真空的界面。2 2界面界面: :相鄰兩個結(jié)晶空間的交界面稱為相鄰兩個結(jié)晶空間的交界面稱為“界面。界面。3 3相界面相界面: :相鄰相之間的交界面稱為相界面。相界面有三類，相鄰相之間的交界面稱為相界面。相界面有三類，如固相與固相的相界面如固相與固相的相界面s sB B；固相與氣相之間的相界面；固相與氣相之間的相界面s sG G；固相與液相之間的相界面；固相與液相之間的相界面s sL L。外表問題：外表問題：金屬資料金屬資料 陶瓷資料陶瓷資料 電子資料電子資料 高聚物

2、高聚物 復(fù)合資料復(fù)合資料最常見的資料表界面類型按構(gòu)成途徑劃分最常見的資料表界面類型按構(gòu)成途徑劃分機(jī)械作用界面機(jī)械作用界面化學(xué)作用界面化學(xué)作用界面固體結(jié)合界面固體結(jié)合界面液相或氣相堆積界面液相或氣相堆積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結(jié)界面黏結(jié)界面熔焊界面熔焊界面8.1.1 物質(zhì)外表物質(zhì)外表 固體外表的定義：晶體三維周期構(gòu)造和真空之間的過固體外表的定義：晶體三維周期構(gòu)造和真空之間的過渡區(qū)域。渡區(qū)域。理想外表理想外表清潔外表清潔外表吸附外表吸附外表 理想外表理想外表:外表構(gòu)造不變地延續(xù)到外表后中斷，是實際外表構(gòu)造不變地延續(xù)到外表后中斷，是實際 上構(gòu)造完好的二維點陣平面，忽略了

3、熱運動熱分散和熱上構(gòu)造完好的二維點陣平面，忽略了熱運動熱分散和熱 缺陷及外表的物理化學(xué)景象等。缺陷及外表的物理化學(xué)景象等。d理想外表構(gòu)造清潔外表：是指不存在任何吸附、催化反響、雜質(zhì)分散等清潔外表：是指不存在任何吸附、催化反響、雜質(zhì)分散等物理化學(xué)效應(yīng)的外表物理化學(xué)效應(yīng)的外表,沒有外表污染的實踐外表沒有外表污染的實踐外表臺階外表臺階外表弛豫外表構(gòu)造弛豫外表構(gòu)造重構(gòu)外表重構(gòu)外表112111110(001)周期周期臺階外表臺階外表臺階外表不是一個平面，臺階外表不是一個平面，它是由有規(guī)那么的或不它是由有規(guī)那么的或不規(guī)那么的臺階的外表所規(guī)那么的臺階的外表所組成組成弛豫外表構(gòu)造dd02 2 弛豫外表弛豫外表

4、外表層之間以及外表和體內(nèi)原子層之間的垂直間外表層之間以及外表和體內(nèi)原子層之間的垂直間隔和體內(nèi)原子層間距相比有所膨脹和緊縮景象隔和體內(nèi)原子層間距相比有所膨脹和緊縮景象3重構(gòu)外表：外表原子層在程度方向上的周期性晶重構(gòu)外表：外表原子層在程度方向上的周期性晶格基矢格基矢as不同于體內(nèi)晶格基矢不同于體內(nèi)晶格基矢a，但垂直方向上的層間，但垂直方向上的層間間隔與內(nèi)部層間間隔一樣間隔與內(nèi)部層間間隔一樣密排六方重構(gòu)外表表示圖asa吸附外表：在實踐存在的外表，普遍存在吸附物質(zhì)。吸附外表：在實踐存在的外表，普遍存在吸附物質(zhì)。吸附物質(zhì)：吸附物質(zhì)： 外表環(huán)境中的氣相分子、原子及其化合物，外表環(huán)境中的氣相分子、原子及其化

5、合物， 來自體內(nèi)分散出來的元素物質(zhì)。來自體內(nèi)分散出來的元素物質(zhì)。吸附方式：吸附方式： 可以被簡單吸附在晶體外表可以被簡單吸附在晶體外表 可以外延生長在晶體外表構(gòu)成新的外表層可以外延生長在晶體外表構(gòu)成新的外表層 進(jìn)入外表層一定深度同外表原子構(gòu)成有序的外表合金進(jìn)入外表層一定深度同外表原子構(gòu)成有序的外表合金。8.1.2 固體的外表自在能和外表張力固體的外表自在能和外表張力外表能：每添加單位外表積時，體系自在能的增量外表能：每添加單位外表積時，體系自在能的增量 單位單位Jm-2外表張力：擴(kuò)張外表單位長度所需求的力。外表張力：擴(kuò)張外表單位長度所需求的力。與液體相比：與液體相比：1固體的外表自在能中包含了

6、彈性能。外表張力在數(shù)值固體的外表自在能中包含了彈性能。外表張力在數(shù)值上不等于外表自在能；上不等于外表自在能；2固體的外表上的原子組成和陳列是各向異性的，張力固體的外表上的原子組成和陳列是各向異性的，張力是各向異性的，不同晶面的外表自在能也不一樣。是各向異性的，不同晶面的外表自在能也不一樣。3實踐固體的外表絕大多數(shù)處于非平衡形狀，決議固體實踐固體的外表絕大多數(shù)處于非平衡形狀，決議固體外表形狀的主要是構(gòu)成固體外表時的條件以及它所閱外表形狀的主要是構(gòu)成固體外表時的條件以及它所閱歷的歷史。歷的歷史。4固體的外表自在能和外表張力的測定非常困難。固體的外表自在能和外表張力的測定非常困難。 8.1.4 8.

7、1.4 固液界面與潤濕固液界面與潤濕機(jī)械光滑、注水采油、油漆涂布、金屬焊接、搪瓷坯釉、陶機(jī)械光滑、注水采油、油漆涂布、金屬焊接、搪瓷坯釉、陶瓷瓷/ /金屬的封接等工藝和實際都與潤濕過程有關(guān)。金屬的封接等工藝和實際都與潤濕過程有關(guān)。潤濕的熱力學(xué)定義：固體與液體接觸后能使體系的吉布斯自潤濕的熱力學(xué)定義：固體與液體接觸后能使體系的吉布斯自在能降低，稱為潤濕。在能降低，稱為潤濕。潤濕方式：潤濕方式： 附著潤濕附著潤濕 鋪展?jié)櫇皲佌節(jié)櫇?浸漬潤濕浸漬潤濕 鋪展?jié)櫇窀拍睿阂旱温湓谇鍧嵠交腆w外表的過程。忽略液體重力和粘度影響，那么鋪展是由固/氣(SG)、固/液(SL)和液/氣(LG)三個界面張力所決議：

8、式中是潤濕角；F 稱潤濕張力。 90不潤濕； 。 cosLGSLSGSLSGLGFcosSGSL8.1.5 固固界面與黏附固固界面與黏附固固界面：構(gòu)造與組分中存在不同的兩個固相之間的界面固固界面：構(gòu)造與組分中存在不同的兩個固相之間的界面黏附：兩黏附固體界面上的黏結(jié)景象，是經(jīng)過跨越兩固相黏附：兩黏附固體界面上的黏結(jié)景象，是經(jīng)過跨越兩固相界面的相互作用而產(chǎn)生的。界面的相互作用而產(chǎn)生的。aaWa=+-aaaaaWa=2Wa為黏附功8.1.2.1 小角晶界及界面能 小角晶界：兩晶粒間的位向差小于10； 大角晶界：位向差超越10。 小角晶界又可分：傾轉(zhuǎn)晶界一系列刃位錯構(gòu)成 改動晶界螺位錯構(gòu)成 對稱傾轉(zhuǎn)晶

9、界和改動晶界1對稱傾轉(zhuǎn)晶界對稱傾轉(zhuǎn)晶界可以看作是取向一致的兩個晶體相互傾轉(zhuǎn) 角構(gòu)成的界面。 2/分類分類(2)(2)不對稱傾斜界面：晶界看成兩組相互垂直的刃型不對稱傾斜界面：晶界看成兩組相互垂直的刃型位錯陳列而成的。位錯陳列而成的。(3)(3)改動晶界：將一塊晶體沿橫斷面切開改動晶界：將一塊晶體沿橫斷面切開, ,并使上下部并使上下部分晶體繞軸轉(zhuǎn)動分晶體繞軸轉(zhuǎn)動角角, ,再與下部分晶體粘在一同構(gòu)成。再與下部分晶體粘在一同構(gòu)成。可看成是由相互交叉的螺位錯所組成?？煽闯墒怯上嗷ソ徊娴穆菸诲e所組成。大角度晶界大角度晶界 大角度晶界：為原子呈不規(guī)那么陳列的一過渡層。大多數(shù)大角度晶界：為原子呈不規(guī)那么陳列

10、的一過渡層。大多數(shù)晶粒之間的晶界都屬于大角度晶界。晶粒之間的晶界都屬于大角度晶界。 晶界特征晶界特征 1 1晶界處點陣畸變大，存在晶界能。晶界處點陣畸變大，存在晶界能。 2 2常溫下晶界的存在會對位錯的運動起妨礙運動，使常溫下晶界的存在會對位錯的運動起妨礙運動，使塑型變形抗力提高，使晶體資料的硬度和強度提高。塑型變形抗力提高，使晶體資料的硬度和強度提高。 3 3晶界處原子具有較高的動能，且晶界處存在大量缺晶界處原子具有較高的動能，且晶界處存在大量缺陷。原子在晶界處分散比晶內(nèi)快得多。陷。原子在晶界處分散比晶內(nèi)快得多。 4 4固態(tài)相變時易在晶界處構(gòu)成新核。固態(tài)相變時易在晶界處構(gòu)成新核。 5 5晶界

11、上富集雜質(zhì)原子多，熔點低晶界上富集雜質(zhì)原子多，熔點低 6 6晶界腐蝕速度比晶內(nèi)快。晶界腐蝕速度比晶內(nèi)快。 7 7晶界具有不同與晶內(nèi)的物理性質(zhì)。晶界具有不同與晶內(nèi)的物理性質(zhì)。 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：界面兩側(cè)的堅持一定的位向關(guān)系，沿界面兩相具有特征：界面兩側(cè)的堅持一定的位向關(guān)系，沿界面兩相具有一樣或近似的原子陳列，兩相在界面上原子匹配得好，界面一樣或近似的原子陳列，兩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需在孿晶面界。上能量高。理想

12、的完全共格界面只需在孿晶面界。2. 2. 半共格界面半共格界面semi-coherent phase boundary ) semi-coherent phase boundary ) 特征：沿相界面每隔一定間隔產(chǎn)生一個刃型位錯，除刃特征：沿相界面每隔一定間隔產(chǎn)生一個刃型位錯，除刃型位錯線上的原子外，其他原子都是共格的。所以半共格界型位錯線上的原子外，其他原子都是共格的。所以半共格界面是由共格區(qū)和非共格區(qū)相間組成。面是由共格區(qū)和非共格區(qū)相間組成。 半共格界面上的位錯間距取決于相界處兩相匹配晶面半共格界面上的位錯間距取決于相界處兩相匹配晶面的錯配度的錯配度3.3.非共格界面非共格界面noncoh

13、erent phase boundarynoncoherent phase boundary 特征：原子不規(guī)那么陳列的薄層為兩相的過渡層。特征：原子不規(guī)那么陳列的薄層為兩相的過渡層。8.3 界面的偏聚與遷移8.3.1 晶界平衡偏析 晶界偏析：在平衡條件下，溶質(zhì)原子離子在晶界處 濃度偏離平均濃度。 偏析的自發(fā)趨勢：晶界構(gòu)造缺陷比晶內(nèi)多，溶質(zhì)原子 離子處于晶內(nèi)的能量比處在晶界的能量高，經(jīng)過偏析 使系統(tǒng)能量降低。 偏析驅(qū)動力是內(nèi)能差：設(shè)一個原子位于晶內(nèi)和晶界的內(nèi) 能分別為El 和Eg ，那么偏析的驅(qū)動力為：1agEEE8.3.2 8.3.2 晶界遷移晶界遷移晶界遷移晶界遷移 晶界在其法線上的位移，從

14、微觀上看，是經(jīng)晶界在其法線上的位移，從微觀上看，是經(jīng)過晶粒邊緣上的原子向其臨近晶粒的跳動實現(xiàn)的過晶粒邊緣上的原子向其臨近晶粒的跳動實現(xiàn)的典型情況：晶粒長大過程；相變過程。典型情況：晶粒長大過程；相變過程。 影響晶界遷移的主要要素 溶質(zhì)或雜質(zhì)原子 - 降低遷移率，與晶界偏析、晶界構(gòu)造有關(guān)。 晶界第二相顆粒 - 妨礙作用，晶界脫離第二相顆粒的 遷移是系統(tǒng)能量提高的過程需生長出這段晶界，產(chǎn) 生晶界遷移的阻力。 溫度 - 遷移率與晶界分散系數(shù)D 由Einstein 關(guān)系聯(lián)絡(luò)： 由上式知隨溫度的升高，晶界遷移率提高。 晶粒位向 - 晶界的晶粒取向差小，遷移率低。 kTDB晶界8.6 復(fù)合體系的界面結(jié)合特

15、性復(fù)合體系的界面結(jié)合特性界面相是復(fù)合資料的一個組成部分，其作用可以歸納一下界面相是復(fù)合資料的一個組成部分，其作用可以歸納一下幾個方面。幾個方面。傳送作用：界面能傳送力，即將外力傳送給加強物，起到傳送作用：界面能傳送力，即將外力傳送給加強物，起到基體和加強體之間的橋梁作用基體和加強體之間的橋梁作用阻斷作用：結(jié)適宜當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展、中斷資料破阻斷作用：結(jié)適宜當(dāng)?shù)慕缑嬗凶柚沽鸭y擴(kuò)展、中斷資料破壞、減緩應(yīng)力集中的作用壞、減緩應(yīng)力集中的作用維護(hù)作用：界面相可以維護(hù)加強體免受環(huán)境的侵蝕，防止維護(hù)作用：界面相可以維護(hù)加強體免受環(huán)境的侵蝕，防止基體與加強體之間的化學(xué)反響，起到維護(hù)加強體的作用?；w與加強體之間的化學(xué)反響，起到維護(hù)加強體的作用。本章重點本章重點1、掌握固體外表的定義、物質(zhì)的外表的類型、掌握固體外表的定義、物質(zhì)