表界面.docx

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表界面

1、表界面的特点：

（1）实际上两相之间并不存在截然的分界面，相与相之间是一个逐步过渡的区域，界面区域的化学组分、分子排列、结构、能量、热性能、力学性能等呈现连续的梯度性变化。

（2）表界面并不是几何学上的平面，而是一个结构复杂，厚度约为几个分子的准三维区域。

本体相是宏观的，其组成和结构相对比较均匀和简单；界面相是亚微观的，却有极其复杂的结构和组成。

（3）在两相复合形成界面的过程中，会出现热效应（导热系数和膨胀系数的不同）、界面化学效应（官能团之间的作用或反应）和界面结晶效应（成核诱发结晶、横晶）等，这些效应引起的界面微观结构和性能特征，对材料的宏观性能产生直接的影响。

2、表界面的定义：

表界面是多相体系中相与相之间的过渡区域

3、表界面的作用：

（1）表面与界面是材料中普遍存在的结构组成单元，对材料的物理性能（电学和光学特性）、化学性能（氧化、偏聚）及力学性能（塑性、强度、断裂等）有重要影响；

（2）作为具有使用价值的材料与环境发生物质、能量交换，主要是通过表面与界面进行的，如加载后力的传递，在电磁场的电子运输、腐蚀等，都是通过表面与界面研究来加以分析判断。

（3）表面与界面的结构、形态对材料的性能及使用过程影响极大，因此材料的表面与界面科学着重于研究表面与界面状态及行为对材料结构、性能的影响，并由此寻求最佳控制的途径与方法。

4、表界面研究对象：

（1）液—固/气—固界面

（2）界面与纳米固体问题

（3）异相界面问题

（4）界面分析技术

（5）界面科学基础研究

5、界面的作用：

改善材料的力学性能（强度、塑性）；影响材料的化学性能和物理性能；影响形变过程和再结晶过程；形核依附界面，晶粒长大依靠界面迁移

6、界面的类型和结构：

晶界：

晶粒之间界面叫晶界

相界：

界面两边为两个不同的相，这种界面叫相界。

倾侧界面：

由刃型位错组成的小角界面叫倾侧界面。

扭转界面：

由螺型位错组成的小角界面叫扭转界面。

重合位置点阵模型：

对某一晶型的晶体，绕一定晶体轴旋转一定角度，获得不同取向的另一晶体，将二晶体相互延伸，则不同取向晶体中有某些原子相互重合，这些原子叫重合位置原子，具有周期性分布，由这些重合原子可组成一新的点阵，称为重合位置点阵。

共格界面：

当界面两边为两相，界面上原子同时处于两相晶格结点上，或者两相晶格的原子在界面处相互吻合，这种界面称为共格界面。

共格应变（共格畸变）：

在共格界面处，两相原子有轻微的不吻合，则需通过一定的弹性变形（晶格畸变）以使界面原子协调，相应引起的点阵扭曲，这种变形称为共格应变。

半共格界面：

当在界面处吻合的两相晶面原子排列相近，但原子间距差别较大，则两相原子在界面处不能全部吻合形成共格界面，而是部分吻合形成共格区，不吻合处形成刃型位错，这种界面叫做半共格界面。

非共格界面：

界面两侧两相晶体结构和原子间距相差很大，界面原子混乱、无序，不相吻合，形成非共格界面。

7、形成共格界面的条件：

形成共格界面必须满足结构和大小一致则

8、点阵失配度δ：

失配度定义为：

δ=（aα-aβ）/aα

9、界面能大小取决于界面结构，其来源（从做功角度）有因表面原子键合变化引起的化学能项和表面原子变形引起的应变能项两类；（从热力学角度）表面内能和表面熵两部分组成。

10、非晶体呈现球形而晶体呈现不同形状的原因?

●对于非晶态表面表面张力σ与表面取向无关，即是各向同性的。

在体积恒定的条件下，为使表面积最小，系统应保持球形。

●对于晶体表面表面张力σ一般与表面取向（hkl）有关。

Gibbs首先提出，晶体体积恒定且无作用力时，晶体的几何外形使总的表面能最小

11、小角界面主要是由位错组成，因此界面能由位错应变能引起的。

共格界面能主要由共格应变能引起。

半共格界面由共格区和位错区组成，界面能包括共格应变能、位错应变能和非共格区的化学键能；非共格相界面，原子排列混乱，界面原子键合受到很大破坏，具有高的化学键能，并且不随位向差改变。

对某些特殊位向的大角晶界，由于形成了重合位置点阵，大角界面上有高密度的重合位置原子，因而使界面能有所下降。

12、按照缺陷的形成和结构分类：

本征缺陷（固有缺陷）：

指不是由外来杂质原子形成，而是由于晶体结构本身偏离晶格结构造成的缺陷。

杂质缺陷：

指杂质原子进入基质晶体中所形成的缺陷。

按照缺陷的几何特征分类：

点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。

点缺陷：

晶格结点粒子发生局部错乱的现象。

按引起点缺陷的粒子不同，可分为：

错位粒子、间隙粒子、杂质粒子和空位。

线缺陷：

晶体中某些区域发生一列或若干列粒子有规律的错排现象称为线缺陷,又称位错。

线缺陷有两种基本类型：

刃型位错螺型位错

面缺陷：

由点缺陷或面缺陷造成晶格中可能缺少整个一层的粒子,形成了层错现象;也可以看成是整个一层的粒子所构成的晶面错开形成的缺陷。

按照两侧晶体间的几何关系，面缺陷可分为：

平移界面（堆垛层错）;孪晶界面;位错界面（晶粒边界）

体缺陷：

由点缺陷或面缺陷造成在完整的晶格中可能存在着空洞或夹杂有包裹物等,使晶体内部的空间晶格结构整体上出现了一定形式的缺陷。

13、理想表面：

理想表面结构是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。

体内的晶体结构无改变地延续到表面层，直至为表面截断为止。

我们把这样的表面叫理想表面。

14、清洁表面：

指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理—化学效应的表面。

弛豫：

表面最外层原子与第二层原子之间的距离不同于体内原子间距（缩小或增大；也可以是有些原子间距增大，有些减小）

重构：

在平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整

15、吸附表面（特点：

粗糙度、贝尔比层、残余应力）

吸附表面：

由于表面原子断键的形成以及各种表面缺陷的存在等，使表面易于富集各种杂质物质，即有吸附物质的存在，这样的表面叫实际表面或吸附表面。

表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。

贝尔比层：

固体材料经切削加工后，在几个微米或者十几个微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，使得在表面约5～10nm的深度内，形成一种非晶态薄层-----贝尔比（BEILBY）层。

残余应力：

构件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响；当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用于影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为残留应力或残余应力。

按其作用范围大小可分为宏观内应力和微观内应力。

16、物理吸附、化学吸附

物理吸附的特点：

1.吸附力是由固体和气体分子之间的范德华引力产生的，一般比较弱。

2.吸附热较小，接近于气体的液化热，一般在几个kJ/mol以下。

3.吸附无选择性，任何固体可以吸附任何气体，当然吸附量会有所不同。

4.吸附稳定性不高，吸附与解吸速率都很快。

5.吸附可以是单分子层的，但也可以是多分子层的。

6.吸附不需要活化能，吸附速率并不因温度的升高而变快。

总之：

物理吸附仅仅是一种物理作用，没有电子转移，没有化学键的生成与破坏，也没有原子重排等。

化学吸附的特点：

1.吸附力是由吸附剂与吸附质分子之间产生的化学键力，一般较强。

2.吸附热较高，接近于化学反应热，一般在40kJ/mol以上。

3.吸附有选择性，固体表面的活性位只吸附与之可发生反应的气体分子，如酸位吸附碱性分子，反之亦然。

4.吸附很稳定，一旦吸附，就不易解吸。

5.吸附是单分子层的。

6.吸附需要活化能，温度升高，吸附和解吸速率加快。

总之：

化学吸附相当与吸附剂表面分子与吸附质分子发生了化学反应，在红外、紫外-可见光谱中会出现新的特征吸收带。

17、吸附能曲线：

吸附能曲线（吸附曲线）：

吸附曲线是用来表示吸附量、吸附质分压和温度之间的关系的。

吸附量用α来代表，

式中χ为吸附气体的摩尔数，m为吸附剂的重量（用克作单位）。

或

式中r为吸附体的体积。

若吸附剂m不变，则，所以有很多资料直接用χ或γ来表示吸附量。

吸附曲线可以用函数关系表示：

吸附曲线有如下三种形式：

①、吸附等温线：

吸附等温线是表示在规定温度下平衡吸附时气体分压同吸附量之间的关系。

②、吸附等压线：

吸附等压线表示在吸附某一规定的分压下，温度与吸附量的关系。

③、吸附等量线：

吸附等量曲线表示在吸附物质数量一定的情况下，吸附平衡分压P和温度T的关系。

从物理吸附到化学吸附要经过一个势垒（EB）：

当EB＞0，在该情况下，由物理吸附转到化学吸附，这个过程需要激活，所以称为活化化学吸附，故过程进行得较慢，又称慢化学吸附。

当EB≤0时，物理吸附转到化学吸附的过程不需要激活，称非活化化学吸附，过程为自发进行，且吸附速率很快，称快化学吸附。

18、

金属浸在电解质溶液中，会建立起双电层。

金属-溶液界面上双电层的建立，使得金属与溶液间产生电位差，这种电位就称作电极电位，简称电位。

标准电极电位：

在标准态下，将待测电极与标准氢电极组成电池，所测得的电池的电动势就是该电极的标准电极电位。

极化：

这种由于通过电流而引起原电池两极间电位差减小的现象叫做原电池的极化。

腐蚀电池起始电位差—电动势只是发生腐蚀的原始推动力，而决定腐蚀速率的主要因素是极化作用。

电解的应用：

阴极产品：

电镀、金属提纯、保护、产品的美化（包括金属、塑料）和制备H2及有机物的还原产物等。

阳极产品：

铝合金的氧化和着色、制备氧气、双氧水、氯气以及有机物的氧化产物等。

常见的电解制备有氯碱工业、由丙烯腈制乙二腈、用硝基苯制苯胺等。

19、

原电池中，负极是阳极，正极是阴极。

随着电流密度的增加，阳极析出电势变大，阴极析出电势变小。

由于极化，使原电池的作功能力下降。

但可以利用这种极化降低金属的电化腐蚀速度。

随着电流密度的增大，两电极上的超电势也增大，阳极析出电势变大，阴极析出电势变小，使外加的电压增加，额外消耗了电能。

20、电极过程进行的基本步骤

21、摩擦磨损试验与测试：

使用试验、台架试验、试样试验（包括一般性试验和模拟性实验）

摩擦：

两物体接触区产生阻碍运动并消耗能量的现象，称为摩擦

粘着摩擦理论（现代摩擦理论）：

实质上就是假设表面由如图所示的微凸体所组成，当两表面相互压紧时，只有若干微凸体峰顶相互接触。

因其接触面积很小，接触处压力很高，足以发生塑性变形，并在紧密接触区使两表面发生牢固粘着（冷焊）。

当两表面相对滑动时，这些粘着点被切断，接着又发生新的粘着。

这样粘着点的形成和切断交替发生的过程就是摩擦的主要起因。

？

润滑：

磨损：

指“物体相对运动时相对运动表面的物质不断损失，产生残余变形或其它损伤的现象”。

包括：

磨粒（料）磨损：

指“由硬颗粒或硬突起对表面切削或刮削作用引起的一种机械磨损。

”

粘着磨损：

指“由于粘着作用使材料由一表面转移至另一表面或脱落引起的磨损”。

疲劳磨损（点蚀）：

是摩擦表面材料微体积由于重复变形使其发生疲劳而引起从表面脱落的现象。

微动磨损：

是一种复合型式的磨损，是两表面之间由很小振幅的相对振动产生的磨损。

化学磨损：

指材料在摩擦过程中与周围介质发生化学反应或电化学反应而引起的物质从表面上损失的现象。

冲蚀磨损和气蚀：

冲蚀磨损（或浸蚀磨损）一般指含有固体离子的液体（液体或气体）冲击固体表面时，表面出现的使材料损失的破坏现象。

气蚀冲蚀是流体冲蚀中一种特殊的形式。