材料的表面界面特征及在材料工程上的意义

四川大学2009级研究生期末考试论文（2009-1010学年下半学年）

课程名称:材料的表面与界面 论文题目:材料的表界面特征及

在材料工程上的意义

学 院:材料科学与工程学院 专 业:材料材料与纳米技术 学 号:S092030 姓 名:管东波

材料的表面界面特征及在材料工程上的意义

摘要：本文首先提出为什么要研究材料的表界面，随后又系统的阐述了何为材料的表界面，接着文章从液体材料表面、固体材料表面、固-液界面、金属材料表面、高分子材料表界面、无机材料表面等不同类型的材料表面来具体分析了材料表面的特征，最后文章简单的说明了材料的表界面对提高、改善材料工程上很多材料的性能有极大的帮助，研究材料的表界面对材料工程有着非常重要的意义。 关键词：材料的表界面、表面、界面、材料工程

1． 前言

材料科学、信息科学和生命科学是当今新技术革命的三大前沿科学，而材料科学方面材料的表界面占有十分重要的地位，所以说研究材料的表界面特征对我们材料科学的发展、对我们材料工程的设计有着非常重要的意义。

材料的表面界面与其内部本体在结构上和化学组成上都有很明显的差别，这是因为在材料内部的原子周围布满原子，原子之间相互作用，中间原子所受的力是平衡的，而对于处于表面界面的原子，它所受的力场是不平衡的，所以在材料的表面产生了表面能（若是界面则称为界面能）。对于不同组分构成的材料，组分与组分之间可形成界面，而对于单组份材料，由于其内部不可避免的会存在有缺陷，所以即使单组份材料内部也会产生界面。材料的表界面对材料的整体性能有很大的影响，有的甚至直接决定了材料的性能，所以我们有必要把研究材料的表界面作为我们研究材料的一个重要研究对象。

2． 材料表界面的定义及其特征

2.1材料表界面的定义

何谓材料的表界面？表界面研究的对象是不均匀的体系，具有多相性，即该体系中存在两个或两个以上的不同的相，而表界面就是指由一个相过渡到另一个相的这段过渡区域。虽然说表面和界面都是指这段过渡区域，但由于习惯的不同，我们还是把表面和界面区分开来的，一般把固-气、液-气的过渡的过渡区域称为表面，而把固-液、液-液、固-固之间的过渡区域称为界面。事实上在两相之间并不存在截然的分界面，相与相之间是个逐渐变化的过渡区域，表界面去的结构、能量、组成等都呈连续的梯度的变化，之所以称之为表面、界面，都是因为人们已经习惯了这样去称呼。

2.2材料表面界面的特征

从上面材料的定义我们知道了材料的表界面并不是几何学上的平面，而是一个结构复杂，厚度约为几个分子线度的三维区域。材料科学的表界面研究的对象包括各种表面作用和过程所涉及的区域，其空间尺度和状态取决于作用影响的大小和材料与环境条件的特征。不同的材料，不同的环境，不同的组成等等很多因素都对材料的表界面的特征有影响，我们下面就来具体看一下各个类型的表界面的具体特征。

1）液体表面。处于液体内部的分子受到周围同种分子的相互作用力，他们之间相互抵消，内部分子处于相对平衡状态，但处于液体表面的分子没有被同种原子完全包围，在气液表面上的分子受到指向液体内部的液体分子的吸引力，同时也受到指向气相的气体分子的吸引力。由于气体方面的吸引力比液体方面的吸引力小的多，因此气液表面的分子所受的和吸引力是指向液体内部并垂直于表面的。液体分子间的引力主要是Vanderwalls力，它与分子间距离的7次方成反比，所以液体表层分子受的临近分子的引力只限于第一二层分子，离开表面几个分子

直径的距离，分子受的力基本上都是对称的了。从液体内部将一个分子移到表面表面层要克服Vanderwalls力做功使自由焓增加，反之表面分子移动到内部，自由焓减少。又因为系统的能量总是自发的像低能量转移，所以液体表面具有自动收缩的能力。

2）固体表面。固体表面的特性之一是表面分子或原子的运动受到束缚，不能像液体分子那样自由移动。因为固体的形状不像液体那样取决于表面张力，固体的形状主要取决于材料形成的加工过程。固体表面的第二个特性是不均一性。固体表面不均一性的主要原因是固体表面的凸凹不平。从微光上来看即使宏观看来非常光滑平整的表面实际上也是凸凹不平的。

另外固体的表面还有吸附其他物质的能力。这是因为固体表面德尔分子或原子具有剩余的力场，当气体分子趋于固体表面时，受到固体表面或原子的吸引力，被拉到表面，在固体表面富集。还要补充的一点是固体表面的原子和分子与液体表面一样，受到的力是不平衡的，这样固体表面也有表面能。

3）固-液界面。固液界面是我们平时生活中常常可以看到的现象，其主要表现形式是液体在固体表面的润湿。我们常根据润湿角的大小将润湿分为四类，①θ=0，完全润湿，液体在固体表面铺展。②0﹤θ﹤90°，液体可润湿固体，且θ角越小，润湿性越好。③90°﹤θ﹤180°，液体不润湿固体。④θ=180°，完全不润湿，液体在固体表面凝聚成小球。润湿过程有三种类型：粘附润湿，浸湿和铺展润湿。

4）高分子材料的表界面。高分子材料的表界面最主要的性质是表面张力。对于小分子液体表面张力的测定已由经典物理化学研究建立了各种测试方法，但对于粘稠的高分子液体或熔体，虽然其分子仍具有一定的流动性，但要达到热力学的平衡往往需要很长时间。对于高分子的固态材料，由于其表面分子几乎没有流动性，因此表面张力的测试没有直接的方法，只能通过间接的方法或估算的方法来求取。表面张力的本质是分子间的相互作用。因为分子间的相互作用力因温度的上升而变弱，所以表面张力一般随温度的上升而下降。

5）金属材料的表面。金属的表面一般有三个薄层组成，它们分别是加工应变层、氧化层和吸附层。加工应变层是指在制备表面时所产生的应变区，其中位错等点阵缺陷度很大，点阵畸变也增大，因而改变了金属的所有性能。加工应变能的厚度取决于金属的本性和加工情况，从十几个原子层到几十个原子层不等。氧化层指放置在大气中新制得的金属表面被氧化并形成金属氧化物的膜层，其厚度取决于金属的性能、介质的氧化能力和外界条件等。此外，在金属表面的氧化物层上海将从周围介质中吸收各种分子、原子或离子等，由这些吸收物所构成的金属表面的最外层即为吸附层。

6）无机非金属材料的表界面。无机材料包括的范围非常宽，我们这里就拿陶瓷材料和玻璃来分析。陶瓷材料的表面原子的排列与内部原子有明显的差别这是因为表面处的原子由于周期性排列突然中断，形成了附加表面能。为减小表面能，原子排列必须做相应的调整，调整的方式有两种，一种是自行调整，经过4~6层后，原子的排列和体内的非常接近，晶格常数差已小于0.01nm。另一种靠外来因素调整，表面能减小，系统稳定。陶瓷材料的晶界是由于晶粒与晶粒之间取向不同所形成的。晶界的形状、性质对陶瓷材料的各种性能：电性、光性、磁性及机械性能都有巨大的影响。玻璃材料从高温成型冷却到室温，或断裂而出现新表面时，表面就会存在不饱和键，玻璃表面的不饱和键能吸附大气中的水。并和吸附的水分子反应，形成各种羟基团。根据红外光谱测定，硅酸盐玻璃表面存在：

单羟基，双羟基，闭合羟基团。玻璃表面的化学组成与玻璃主体的化学组成有一定差异，即沿着玻璃截面方向的各组成含量不是恒值。照成玻璃表面与主体组成上的差异主要是有熔制、形成、热加工以及玻璃表面受大气、水和其他溶液寝室等不同原因照成的。

3．材料的表界面在材料工程上的意义

材料的表界面在材料工程上的意义主要是通过改善材料的表面性能从而来提高材料的整体性能，因为材料的表面对材料的总体性能影响很大，有时候只需稍稍处理一下材料的表面就能使材料的整体性能提升很多。通常处理材料表面的方式主要有表面涂层、表面改性、多种表面技术复核处理等。下面我们就分类来讨论不同总类的材料对其表面进行改性后，材料的整体性能会有怎样的变化。 首先来看机械零件，对于机械零件，通过改善其表面性能可以提高零件表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性及抗抗疲劳强度，从而可以保证机械在高速、高温、高压、重载以及强腐蚀介质情况下可靠而持续的运行。其次对于电子电器元件，修饰其表面主要用于提高元器件表面的电、磁、声、光等特殊物理性能，以保证现代电子产品容量大、传输快、体积小、高转换率、高可靠性的特点。第三对于机电产品的包装及工艺品，通过改变其表面性能我们可以提高产品的耐蚀性和美观性，以实现机电产品优异性能、艺术造诣与绚丽外表的完美结合。第四对于生物材料，修饰材料的表面可以提高人造骨骼等人体植入物的耐磨性、耐蚀性，尤其生物的相容性，以保证患者的健康。总之好多材料我们都可以通过修饰其表面，改善其表面性质，从而提高整个材料的性能。