1、第一部分：表面表面和界面 表面是指固體表層一個(gè)或數(shù)個(gè)原子層的區(qū)域。 界面則是指兩個(gè)或多個(gè)不同物相之間的分界面。Surface Interfacevacuumwaterairwater石英粉末的表面能隨著石英粉末的表面積變化而變化石英粉末的表面能隨著石英粉末的表面積變化而變化 由于表面積的增加而導(dǎo)致表面能增加了106。 在球磨過(guò)程中，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為石英粉末的表面能。 Size /mSurface area /m2/gSurface energy /J/m210-20.260.2710-92.6106 2.7106 導(dǎo)言回憶：表面能？理想晶體表面的表面結(jié)構(gòu)d理想的表面固體的表面結(jié)構(gòu)分類(lèi)分類(lèi)兩個(gè)或多個(gè)

2、不同物相之間的分界面稱(chēng)為界面。依據(jù)物質(zhì)3態(tài) 固態(tài)，液態(tài)和氣態(tài)，界面可分為以下:Gas Liquid Gas Solid Liquid Liquid Liquid Solid Solid Solid在超硬材料和硬質(zhì)合金中，我們主要關(guān)注：氣-固、液液- -固固和固-固界面。不同的表面和界面o液體高度流動(dòng)和無(wú)序o不斷的蒸發(fā)和凝結(jié)在表面liquid / vaporsolid / vapor (vacuum)o固體的高度不可移動(dòng)性o結(jié)晶固體高度有序的結(jié)構(gòu)o一般無(wú)蒸發(fā)的表面原子與分子，只有橫向擴(kuò)散（取決于T）不同的表面和界面o如果不同晶格常數(shù)的固體晶體具有原子層面的接觸，兩固相間將產(chǎn)生應(yīng)變和界面；o如果兩

3、固相之間產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而在接觸面之間形成新相 高溫條件下的原子擴(kuò)散。solid / liquidliquid1 / liquid2solid1 / solid2o液體可以溶解固體表面原子可導(dǎo)致表面電荷； o液體分子在界面上有比在塊體中高得多的有序度。 o兩相均具有高度的流動(dòng)性 界面的形狀由表面張力所控制；o依賴于固溶度，分子將從一個(gè)相遷移到另一個(gè)相中 通過(guò)化學(xué)勢(shì)所控制。o 液體的表面：各向同性，流動(dòng)性，平滑o 固體的表面：各向異性，堅(jiān)實(shí)，粗糙固體的表面能和表面張力固體的表面：非均勻性 固體的表面 固體是剛性的，它能夠承受應(yīng)力。固體表面是晶體的周期性中斷和化學(xué)鍵斷裂的區(qū)域： 表面影響晶體的一些最外

4、層（表面區(qū)域）原子層表面具有與內(nèi)部顯著不同的性能表面能：每單位面積新表面所增加的自由能固體的表面張力 固體的表面張力是通過(guò)向表面上增加附加原子以建立新表面時(shí)所做的可逆功來(lái)定義的； 使固體表面變形所需要的功是表面應(yīng)力的一種度量。表面能 表面的生成需要能量去斷裂化學(xué)鍵生成一個(gè)表面!生成固體新表面需要的功定義為表面能 熱力學(xué)方面，每一個(gè)體系都試圖減低其表面能 固相燒結(jié)的驅(qū)動(dòng)力dAdWT= 表面能o 既然需要能量來(lái)斷裂化學(xué)鍵，固體表面能總是正值。p固體表面總是試圖減低其能量，例如，減少懸掛鍵的數(shù)目。p由于懸掛鍵的存在，表面的化學(xué)性能和電性能相對(duì)地更加活躍。斷裂鍵被稱(chēng)為懸掛鍵表面能o 最小化表面能:Ag

5、gregation of the particlesCrystal ShapesRelaxation/Reconstruction1.通過(guò)減低所暴露的表面積數(shù)量2.通過(guò)暴露具有低表面自由能的平面3.通過(guò)改變局部表面原子幾何的方式降低表面自由能o 在極高真空中，有2種最小化表面能的機(jī)制p表面弛豫p表面重組第二部分：界面潤(rùn)濕與粘附o 完全潤(rùn)濕意味著固相和液相之間的接觸角為零或接近零。此時(shí)，液體能夠在固體表面輕易地鋪展。o 不潤(rùn)濕則意味著固相和液相之間的接觸角大于90。因此，液體在固體表面不能鋪展，接觸面有收縮成球形的趨勢(shì)。 接觸角和楊氏方程SVLSVLVSL 接觸角：指在氣、液、固三相交點(diǎn)處所作的

6、氣接觸角：指在氣、液、固三相交點(diǎn)處所作的氣-液界面的切線液界面的切線 穿過(guò)液體與固穿過(guò)液體與固-液交界線之間的夾角液交界線之間的夾角，是潤(rùn)濕程度的量度。，是潤(rùn)濕程度的量度。SL, LV ，和SV 分別是固液之間，液氣之間，和固氣之間的界面能。 LVSLSVcoscosLVSLSV楊氏方程潤(rùn)濕 solidliquidgas A LVSLSVcos Young Equation如果鋪展發(fā)生，則SL和LV 應(yīng)當(dāng)盡可能小。潤(rùn)濕接觸角潤(rùn)濕的程度固/液界面的強(qiáng)度=0完全潤(rùn)濕 強(qiáng)090高潤(rùn)濕性 強(qiáng)/弱90180低潤(rùn)濕性弱= 180完全不潤(rùn)濕 弱潤(rùn)濕在大多數(shù)情況下，在固相之上的液相不會(huì)潤(rùn)濕，但是將保持在固液在

7、大多數(shù)情況下，在固相之上的液相不會(huì)潤(rùn)濕，但是將保持在固液之間之間具有有限接觸角的水滴狀具有有限接觸角的水滴狀。伴隨著液體的小位移而使得在所覆蓋伴隨著液體的小位移而使得在所覆蓋的固體區(qū)域中面積的變化而導(dǎo)致的表的固體區(qū)域中面積的變化而導(dǎo)致的表面能變化大小為：面能變化大小為： )cos()(LVSVSLAAG solidliquidgas A 潤(rùn)濕平衡狀態(tài)下0limAG0A和0cosLVSVSL或SLSVLVcos有選擇地，與粘附功的定義相組合有選擇地，與粘附功的定義相組合:)cos1(LVSLVW Young and Dupre Equation粗糙度0cosSSSSVLVSLABSLVCDs.c

8、oss平滑表面LVSLSV)(cos表面的粗糙度可以實(shí)際的表面積與表觀或投影面積的比率n表示。SLVCDs.cosnn.snBA粗糙表面粗糙表面0cosSnSSnSVnLVSLcos)(cosnnLVSLSVncoscosnn Wenzel方程方程非均勻的表面實(shí)際情況下的表面，實(shí)際情況下的表面，n n1 1 。 當(dāng)當(dāng) 90 情況下情況下，粗糙度，粗糙度增加，潤(rùn)濕很難發(fā)生。增加，潤(rùn)濕很難發(fā)生。吸附層將減低表面能。它的值等于表面壓力SVSOLVSLSO)(cosLVSLSVcos由于吸附層的出現(xiàn)，接觸角會(huì)增加。由于吸附層的出現(xiàn)，接觸角會(huì)增加。吸附層粘附功兩相之間的粘附功兩相之間的粘附功WAB為：為

9、：ABBAABWWAB是必要的功來(lái)分離單位面是必要的功來(lái)分離單位面積的積的AB界面，得到兩個(gè)液氣界界面，得到兩個(gè)液氣界面面A和和B。 粘附功類(lèi)似地，對(duì)于單一液體，粘附功類(lèi)似地，對(duì)于單一液體，粘附功WAA則為：則為：AAAW2SLLVSVLVW) 1(cosSLSVLVFcosSLLVSVWSLLVSVV固體中孔隙表面的空位濃度o 平面o 曲面 P=2/ro 在孔隙表面上的空位濃度 PRTMrRTMPP12ln0o 凸面, r0, 0, 1, PP0.o 凹面, r0, 0, 1, PP0.0lnPP0PP0lnPP0PP表面和界面產(chǎn)生的許多重要影響起因于表面能所引起的彎曲表面內(nèi)外的壓差曲面內(nèi)外

10、壓差產(chǎn)生的一個(gè)重要影響是在表面曲率的地方蒸氣壓或可溶性增加rRTVrRTMPP21200000lnlnPPPPPPPrRTVPP02彎曲表面的空位濃度)exp(0kTECVrkTaCkTraCkTraCkTrakTEkTEkTraECCCVVV300300300303002/21)/2exp(1)/2exp()exp()exp()/2exp(rRTaCC3002在最簡(jiǎn)單的表述中，假定表面和晶界相當(dāng)于一個(gè)無(wú)限均勻的空位源及壑。界面構(gòu)造 固相-液相體系達(dá)到由表面能確定的平衡構(gòu)造； 高溫和足夠的時(shí)間條件下，原子遷移或氣質(zhì)傳輸后，兩個(gè)固體顆粒之間的界面達(dá)到平衡。aa a 相之間的晶界能2cos2aaa

11、在基體中的第二相 aaaaaaa 和相的界面能。 界面構(gòu)造S-S-S體系o 如果是基體中的單一相，1= 2=?o 晶界是如何的?o 晶粒的形狀？S-S-V體系平衡狀態(tài)下2cos2SVSS如圖所示的這種凹槽，通常在高溫條件下的加熱多晶樣品中出現(xiàn)。這樣的凹槽已在許多熱蝕樣品中觀察到。S-S-L體系對(duì)于兩相體系，如下式所示，兩面角依賴于界面能和晶界能的相互作用： 2cos2SLSSThe dihedral angleSLSS212cos界面構(gòu)造 ss sl, cos/21/2, /260, 120 ss/ sl=1 , cos/2=1/2 /2, =60120 ss/ sl , cos/2 /2, 600, 12cos, 2slss3333界面的構(gòu)造對(duì)具有不同二面角的第二相分布情況圖界面的構(gòu)造界面的構(gòu)造 這些關(guān)系是在該采取的粉末成形體燒成時(shí)發(fā)