材料表面与界面 (1)
材料表面与界面
第一章绪论
§1-1表面与界面的概念
表面：通常把一个相和它本身的蒸汽（或在真空中)相接触为界面。
界面：两个不同的相或取向不同的材料相接触的分界面。
§1-2表面科学及其应用
理想晶体（无限连续体）：晶胞（能反映晶体特征的最小单元）在三维空间上的周期性重复。
实际晶体：有边界
一、表面与体内的差别
1、组成上的差别―表面偏析(表面富集、表面偏析、晶界偏析）
2、表面质点排列与体内的差别（表面结构分析）
3、表面原子的电子结构与体内的不同
表面上的原子的电子云空间分布变化 表面物理化学性质变化
表面原子的电子结构与能级变化
能量和空间分布状态
XPS测内层电子UPS测价电子
二、表面科学的实际应用
光学性质：增透膜、减反膜
催化作用：
1、改善材料的机械性能、腐蚀性能SiN4-SiN2O预氧化
2、催化问题
3、界面的研究固-固界面、固-液界面（润湿）
4、能源的利用
§1-3表面研究方法
一、常用表面分析技术
AES 俄歇电子谱AEAPS 俄歇电子出现电势谱
SEM 扫描电子显微镜EPMA 电子探针微区分析（微探针）EELS 电子能量损失谱ESCA 化学分析电子谱（XPS）EXAFS 扩展X射线吸收精细结构HREELS 高分辨电子能量损失谱IMMA 离子微探针质量分析器IRRAS 红外反射吸收谱
LEED 低能电子衍射MEED 中能电子衍射
RHEED 反射高能电子衍射SIMS 二次离子质谱
STM 扫描隧道显微镜UPS 紫外光电子谱
XPS X射线光电子谱
二、表面分析分类
1、根据测量物理基础分类
a、以电学、光学技术为基础
b、表面电子谱方法
2、表面电子谱
优点：
a)电子容易产生而且价廉
b) 电子的荷质比很大，很容易被聚束或偏转
c) 电子有合适的非弹性散射平均自由程（能够带回来非常丰富的近表面层
的信息） d) 电子和原子、分子、离子不同，它在使用过程中不会影响系统的真空度，
不会存在“记忆”效应 e) 电子能有效地加以检测 缺点：
a) 电子对样品不是完全无损的
b) 电子谱探测的深度依赖于电子的能量和材料的特性
c) 电子携带的信息一般来自近表面约1nm 的深度，所以电子谱包含有某些
体内的性质
d) 电子不像光束那么容易做到“偏振化”和单色化，并且容易受外界磁场的
影响。
a)
分析深度
LEED EELS ISS <1nm
UPS XPS AES SIMS 1nm<深度<10nm SEM EPMA 1μm b)
分析元素范围
SIMS IMMA 包括全部元素
AES ISS 分析Li 以下的元素 XPS 对轻元素灵敏度差 c)
定量分析
EPMA SEM 具有较好的定量结果 XPS AES 一般为半定量 d)
对表面的损伤程度
UPS LEED 对表面损伤小
中能离子（数KeV~10KeV ） 损伤最大
LEED ） AES ）
第二章 表面研究的实验方法
§ 2-1表面谱仪的概述
XRD 、化学分析、仪器分析、X 荧光光谱（不合适，得不到表面信息）
主要的表面谱仪：
研究对象 表面分析仪器
表面形貌 光学显微镜、SEM 、STM 、AFM
表面结构
LEED 、RHEED 、EXAFS 表面组成和表面原子电子态
AES 、XPS 、UPS 、EELS 、 SIMS 、IMMA 、EPMA
对表面分析仪器的要求： ①灵敏度高、分辨能力高
②分析是非破坏性的，操作时不影响表面的组成和结构 ③能分析清洁表面和吸附表面 ④有时还要求能同时进行深度分析
表面谱仪必须具备的条件： ①能够有效地制备清洁表面
②超高真空的环境（一般要达到10-6Pa 以上的真空） ③微米级、亚微米级的电子束、离子束技术 ④可靠的弱信号探测仪器
§
2-2超高真空系统
1、超高真空的必要性（保证实验的可靠性和重复性）。 没有被明显污染：在1小时内表面的吸附量<1%单分子层
与气体分子和表面碰撞有关，即分压、时间、吸附几率（表面性质）有关。
M：气体分子量，T：温度，σ：气体分子截面积，P：分压
一般在10-6Pa~10-9Pa左右。
2、超高真空的获得
真空技术中的几个定律：
①理想气体定律PV=nRT
②余弦定理
N：体系内，在单位时间单位面积内，气体分子碰撞的次数
n：单位体积分子数：平均运动速度
③管道中的气体流动定律
(抽气速率)
d：真空管直径L：真空管长度
获得超高真空的要求：
①真空室的材料出气率很低
②漏气率要小（不要橡胶圈，要用无氧铜）
③能承受200℃的高温烘烤
④不能有有机污染源
真空机组：机械泵+扩散泵……
§2-3清洁表面的制备
1、在获得超高真空的同时获得清洁表面
2、用简单的加热方法去除表面的沾污
3、在化学气氛中加热去除表面的沾污
4、对于比较顽固的沾污，可以利用惰性气体离子轰击表面而清除污染（然
后进行退火）
5、对于某些晶体，可以采用沿特定晶面的自然解理而得到清洁表面
6、在适当的基片上通过真空镀膜法获得预想的晶体或多晶薄膜作为研究对
象的清洁表面
§2-4电子能量分析器
对能量分析器的要求：
①不同能量的粒子（电子）通过分析器后要最大限度地被分开，亦即分辨本
领要大
②粒子能量E和分析器所调定的电压V之间有较好的线性关系，即精度高
③具有相同能量的粒子要尽可能会聚于一点，即亮度要高（灵敏度）
I
分析器的参数
1能量分辨率△E/E 0
2分辨本领 E 0/△E 3底线分辨率 △E B /E 0 4透射率
5亮度 L=TS S ：狭缝宽度 6色散
§ 2-5表面电子谱中电子信号的探测
I 区：弹性散射峰 E=E P LEED
II 区：能量损失峰（材料的特征峰，材料中所含元素的特征峰） EELS III 区：俄歇峰 AES (同样具有指纹特征)
IV 区：二次电子 SEM 有表面形貌 （能量为入射电子的1/10）
第三章 表面结晶学 § 3-1二维结晶学
一、平移对称和点对称 平移基本矢量 (一) 平移群
单位平行四边形的选择原则
E
△E(半高宽) △E B (底线宽)
不随L P
1、符合对称性
2、尽可能垂直
3、面积最小
平移对称操作（无数多个）的集合→平移群
平移群存在表示存在有二维点阵（充要条件）完整地描述了二维点阵的周期性
(二)点群
对称轴n=1,2,3,4,6
镜线反应m
二、二维布拉维格子
四大晶系
§3-2二维倒易点阵
一、倒易点阵的性质（一个点为倒易点阵的一组面）
二、二维晶格中的晶列
晶面指数(hkl)
晶列指数(h1h2) 法线方向晶列间距 d
(1)斜方格子
(2)长方格子
(3)正方格子
(4)六方格子
三、二维倒格子
三维正格子矢量
对应倒格子矢量
性质
二维
是垂直于表面的单位矢量
则：正格子中的矢量
对应的倒格子矢量
的含义：
方向与（h1h2）晶列垂直；的长度等于晶列间距的倒数（）
四、二维倒格子矢量
二维倒易空间中Array表示晶列（h1h2）法线方向的单位矢量
μ
五、衍射方程的波矢式
劳厄方程：和
§3-3表面结构的表示法
(hkl)
式中
R{hkl}p×q R为基体材料{hkl}为与其平行的表面
例Si{111}2×2
R{hkl}p×q—αα为和的转角，
R{hkl}p×q—α—D D外来吸附物质（原子/分子）且吸附量不是很多
R{hkl}p×q—α—m×n—β—D p×q—α本来层结构m×n—β吸附层结构简写→R{hkl} m×n—β—D→D/ R{hkl} m×n—β
例
→
第四章表面结构的分析方法
截止到目前，X射线衍射仍然是研究晶体内部结构的最常用、最有效的方法。表面原子及其周围电子对X射线的散射强度很弱。因此，X射线可以射入物质内部较深的地方。这样就可能探测清楚晶体内部的结构。同样，原子对X 射线的散射截面很小，则表面上原子对X射线不甚敏感。因此X射线衍射不适于作表面结构的研究。但是X射线衍射的物理理论对于表面结构研究仍然是一个重要基础。
表面结构的分析方法，目前主要采用低能电子衍射(LEED)和反射型高能电子
衍射（RHEED）等。本章主要介绍低能电子衍射（LEED）方法。
§4-1低能电子衍射（LEED）原理
目前，测定表面结构的最常用的也是最有成效的方法是低能电子衍射，在低能电子衍射实验中一束单一能量的电子射向晶体表面，然后观察背散射电子中居于弹性散射的电子所构成的衍射图样，并由衍射图形定出晶体表面的结构。
1924年，德布罗依提出了粒子波动性的假说，预言了电子也有波动性，它的波长由下式决定：
(德布罗依波的波长)
其中h为普朗克常数；p为电子的动能。p=mv，m,v分别为电子的质量与速度，根据能量守恒定律，电子在电场中被加速后所得到的速度v与加速电场中的电压V之间的关系是：
如果忽略相对论校正（这对低能电子束是正确的），可以得到
(V以伏特为单位)
或(E e为电子的能量，用eV为单位)
入射电子的能量，通常为10~500eV的低能电子束，对应的波长大约为4~0.5（0.4~0.05nm），这大致相当于或小于原子间距，对于这种低能入射电子束
说，表面原子的二维周期排列犹如一个平面光栅，它使电子波产生衍射，并在某些方向上（与电子能量、入射方位角和表面的周期性有关）造成衍射极大。
晶体原子对能量在0~500eV范围中的电子有很大的散射截面（当电子能量在0~100eV时，散射截面可达2的数量级），这是低能电子的一个重要特性。
入射电子在经受弹性或非弹性散射之前进入晶体不可能是很深的，在这个能量范围内的弹性散射电子只来自5~10（0.5~1nm）的深度，也就是说低能衍射二电子是被表面或表面附近的原子散射回来的，所以低能电子衍射（LEED）是一种表面灵敏的手段。
近年来LEED工作主要分为二个部分：
1继续研究清洁表面和吸附表面的有序结构。
2确定表面原子位置关系（距离、键角）表面结晶学
下面的图所示的为一种有显示功能的LEED仪。主要由电子枪、样品架、荧光屏和栅极构成。用点光度计扫描并量度荧光强度。电子枪发射能量为10~ 500eV的电子束，正面入射到样品表面，形成衍射束的电子在栅极G1和荧光屏之间被加速，以很高的能量作用在荧光屏S上，则从窗口可以观察到衍射荧光亮点，并且可以摄取照片。栅极G2、G3用来排除从试样中产生的非弹性散射电子，从而确保只能使弹性散射的电子射向荧光屏。由于非弹性散射的电子只是对衍射像的本底起作用。因此可以通过调节栅极电压V使其除掉。两栅极G2、G3均为网状。
LEED仪示意图
作为接收极的荧光屏应保持几千伏的正电位。它只增加衍射电子的与表面作用后的电子能量而并不改变衍射谱的位置。点光度计可以扫描并能度荧光强度。也可以调准对某个衍射束射在荧光屏上的位置，改变入射电子能量E0（E0=70~500eV），以测量衍射束的强度I和入射电子束能量E0的关系（即I —E0关系曲线）。
整个装置保持在10-8Pa以上的超真空中，以保持样品表面在实验过程中不会被沾污。
由电子枪射到样品表面的初级电子，经表面散射后，散射电子有一定的能量分布，如下面所示。可见初级电子中的大部分都经历了非弹性散射。对LEED 图像有贡献的弹性散射电子只占总数的1—2%左右（当入射电子能量在200eV附近时），90%左右的初级电子经散射后或多或少损失了一些能量，而成为无用的噪声本底。为了增加灵敏度必须去除这些电子，不让它们抵达荧光屏，否则衍射斑点将淹没在一片白茫茫的本底中，这就是在荧光屏前要设
置具有负电位栅网的理由。
散射电子能量分布
§4-2二维LEED图形
一、电子与固体表面相互作用
X光衍射：散射截面很小单次散射
低能电子衍射：散射截面一般为10-15~10-17cm2多次散射
入射电子平均自由程和散射截面的关系：
低能电子
其中为固体中的原子密度（1023个/cm3）
1、电子—原子核的弹性散射
这种电子—原子核的弹性散射可用经典的卢瑟福模型描述其过程。带有负电荷的电子和元素的原子核作用受到库仑场的散射。当入射电子能量为E0，入射电子与原子序数为Z的原子核的距离为R n时，其散射角为：
可见，入射电子能量越多，其散射角越小；元素原子序数越大，散射角越大。
这种弹性散射过程是电子衍射的基础。
2、电子—价电子的相互作用
入射电子和原子的价电子发生非弹性碰撞，使价电子获得入射电子损失的能量，而脱离原子核的束缚逃逸到真空中，这就是二次电子产生的过程。由于二次电子能量都较低，一般只有20~100eV（电子能量损失谱），且方向是四面八方，所以只有在固体表面层几个nm深度以内的电子才可能逸出表面。
二次电子的发射会受表面的物理化学性质影响，尤其是表面势垒的影响。因此不同材料，不同形貌的表面二次电子发射情况也不相同。应用扫描电子显微镜可观察固体表面形貌、缺陷、电畴、磁畴等微观结构。
3、电子—原子芯态能级上电子的相互作用
当3~5KeV的入射电子轰击元素的原子时，原子内层电子被激发到外层，并在此能级上留下一个空位。使原子由原来能量较低的稳态而变成具有较高能量的非稳定态—激发态。能量较高能级上的电子可能通过非辐射复合而落到这个空位，使能量较低。在退激过程中，多余的能量可把另一能级上的电子激发到真空能级之外。这种激发出来的电子，被称为俄歇电子。俄歇电子的能量一般在几百eV或更低。具有这样能量的电子，在固体内经受非弹性碰撞的平均自由程一般只有5~20。这就意味着，只有表面1~5个原子层内的元素所激发的俄歇电子才有可能逃逸出体外。通过分析俄歇电子的能谱，就可鉴定表面的元素成份。这个方法称之为俄歇电子能谱（AES）。
二、LEED图形的简单说明
与X射线衍射的考虑一样，只考虑单次散射。
1、一维散射
光程差：
当时，加强
若LEED作垂直入射时，则(衍射条件)
LEED
一维
材料表面与界面复习题
第一章 1.试述表面张力（表面能）产生的原因。怎样测试液体的表面张力？ （1）原因 液体表面层的分子所受的力不均匀而产生的。液体表面层即气液界面中的分子受到指向液体内部的液体分子的吸引力，也受到指向气相的气体分子的吸引力，由于气相吸引力太小，这样，气液界面的分子净受到指向液体内部并垂直于表面的引力作用，即为表面张力。这里的分子间作用力为范德华力。 （2）测试 ①毛细管上升法 测定原理 将一支毛细管插入液体中, 液体将沿毛细管上升, 升到一定高度后, 毛细管内外液体将达到平衡状态, 液体就不再上升了。此时, 液面对液体所施加的向上的拉力与液体总向下的力相等。则γ=1 /2(ρl-ρg)ghrcosθ(1) (1)式中γ为表面张力, r为毛细管的半径, h为毛细管中液面上升的高度,ρl为测量液体的密度,ρg为气体的密度( 空气和蒸气) , g为当地的重力加速度, θ为液体与管壁的接触角。若毛细管管径很小, 而且θ=0 时, 则上式(1)可简化为γ=1/2ρghr (2） ②Wilhelmy 盘法 测定原理 用铂片、云母片或显微镜盖玻片挂在扭力天平或链式天平上, 测定当片的底边平行面刚好接触液面时的压力, 由此得表面张力, 公式为: W总-W片=2γlcosφ 式中,W总为薄片与液面拉脱时的最大拉力,W片为薄片的重力, l为薄片的宽度, 薄片与液体的接触的周长近似为2l, φ为薄片与液体的接触角。 ③悬滴法 测定原理 悬滴法是根据在水平面上自然形成的液滴形状计算表面张力。在一定平面上, 液滴形状与液体表面张力和密度有直接关系。由Laplace 公式, 描述在任意的一点P 曲面内外压差为 式中R1, R2 为液滴的主曲率半径; z 为以液滴顶点O为原点, 液滴表面上P 的垂直坐标; P0 为顶点O处的静压力。 定义S= ds/de式中de为悬滴的最大直径, ds为离顶点距离为de处悬滴截面的直径再定义H=β(de/b)2 则得γ= (ρl-ρg)gde2/H 式中b为液滴顶点O处的曲率半径。若相对应与悬滴的S值得到的1/H为已知, 即可求出表(界) 面张力。即可算出作为S的函数的1/H值。因为可采用定期摄影或测量ds/de 数值随时间的变化, 悬滴法可方便地用于测定表(界)面张力。 ④滴体积法 测定原理 当一滴液体从毛细管滴头滴下时, 液滴的重力与液滴的表面张力以及滴头的大小有关。表示液滴重力(mg) 的简单关系式:mg=2πrγ实验结果表明, 实际体积小得多。因此就引入了校正因子f(r/V1/3), 则更精确的表面张力可以表示为:γ= mg/{2πrf(r/v1/3)}其中m为液滴的质量, V 为液滴体积, f 为校正因子。只要测出数滴液体的体积, 就可计算出该液体的表面张力。 ⑤最大气泡压力法 测定原理
材料表面与界面名词解释和简
材料表面与界面 1、材料表界面对材料整体性能具有决定性影响，材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、化学反应、复合等等，无不与材料的表界面密切有关。 2、应用领域：a. 航空和航天器件； b.民用;c.特种表面与界面功能材料； d.界面是复合材料的重要特征。 3、隐形涂料：这种涂料含有大量的铁氧体粉末材料，依靠其自身自由电子的重 排来消耗雷达波的能量。 4、表面与界面概念：常把从凝聚相（固相、液体）过渡到真空的区域称为表面; 从一个相到另一个相之间的区域称为界面. 5、表界面尺寸：可以是一个原子层或多个原子层，其厚度随材料的种类不同而 不同。 6、在物质的气、液、固三态中，除了两种气体混合能完全分散均匀而不能形成 界面外，三种相态的组合可构成五种界面：液－气，液－液，固－气，固－液，固－固。 7、物质的分类。从形态上：固体，液体，气体，胶体，等离子体。从结构上： 晶体，无定形。 8、固体表面的分类：理想表面；清洁表面（高温热处理，离子轰击加退火，真 空解理。真空沉积。场致蒸发等）。吸附表面。 9、清洁表面发生的常见重要物理化学现象：(a)表面弛豫；（b）重构；(c) 偏析又称偏聚或分凝；(d)台阶化；(e) 形成化合物；(f)吸附 10、表面处离子排列发生中断，体积大的负离子间的排斥作用，使C1-向外移动，体积小的Na+则被拉向内部，同时负离子易被极化，屏蔽正离子电场外露外移， 结果原处于同一层的Na+和C1-分成相距为0.020 nm的两个亚层，但晶胞结构基本没有变化，形成了弛豫。 11、重构：表面原子重新排列，形成不同于体相内部的晶面。 12、偏析又称偏聚或分凝指化学组成在表面区域的变化但结构不变。 13、台阶化表面附近的点阵常数不变，晶体结构也不变，而形成相梯度表面。 14、形成化合物：指表面化学组成和结构都发生改变，在表面有新相生成。 15、吸附指表面存在周围环境中的物种。分类：物理吸，附和化学吸附。 16、物理吸附：外来原子在固体表面上形成吸附层，由范德华力作用力引起，则此吸附称为物理吸附。特点：物理吸附过程中没有没有电子转移、没有化学键的生成和破坏，没有原子重排等等，产生吸附的只是范德华力。物理吸附的作用力是范德华力，包括：定向力/偶极力、诱导力、色散力；作用力。 17、化学吸附：外来原子在固体表面上形成吸附层由化学键作用力引起，则此吸附称为化学吸附。特点：表面形成化学键；有选择性；需要激活能；吸附热高（21- 42 KJ/mol）。吸附的物种可以是有序=也可以是无序=吸附在表面，也可以是单层=，也可以是多层=吸附。因表面的性质和被吸附的物种而定。 18、表面产生吸附的根本原因：（1）电荷在凝聚相表面发生迁移，包括负电荷的电子迁移和正电荷的离子迁移。（2）表面存在可以构成共价键的基团：A、过渡金属原子空的d轨道如Pt(5d96s1)；B、化学反应成键。 19、固体的表面特性：①表面粗糙度r : 实际表面积与光滑表面积之比值。表面粗糙度测定方法:1)干涉法：适合测量精密表面；2)光学轮廓法；3)探针法；4）比较法；5）感触法。
材料表面与界面-习题含答案
第一章 1、什么是Young 方程？接触角的大小与液体对固体的润湿性好坏有怎样的关系？ 答：Young 方程：界面化学的基本方程之一。它是描述固气、固液、液气界面自由能γsv，γSL ，γLv 与接触角θ之间的关系式，亦称润湿方程，表达式为： γsv -γSL =γLv COSθ。该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。 关系：一般来讲，接触角θ的大小是判定润湿性好坏的依据，若θ=0.cosθ=1，液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；若0＜θ＜90°，液体可润湿固体，且θ越小，润湿性越好；90°＜θ＜180°，液体不润湿固体；θ=180°，完全不润湿固体，液体在固体表面凝集成小球。 2、水蒸气骤冷会发生过饱和现象，在夏天的乌云中，用飞机撒干冰微粒，试气温骤降至293K ，水气的过饱和度（P/Ps ）达4，已知在293K 时，水的表面能力为0.07288N/m ，密度为997kg/m 3，试计算： （1）在此时开始形成雨滴的半径。 （2）每一雨滴中所含水的分子数。 答：（1）根据Kelvin 公式有 '2ln 0R RT M P P ργ= 开始形成的雨滴半径为： 0ln 2'p p RT M R ργ= 将数据代入得：
m R 101079.74ln 997293314.8018.007288.02'-?=?????= （2）每一雨滴中所含水的分子数为N=N A n ，n=m/M=rV/M ，得 个661002.6018.03997)1079.7(14.34)(34233103'=???????===-A A N M R N M V N ρπρ 3、在293k 时，把半径为1.0mm 的水滴分散成半径为1.0μm 的小水滴，试计算（已知293K 时水的表面Gibbs 自由为0.07288J .m -2）（1）表面积是原来的多少倍？（2）表面Gibbs 自由能增加了多少？（9分） 答：（1）设大水滴的表面积为A 1，小水滴的总表面积为A 2，则小水滴数位N ，大 水滴半径为r 1,小水滴半径为r 2。 21221244r r N A A ππ= 又因为将大水滴分散成N 小水滴，则 32313434r N r ππ= 推出 3 21???? ??=r r N =93100.1mm 0.1=??? ??um 故有 ()()10000.140.141022 912=???=mm um A A ππ 即表面积是原来的1000倍。 （2）表面Gibbs 自由能的增加量为 ()()212212421r Nr r A A dAs G A A -=-==??πγγ =4*3.142*0.07288*[109*（10-6）2-（10-3）2]
材料表面与界面-习题含答案
第一章 1、什么是You ng方程？接触角的大小与液体对固体的润湿性好坏有怎样的关 系？ 答：You ng方程：界面化学的基本方程之一。它是描述固气、固液、液气界面自由能丫sv Y L, Y v与接触角B之间的关系式，亦称润湿方程，表达式为：丫S Y SL= Y v COS。该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。 关系：一般来讲，接触角B的大小是判定润湿性好坏的依据，若0 =0.cos 0=1 液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；若0v 0V 90°液体可润湿固体，且0越小，润湿性越好；90°V 0< 180°,液体不润湿固体；0 =180；完全不润湿固体，液体在固体表面凝集成小球。 2、水蒸气骤冷会发生过饱和现象，在夏天的乌云中，用飞机撒干冰微粒，试气温骤降至293K，水气的过饱和度(P/Ps)达4,已知在293K时，水的表面能力为 0.07288N/m，密度为997kg/m3,试计算： (1) 在此时开始形成雨滴的半径。 (2) 每一雨滴中所含水的分子数 ,P 2 M ln --- ------------ 答：（1）根据Kelvin公式有P°RT R' 开始形成的雨滴半径为: R' RT ln — p o 将数据代入得:
2 0.07288 0.018 8.314 29 3 997 In 4 （2）每一雨滴中所含水的分子数为 N=N A n , n=m/M= V/M ，得 3、在293k 时，把半径为1.0mm 的水滴分散成半径为1.0 pm 的小水滴，试计算 （已知293K 时水的表面Gibbs 自由为0.07288Jm -2） （1）表面积是原来的多少倍? （2）表面Gibbs 自由能增加了多少？）9分） 答：）1）设大水滴的表面积为 A 1,小水滴的总表面积为 A 2,则小水滴数位N , 大水滴半径为「1,小水滴半径为「2。 又因为将大水滴分散成N 小水滴，则 4 3 4 3 N 3 3 1.0mm 9 d fl 「 N r 2 10 3 3 推出 「2 = 1.0um A 2 109 4 1.0um 2 2 1000 故有 A 4 1.0mm 即表面积是原来的 1000 倍。 ）表面Gibbs 自由能的增加量为 A 2 2 G dAs A A 4 r N 「2 「1 A 1 =4*3.142*0.07288*[109* (10-6) 2- (10-3) 2] -4 =9.15 10 -4 J 7.79 10 10m M V N A M 4 ' 3 3 (R) N A 4 3.14 (7.79 10 10)3 997 3 0.018 6.02 1023 66个 A 2 A 1 N4 r 22 4『
材料表面与界面-习题含答案
N 』N A ”N A M A M 4 3.14 （7.79 时）3 "7 6.02 1023 乂6个 3 0.018 第一章 1、什么是You ng 方程？接触角的大小与液体对固体的润湿性好坏有怎样的关 系？ 答：You ng 方程：界面化学的基本方程之一。它是描述固气、固液、液气界面自 由能丫 SV Y L , Y v 与接触角B 之间的关系式，亦称润湿方程，表达式为： 丫 SV Y L = Y v COS 。该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。 关系：一般来讲，接触角B 的大小是判定润湿性好坏的依据，若0 =0.cos 0=1 液体 完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；若0v 0V 90°液体可润湿固体， 且0越小，润湿性越好；90°V 0< 180°,液体不润湿固体；0 =180；完全不润湿 固体，液体在固体表面凝集成小球。 2、水蒸气骤冷会发生过饱和现象，在夏天的乌云中，用飞机撒干冰微粒，试气 温骤降至293K ，水气的过饱和度(P/Ps )达4,已知在293K 时，水的表面能力 为0.07288N/m ，密度为997kg/m 3 ,试计算： (1) 在此时开始形成雨滴的半径。 (2) 每一雨滴中所含水的分子数。 ,P 2 M ln —— ----- 答: (1)根据 Kelvin 公式有 P ° RT R ' 开始形成的雨滴半径为: R= 2M RT 门n — P 0 将数据代入得: R 、2 O.。7288 0.018 十9 忙 m 8.314 293 997 In 4 (2)每一雨滴中所含水的分子数为 N=N A n ， n=m/M= ?V/M ，得
第四章 材料的表面与界面
第四章材料的表面与界面 4-1 什么叫表面张力和表面能？在固态下和液态下这两者有何差别？ 4-2 在晶体中，不同的结晶面上，表面上原子的密度住往是不一样的（见无机材料物理化学表6-1）。你认为原子密度大的晶面的表面能大呢？还是密度小的大？试解释之。 4-3 一般说来，同一种物质，其固体的表面能要比液体的表面能大，试说明原因。 4-4 什么叫吸附、粘附？当用焊锡来焊接铜丝时，手用挫刀除去表面层，可使焊接更加牢固，请解释这种现象。 4-5 为什么在实际晶体中，不存在理想晶体所设想的完整平面？至少也会有相当于螺形位错的柏氏矢量大小的台阶。 4-6 试说明晶界能总小于两个相邻晶粒的表面能之和的原因。 4-7 （a）什么叫弯曲表面的附加压力：其正负根据什么划分？ 的曲面附加压力？（b）设表面张力为900尔格／厘米2，计算曲率半径为0.5m 4-8 真空中Al2O3的表面张力约为900尔格／厘米2，液态铁的表面张力为1720尔格/厘米2，同样条件下，界面张力（液态铁－氧化铝）约为2300尔格/厘米2。问接触角有多大？液态铁能否润湿氧化铝？ 4-9 表面张力为500尔格/厘米2的某液态硅酸盐与某种多晶氧化物表面相接触，接触角θ=450；若与此氧化物混合，则在三晶粒交界处，形成液态小球，二面角ψ平均为900，假如没有液态硅酸盐时，氧化物－氧化物界面的界面张力为1000达因/厘米，试计算氧化物的表面张力。 4-10 MgO－Al2O3－SiO2系统的低共熔物，放在Si3N4脚瓷片上，在低共熔温度下，液相的表面张力为900尔格/厘米2，液体与固体的界面能为600尔格/厘米2，测得接触角为70.520。 （1）求Si3N4的表面张力。 （2）把Si3N4在低共熔温度下进行热处理，测得其腐蚀的槽角为123.750，求Si3N4晶界能。 （3）如果把20％的低共熔物与Si3N4粉末混合，加热到低共熔温度下，试画出低共熔物与Si3N4混合组成的陶瓷显徽结构示意图。 4-11 氟化锂晶体经多边形化、抛光和腐蚀后，观察到沿某一直线的位错腐蚀坑的间距为10微米，在外加剪应力作用下观察到小角度晶界垂直于晶界平面移动，为什么会发生这种现象？若柏氏矢量为2.83?，穿过晶界的倾斜角是多少？ 4-12 在高温将某金属熔于Al2O3片上。 （a）若Al2O3的表面能估计为1000尔格/厘米2，此熔融金属的表面能也与之
材料表面与界面
《材料表面与界面》课程简介 课程编号：02024915 课程名称：材料表面与界面/Material surface and interface 学分:2 学时：32 （实验：上机：课外实践：） 适用专业：无机非金属材料工程 建议修读学期：第6学期 开课单位：材料科学与工程学院无机非金属材料系 课程负责人：张毅 先修课程：物理化学、材料科学基础 考核方式与成绩评定标准：闭卷考试, 期末考试成绩70%，平时成绩30% 教材与主要参考书目： 教材：胡福增主编.材料表面与界面[M]. 上海：华东理工大学出版社, 2008. 参考书目 [1] 王兆华主编. 材料表面工程[M]. 北京：化学工业出版社, 2011. [2] 赵亚溥主编. 表面与界面物理力学[M]. 北京：科学出版社, 2012. [3] 腾新荣主编. 表面物理化学[M]. 北京：化学工业出版社, 2009. [4] 赵振国主编. 应用胶体与界面化学[M]. 北京：化学工业出版社, 2008. 内容概述： 材料的表界面在材料科学中占有重要的地位。材料表面与界面无机非金属材料工程专业的专业选修课。通过本课程的学习，使学生掌握材料表面与界面的基本概念、基本理论和基本研究方法，为今后在工作中打下有关材料研究和材料表面改性的理论基础。 The surface interface of materials plays an important role in material science. “Material surface and interface”is a specialized optional course of inorganic non-metallic materials specialty. The course mainly introduces the material surface basic concepts, basic theory and basic research methods of the interface. The study of this course is to lay the theoretical foundation for the study of materials and surface modification of materials in the future. 1
《材料表面与界面》
材料表面与界面调研报告题目:航空用铝合金表面研究 班级:材料化学12-2 学号:1209020208 姓名:宫宝昌 教师:李丽波 哈尔滨理工大学化学与环境工程学院 2014年10月8日
摘要 全面介绍了国内外铝合金在建筑"汽车"航空航天等行业的应用及研究进展，主要阐述了航空航天领域结构胶接在国内外的发展状况"胶接用铝合金表面处理方法的目的"表面处理的机理及分类"影响表面处理质量的工艺参数"现代表面分析技术等#并对近年来国内外应用最广"技术最成熟的磷酸阳极化表面处理技术的应用及优缺点进行了分析，并展望了该领域研究的发展趋势
目录 摘要...................................................................................................................... I 目录............................................................................................................ IV 第1章绪论.. (1) 1.1 意义目的 (1) 1.1.1 铝合金特性简介 (1) 1.1.2 铝合金表面常用的处理方法 (1) 1.1.3 铝基复合材料 (2) 1.1.4 超塑性成型铝合金 (2) 1.1.5 铝锂合金 (3) 第2章铝合金表面氧化现象研究 (5) 2.1.1 表面预处理 (5) 2.1.2阳极化处理 (6) 2.1.3阳极氧化膜生成一般原理 (7) 2.2阳极氧化的种类 (7) 2.3阳极氧化膜结构、性质 (8) 第3章铝合金阳极氧化缺陷 (9) 3.1铝合金阳极氧化缺陷 (9) 3.1.1酸或碱浸蚀 (9) 3.1.2 大气腐蚀 (9) 3.1.3 纸腐蚀(水斑) (10) 3.1.4氧化烧损(烧焦) (10) 3.1.5 粉化 (10) 3.1.6 黑斑(又称热斑或软斑) (10) 总结 (12)