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      陶瓷固體的特征5:表面、界面和晶界
      2022年06月16日 發布 分類:粉體入門 點擊量:93
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      表面和不同晶粒及相之間的界面是很重要的,它們決定著許多性質及過程。一方面,可以把它們當作是二維缺陷或對于理想晶體點陣結構的偏離;另一方面,晶體的表面也完全可以看成是理想晶體結構與各種特定環境的邊界。這兩種情況下都需要了解固體、液體的邊界以及相界面的結構、組成及性質,因為它們對于許多力學性質,化學現象和電性能都有強烈的影響。

      表面張力和表面能

      液體具有內聚性和吸附性,這兩者都是分子引力的表現形式。內聚性使液體能抵抗拉伸引力,而吸附性則使液體可以黏附在其他物體上面。

      在液體和氣體的分界處,即液體表面及兩種不能混合的液體之間的界面處,由于分子之間的吸引力,產生了極其微小的拉力。假想在表面處存在一個薄膜層,它承受著此表面的拉伸力,液體的這一拉力稱為表面張力 。

      由于表面張力僅在液體自由表面或兩種不能混合的液體之間的界面處存在,一般用表面張力系數σ來衡量其大小。σ表示表面上單位長度所受拉力的數值,單位為N/m。各種液體的表面張力涵蓋范圍很廣,其數值隨溫度的增大而略有降低 。

      在我們的日常生活中,雨后水滴在枝頭懸而不落,水面稍高出杯口而不外溢等現象,都是表面張力作用的結果。

      液體的表面張力系數,是液體本身的一種性質,主要由液體本身決定。無機液體的表面張力系數比有機液體的表面張力系數大的多,也就是說液體表面張力系數跟液體的種類有關。水的表面張力系數72.8mN/m(20℃),已知的有機液體表面張力系數都小于水,含氮、氧等元素的有機液體的表面張力系數較大,含F、Si的液體表面張力系數最小。水溶液:如果含有無機鹽,表面張力比水大;含有有機物, 表面張力比水小。


      表面能是恒溫、恒壓、恒組成情況下,可逆地增加物系表面積須對物質所做的非體積功。表面能的另一種定義是,表面粒子相對于內部粒子所多出的能量。

      表面能是創造物質表面時對分子間化學鍵破壞的度量。

      晶界

      在多晶體中,由于晶粒的取向不同,晶粒間存在分界面,該分界面,稱為晶界。由于晶界連接著不同排列方向的晶粒,從一種排列方向過渡到另一種排列方向,因此晶界處的原子排列是不規則的,所以晶界上的原子往往比晶粒內的原子具有更高的能量,當晶粒間位向差別越大,在晶界處的原子排列就越不規則。此外,金屬中的雜質往往易于富集在晶界上。晶界的結構、成分和多少,對金屬的各種性能和金屬內的各種過程(如結晶、擴散、變形等)有重大影響,金屬中晶界愈多,即意味著晶粒愈細。

      一般說來,細晶粒金屬的機械性能(強度、塑性和韌性)總是優于粗晶粒的金屬。根據相鄰晶粒間位向差的大小,晶界可以分為小角度晶界及大角度晶界兩種,當位向差小于10°時稱小角度晶界,它是由一系列相隔一定距離的刃型位錯所組成,晶界層比較薄。當位向差的角度大于10°時,金屬晶體中多數晶粒間的位向差在30°~40°左右,因而其晶界多屬大角度晶界。


      晶界應力

      晶界應力是指作用于晶粒邊界上的應力。在晶界面上,原子排列從一個取向過渡到另一個取向,故晶界處原子排列處于過渡狀態。 晶粒與晶粒之間的接觸界面叫做晶界。

      它包含兩層含義。一層含義是晶界本身是個畸變區,有內應力作用在晶界面及其附近區域。例如。由位錯列構成的小角度晶界的應力場可用位錯理論算出,它在晶界面上有極大值,并急劇下降,故是一種短程應力。另一層含義是指作用在晶界面上的外應力或其它內應力源的內應力(如位錯塞積在晶界)。高溫蠕變時,作用在晶界面上的切應力使晶界產生滑動從而導致蠕變塑性變形。作用在晶界面上的正應力能使原子定向擴散流動,從而產生沿晶界擴散的蠕變。


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