《材料科学基础》课件之第四章----04晶体缺陷.ppt

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1、2晶体缺陷：晶体缺陷：实际晶体中与理想的点实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域；不影响晶阵结构发生偏差的区域；不影响晶体结构的基本特性，少数原子排列体结构的基本特性，少数原子排列特征发生改变，周期性势场畸变。特征发生改变，周期性势场畸变。l点缺陷：点缺陷：0维，空位、间隙原子维，空位、间隙原子 异类原子异类原子l线缺陷：一维，位错线缺陷：一维，位错l面缺陷：二维，晶界、相界、表面缺陷：二维，晶界、相界、表面面34.1 4.1 点缺陷点缺陷1. 大的置换原子；大的置换原子；2. Schottky空位空位 ；3.异类间隙原子异类间隙原子 ；4. 复合空位；复合空位； 5. Frenkel空位；

2、空位； 6.小的置换原子小的置换原子一、类型一、类型 空位空位、间隙质点间隙质点、杂质质点杂质质点41.Schottky空位：空位：原子移至表界面或者进入其他空位原子移至表界面或者进入其他空位 （离子晶体要保持电荷平衡）（离子晶体要保持电荷平衡） 52. 间隙原子：间隙原子：原子挤入结点的间隙。原子挤入结点的间隙。3. Frenkel缺陷缺陷 ：间隙原子与相应的空位统称。间隙原子与相应的空位统称。 64. 杂质缺陷：杂质缺陷：亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引亦称为组成缺陷，是由外加杂质的引入所产生的缺陷。入所产生的缺陷。 形成间隙和置换（取决于大小）形成间隙和置换（取决于大小） 尺寸、电负性差

3、异引起点阵畸变，内能升高尺寸、电负性差异引起点阵畸变，内能升高 75.离子晶体缺陷离子晶体缺陷8热振动热振动的原子，一定温度下原子热振动能量一定，的原子，一定温度下原子热振动能量一定，呈统计分布，在瞬间一些能量大的原子克服周围原呈统计分布，在瞬间一些能量大的原子克服周围原子对它的束缚，迁移至别处，形成空位。子对它的束缚，迁移至别处，形成空位。空位形成能空位形成能（EV）为形成一个空位所需能量。空）为形成一个空位所需能量。空位形成引起点阵畸变，亦会割断键力，故空位形成位形成引起点阵畸变，亦会割断键力，故空位形成需能量。需能量。热力学稳定热力学稳定：l在一定温度下，晶体中有一定平衡数量的空位和在一

4、定温度下，晶体中有一定平衡数量的空位和间隙原子，其数量可近似算出。间隙原子，其数量可近似算出。lC与与T呈指数关系，温度升高，空位浓度增大呈指数关系，温度升高，空位浓度增大l空位形成能空位形成能EV大，空位浓度小大，空位浓度小二、空位形成热力学二、空位形成热力学9平衡点缺陷平衡点缺陷:原子热振动平均动能原子热振动平均动能E=3/2KT,当能量大当能量大于激活能，则原子脱离原位置，形成缺陷。某温度下于激活能，则原子脱离原位置，形成缺陷。某温度下能量存在最小值，即缺陷平衡值。能量存在最小值，即缺陷平衡值。l点缺陷引起点阵畸变，体系内能增大点缺陷引起点阵畸变，体系内能增大l点缺陷使混乱度增大，熵增大

5、，系统能量下降点缺陷使混乱度增大，熵增大，系统能量下降 （振动熵和排列熵）（振动熵和排列熵）二者的综合效应。二者的综合效应。10过饱和点缺陷：过饱和点缺陷：缺陷数目远大于平衡值。缺陷数目远大于平衡值。l淬火空位淬火空位(不能运动至界面不能运动至界面)l辐照（高能粒子使原子离位，部分回归）辐照（高能粒子使原子离位，部分回归）l冷加工冷加工11三、点缺陷在外力作用下的运动三、点缺陷在外力作用下的运动点缺陷的产生与复合始终处于动态平衡，缺陷的相互作点缺陷的产生与复合始终处于动态平衡，缺陷的相互作用与运动是材料动力学过程的物理基础。用与运动是材料动力学过程的物理基础。l无外场作用时，缺陷的迁移运动完全

6、无序。无外场作用时，缺陷的迁移运动完全无序。l在外场（可以是力场、电场、浓度场等）作用下，缺在外场（可以是力场、电场、浓度场等）作用下，缺陷可以定向迁移。陷可以定向迁移。 传输过程（离子导电、传质等）传输过程（离子导电、传质等） 高温动力学过程（扩散、烧结、高温动力学过程（扩散、烧结、表面化学处理，均匀表面化学处理，均匀化，退火正火，时效硬化，表面氧化与烧结）化，退火正火，时效硬化，表面氧化与烧结）12力学性能：形成空位片与位错等作用，力学性能：形成空位片与位错等作用，提高强度，脆性增大。提高强度，脆性增大。物理性能：电子传导时散射增多，电阻物理性能：电子传导时散射增多，电阻增大。密度减小，体

7、积增大。增大。密度减小，体积增大。四、点缺陷与材料性能四、点缺陷与材料性能134.2 位错位错一、理想晶粒的滑移一、理想晶粒的滑移晶体塑性变形时，产生滑移，出现滑移台阶。晶体塑性变形时，产生滑移，出现滑移台阶。14理想晶体的理论切变强度理想晶体的理论切变强度 滑移临界切应力滑移临界切应力 m，是整个滑移面的原子从一个平衡位置移，是整个滑移面的原子从一个平衡位置移动到另一个平衡位置时克服能垒所需要的切应力。动到另一个平衡位置时克服能垒所需要的切应力。所施加的力必须足以使原子间的键断裂，才能产生滑移，压所施加的力必须足以使原子间的键断裂，才能产生滑移，压力大小约为力大小约为 G/30F实际晶体的滑

8、移临界切应力远小于理论值实际晶体的滑移临界切应力远小于理论值？-位错位错15位错位错：指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、：指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。长，另外二维方向上很短。TEM下的位错线下的位错线16二、位错模型二、位错模型1. 刃型位错刃型位错晶体在大于屈服值的切应力晶体在大于屈服值的切应力 作用下，以某晶面为滑移面发生滑移。作用下，以某晶面为滑移面发生滑移。晶体已滑移部分晶体已滑移部分和未滑移部分的交线和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错

9、（或棱位错）。，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。17几何特征几何特征：位错线与原子滑移方向相垂直位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周；滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。线周围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。 （） （ ） 分类分类：正刃位错，正刃位错， “ ” ；负刃位错，；负刃位错， “T” 。符号中水平线代表滑。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。移面，垂直线代表半个原子面。18l位错是滑

10、移区和未滑移区的边界，不一定是位错是滑移区和未滑移区的边界，不一定是直线，滑移方向垂直于位错线，滑移面是位错直线，滑移方向垂直于位错线，滑移面是位错线和滑移矢量所构成的唯一平面。线和滑移矢量所构成的唯一平面。l晶体形成过程中各种因素形成原子错排。晶体形成过程中各种因素形成原子错排。（空位片，局部滑移）（空位片，局部滑移）l晶体内部的半原子面破坏对称性晶体内部的半原子面破坏对称性l处于高能量状态，不稳定处于高能量状态，不稳定l不可能中断于晶体内部（表面露头，终止与不可能中断于晶体内部（表面露头，终止与晶界和相界，与其他位错相交，位错环）晶界和相界，与其他位错相交，位错环）l半原子面及周围区域统称

11、为位错半原子面及周围区域统称为位错192. 螺位错螺位错晶体在大于屈服值的切应力晶体在大于屈服值的切应力 作用下，以某晶面为滑移面发生滑移。由于位错线周围作用下，以某晶面为滑移面发生滑移。由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺位错。的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺位错。几何特征几何特征：位错线与原子滑移方向相平行位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。；位错线周围原子的配置是螺旋状的。分类分类：有左、右旋之分，它们之间符合左手、右手螺旋定则。有左、右旋之分，它们之间符合左手、右手螺旋定则。203. 混合型位错混合型位错在晶体内部已滑移

12、和未滑移部分的交线既不垂直也不在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向。平行滑移方向。位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错和螺位错分量。和螺位错分量。21三、三、Burgers矢量矢量 表示位错区域原子畸变特征（晶向和大小）的物理量表示位错区域原子畸变特征（晶向和大小）的物理量b反映了滑移区与未滑移区的边界，产生相对移动的反映了滑移区与未滑移区的边界，产生相对移动的大小和方向，即滑移矢量。大小和方向，即滑移矢量。 22刃位错刃位错b与位错线与位错线垂直垂直任意一根位错线上各点任意一根位错线上各点b相同，同一位错只有一个相

13、同，同一位错只有一个b。uvwnab 222wvunab有大小的晶向指数表示有大小的晶向指数表示模模 正正负负blbl右旋右旋bb螺位错螺位错b与位错线与位错线平行平行左旋左旋23Burgers矢量合成与分解矢量合成与分解：如果几条位错线在晶体内如果几条位错线在晶体内部相交（交点称为节点），则指向节点的各位错的伯氏矢量部相交（交点称为节点），则指向节点的各位错的伯氏矢量之和，必然等于离开节点的各位错的伯氏矢量之和之和，必然等于离开节点的各位错的伯氏矢量之和 。231213outinbbbbbOIIIIII1b2b3b1b2b3b24四、位错密度四、位错密度体密度：体密度：=S/V,单位体积内位

14、错线总长度（单位体积内位错线总长度（m/m3）面密度：面密度：=n/A,单位面积内位错线总根数（单位面积内位错线总根数（1/m2）u超纯金属：超纯金属：109-1010 m/m3u晶须：晶须：10 m/cm325五、位错的运动五、位错的运动 位错只有在切应力的作用下进行滑移。位错只有在切应力的作用下进行滑移。位错的滑移：位错的滑移：指位错在外力作用下，在滑移面上的指位错在外力作用下，在滑移面上的运动，结果导致永久形变。运动，结果导致永久形变。位错的攀移：位错的攀移：指在热缺陷的作用下，刃位错在垂直指在热缺陷的作用下，刃位错在垂直滑移的方向运动，结果导致空位或间隙原子的增值滑移的方向运动，结果导

15、致空位或间隙原子的增值或减少。或减少。261. 位错的滑移位错的滑移位错在滑移时是通过位错线或位错附近的原位错在滑移时是通过位错线或位错附近的原子逐个移动很小的距离完成的子逐个移动很小的距离完成的27刃位错的运动刃位错的运动28螺位错的运动螺位错的运动29混合位错的运动混合位错的运动30位错的滑移特点位错的滑移特点刃位错滑移方向与外力刃位错滑移方向与外力 及伯氏矢量及伯氏矢量b平行；平行；螺位错滑移方向与外力螺位错滑移方向与外力 及伯氏矢量及伯氏矢量b垂直；垂直；混合位错滑移方向与外力混合位错滑移方向与外力 及伯氏矢量及伯氏矢量b成一成一定角度（即沿位错线法线方向滑移）；定角度（即沿位错线法线

16、方向滑移）；晶体的滑移方向与外力晶体的滑移方向与外力 及位错的伯氏矢量及位错的伯氏矢量b相一致，但并不一定与位错的滑移方向相同相一致，但并不一定与位错的滑移方向相同312. 位错滑移作用力位错滑移作用力把各种力简化为沿位错运动方向的力。把各种力简化为沿位错运动方向的力。切应力对位错做功：切应力对位错做功：dw=(dsdl)b=Fds单位长度位错受力单位长度位错受力：Fd=b垂直于位错线，指向位错运动方向。垂直于位错线，指向位错运动方向。代替切应力。代替切应力。32（a）正攀移（半原子）正攀移（半原子面缩短）面缩短）(b)未攀移未攀移（c）负攀移（半）负攀移（半原子面伸长）原子面伸长）3. 位错

17、的攀移位错的攀移333. 位错的攀移位错的攀移正攀移（半原子面缩短）正攀移（半原子面缩短）未攀移未攀移负攀移（半原子面伸长）负攀移（半原子面伸长）34攀移的实质攀移的实质：通过原子通过原子扩散扩散实现半原子面的向上实现半原子面的向上（正）向下（负）移动，多余半原子面的伸长或缩（正）向下（负）移动，多余半原子面的伸长或缩短，位错线随之运动，运动方向垂直于短，位错线随之运动，运动方向垂直于b。螺位错没有多余半原子面，故无攀移运动。螺位错没有多余半原子面，故无攀移运动。 由于原子是逐个加入，所以位错线在攀移过程中存由于原子是逐个加入，所以位错线在攀移过程中存在很多割阶。在很多割阶。只有在高温下才可能

18、发生只有在高温下才可能发生:蠕变、回复、单晶拉制蠕变、回复、单晶拉制攀移作用力攀移作用力bFd35六、位错应变能六、位错应变能位错原子偏移正常位置，产生畸变应力，位错原子偏移正常位置，产生畸变应力，处于高能量状态，但偏移量很小，晶格为弹处于高能量状态，但偏移量很小，晶格为弹性应变。性应变。位错心部应变较大，超出弹性范围，位错心部应变较大，超出弹性范围，但这部分能量所占比例较小，但这部分能量所占比例较小，10%，可以近似忽略。，可以近似忽略。36假设：假设：1. 完全服从虎克定律，即不存在塑性变形完全服从虎克定律，即不存在塑性变形2. 各向同性各向同性3. 连续介质，不存在结构间隙连续介质，不存

19、在结构间隙E1. 理论基础：理论基础：连续弹性介质模型连续弹性介质模型21VU21VU单位体积弹性能：单位体积弹性能：37 2.螺位错应变能螺位错应变能取微元环取微元环r，厚度，厚度dr，总的剪切应变大小为，总的剪切应变大小为b，均匀分布在整个周长上均匀分布在整个周长上各点切应变：各点切应变： 切应力：切应力： rb2rGb221VUrbrGbdu2221微元环：微元环：rdrLrbrGbdU22221101022221rrrrsrdrLrbrGbdUU012ln4rrGbUs单位长度螺位错：单位长度螺位错：383.刃位错应变能刃位错应变能012ln)1(4rrGbUE2aGbU 简写为：简写

20、为：a=0.5(/)1.0() 高位错能储存在晶体内，驱动位错反应，与其他缺陷作用高位错能储存在晶体内，驱动位错反应，与其他缺陷作用 39七、位错线张力七、位错线张力2aGbT 位错具有应变能，具有自我降低的趋势，位错具有应变能，具有自我降低的趋势，使位错线自动缩短至直线的趋势。类似使位错线自动缩短至直线的趋势。类似于在位错线两端施加了线张力。于在位错线两端施加了线张力。线张力线张力T（N）和位错能和位错能U(Jm-1)在数值在数值上相等，表现形式不同。上相等，表现形式不同。单根位错趋于直线保持最短长度。单根位错趋于直线保持最短长度。多根位错结点处线张力平衡，呈空间网络状。多根位错结点处线张力

21、平衡，呈空间网络状。弯曲时一定有力的作用。弯曲时一定有力的作用。40弯曲位错一定受到外力的作用，并且外力与线张力平衡2sin2dTbds RGbRaGb2与曲率成反比与曲率成反比41八、位错应力场及交互作用八、位错应力场及交互作用1. 位错应力场位错应力场螺位错螺位错：纯剪切：纯剪切 、应变径向对称、且与到、应变径向对称、且与到 中心距离成反比中心距离成反比0zyx)(2)(2022z22zyxxGbyxyGbyxxy位错存在应力场，使其他缺陷运动，产生交互作用，位错存在应力场，使其他缺陷运动，产生交互作用，降低系统能量。降低系统能量。l能量：体系稳定程度和变化趋势能量：体系稳定程度和变化趋势

22、l力：体系变化途径和变化过程力：体系变化途径和变化过程42刃位错刃位错：插入半原子面，位错上方，原子间距变小，：插入半原子面，位错上方，原子间距变小，产生压应变，下方原子间距变大，拉应变。过渡处产生压应变，下方原子间距变大，拉应变。过渡处切应变，滑移面处有最大切应力，正应力为切应变，滑移面处有最大切应力，正应力为0。 xyo22222)()3()1 (2yxyxyGbx22222)()()1 (2yxyxyGby)(zyx22222)()()1 (2yxyxxGbxy0zyzx432. 位错与点缺陷位错与点缺陷n溶质大原子，周围原子受压，溶质小原子，周围溶质大原子，周围原子受压，溶质小原子，周

23、围原子受拉。存在应力，与位错交互作用。与刃位错原子受拉。存在应力，与位错交互作用。与刃位错作用明显。作用明显。n大原子聚集在刃位错下方，小原子在上方，溶质大原子聚集在刃位错下方，小原子在上方，溶质原子和位错对周围原子的应力场互相抵消，能量降原子和位错对周围原子的应力场互相抵消，能量降低。符合热力学条件。低。符合热力学条件。n溶质原子中间隙原子（溶质原子中间隙原子（C、N）尺寸小，扩散能力）尺寸小，扩散能力强，交互作用明显。符合动力学条件。强，交互作用明显。符合动力学条件。n溶质原子与位错交互作用，在位错周围偏聚的现溶质原子与位错交互作用，在位错周围偏聚的现象，成为气团（象，成为气团（Cottr

24、ell气团等）气团等） ，钉扎位错。，钉扎位错。n交互作用使系统能量降低，位错稳定性升高，不交互作用使系统能量降低，位错稳定性升高，不易开动，抗塑性变性能力提高。易开动，抗塑性变性能力提高。443. 位错交互作用位错交互作用rbGbFd221螺位错：螺位错：同号位错相互排斥，异号位同号位错相互排斥，异号位错相互吸引，互毁。错相互吸引，互毁。刃位错：刃位错：平行于滑移面与螺位错一致，垂直滑移面时相反平行于滑移面与螺位错一致，垂直滑移面时相反 位错墙位错墙：同号位错在垂直于滑移面的：同号位错在垂直于滑移面的方向上排列，上下位错拉、压应力场方向上排列，上下位错拉、压应力场重叠部分抵消，降低系统能量，

25、形成重叠部分抵消，降低系统能量，形成稳定排列方式稳定排列方式 。45九、位错反应九、位错反应合成与分解合成与分解由于位错间相互作用力的存在，使得位错之间有可能发生由于位错间相互作用力的存在，使得位错之间有可能发生相互转化或相互作用，以使能量降低，此即位错反应。相互转化或相互作用，以使能量降低，此即位错反应。后前bb22后前bb几何条件：几何条件：三维方向矢量和相同三维方向矢量和相同能量条件：能量降低，反应的驱动力能量条件：能量降低，反应的驱动力1. 反应条件反应条件462. 实际晶体实际晶体bu全位错：全位错：b等于点阵矢量的位错等于点阵矢量的位错 fcc:a/2; bcc:a/2; hcp:

26、a/3u不全位错：不全位错：b小于点阵矢量的位错，从一个原子到某结点小于点阵矢量的位错，从一个原子到某结点 fcc:a/6,a/3bcc:a/3,a/8hcp:c/2 473. 面心立方晶体全位错分解面心立方晶体全位错分解滑移面滑移面111 上的上的a/2可以分解为两个可以分解为两个a/6分位错分位错a/2110 a/6121+ a/6211 a/6分位错在面心立分位错在面心立方晶体塑性变形中有重要方晶体塑性变形中有重要作用，称为：作用，称为：Schockly分分位错位错 4812161:11261:10121:21bbbABCABCABC全位错滑移全位错滑移ABCACCABC不全位错滑移不全

27、位错滑移堆垛层错堆垛层错C49扩展位错平衡宽度扩展位错平衡宽度d:层错能和位错对斥力综合作用层错能和位错对斥力综合作用 221bGbd unslippedunfaultedslipped(faulted) zones 121 6111261IIIIII1b2b扩展位错：一对不全位扩展位错：一对不全位错以及中间层错之和。错以及中间层错之和。504.3 4.3 晶体中的界面晶体中的界面 面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方陷，即缺

28、陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、相界、堆垛层错、表面等。向上很小。如晶界、相界、堆垛层错、表面等。51多晶体中空间取向或位向不同的相邻晶粒之间的界面。多晶体中空间取向或位向不同的相邻晶粒之间的界面。1. 晶界晶界l小角度晶界小角度晶界：位相差：位相差10。 2-3个原子厚的过渡层，原子排列无序稀疏。个原子厚的过渡层，原子排列无序稀疏。 54l孪晶：孪晶：晶体沿某公共晶面（孪晶面）构成镜面对称晶体沿某公共晶面（孪晶面）构成镜面对称。55l晶界能晶界能：晶界位置由原子偏离产生的高出晶粒：晶界位置由原子偏离产生的高出晶粒内部的能量。内部的能量。小角度晶界随位错能改变小角度晶界随位

29、错能改变大角度晶界为与材料本身相关的常数。与位相关系不大。大角度晶界为与材料本身相关的常数。与位相关系不大。)ln()1 (4BGbG56572. 晶体相界晶体相界具有不同晶体结构的两相之间的界面。具有不同晶体结构的两相之间的界面。 失配度失配度，0.25非共格，其间为部分共格非共格，其间为部分共格 583.堆垛层错堆垛层错指正常堆垛顺序中引入不正常顺序堆垛的原子面而指正常堆垛顺序中引入不正常顺序堆垛的原子面而产生的一类面缺陷产生的一类面缺陷(以下简称层错以下简称层错)抽出型抽出型(或内禀或内禀)层错层错插入型插入型(或外禀或外禀)层错层错594. 晶体表面晶体表面晶体表面原子弛豫和重构，产生

30、偶极矩，晶体表面原子弛豫和重构，产生偶极矩，活性强，形成吸附（物理和化学）、高能活性强，形成吸附（物理和化学）、高能态、表面密排、各向异性、元素偏聚和贫态、表面密排、各向异性、元素偏聚和贫化等现象。化等现象。 表面表面:表面是指固体与真空的界面。表面是指固体与真空的界面。界面界面:相邻两个结晶空间的交界面。相邻两个结晶空间的交界面。60n理想表面理想表面d忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，忽略了表忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，忽略了表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等，忽略了外界对表面的物面原子的热运动、热扩散和热缺陷等，忽略了外界对表面的物理化学作用等，理论上结构完

31、整的二维点阵平面。理化学作用等，理论上结构完整的二维点阵平面。原子的位置及其结构的周期性，与晶体内部完全一样。原子的位置及其结构的周期性，与晶体内部完全一样。61n清洁表面清洁表面不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。物理化学效应的表面。l化学组成与体内相同化学组成与体内相同l周期结构可以与体内不同周期结构可以与体内不同根据表面原子的排列，清洁表面又可分为根据表面原子的排列，清洁表面又可分为台阶表面、弛豫表面、重构表面台阶表面、弛豫表面、重构表面等。等。62p台阶表面台阶表面 ：台阶表面不是一个平面，是由有规台阶表面不是一个平面，是由有规则

32、的或不规则的台阶所组成的表面，由密排面构成则的或不规则的台阶所组成的表面，由密排面构成112111110(001)周期周期Pt（557）有序原子台阶表面）有序原子台阶表面63p弛豫表面弛豫表面 ：由于固相的三维周期性在固体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表面处突然中断，表面上原子产生的相对于正常位置存在上、下位移置存在上、下位移d0d64p重构表面：重构表面：表面原子层在水平方向上的周期性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相同不同于体内，但垂直方向的层间距则与体内相同d0d0asa65n吸附表面吸附表面也称界面，它是在清洁

33、表面上有来自也称界面，它是在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。表面。根据原子在基底上的吸附位置，一般根据原子在基底上的吸附位置，一般可分为四种吸附情况，即顶吸附、桥可分为四种吸附情况，即顶吸附、桥吸附、填充吸附和中心吸附等。吸附、填充吸附和中心吸附等。 66n固体的表面自由能和表面张力固体的表面自由能和表面张力与液体相比：与液体相比：固体的表面自由能中包含了弹性能。表面张固体的表面自由能中包含了弹性能。表面张力在数值上不等于表面自由能；力在数值上不等于表面自由能；固体的表面张力是

34、各向异性的。固体的表面张力是各向异性的。实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，决定固体表面形态的主要是形成固体表面时决定固体表面形态的主要是形成固体表面时的条件以及它所经历的历史。的条件以及它所经历的历史。固体的表面自由能和表面张力的测定困难。固体的表面自由能和表面张力的测定困难。 675. 5. 润湿与粘附润湿与粘附n润湿润湿是一种流体从固体表面置换另一是一种流体从固体表面置换另一种流体的过程。种流体的过程。l最常见的润湿现象是一种液体从固体最常见的润湿现象是一种液体从固体表面置换空气，如水在玻璃表面置换空表面置换空气，如水在玻璃表面置换空气并展开。气并

35、展开。l1930年年Osterhof和和Bartell把润湿现象把润湿现象分成分成沾湿、浸湿和铺展沾湿、浸湿和铺展三种类型。三种类型。68p 沾湿沾湿：液体在固体表面上的粘附液体在固体表面上的粘附SLv沾湿的粘附功沾湿的粘附功Wa：Wa0， 则（则（G）TP0，沾湿过，沾湿过程可自发进行程可自发进行其粘附功总是大于零，不管对什其粘附功总是大于零，不管对什么液体和固体沾湿过程总是可自么液体和固体沾湿过程总是可自发进行的发进行的69p浸湿浸湿SVL浸润功浸润功WiSLSViGW只有固体的表面自由能比固只有固体的表面自由能比固一液的界面自由能大时浸湿一液的界面自由能大时浸湿过程才能自发进行过程才能自

36、发进行70p铺展铺展：恒温恒压下，置于固体表面的液滴在固体表恒温恒压下，置于固体表面的液滴在固体表面上自动展开形成液膜，则称此过程为铺展润湿。面上自动展开形成液膜，则称此过程为铺展润湿。铺展系数铺展系数SL/SLVSLSVSLGS/caLVSLLVSVWWS2Wc是液体的内聚功是液体的内聚功只要液体对固体的粘附功大于只要液体对固体的粘附功大于液体的内聚功，液体即可在固液体的内聚功，液体即可在固体表面自发展开体表面自发展开SVL71n接触角和接触角和 Young方程方程SVLSVLVSL平面固体上液滴受三个界面张平面固体上液滴受三个界面张力的作用达到平衡：力的作用达到平衡：cosLVSLSVLV

37、SLSVcosYoung方程方程72铺展：铺展：粘湿：粘湿：浸湿：浸湿：0)cos1 (LVaGW0Wa01800cosLViGW0900Wi) 1(cosLVGS=0或不存在，或不存在，S0对同一对液体和固体，在不同的润湿过程中，其润湿条件是对同一对液体和固体，在不同的润湿过程中，其润湿条件是不同的。对于浸湿过程，不同的。对于浸湿过程，=90完全可作为润湿和不润湿的完全可作为润湿和不润湿的界限；界限；90，则不润湿。但对于铺展，则不润湿。但对于铺展，则这个界限不适用。则这个界限不适用。73SVLS沾湿沾湿浸湿浸湿铺展铺展74p表面粗糙度的影响表面粗糙度的影响Wenze1方程，式中方程，式中r

38、为粗糙因子，也就是真实面积与表观面为粗糙因子，也就是真实面积与表观面积之比，总大于积之比，总大于1cos)(LVSLSVrLVSLSVr)(coscoscosr90时，时，润湿前提下，粗糙化后，润湿前提下，粗糙化后变小，更易为变小，更易为液体所润湿液体所润湿90时，时， ，不润湿的前提下，表面粗糙化后，不润湿的前提下，表面粗糙化后变大，变大，更不易为液体所润湿。更不易为液体所润湿。75粘附通常是发生在固液界面上的行为，决定条件：粘附通常是发生在固液界面上的行为，决定条件：润湿性润湿性 ：粘附面充分润湿是保证粘附处致密和强粘附面充分润湿是保证粘附处致密和强度的前提，润湿愈好粘附也愈好度的前提，润湿愈好粘附也愈好粘附功（粘附功（W）：）：把单位粘附界面拉开所需的功，粘把单位粘附界面拉开所需的功，粘附功数值越大，说明将液体从固体表面拉开，需要附功数值越大，说明将液体从固体表面拉开，需要耗费的能量越大，即互相结合牢固耗费的能量越大，即互相结合牢固粘附面的界面张力粘附面的界面张力SL ：界面张力的大小反映界面界面张力的大小反映界面的热力学稳定性。的热力学稳定性。SL越小，粘附界面越稳定，粘附越小，粘附界面越稳定，粘附力也越大。力也越大。相溶性或亲和性相溶性或亲和性 ：指两者润湿时自由能变化指两者润湿时自由能变化dG0。因此相溶性越好，粘附也好。因此相溶性越好，粘附也好。