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界面物理化学复习知识点
界面物理化学复习知识点
绪论
1、界面定义界面:
物体与物体之间的接触面,也称两种物质之间的接触面、连接层和分界层。
复合材料的界面是指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。
界面通常包含以下几个部分:
基体和增强物的部分原始接触面;基体与增强物相互作用生成的反应产物,此产物与基体及增强物的接触面;
2、复合材料定义:
用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分(或称组元),通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。
外加颗粒增强和内生颗粒增强复合材料的比较
3、界面连接情况根据界面的连接紧密程度,界面连接有两种情况:
物质之间无相互渗透和物质之间有相互渗透
4、界面所起的作用
界面的效应
(1)传递效应界面能传递力,即将外力传递给增强物,起到基体和增强物之间的桥梁作用。
(2)阻断效应结合适当的界面有阻止裂纹扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。
(3)不连续效应在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩擦出现的现象,如抗电性、电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
(4)散射和吸收效应光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生散射和吸收,如透光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲击性等。
(5)诱导效应一种物质(通常是增强物)的表面结构使另一种(通常是聚合物基体)与之接触的物质的结构由于诱导作用而发生改变,由此产生一些现象,如强的弹性、低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等界面效应是任何一种单一材料所没有的特性,它对复合材料具有重要的作用。
界面效应既与界面结合状态、形态和物理-化学性质有关,也与复合材料各组分的浸润性、相容性、扩散性等密切相关。
5、物质固液气态,表现出的界面种类,举例说明气—液界面:
蒸发、蒸馏、表面张力、泡沫。
蒸发——部分液相分子在一定温度下转换为气相分子;蒸馏——液体分子蒸发后,部分气相分子凝结为液相分子。
液—液界面:
乳液、界面张力。
乳液——两不互溶液体相互接触时,一相的微滴分散在另一项的液体内,微滴对光线发生漫射反射;界面张力——互不相溶的两相液体接触界面上所特有的一种力。
气/固界面:
气体吸附、气蚀、升华、灰尘、催化反应、固体的分解。
气体吸附——吸附剂吸收气体的一种作用;气蚀——如汽轮机的叶片,长期受喷射气体的冲刷所发生的腐蚀;升华——固体直接气化的现象;灰尘——固体的微粒悬浮于空气中。
液—固界面:
电解、高分子晶体、焊接、润湿、接触角、浮选、润滑、催化。
电解——电极浸入电解液中通直流电后,发生的电解反应;高分子胶体——聚合物的微粒分散在水或其他介质中,形成的胶体溶液;焊接——如熔焊的焊锡(液体)焊接金属(焊锡焊接冷却后则是固/固界面);润湿——液体在固体表面上铺展开来。
固—固界面:
焊接接头、摩擦、磨损、合金、固相反应。
焊接接头——焊缝使两固体被粘物牢固结合并成为一个整体;摩擦——两个固体相互接触并相对移动的现象;磨损——两块固体互相接触并相对滑动时,表面层掉落下来成为磨屑,表面因此而发生的损失;合金——一种金属的晶体分布在另一种金属里;固相反应——两种混合的固体,在一定条件下发生的化学反应。
6、计算材料学从一个不同尺度范畴考虑界面性质
7、弛豫,结构重构的含义弛豫:
原子核从激发的状态恢复到平衡排列状态的过程叫弛豫过程。
它所需的时间叫弛豫时间。
8、固体与固体的界面分为晶界、相界晶界:
晶界是结构相同而取向不同晶粒之间的界面。
相界:
由结构不同或结构相同而点阵参数不同的两块晶体相交接而形成的界面。
9、根据原子排列结构差别,相界分为共格、半共格、非共格
(1)共格界面:
两晶相具有相同的原子分布方式及相近的原子间距,两相的晶格在界面上能够相互衔接,一一对应,以致晶界两侧的点阵越过界面是连续的,这种界面称为共格界面。
(2)半共格界面:
界面两侧的晶体点阵的对应晶面的面间距存在一定差异,两侧的晶体点阵具有连续性但每隔一定距离需要产生一个错配位错来容纳晶面间距差异的界面。
(3)非共格界面:
界面两侧的晶体点阵完全不存在连续性的界面。
10、界面结合五种类型
(1)机械结合。
材料在结合面之间的机械啮合,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。
(2)静电作用结合。
结合面带有的异性电荷产生静电作用,使界面结合强度增加,结合力取决于电荷量。
(3)化学结合。
材料在结合面之间发生电子转移,形成界面原子间的化学键结合。
化学结合强度取决于键的类型和单位面积键的数量。
(4)界面扩散结合。
在一定条件下,材料在结合面处发生扩散现象,形成扩散结合。
(5)界面化学反应。
材料在结合面发生化学反应生成新相。
11、界面缺陷类型
12、界面研究的意义
第一章晶体界面的基础知识
1、
(1)晶体:
规则结构,分子或原子按一定的周期性排列。
长程有序性,有固体的熔点。
E.g.水晶、岩盐。
(2)非晶体:
非规则结构,分子或原子排列没有一定的周期性。
短程有序性,没有固定的熔点。
玻璃、橡胶。
(3)准晶体:
有长程的取向序,沿取向序的对称轴方向有准周期性,
但无长程周期性。
2、晶体宏观性质
1)周期性:
从原子排列的角度来讲(均一性一一从宏观理化性质的角度来讲);2)宏观对称性;3)各向异性和解理性。
例如,云母的解理性;4)固定的熔点。
3、晶体结构及配位数(配位数:
一个原子周围最近邻原子的数目)
面心立方堆积,排列方式:
ABCABC(立方密堆积)
配位数:
fee的配位数为12。
典型晶体:
Cu、Ag、Au、CaSr、Al
密排六方堆积,排列方式:
ABABAB(六方密堆积)
配位数:
hep的配位数为12。
典型晶体:
BeMgZn、CdTi
体心立方堆积,对于体心立方(bee)配位数为8。
4、晶相、晶面及表达方式
(1)布拉伐格子的格点可以看成分列在一系列相互平行的直线系,
这些直线系称为晶列。
每一个晶列定义了一个方向,称为晶向。
如果从一个原子沿晶向到最近的原子的位移矢量为:
则晶向就用11、12、13来标志,写成[111213],称为晶向指数
晶面一一晶体内三个非共线结点组成的平面。
通常用密勒指数来标:
(确定米勒指数的步骤)
1)选任一结点为原点,作一、一、■的轴线。
2)求出晶面族中离原点最近的第一个晶面在
、-轴上的截距
3)将、、取倒数并化为互质整数h、k、丨,则(h,k,l)
即为密勒指数。
5、立方晶系中存在底心立方结构吗?
为什么?
底心立方可以连成更小的简单立方
6、在正方晶系中有没有底心正方、面心正方?
底心正方t简单正方、面心正方t体心正方
7、在立方晶系中标出晶面、晶向指数(略)
8晶界与界面的化学组成解析
过去,作为测定晶界与界面的化学组成方法主要用俄歇(AES
电子分光、次级离子质谱法(SLMS及AEM-EDS勺局部分析法。
AES和SIMS作为研究物质表面附近的化学组成手段被广泛运用,但因其空间分辨率不足,用来分析晶界-界面。
扫描电子显微镜的成像原理和光学显微镜或透射电子显微镜不
同,它是以电子束作为照明源,把聚焦得很细的电子束以光栅状扫描方式照射到试样上,产生各种与试样性质有关的信息,然后加以收集和处理从而获得微观形貌放大像。
9、界面参数
①晶体晶格点位置关系;②化学组成;③方位关系;④不同晶体结构;⑤不同结合性质等。
10、晶体缺陷按其作用范围可分为:
点缺陷:
在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。
如空位、间隙原子、异类原子等。
线缺陷:
在两个方向上尺寸很小,而另一个方向上尺寸较大的缺陷。
主要是位错。
面缺陷:
在一个方向上尺寸很小,在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。
如晶界、相界、表面等。
11、位错的基本类型
(1)刃型位错
(2)螺型位错(3)混合位错
12、位错的增殖机制主要有三种机制:
弗兰克-里德位错源(Frank-Readsource)机制、双交滑移增殖机制,和攀移增殖机制。
第二章材料界面形成过程
1、发生浸润的条件
(1)润湿是固-液界面上的重要行为。
固液接触后,体系吉布斯自由焓降低时就称为润湿。
按润湿程度分类:
附着润湿、铺展润湿、浸渍润湿
(2)浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。
(1)若丫sv>ysl,则B<90,浸渍润湿过程将自发进行,此时△G<0
(2)若丫SV<丫SL,则B>90°,要将固体浸入液体之中必须做功,此时△G>0
(3)润湿与液滴的形状
(A)润湿,0<90°(B)不润湿,0>90°(C)完全润湿,0=0°,液体铺开
2、黏着功公式
指测定时存在的各相之间的界面能
4、复合材料界面结构表征
5、金属基复合材料界面优化技术
6、金属基复合材料界面成分变化:
基体合金和增强体不可避免地发生不同程度的界面反应和元素扩散作用,界面反应和反应程度决定界面结构和特性,主要行为:
(1)增强了金属基体与增强体界面结合强度;
(2)产生脆性界面反应产物;(3)造成增强体损伤和改变基体成分。
7、金属基复合材料界面反应程度可分为弱界面反应、中等程度界面反应、强界面反应。
第三章材料界面的制备技术
1、接合机制
(1)物理机制:
如物理吸附、机械力嵌合等。
其主要影响因素为界面能、环境及保护气氛、被接合物质的表面质量等。
降低异类物质的界面能可以改善浸润和吸附现象
(2)化学机制;典型的有化学反应和扩散。
提高温度,有助于促进同类或异类物质固、液相之间的化学反应,使固相向固相或固相向液相的反应得以更顺利进行,从而增强了浸润和接合的效果,使接合界面保持最理想的性能。
影响因素多,常将位于接合区域的物质之间的电子换位、元素的氧化还原反应等因素结合起来考虑,此外阴电性对接合状态的影响也不容忽视。
2、常规制作方法
(1)机械嵌合
(2)固相扩散接合(3)压接(4)摩擦焊(5)反应接合方式:
A)气体-金属共晶反应接合B)固体相互反应工艺C)活度金属法D)使用贵金属作中间层;(6)电压接合法(7)微波加热结合(陶瓷-陶瓷接合体)(8)熔化焊接(9)超高真空压焊(10)超声波接合(11)离子注入法(12)金属化(13)共晶接合法
3、导致界面偏析的主要因素
(1)表面存在过剩自由能(表面张力);
(2)具有与氧的亲和性
(3)向合金的表面扩散速度与体积扩散速度之差。
这些因素又取决于温度、平衡与非平衡条件
4、实验结果的分析方法
第四章材料界面形成过程的物理化学反应
1、了解Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4陶瓷与金属的接合反应及浸润性
2、复合材料界面反应的种类及其所起的作用
第八章晶体界面的行为与物理化学诸现象
1、晶界迁移的驱动力:
变形储存能、界面曲率变形储存能:
对于冷变形的晶体,,即晶界迁移的驱动
力为冷变形晶体内部的储存能。
界面曲率(非变形状态):
弯曲的曲面存在界面张力,产生向心的法向力,使界面趋于平直化。
为达力学平衡,凹侧单位面积上的压力为dP,对圆柱面
晶界迁移的影响因素:
杂质或溶质原子的影响:
发生晶界吸附或偏聚时,降低迁移率,形成对晶界迁移的拖曳作用。
温度:
晶界扩散系数随温度升高成指数关系增加,故晶界迁移率明显增大。
晶粒位相差:
晶界的晶粒取向差小,迁移率低。
大角度晶界具有较大迁移率(原子扩散系数大)
第二相粒子:
阻碍晶界运动,晶界脱离第二相颗粒的迁移是系统能量提高的过程,产生晶界迁移的阻力—钉扎作用2、晶体晶界移动度概念
3、晶界是变形初期晶格位错的发源地。
4、钢铁材料中熔融金属晶界破坏因素:
组织结构、合金化元素、温度、应力、变形速率、晶界结构、叠加效果
5、纳米材料所具备的基本效应
(1)尺寸效应
(2)量子效应(3)界面效应四大特点:
尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大四个方面应用:
(1)纳米电子学
(2)纳米材料科学(3)纳米生物学
(4)纳米医学
6、爆炸焊接过程形成的波形的振幅和周期可以通过调节3个主要的参数来控制:
爆炸速度Vd、炸药量、接合板之间的距离金属射流作用:
熔化袋的凝固特性主要依赖于组成接合偶的元素相互作用,相互作用分为三类:
(1)两种元素之间完全互溶,在这种条件下复合材料,力学性能与接
合偶中较弱材料相当或者更高
(2)金属间化合物的形成,一般这种化合物很脆,因而复合板材的力学性能比单个接合偶都要低
(3)非常低的互溶度,对材料的影响还不确定
7、射流行成的3个条件:
一是所有的情况下,不论碰撞点是以亚音速、音速或者是超音速的移动速度,在碰撞点之前时刻产生的压力必须足够大,超过被接合金属材料的弹性极限,以确保金属表面的变形和射流相匹配。
二是如果碰撞点移动速度保持亚音速,从理论上讲射流在任何碰撞角都会出现。
但是实际上,仍需要保持一个最小的临界角,以满足所需的接合压力。
三是如果碰撞点的速度保持超音速,射流只有在高于某一个临界角的情况下产生,这个临界角强烈地依赖于所接合的金属体系和碰撞点的速度。
8、爆炸接合界面的晶粒细化区域包括熔化层和塑性变形层熔化层是由接合偶材料组成的金属射流凝固后获得的。
一般分布不连续,由于熔化时与接合偶之间存在较大的温度差,凝固速度较快,所以晶粒细小。
塑性变形区是爆炸焊接合时覆板和基板碰撞引起的塑性流动造成的,塑性变形区中越靠近接合界面,变形越大,晶粒越细小。
爆炸接合过程中界面射流带来的温度的变化对界面的晶粒尺寸有决定作用。
9、对于C/Mg-Al复合材料界面优化途径(两个)、界面作用途径:
(1)改变基体中铝的含量和碳纤维的类型来控制
(2)对于混合的镁合金组件,基体铝合金比须更高
10、SiCp/AI复合材料界面优化措施
11、超晶格
固溶体发生有序化转变后不同种原子在晶格中呈有秩序排列的晶体
结构。
12、超晶格分类:
(1)组合超晶格:
在超晶格结构中,如果超晶格
的重复单元是由不同半导体材料的薄膜堆垛而成的叫做组分超
晶格;
(2)掺杂超晶格:
在同一种半导体中,用交替地改变掺杂类型的方法做成的新型人造周期性半导体结构的材料:
(3)应变超
晶格;(4)其他
13、溶胶-凝胶法概念及原理;
几个工艺过程:
制备-转化-干燥
基本原理:
将酯类化合物或金属醇盐溶于有机溶剂中,形成均匀的溶液,然后加入其他组分,在一定温度下反应形成凝胶,最后经干燥处理制成产品。
14、溶胶-凝胶法的优缺点
优点:
(1)由于溶胶—凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液,因此,就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性,在形成凝胶时,反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。
(2)由于经过溶液反应步骤,那么就很容易均
匀定量地掺入一些微量元素,实现分子水平上的均匀掺杂。
(3)
与固相反应相比,化学反应将容易进行,而且仅需要较低的合成
温度,一般认为溶胶-凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内,而固
相反应时组分扩散是在微米范围内,因此反应容易进行,温度较低。
(4)选择合适的条件可以制备各种新型材料。
缺点:
(1)目前所使用的原料价格比较昂贵,有些原料为有机物,
对健康有害;
(2)通常整个溶胶-凝胶过程所需时间较长,常需要几天或几周;(3)凝胶中存在大量微孔,在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物,并产生收缩。
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