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陶瓷固体的特征5:表面、界面和晶界
2022年06月16日 发布 分类:粉体入门 点击量:66
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表面和不同晶粒及相之间的界面是很重要的,它们决定着许多性质及过程。一方面,可以把它们当作是二维缺陷或对于理想晶体点阵结构的偏离;另一方面,晶体的表面也完全可以看成是理想晶体结构与各种特定环境的边界。这两种情况下都需要了解固体、液体的边界以及相界面的结构、组成及性质,因为它们对于许多力学性质,化学现象和电性能都有强烈的影响。

表面张力和表面能

液体具有内聚性和吸附性,这两者都是分子引力的表现形式。内聚性使液体能抵抗拉伸引力,而吸附性则使液体可以黏附在其他物体上面。

在液体和气体的分界处,即液体表面及两种不能混合的液体之间的界面处,由于分子之间的吸引力,产生了极其微小的拉力。假想在表面处存在一个薄膜层,它承受着此表面的拉伸力,液体的这一拉力称为表面张力 。

由于表面张力仅在液体自由表面或两种不能混合的液体之间的界面处存在,一般用表面张力系数σ来衡量其大小。σ表示表面上单位长度所受拉力的数值,单位为N/m。各种液体的表面张力涵盖范围很广,其数值随温度的增大而略有降低 。

在我们的日常生活中,雨后水滴在枝头悬而不落,水面稍高出杯口而不外溢等现象,都是表面张力作用的结果。

液体的表面张力系数,是液体本身的一种性质,主要由液体本身决定。无机液体的表面张力系数比有机液体的表面张力系数大的多,也就是说液体表面张力系数跟液体的种类有关。水的表面张力系数72.8mN/m(20℃),已知的有机液体表面张力系数都小于水,含氮、氧等元素的有机液体的表面张力系数较大,含F、Si的液体表面张力系数最小。水溶液:如果含有无机盐,表面张力比水大;含有有机物, 表面张力比水小。


表面能是恒温、恒压、恒组成情况下,可逆地增加物系表面积须对物质所做的非体积功。表面能的另一种定义是,表面粒子相对于内部粒子所多出的能量。

表面能是创造物质表面时对分子间化学键破坏的度量。

晶界

在多晶体中,由于晶粒的取向不同,晶粒间存在分界面,该分界面,称为晶界。由于晶界连接着不同排列方向的晶粒,从一种排列方向过渡到另一种排列方向,因此晶界处的原子排列是不规则的,所以晶界上的原子往往比晶粒内的原子具有更高的能量,当晶粒间位向差别越大,在晶界处的原子排列就越不规则。此外,金属中的杂质往往易于富集在晶界上。晶界的结构、成分和多少,对金属的各种性能和金属内的各种过程(如结晶、扩散、变形等)有重大影响,金属中晶界愈多,即意味着晶粒愈细。

一般说来,细晶粒金属的机械性能(强度、塑性和韧性)总是优于粗晶粒的金属。根据相邻晶粒间位向差的大小,晶界可以分为小角度晶界及大角度晶界两种,当位向差小于10°时称小角度晶界,它是由一系列相隔一定距离的刃型位错所组成,晶界层比较薄。当位向差的角度大于10°时,金属晶体中多数晶粒间的位向差在30°~40°左右,因而其晶界多属大角度晶界。


晶界应力

晶界应力是指作用于晶粒边界上的应力。在晶界面上,原子排列从一个取向过渡到另一个取向,故晶界处原子排列处于过渡状态。 晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界。

它包含两层含义。一层含义是晶界本身是个畸变区,有内应力作用在晶界面及其附近区域。例如。由位错列构成的小角度晶界的应力场可用位错理论算出,它在晶界面上有极大值,并急剧下降,故是一种短程应力。另一层含义是指作用在晶界面上的外应力或其它内应力源的内应力(如位错塞积在晶界)。高温蠕变时,作用在晶界面上的切应力使晶界产生滑动从而导致蠕变塑性变形。作用在晶界面上的正应力能使原子定向扩散流动,从而产生沿晶界扩散的蠕变。


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