无机材料科学基础表面与界面学习教案.pptx

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1、会计学1无机材料科学基础无机材料科学基础(jch)表面与界面表面与界面第一页，共114页。固体表面固体表面固体表面固体表面(bi(bi omin)omin)的特征的特征的特征的特征1、固相表面的不均一性、固相表面的不均一性（1）由于晶体是各向异性的，因而同一个晶体）由于晶体是各向异性的，因而同一个晶体可以有许多性能不同的表现。可以有许多性能不同的表现。（2）同一种固体物质由于制备和加工条件不同）同一种固体物质由于制备和加工条件不同也会有不同的表现性质。也会有不同的表现性质。（3）实际晶体的表面由于晶格缺陷，空位或位）实际晶体的表面由于晶格缺陷，空位或位错，而造成错，而造成(zochn)表面的不

2、均一性。表面的不均一性。（4）由于表面会吸附外来原子而引起固体表面）由于表面会吸附外来原子而引起固体表面的不均一性。的不均一性。固体表面的不均一性，使固体表面的性质悬殊较大，从而增加了固体表面结构和性质研究固体表面的不均一性，使固体表面的性质悬殊较大，从而增加了固体表面结构和性质研究(ynji)的难度。的难度。2第2页/共114页第二页，共114页。由由于于固固体体表表面面质质点点排排列列的的周周期期(zhuq)重重复复性性中中断断，使使处处于于表表面面边边界界上上的的质质点点力力场对称性破坏，表现出剩余的键力，这就是固体表面力场。场对称性破坏，表现出剩余的键力，这就是固体表面力场。在在晶晶体

3、体内内部部，质质点点处处在在一一个个对对称称力力场场中中。但但在在晶晶体体表表面面，质质点点排排列列的的周周期期(zhuq)性性重重复复中中断断，表表面面上上的的质质点点一一方方面面受受到到内内部部质质点点的的作作用用，另另一一方方面面又又受受到到性性质质不不同同的的另另一一相相中中物物质质分分子子（原原子子）的的作作用用，使使表表面面质质点点的的力力场场对对称称性性被被破破坏坏，表表现现出出剩剩余余的的键键力力，这就是固体表面力的来源。这就是固体表面力的来源。表面力可分为：范德华力、长程力、静电力、毛细管表面力、接触力等。表面力可分为：范德华力、长程力、静电力、毛细管表面力、接触力等。2、表

4、面、表面(biomin)力场力场3第3页/共114页第三页，共114页。4（1 1）范范范范德德德德华华华华力力力力是是是是固固固固体体体体表表表表面面面面产产产产生生生生物物物物理理理理吸吸吸吸附附附附和和和和气气气气体体体体凝凝凝凝聚聚聚聚的的的的原原原原因因因因，与与与与液液液液体体体体内内内内压压压压、表表表表面面面面张张张张力力力力、蒸蒸蒸蒸气气气气压压压压、蒸蒸蒸蒸发发发发热热热热等等等等性性性性质质质质密密密密切切切切相相相相关关关关。（主要来源于三种不同的力）（主要来源于三种不同的力）（主要来源于三种不同的力）（主要来源于三种不同的力）a)a)定定定定向向向向作作作作用用用用力

5、力力力（静静静静电电电电力力力力）极极极极性性性性分分分分子子子子的的的的永永永永久久久久(y(y ngjingji)偶偶偶偶极极极极矩矩矩矩之间的相互静电作用；之间的相互静电作用；之间的相互静电作用；之间的相互静电作用；位能：位能：位能：位能：作用力：作用力：作用力：作用力：f=dE/dr f=dE/dr r-7r-7b)b)诱诱诱诱导导导导力力力力发发发发生生生生在在在在永永永永久久久久(y(y ngjingji)偶偶偶偶极极极极矩矩矩矩（极极极极性性性性分分分分子子子子）与与与与诱诱诱诱导导导导偶极矩（非极性分子）间的相互作用；偶极矩（非极性分子）间的相互作用；偶极矩（非极性分子）间的相

6、互作用；偶极矩（非极性分子）间的相互作用；位能：位能：位能：位能：作用力：作用力：作用力：作用力：f=dE/dr f=dE/dr r-7 r-7u永久偶极矩；永久偶极矩；r分子分子(fnz)间距；间距；k波兹曼常数；波兹曼常数；T温度。温度。u极性分子极性分子(fnz)的永久偶的永久偶极矩；极矩；非极性分子非极性分子(fnz)的极化的极化率。率。第4页/共114页第四页，共114页。5c)c)色色色色散散散散力力力力（分分分分散散散散作作作作用用用用力力力力）非非非非极极极极性性性性分分分分子子子子的的的的瞬瞬瞬瞬变变变变偶偶偶偶极极极极矩矩矩矩之之之之间间间间的的的的相相相相互作用；互作用；

7、互作用；互作用；位能：位能：位能：位能：作用力：作用力：作用力：作用力：f=dE/dr f=dE/dr r-7r-7范德华力的特点：范德华力的特点：范德华力的特点：范德华力的特点：普遍存在于分子间，对于不同普遍存在于分子间，对于不同普遍存在于分子间，对于不同普遍存在于分子间，对于不同(b tn(b tn)物质，三者不均等；物质，三者不均等；物质，三者不均等；物质，三者不均等；分分分分子子子子引引引引力力力力的的的的大大大大小小小小与与与与r7r7成成成成反反反反比比比比，即即即即随随随随r r增增增增大大大大，作作作作用用用用力力力力f f急急急急剧剧剧剧减减减减小小小小，说说说说明分子间引力

8、范围很小，约明分子间引力范围很小，约明分子间引力范围很小，约明分子间引力范围很小，约0.3-0.5nm0.3-0.5nm。h普朗克常数；普朗克常数；非极性分子非极性分子(fnz)的极化率；的极化率；0分子分子(fnz)内的振动频率。内的振动频率。第5页/共114页第五页，共114页。6（2 2）长程力）长程力）长程力）长程力按作用原理分为二类：按作用原理分为二类：按作用原理分为二类：按作用原理分为二类：靠离子间的电场传播而产生的力（如色散力）；靠离子间的电场传播而产生的力（如色散力）；靠离子间的电场传播而产生的力（如色散力）；靠离子间的电场传播而产生的力（如色散力）；由一个分子到另一个分子逐个

9、传播而达到由一个分子到另一个分子逐个传播而达到由一个分子到另一个分子逐个传播而达到由一个分子到另一个分子逐个传播而达到(d do)(d do)长距离的作用力。（长程力实际上是一种化学力，长距离的作用力。（长程力实际上是一种化学力，长距离的作用力。（长程力实际上是一种化学力，长距离的作用力。（长程力实际上是一种化学力，由于固体表面存在断键，质点键力不饱和，处于由于固体表面存在断键，质点键力不饱和，处于由于固体表面存在断键，质点键力不饱和，处于由于固体表面存在断键，质点键力不饱和，处于高能介稳状态，从而产生吸附、粘附等现象，而高能介稳状态，从而产生吸附、粘附等现象，而高能介稳状态，从而产生吸附、粘

10、附等现象，而高能介稳状态，从而产生吸附、粘附等现象，而释放能量。长程力比范德华力强。）释放能量。长程力比范德华力强。）释放能量。长程力比范德华力强。）释放能量。长程力比范德华力强。）长程力是通过某种方式加和传播产生的，其本质仍属长程力是通过某种方式加和传播产生的，其本质仍属长程力是通过某种方式加和传播产生的，其本质仍属长程力是通过某种方式加和传播产生的，其本质仍属范氏力。范氏力。范氏力。范氏力。第6页/共114页第六页，共114页。（3）静电力：在二相表面）静电力：在二相表面(biomin)间产生的库仑作用力。一个不带电的颗粒，只要它的介电常数间产生的库仑作用力。一个不带电的颗粒，只要它的介电

11、常数比周围的介质大，就会被另一个带电颗粒吸引。比周围的介质大，就会被另一个带电颗粒吸引。（4）毛细管表面）毛细管表面(biomin)力：在二个表面力：在二个表面(biomin)间存在液相时产生的一种引力。粉体表面间存在液相时产生的一种引力。粉体表面(biomin)吸水并产生毛细管力，会立即粘结成块。吸水并产生毛细管力，会立即粘结成块。（5）接触力：短程表面）接触力：短程表面(biomin)力也称接触力，是表面力也称接触力，是表面(biomin)间距离非常近时，表面间距离非常近时，表面(biomin)上的原子之间形成化学键或氢键。上的原子之间形成化学键或氢键。表面表面(biomin)力对材料工程

12、有重要影响：如，陶瓷烧结。力对材料工程有重要影响：如，陶瓷烧结。7第7页/共114页第七页，共114页。5-1 5-1 5-1 5-1 晶体表面的形貌晶体表面的形貌晶体表面的形貌晶体表面的形貌(xn(xn(xn(xn mo)mo)mo)mo)与结构与结构与结构与结构5.1.1 晶体表面(biomin)的形貌晶体的各向异性：不同晶面上原子晶体的各向异性：不同晶面上原子(yunz)(yunz)的密度、配位数及键角不同，因而不同晶面的吸附性、生长、溶解度及反应活性各不相同。的密度、配位数及键角不同，因而不同晶面的吸附性、生长、溶解度及反应活性各不相同。暴露在外的晶面一般是表面能较低的密排低指数晶面。

13、暴露在外的晶面一般是表面能较低的密排低指数晶面。8第8页/共114页第八页，共114页。邻位面：表面邻位面：表面(bi(biomin)omin)略微偏离低指数面的晶面略微偏离低指数面的晶面粗糙面：远离粗糙面：远离(yu(yun l)n l)低指数面的晶面低指数面的晶面平台：平台：密排低指数晶面，其取向和完整的密排低指数面的密排低指数晶面，其取向和完整的密排低指数面的取向一致。晶体表面对密排低指数面的偏离通过平行于密取向一致。晶体表面对密排低指数面的偏离通过平行于密排方向的台阶以及沿台阶的扭折来实现。排方向的台阶以及沿台阶的扭折来实现。9第9页/共114页第九页，共114页。5.1.2 晶体(j

14、ngt)表面的结构微观（原子微观（原子(yunz)尺度的超细结构）和宏观（表面几何状态）尺度的超细结构）和宏观（表面几何状态）（1 1）晶体表面的微细结构（离子晶体）晶体表面的微细结构（离子晶体）晶体中质点的周期性排列在表面中断晶体中质点的周期性排列在表面中断理想表面（实际上不存在）理想表面（实际上不存在）非理想表面（理想表面能量高，需释放过剩能量）。非理想表面（理想表面能量高，需释放过剩能量）。实际表面：表面力。液体会通过形成球形来缩小表面积，降低表面能；晶体的质点不能自由实际表面：表面力。液体会通过形成球形来缩小表面积，降低表面能；晶体的质点不能自由(zyu)(zyu)移动，只能借助离子极

15、化、变形、重排并引起晶格畸变来降低表面能。移动，只能借助离子极化、变形、重排并引起晶格畸变来降低表面能。维尔威（维尔威（VerweyVerwey）晶体表面结构学说）晶体表面结构学说:新形成的理想表面由于周期性重复排列中断而具有很高的表面能，体系不稳定，通过自发地变化，来降低能量而趋于稳定。新形成的理想表面由于周期性重复排列中断而具有很高的表面能，体系不稳定，通过自发地变化，来降低能量而趋于稳定。10（2 2）变化过程变化过程驰豫驰豫（极化变形，降低表面能）和（极化变形，降低表面能）和重构重构（离子重排，进一步降低表面能）。离子重排，进一步降低表面能）。第10页/共114页第十页，共114页。驰

16、豫表面示意图 表面驰豫：表面驰豫：晶体结构基本相同，但点晶体结构基本相同，但点阵参数略有差异，特别是反映在平行于表阵参数略有差异，特别是反映在平行于表面几个原子层间距的变化，即所谓的法向面几个原子层间距的变化，即所谓的法向驰豫，引起晶面上原子在法线方向上发生驰豫，引起晶面上原子在法线方向上发生收缩或膨胀。收缩或膨胀。重构表面示意图 表面重构：表面重构：使得表面结构与内使得表面结构与内部结构发生差异，在平行基底的表部结构发生差异，在平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显面上，原子的平移对称性与体内显著不同。著不同。驰豫：表面质点通过电子云极化变形来降低驰豫：表面质点通过电子云极化变形来降低(

17、jingd)(jingd)表面能的过表面能的过程。程。11第11页/共114页第十一页，共114页。12（3）离离子子(lz)晶晶体体的的表表面面弛弛豫豫和和重构重构 根据根据Verwey晶体晶体(jngt)表面结构学说：表面结构学说：新形成的理想表面，如图新形成的理想表面，如图5-6（A）。由于周期性重复排列中断）。由于周期性重复排列中断而具有很大表面能，体系不稳定，自发地变化（离子极化、变而具有很大表面能，体系不稳定，自发地变化（离子极化、变形形(bin xng)、重排、晶格畸变），降低表面能而趋于稳定。、重排、晶格畸变），降低表面能而趋于稳定。这种变化包括二个过这种变化包括二个过程程弛豫

18、（松弛）弛豫（松弛）和重构（重排）。和重构（重排）。图图5-6第12页/共114页第十二页，共114页。13 弛弛弛弛豫豫豫豫是是是是一一一一个个个个极极极极化化化化变变变变形形形形过过过过程程程程，在在在在瞬瞬瞬瞬间间间间(shn(shn jin)jin)完完完完成成成成，其其其其结结结结果果果果是是是是表表表表面面面面负负负负离离离离子子子子的的的的电电电电子子子子云云云云被被被被拉拉拉拉向向向向内内内内侧侧侧侧正正正正离离离离子子子子一一一一方方方方而而而而极极极极化化化化变变变变形形形形，改改改改变变变变了了了了表表表表面面面面层层层层的的的的键键键键性性性性。图图图图5-5-6(B)

19、6(B)所示；所示；所示；所示；重构重构极化变形的后续过程。极化变形的后续过程。从晶格点阵排列的稳定从晶格点阵排列的稳定(wndng)性考性考虑，作用力大而变形小的正离子处于虑，作用力大而变形小的正离子处于稳定稳定(wndng)的晶格位置，并且各离的晶格位置，并且各离子周围作用能趋于对称，所以正离子子周围作用能趋于对称，所以正离子向内部靠拢。向内部靠拢。负离子受诱导负离子受诱导(yudo)极化偶极子排斥，被推向外侧，形成表面双电层，如图极化偶极子排斥，被推向外侧，形成表面双电层，如图5-6（C）。）。第13页/共114页第十三页，共114页。14 以以以以NaClNaCl（100100）面为例

20、）面为例）面为例）面为例(维尔威维尔威维尔威维尔威VerweyVerwey的计算结果的计算结果的计算结果的计算结果)：Cl-Cl-离离离离子子子子被被被被极极极极化化化化变变变变形形形形，结结结结果果果果使使使使表表表表面面面面负负负负电电电电场场场场(din(din chch ng)ng)减减减减弱弱弱弱，为为为为使使使使质质质质点点点点稳稳稳稳定定定定，要要要要发发发发生生生生重重重重排排排排Na+Na+离离离离子子子子向向向向内内内内侧侧侧侧移移移移动动动动,Cl-Cl-离离离离子子子子向向向向外外外外侧侧侧侧移移移移动动动动，使使使使正正正正负负负负力力力力场场场场都都都都相相相相对对

21、对对减减减减弱弱弱弱（表表表表面面面面能能能能降降降降低低低低），表表表表面面面面被被被被负负负负离离离离子子子子所所所所屏屏屏屏蔽蔽蔽蔽，表表表表面面面面层上形成非化学计量，化学键由离子键过渡为共价键。层上形成非化学计量，化学键由离子键过渡为共价键。层上形成非化学计量，化学键由离子键过渡为共价键。层上形成非化学计量，化学键由离子键过渡为共价键。由图由图5-6可见，表面离子重排后：可见，表面离子重排后：正离子的配位数下降，由正离子的配位数下降，由65；表面形成厚度为表面形成厚度为0.02nm的双电层；的双电层；晶体表面好象被一层负离子所屏蔽。晶体表面好象被一层负离子所屏蔽。在在NaCl（100

22、）面，这种极化变形）面，这种极化变形(binxng)范围约范围约5层，越向内，作用层，越向内，作用越弱。越弱。第14页/共114页第十四页，共114页。15一般地，由半径大的负离子和半径小的正离子组成的化合物（如：一般地，由半径大的负离子和半径小的正离子组成的化合物（如：一般地，由半径大的负离子和半径小的正离子组成的化合物（如：一般地，由半径大的负离子和半径小的正离子组成的化合物（如：Al2O3Al2O3、SiO2SiO2、ZrO2ZrO2等）都有这种效应等）都有这种效应等）都有这种效应等）都有这种效应(xioyng)(xioyng)表面被一层负离子所屏表面被一层负离子所屏表面被一层负离子所屏

23、表面被一层负离子所屏蔽。但不同物质在不同方向上，这种松弛与重排的程度不同。如：表蔽。但不同物质在不同方向上，这种松弛与重排的程度不同。如：表蔽。但不同物质在不同方向上，这种松弛与重排的程度不同。如：表蔽。但不同物质在不同方向上，这种松弛与重排的程度不同。如：表4-4-2 2所列某些晶体的表面能与硬度值。所列某些晶体的表面能与硬度值。所列某些晶体的表面能与硬度值。所列某些晶体的表面能与硬度值。这是因为这是因为Pb+和和I-都具有都具有(jyu)很大的极化性能，形成的双电层很大的极化性能，形成的双电层厚，使其表面能和硬度都降低；厚，使其表面能和硬度都降低；而而Ca2+和和F-极化性能都较小，所极化

24、性能都较小，所以其表面能和硬度都较大。以其表面能和硬度都较大。PbI2PbF2 宽宽宽宽度度度度的的的的微微微微裂裂裂裂纹纹纹纹壁壁壁壁面面面面，不不不不封封封封闭闭闭闭的的的的孔孔孔孔洞洞洞洞（不不不不包括内部封闭气泡）；包括内部封闭气泡）；包括内部封闭气泡）；包括内部封闭气泡）；外表面外表面外表面外表面裂纹的深度裂纹的深度裂纹的深度裂纹的深度 界面上原子的能界面上原子的能量量 晶体内部相同原子的能量晶体内部相同原子的能量相界能=弹性畸变能+化学交互作用能取决于适配度取决于化学键结合情况37第37页/共114页第三十七页，共114页。5.3.3 多晶体的晶界构型 陶瓷材料陶瓷材料(cilio

25、)(cilio)：多相的多晶材料：多相的多晶材料(cilio)(cilio)，包括气相、玻璃相和晶相。，包括气相、玻璃相和晶相。晶界构形：多晶体中晶界的形状、构造和分布，也称为多晶体的织构。由晶界处界面张力的相互关系决定。晶界构形：多晶体中晶界的形状、构造和分布，也称为多晶体的织构。由晶界处界面张力的相互关系决定。（1 1）固）固固固固界面固界面(jimin)(jimin)38 1,1=1,2 1=1=120理想晶粒的理想晶粒的排布排布(pib)方式方式第38页/共114页第三十八页，共114页。39（2 2）固）固）固）固-固固固固-气系统：气系统：气系统：气系统：在在在在高高高高温温温温下

26、下下下经经经经过过过过充充充充分分分分时时时时间间间间，使使使使原原原原子子子子迁迁迁迁移移移移或或或或气气气气相相相相传传传传质质质质达达达达到到到到平平平平衡衡衡衡，则则则则形形形形成成成成(xngchng)(xngchng)固固固固-固固固固-气界面（图气界面（图气界面（图气界面（图5-33A5-33A）,由界面张力平衡关系：由界面张力平衡关系：由界面张力平衡关系：由界面张力平衡关系：称为称为(chnwi)槽角槽角第39页/共114页第三十九页，共114页。40（3）固）固-固固-液系统（典型的有液相存在时的烧结）液系统（典型的有液相存在时的烧结）界面界面(jimin)张力平衡时：张力平

27、衡时：可写成：可写成：固固液平衡的二面角固固液平衡的二面角二面角，其大小二面角，其大小(dxio)取决于取决于SS与与SL的相对大小的相对大小(dxio)。第40页/共114页第四十页，共114页。41讨论（二面角讨论（二面角讨论（二面角讨论（二面角 与润湿关系，表与润湿关系，表与润湿关系，表与润湿关系，表5-35-3）：）：）：）：1 1）当当当当 ，120120，液液液液相相相相不不不不会会会会扩扩扩扩展展展展至至至至晶晶晶晶界界界界上上上上，在在在在三三三三晶晶晶晶粒粒粒粒处处处处形成形成形成形成(xngchng)(xngchng)孤岛状液滴（图孤岛状液滴（图孤岛状液滴（图孤岛状液滴（图

28、5-34D5-34D）；（不润湿）；（不润湿）；（不润湿）；（不润湿）2 2）当）当）当）当 ，=60=60120120，少量液相，少量液相，少量液相，少量液相开始渗入晶界（图开始渗入晶界（图开始渗入晶界（图开始渗入晶界（图5-34C)5-34C)；（局部润湿）；（局部润湿）；（局部润湿）；（局部润湿）图图5-34第41页/共114页第四十一页，共114页。423)3)当当当当 ，60SV SLSL，90 90润湿；润湿；润湿；润湿；SV=SV=SLSL，=90=90；SV SV 9090不润湿。不润湿。不润湿。不润湿。若若若若SV-SV-SLSLLVLV，cos1cos1，这是一种不平衡状态

29、，液体这是一种不平衡状态，液体这是一种不平衡状态，液体这是一种不平衡状态，液体在固体表面还要继续铺展。在固体表面还要继续铺展。在固体表面还要继续铺展。在固体表面还要继续铺展。LV SL SV图图5-39第51页/共114页第五十一页，共114页。52（3）浸渍润湿（图）浸渍润湿（图5-37C）浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。其自由浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。其自由(zyu)能变化可由下式表示：能变化可由下式表示：若若SVSL，则，则90，浸渍润湿自发进行；，浸渍润湿自发进行；若若SV90，将固体浸入液体中必需做功。，将固体浸入液体中必需做功。固固液体液体固固总结：总结：三种润湿的共同点是液

30、体将气体三种润湿的共同点是液体将气体(qt)从固体表面排挤开，使原有从固体表面排挤开，使原有的固的固-气或气或 液液-气界面消失，而代之气界面消失，而代之以固液界面。以固液界面。第52页/共114页第五十二页，共114页。53三影响润湿的因素三影响润湿的因素（1）固固、液液的的成成分分(chng fn)和和结结构构对润湿的影响对润湿的影响 改改善善润润湿湿性性，取取决决于于界界面面能能LV、SV、SL三三者者的的相相对对大大小小。一一般般LV和和SV是是固固定定的的，生生产产中中常常采采用用使使固固、液液二二相相成成分分(chng fn)与与结结构构接接近近，以以降降低低SL，有有利利于于润润

31、湿。湿。如如金金属属陶陶瓷瓷中中，Cu与与ZrC之之间间接接触触角角=135(1100)，若若在在Cu中中加加入入少少量量Ni(0.25%)，则则角角降降为为54，Ni的的作作用用是是降降低低SL，使使CuZrC结结合合性性能得到改善。能得到改善。第53页/共114页第五十三页，共114页。54（2 2）表面粗糙度的影响）表面粗糙度的影响）表面粗糙度的影响）表面粗糙度的影响(图图图图5-40)5-40)对于平滑表面：原来液体铺展到对于平滑表面：原来液体铺展到对于平滑表面：原来液体铺展到对于平滑表面：原来液体铺展到A A点，现在由点，现在由点，现在由点，现在由ABAB点；点；点；点；固固固固-液

32、界面面积液界面面积液界面面积液界面面积(min j)(min j)增加增加增加增加ss，界面能增加，界面能增加，界面能增加，界面能增加SLsSLs；固固固固-气界面面积气界面面积气界面面积气界面面积(min j)(min j)减少减少减少减少ss，界面能减少，界面能减少，界面能减少，界面能减少SvsSvs；液液液液-气气气气 界界界界 面面面面 面面面面 积积积积(min(min j)j)增增增增 加加加加 scosscos，界界界界 面面面面 能能能能 增增增增 加加加加LVscosLVscos。达到平衡时：达到平衡时：达到平衡时：达到平衡时：SLs+SLs+LVscos-LVscos-Sv

33、s=0 Svs=0 表面粗糙度对润湿表面粗糙度对润湿(rn sh)的影的影响响 第54页/共114页第五十四页，共114页。55对于粗糙表面：对于粗糙表面：对于粗糙表面：对于粗糙表面：液体铺展由液体铺展由液体铺展由液体铺展由ABAB点点点点;固固固固-液液液液界界界界面面面面(jimin)(jimin)表表表表观观观观表表表表面面面面积积积积增增增增加加加加ss，真真真真实实实实增增增增加加加加nsns，界面，界面，界面，界面(jimin)(jimin)能增加能增加能增加能增加SLnsSLns；固固固固-气气气气界界界界面面面面(jimin)(jimin)表表表表观观观观表表表表面面面面积积积

34、积减减减减少少少少ss，真真真真实实实实减减减减少少少少nsns，界面，界面，界面，界面(jimin)(jimin)能减少能减少能减少能减少SVnsSVns；液液液液-气气气气界界界界面面面面(jimin)(jimin)表表表表观观观观表表表表面面面面积积积积增增增增加加加加scosscos，真真真真实实实实增增增增加加加加scosnscosn，界面界面界面界面(jimin)(jimin)能增加能增加能增加能增加LVscosnLVscosn。达到平衡时：达到平衡时：达到平衡时：达到平衡时：SLns+SLns+LVscosn-LVscosn-Svns=0 Svns=0 第55页/共114页第五十

35、五页，共114页。56 讨论：（讨论：（讨论：（讨论：（n1n1）在在在在90coscosncos，nn9090不不不不能能能能润润润润湿湿湿湿的的的的情情情情况况况况(qngkung)(qngkung)下下下下，cosncoscosnn，表面粗糙不利于润湿；，表面粗糙不利于润湿；，表面粗糙不利于润湿；，表面粗糙不利于润湿；图图5-41第56页/共114页第五十六页，共114页。57n n（3 3）吸附膜的影响）吸附膜的影响）吸附膜的影响）吸附膜的影响n n 前前前前面面面面所所所所提提提提及及及及的的的的SvSv是是是是指指指指固固固固体体体体置置置置于于于于蒸蒸蒸蒸气气气气或或或或真真真真

36、空空空空中中中中的的的的表表表表面面面面张张张张力力力力，而而而而真真真真实实实实固固固固体体体体表表表表面面面面都都都都有有有有吸吸吸吸附附附附膜，使固体表面能膜，使固体表面能膜，使固体表面能膜，使固体表面能SVSV降低。降低。降低。降低。n n 由由由由式式式式：F F=LVcos=LVcos=SV SV SL SL 可可可可知知知知(k zh)(k zh)，SvSv降低，对润湿不利。降低，对润湿不利。降低，对润湿不利。降低，对润湿不利。n n 在在在在生生生生产产产产中中中中，如如如如陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷生生生生坯坯坯坯上上上上釉釉釉釉，金金金金属属属属与与与与陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷封封封封接接接

37、接等等等等，都都都都要要要要使使使使坯坯坯坯体体体体或或或或工工工工件件件件保保保保持持持持清清清清洁洁洁洁，即即即即除除除除去吸附膜，提高去吸附膜，提高去吸附膜，提高去吸附膜，提高SVSV，以改善润湿性。，以改善润湿性。，以改善润湿性。，以改善润湿性。第57页/共114页第五十七页，共114页。58总结：总结：改善润湿的方法：由改善润湿的方法：由 可知可知(k zh)(1)降低降低SL；(2)去除固体表面吸附膜，提高去除固体表面吸附膜，提高SV；(3)改变粗糙度。改变粗糙度。当真实接触角当真实接触角90o，粗造度愈大愈不利润湿。，粗造度愈大愈不利润湿。具体实例：具体实例：混凝土与水泥接触，为

38、了增加粗糙度，要在已硬化的混凝土上凿坑。混凝土与水泥接触，为了增加粗糙度，要在已硬化的混凝土上凿坑。焊接时为增加表面粗糙度和去掉表面吸附层，要用锉刀挫旧表面。焊接时为增加表面粗糙度和去掉表面吸附层，要用锉刀挫旧表面。在陶瓷表面被银时，因为它们在陶瓷表面被银时，因为它们(tmen)之间不润湿，所以要磨平、抛光。之间不润湿，所以要磨平、抛光。第58页/共114页第五十八页，共114页。595.3.5 5.3.5 吸附与表面改性吸附与表面改性吸附与表面改性吸附与表面改性一、吸附一、吸附一、吸附一、吸附1 1概概概概念念念念：一一一一种种种种物物物物质质质质（吸吸吸吸附附附附质质质质）的的的的原原原原

39、子子子子或或或或分分分分子子子子(fnz(fnz)附附附附着着着着在在在在另另另另一种物质（吸附剂）表面的现象。一种物质（吸附剂）表面的现象。一种物质（吸附剂）表面的现象。一种物质（吸附剂）表面的现象。由于吸附改变了表面原来的结构和性质由于吸附改变了表面原来的结构和性质由于吸附改变了表面原来的结构和性质由于吸附改变了表面原来的结构和性质表面改性。表面改性。表面改性。表面改性。2 2吸附现象发生的本质吸附现象发生的本质吸附现象发生的本质吸附现象发生的本质表表表表面面面面力力力力场场场场问问问问题题题题表表表表面面面面具具具具有有有有表表表表面面面面能能能能（过过过过剩剩剩剩能能能能），需需需需释

40、释释释放放放放与与与与气气气气体体体体分子分子分子分子(fnz(fnz)相互吸引相互吸引相互吸引相互吸引吸附。吸附。吸附。吸附。材料表面除作特殊处理外，都要产生吸附，形成一层吸附膜。材料表面除作特殊处理外，都要产生吸附，形成一层吸附膜。材料表面除作特殊处理外，都要产生吸附，形成一层吸附膜。材料表面除作特殊处理外，都要产生吸附，形成一层吸附膜。3 3吸附理论（复习）吸附理论（复习）吸附理论（复习）吸附理论（复习）（1 1）物理吸附与化学吸附的特点；）物理吸附与化学吸附的特点；）物理吸附与化学吸附的特点；）物理吸附与化学吸附的特点；（2 2）朗格谬等温吸附公式；）朗格谬等温吸附公式；）朗格谬等温吸

41、附公式；）朗格谬等温吸附公式；（3 3）BETBET等温吸附理论公式。等温吸附理论公式。等温吸附理论公式。等温吸附理论公式。第59页/共114页第五十九页，共114页。604吸附对材料表面结构和性质的影响吸附对材料表面结构和性质的影响(1)硅酸盐材料的表面吸附膜硅酸盐材料的表面吸附膜表面存在表面存在(cnzi)断裂的断裂的Si-O-Si键：键：未断裂未断裂(dunli)的的Si-O-Si键：键：第60页/共114页第六十页，共114页。61（2）吸附膜对材料性能的影响）吸附膜对材料性能的影响使使表表面面能能降降低低：改改变变表表面面的的化化学学特特性性(使使润润湿湿，粘粘附等难以进行附等难以进

42、行)。降低材料的机械强度：降低材料的机械强度：由由Griffith公公式式c=，表表面面能能降降低低，断断裂裂强强度度c减小。减小。例例如如：破破碎碎物物料料，湿湿磨磨比比干干磨磨省省力力（湿湿石石灰灰石石只只有有干石灰石强度的干石灰石强度的2/3）；）；钠钠-钙钙硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃，在在真真空空(zhnkng)中中断断裂裂强强度度c=172.5Kg/cm2,在在 空空 气气 中中 断断 裂裂 强强 度度c=82.8Kg/cm2。第61页/共114页第六十一页，共114页。62改变改变(gibin)金属材料的功函数金属材料的功函数(改变改变(gibin)了了金属发射电子的性能金属发射电子的性

43、能)金属材料的功函数金属材料的功函数电子从金属原子的最高能级发电子从金属原子的最高能级发射到真空中所需的能量。射到真空中所需的能量。值越大，金属越不易失去电子；值越大，金属越不易失去电子；值越小，金属越易失去电子。值越小，金属越易失去电子。调节材料表面的摩擦力：形成吸附膜，表面能调节材料表面的摩擦力：形成吸附膜，表面能降低，降低，粘附作用减弱，摩擦力减小，从而起到润滑作用。粘附作用减弱，摩擦力减小，从而起到润滑作用。第62页/共114页第六十二页，共114页。63二、表面改性二、表面改性二、表面改性二、表面改性利利利利用用用用固固固固体体体体表表表表面面面面吸吸吸吸附附附附特特特特性性性性，通

44、通通通过过过过(tnggu)(tnggu)各各各各种种种种表表表表面面面面处处处处理理理理改变固体表面的结构和性质，以适应各种要求。改变固体表面的结构和性质，以适应各种要求。改变固体表面的结构和性质，以适应各种要求。改变固体表面的结构和性质，以适应各种要求。1 1固体表面活性机理固体表面活性机理固体表面活性机理固体表面活性机理晶晶晶晶格格格格发发发发生生生生畸畸畸畸变变变变，表表表表面面面面力力力力场场场场不不不不均均均均匀匀匀匀，表表表表面面面面缺缺缺缺陷陷陷陷增增增增多多多多，使使使使活活活活性性性性提提提提高。一般，固体表面活性与其表面积大小有关高。一般，固体表面活性与其表面积大小有关高

45、。一般，固体表面活性与其表面积大小有关高。一般，固体表面活性与其表面积大小有关表面积增大，活性提高。表面积增大，活性提高。表面积增大，活性提高。表面积增大，活性提高。表面表面(biomin)活性物质（表面活性物质（表面(biomin)活性剂）一般有两个基团（官能团），一端是亲水的极性基团活性剂）一般有两个基团（官能团），一端是亲水的极性基团-OH、-COOH、-SO3Na等，另一端是憎水（亲油）的非极性基团。等，另一端是憎水（亲油）的非极性基团。憎水基：憎水基：烃链、碳氢基团烃链、碳氢基团(jtun)亲水基：亲水基：羟基、羧基等羟基、羧基等第63页/共114页第六十三页，共114页。642 2

46、表面官能团与表面改性表面官能团与表面改性表面官能团与表面改性表面官能团与表面改性表表表表面面面面活活活活性性性性物物物物质质质质能能能能够够够够降降降降低低低低体体体体系系系系的的的的表表表表面面面面张张张张力力力力的的的的物物物物质质质质称称称称为为为为表表表表面面面面活活活活性物质（必须指明对象）。性物质（必须指明对象）。性物质（必须指明对象）。性物质（必须指明对象）。表面改性通过改变固体的表面结构和官能团来实现的。如：表面改性通过改变固体的表面结构和官能团来实现的。如：表面改性通过改变固体的表面结构和官能团来实现的。如：表面改性通过改变固体的表面结构和官能团来实现的。如：（1 1）Al2

47、O3Al2O3粉粉粉粉末末末末表表表表面面面面是是是是亲亲亲亲水水水水的的的的，加加加加入入入入油油油油酸酸酸酸使使使使Al2O3Al2O3粉粉粉粉表表表表面面面面由由由由亲亲亲亲水性变为亲油性（图示）。水性变为亲油性（图示）。水性变为亲油性（图示）。水性变为亲油性（图示）。（2 2）CaTiO3CaTiO3是亲油的，是亲油的，是亲油的，是亲油的，加入烷基苯磺酸钠，使加入烷基苯磺酸钠，使加入烷基苯磺酸钠，使加入烷基苯磺酸钠，使憎水基吸在憎水基吸在憎水基吸在憎水基吸在CaTiO3CaTiO3表面，表面，表面，表面，亲水基向着亲水基向着亲水基向着亲水基向着(xing zhe)(xing zhe)水

48、溶液，则水溶液，则水溶液，则水溶液，则CaTiO3CaTiO3表面由憎水改为表面由憎水改为表面由憎水改为表面由憎水改为亲水（图示）。亲水（图示）。亲水（图示）。亲水（图示）。第64页/共114页第六十四页，共114页。65（3）为提高混凝土的力学性能在新拌和混凝土中加入减水剂。）为提高混凝土的力学性能在新拌和混凝土中加入减水剂。图图5-42A，在絮凝结构中包裹着很多拌和水，降低混凝土的和易性。，在絮凝结构中包裹着很多拌和水，降低混凝土的和易性。图图5-42B、C，加入减水剂，憎水基团定向吸附于水泥，加入减水剂，憎水基团定向吸附于水泥(shun)颗粒表面，亲水基团指向水，在静电作用下，使系统处于

49、悬浮状态。颗粒表面，亲水基团指向水，在静电作用下，使系统处于悬浮状态。图图5-42第65页/共114页第六十五页，共114页。胶体：一个胶体：一个(y)相（分散相）以一定细度分散于另一个相（分散相）以一定细度分散于另一个(y)相（分散介质）中所形成的多相体系。相（分散介质）中所形成的多相体系。分分散散(fnsn)程程度度不不同同分子分子(fnz)(fnz)分散体系：分散相粒子小于分散体系：分散相粒子小于1nm1nm粗分散体系：粗分散体系：分散相粒子大于分散相粒子大于100nm100nm 悬浮液、乳状液、泡沫悬浮液、乳状液、泡沫胶体分散体系：胶体分散体系：分散相粒子在分散相粒子在1100nm11

50、00nm之间之间665-4胶体分散体系与纳米材料中的界面胶体分散体系与纳米材料中的界面第66页/共114页第六十六页，共114页。675.4.1 5.4.1 粘土粘土粘土粘土-水系统的胶体特性水系统的胶体特性水系统的胶体特性水系统的胶体特性粘粘粘粘土土土土（蒙蒙蒙蒙脱脱脱脱石石石石、伊伊伊伊利利利利石石石石、高高高高岭岭岭岭石石石石等等等等）矿矿矿矿物物物物颗颗颗颗粒粒粒粒很很很很细细细细，一一一一般般般般0.10.110um10um，比比比比表表表表面面面面积积积积很很很很大大大大，如如如如蒙蒙蒙蒙脱脱脱脱石石石石比比比比表表表表面面面面积积积积可可可可达达达达100m2/g100m2/g，