材料表面與界面復(fù)習(xí)題答案

1、1.液體的原子結(jié)構(gòu)的主要特征。液體的原子結(jié)構(gòu)的主要特征。液體的原子結(jié)構(gòu)存在以下三個(gè)主要特征：(1)液體結(jié)構(gòu)中近鄰原子數(shù)一般為5~11個(gè)（呈統(tǒng)計(jì)分布），平均為6個(gè)，與固態(tài)晶體密排結(jié)構(gòu)的12個(gè)最近鄰原子數(shù)相比差別很大；(2)在液體原子的自由密堆結(jié)構(gòu)中，四面體間隙占了主要地位。(3)液體原子結(jié)構(gòu)在幾個(gè)原子直徑范圍內(nèi)是短程有序的，而長(zhǎng)程是無(wú)序的。2.液體表面張力的概念和影響因素。液體表面張力的概念和影響因素。液體表面分子或原子受到內(nèi)部分子或原子

2、的吸引，趨向于擠入液體內(nèi)部，使液體表面積縮小，因而在液體表面切向方向始終存在一種使液體表面積縮小的力，液體表面這種沿著切向方向，合力指向液體內(nèi)部的作用力，就稱(chēng)為液體表面張力。液體表面張力影響因素很多，如果不考慮液體內(nèi)部分子或原子向液體表面的偏聚和外部原子或分子對(duì)液體表面的吸引，影響液體表面張力的因素主要有：(1)液體自身結(jié)構(gòu)：液體的表面張力來(lái)源于液體內(nèi)部原子或分子間的吸引力，因此液體內(nèi)部原子或分子間的結(jié)合能的大小直接影響到液體的表面張力

3、的大小。一般來(lái)說(shuō)，液體中原子或分子的結(jié)合能越大，液體表面張力越大，一般液體表面張力隨結(jié)構(gòu)不同變化趨勢(shì)是：金屬鍵結(jié)合物質(zhì)離子鍵結(jié)合物質(zhì)極性共價(jià)鍵結(jié)合物質(zhì)非極性共價(jià)鍵結(jié)合物質(zhì)(2)表面所接觸的介質(zhì)：液體的表面張力的產(chǎn)生是由于處于表面層的原子或分子一方面受到液體內(nèi)部原子或分子的吸引，另一方面受到液體外部原子或分子的吸引。當(dāng)液體處在不同介質(zhì)環(huán)境時(shí)，液體表面的原子或分子與不同物質(zhì)接觸所受的作用力不同，因此導(dǎo)致液體表面張力的不同。一般來(lái)說(shuō)，介質(zhì)物質(zhì)

4、的原子或分子與液體表面原子或分子結(jié)合能越大，液體表面能越小，反之越大(3)溫度：隨著溫度的升高，液體密度下降，液體內(nèi)部原子或分子間的作用力降低，液體內(nèi)部原子或分子對(duì)表面原子或分子的吸引力減弱，液體表面張力下降。最早給出的預(yù)測(cè)液體表面張力與溫度關(guān)系的半經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式為：γ=γ0(1－TTc)n式中Tc為液體的氣化溫度，γ0為０K時(shí)液體的表面張力。3.固體表面能的影響因素。固體表面能的影響因素。影響固體表面能的主要因素有：固體原子間的結(jié)合能、固

5、體表面原子的晶面取向和溫度。由于表面能的大小主要取決于形成固體新表面所消耗的斷鍵功，因此原子間的結(jié)合能越高，斷開(kāi)相同結(jié)合鍵需要消耗的能量越高，所形成的固體表面能越高。由于固體晶體結(jié)構(gòu)是各向異性的，不同晶面的原子面密度不同，所以形成單位面積的新表面需要斷開(kāi)原子鍵的數(shù)量不同，導(dǎo)致所形成的表面能不同。一般來(lái)說(shuō)，固體表面原子面密度越高，形成單位面積的新表面需要斷開(kāi)原子鍵的數(shù)量越小，表面能越低。與液體一樣，固體的表面能隨溫度的升高而下降，并且固體

6、表面能隨溫度升高而下降的速度大于液體。4.計(jì)算并討論立方晶系（計(jì)算并討論立方晶系（100）、（110）和（）和（111）面的表面能大小。）面的表面能大小。采用“近鄰斷鍵模型”（Nearestneighbbrokenbondmodel）來(lái)計(jì)算固體晶體的表面能，兩點(diǎn)假設(shè)：第一，每個(gè)原子只與其最近鄰的原子成鍵（最近鄰原子數(shù)即為該晶體結(jié)構(gòu)的配位數(shù)），并且只考慮最近鄰原子間的結(jié)合能；第二，原子間的結(jié)合能（Ua）不隨溫度變化。對(duì)于具有任意晶體結(jié)構(gòu)的

7、固態(tài)晶體，某一晶面hkl的表面能（γShkl）可以用下式計(jì)算：γShkl=NhklZ(Ua2)式中，Nhkl為hkl晶面單位面積的原子數(shù)，Z為晶體沿hkl晶面斷開(kāi)形成新表面時(shí)hkl潤(rùn)濕角公式：?sg=?sl?lgcos?所以cos?＝（?sg－?sl）?lg當(dāng)?sg?sl時(shí)，cos?0，?90o，?sg與?sl差越大，不潤(rùn)濕程度越大。以上方程的使用條件：?sg－?sl≤?lg，?sg為固體的表面能低能表面不易被液體潤(rùn)濕，但表面張力很低的

8、液體也可能潤(rùn)濕，甚至完全潤(rùn)濕低能表面。對(duì)于某一低能表面的固體，當(dāng)液體的表面張力達(dá)到?c時(shí)，可完全潤(rùn)濕該固體，則?c稱(chēng)為該固體被完全潤(rùn)濕的臨界表面張力。?c是固體材料的一個(gè)特征值，其物理意義是：只有表面張力小于?c的液體，才能對(duì)該固體完全潤(rùn)濕。大于?c的液體，有一定的?值。由此又提出一個(gè)計(jì)算?的經(jīng)驗(yàn)公式cos?=1－?(?1g－?c)其中?的單位是：Nm1；?＝30～40鋪展：鋪展：一種液體能否在另一種與其不相溶的液體或固體表面上鋪展，可

9、用粘附功和內(nèi)聚功之差來(lái)表示：S＝Wa－Wc=[?A?B－?AB]－2?B＝?A－?B－?ABS－鋪展系數(shù)S0時(shí)，B在A表面上會(huì)自動(dòng)鋪展開(kāi)，S值越大，鋪展越容易S0是鋪展的基本條件，這時(shí)?A－?B－?AB0對(duì)液相在固相表面的鋪展：?A＝?sg?B＝?lg?AB=?ls，所以?sg－?ls－?lg0，所以?sg－?ls?lg。這時(shí)潤(rùn)濕角方法已經(jīng)不能再適用。鋪展是潤(rùn)濕的最高標(biāo)準(zhǔn)6.分析晶界結(jié)構(gòu)模型。分析晶界結(jié)構(gòu)模型。多晶體的性能與晶內(nèi)晶體結(jié)構(gòu)

10、有關(guān)，也與晶界結(jié)構(gòu)有關(guān)。多晶體中各晶粒之間的交界稱(chēng)為晶界。而且多晶體晶界一般為大角晶界。目前對(duì)大角晶界提出的晶界結(jié)構(gòu)模型有：晶界是由非晶體粘合物構(gòu)成島狀模型：小島內(nèi)原子排列整齊晶界點(diǎn)缺陷模型：晶界有大量空位間隙原子晶界結(jié)構(gòu)位錯(cuò)模型重合位置點(diǎn)陣其中重合位置點(diǎn)陣晶界（CoincidentsiteLattice，CSL）模型比較成熟。小角晶界是指相鄰兩晶粒間位向差小于15℃的晶界，研究比較成熟，主要分為傾斜晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。其中傾斜晶界又分為：