材料表面与界面 06.ppt

材料界面一、界面的类型与研究内容图1气相、液相和固相之间形成的界面图1为三种状态物质之间形成的界面形式。
其中，固体/气体、液体/气体之间的分界面通常称为固体表面、液体表面；
液体/液体为乳浊液；
同质材料形成的固体/固体界面为晶界；
异质材料形成的固体/固体界面为相界。图2界面的连接气－液界面液－液界面气－固界面液－固界面固－固界面目前界面科学研究的内容：上述研究不仅涉及到晶体的生长、合成、凝固、结晶等复杂的物理化学过程，也涉及到晶界结构和界面的晶体学理论以及金属、合金、结构陶瓷、复合材料等的断裂以及断裂时界面元素的物理化学行为。
纳米材料由于其独特的小尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学特性，是近年来研究的热点。在异相界面研究中，复合材料的异相界面也引起了人们极大关注，改善增强体与基体的异相界面的工作成了复合材料中的热门课题。
界面基础科学的研究，包括固体界面的吸附、解吸、偏析、界面热力学和动力学，表面反应和催化过程，界面的原子排列、原子结构和晶格的匹配。
界面分析技术是利用各种入射粒子或电磁场与界面上的原子、电子的相互作用，收集界面反射的粒子数量和能量分布，从而分析界面原子、电子结构和化学组成等。二、界面的分析与检测只有深入了解界面的几何特征、化学键合、界面结构、界面的化学缺陷与结构缺陷、界面稳定性与界面反应及其影响因素，才能在更深的层次上理解界面与材料性能之间的关系，进一步达到利用“界面工程”发展新材料的目的。与此同时，界面研究的成果不仅会给新材料的研制带来促进作用，而且这项工作的深入开展还关系到研究物质表面结构与性能的现代新技术和新仪器的进展。界面结构的研究是当前材料科学的前沿课题，人们对界面的相组成和相结构、界面区的成分及其分布、近界面基体一侧的位错密度及其分布以及它们与材料总体性能之间的关系进行了广泛的研究。然而，过去由于实验手段的限制，以往的研究工作大部分停留在微米尺度，而大量的精细结构被掩盖。近年来，随着高分辨电子显微术(高分辨电子显微镜、场发射扫描电子显微镜、弹道电子发射显微镜等）及分析电子显微术(扫描隧道电子显微镜、低能电子衍射、反射高能电子衍射、X-光光电子能谱、俄歇电子能谱、二次离子质谱、场离子显微镜、原子探针等）的发展，为在原子尺度直接观察界面结构、界面化学及界面缺陷等的组态和交互作用提供了直观而方便的手段，再配合其他微区形貌、结构和成分分析的方法，并加以综合应用，相互补充，使得人们对界面结构有了更深入的了解。利用高分辨像可以得到界面的直观图像，与成分分析的信息配合，可进一步阐明界面的原子结构、化学键合、缺陷结构，阐明界面几何结构与界面能量的关系；阐明界面的原子结构、物理化学特性与材料性能之间的关系等，并为新材料的研究发展、材料性能的改善及使用寿命的提高提供理论依据。实验研究固然可以获得一些可控的、重复性的数据，但也非常需要和理论计算结果进行比较、分析，以进一步理解其微观机理。材料的微结构，组成材料的大量原子在空间中的排列，本质上是由原子间的相互作用，即化学键决定的。因此，界面研究，至少涉及界面两侧原子的对势、电子态和电子结构，界面原子键合的本质、结合能、界面两侧晶体结构与界面晶体结构的关系、界面切变模量、界面位错形核与反应、环境对界面过程的影响等多方面的问题。计算材料科学从三个不同的尺寸范畴考虑界面性质：①基于第一性原理，从原子尺度考虑几十、几百个分子的多体交互作用；②利用分子动力学和蒙特卡洛方法，从纳米尺度考虑几千至几百万个分子的多体交互作用；③利用有限元方法，从宏观尺度考虑块体材料的工程学问题。许多处理晶体电子态的理论方法和量子化学中的一些方法已被用来处理表面、界面问题。常用求解表面、界面电子能态的方法有赝势法(PP）、紧束缚法(TB）、定域密度泛函法(LDF）、准粒子能带结构法和推广的Huckel方法(EHT），各种计算方法也在不断发展之中。近年来，也有人用分子动力学模型，通过大量计算优选出界面原子最佳位置，然后求出其电荷分布状况及总能量。中国科学院余瑞璜院士提出的“固体与分子经验电子理论”(EET）和计算电子结构的“键距差(BLD）法”，以及程开甲的“改进的TFD理论”，都对界面的理论研究起到了推进作用。中国科学院陈难先院士创立的“晶格反演理论”，为异种原子间相互作用势的计算奠定了基础。三、界面的结构与性能根据界面上的原子排列结构不同，可把固体中的相界分为共格的、半共格的以及非共格的三类。（1）共格界面（2）半共格界面（３）非共格界面2.晶界的结合状况
（1）机械结合。材料在结合面之间的机械啮合，如台阶状界面或锯齿状界面可导致界面结合。机械啮合作用越强，界面结合力越大，特别是界面剪切强度增加幅度更大。多数情况下，界面结合不是单一的机械结合，而是和其他