固体的表面：固体—气体之间的分界面 固体的界面:
固体—固体之间的分界面。（界面行为：粘附） 固体—液体之间的分界面。（界面行为：润湿与粘附） ♣晶界：多晶体中晶粒之间的接触界面。
（包括同相晶粒之间的接触界面、异相晶粒之间的接触界面 ）
面缺陷: 是将材料分成若干区域的边界，如表面、界面、晶界。
脆性材料的理论强度约为实际强度的几百倍，正是因为 存在于固体表面的微裂纹起着应力倍增器的作用，使位于裂 缝尖端的实际应力远远大于所施加的应力。
葛里菲斯（Griffith）建立了著名的玻璃断裂理论，并导 出了材料实际断裂强度与微裂纹长度的关系
R 2E C
式中， R为断裂强度，C为微裂纹长度， E为弹性模量，α是 表面自由能。
2、固体的表面状态（结构、几何形态）
松弛
离子晶体表面的离子极化变形 和离子重排过程
NaCl晶体表面形成一个 0.02nm厚度 的双电层
王鹏
0.020nm
晶
晶
体
体
内
表
部
面
0.281nm
0.266nm
NaCl表面层中Na+向里，Cl-向外移动并形成双电层
Ag@AgCl光催化剂机理研究
铝
晶面的不均匀性
外表面 内晶界
CaF2多晶体 SEM 图
概念
左图为初始氧化铝粉末，右图为氧化铝陶瓷多晶结构
多晶体中晶粒尺寸与晶界所占多晶体中体积百分数关系
当晶粒平均尺寸为1μm时，晶界占多晶体总体积的1/2！
一、固体的表面
1、固体的表面力场 2、固体的表面状态 3、固体的表面能
1、固体的表面力场
晶体中每个质点周围都存在着一个力场，在晶 体内部，质点力场是对称的。但在固体表面，质 点排列的周期重复性中断，使处于表面边界上的 质点力场对称性破坏，表现出剩余的键力。
图2-20 面心立方晶体中的抽出型层错(a) 和插入型层错(b)
eg: 反映孪晶界面 孪晶：两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面构 成镜面对称的位相关系，这两个晶体称为孪晶；这一公共晶 面称为孪晶面
原因：堆垛层错
补充：界面行为（润湿与粘附）
V
沾
S
湿
L
图4.2.1固体进入液体过程
V
L
S
四、位错的来源和增殖
1、位错的密度 位错密度 ρ= L/V（cm-2）
2、位错的生成：晶体在凝固及生长过程中的位相差、饱和空位 的聚集、局部应力集中产生滑移等
位错的增殖 ：晶体在变形过程中位错会大量增殖 ● 弗兰克-瑞德源（Frank-Read）
位错增殖的F-R源机制
Hale Waihona Puke Si 中 的 位 错 源本节重点掌握： 概念：
3、晶界偏聚
晶界偏聚：溶质原子或杂质原子在晶界上的富集，也称内吸附。
Ce在高速钢中的面分布 (a) 背散射电子图像；(b) Ce的面分布
三、堆垛层错
堆垛层错(以下简称层错)：指正常堆垛顺序中引入不正常顺序 堆垛的原子面而产生的一类面缺陷。
这种结构变化，并不改变层错处原子最近邻的关系(包括配 位数、键长、键角)，只改变次邻近关系，几乎不产生畸变，所 引起的畸变能很小。因而，层错是一种低能量的界面。
3、固体的表面能
表面张力：作用于表面单位长度上与表面相切的力，单位是 N/m。 表面能：将表面增大一个单位面积所需要作的功称为比表面能， 简称表面能，单位为 J/m2 ，简化后为N/m。
表面偏聚：溶质原子或杂质原子在表面上的富集。
二、晶界
1、晶界的分类 2、界面的特性 3、晶界偏聚
概念
1、 晶界分类 ① 按两个晶粒之间位向差（θ）的大小来分：
位错 伯格斯矢量 位错的类型
§3.3 面缺陷 planar defect
（教课书第四章 固体的表面与界面）
一、固体的表面 二、晶界 三、堆垛层错 补充：界面行为（润湿与粘附）
实际存在的物质都是具有有限体积的，物质的边界上总是存在 着分界面。
根据分界面两侧物质聚集状态（气、液、固）的不同，存在着 固—固、固—液、固—气、液—液、液—气等五种情况。
2、晶界的特性
晶界具有一些不同于晶粒内部的特性。 ① 界面上原子排列较晶粒内疏松，因而界面易受腐蚀由
于晶面上结构疏松，在多晶体中，界面是原子（或离 子）快速扩散的通道，并易引起杂质原子（离子） 偏聚，同时也使界面处熔点低于晶粒； ② 界面上原子排列混乱，存在着许多空位、位错和键变 形等缺陷，使之处于应力畸变状态，能阶较高，使 得界面成为固态相变时优先成核的区域。 ③ 晶界对位错运动的阻碍作用——细晶强化
对称
a.小角度晶界(<10o) 倾斜晶界 不对称
扭转晶界
b.大角度晶界(>10o)
a ．小角度晶界
b ．大角度晶界 大角度晶界原子排列比较紊乱，结构复杂。
大角度晶界结构示意图
②根据相界两边原子排列的连贯性来分： a.共格晶界：界面两侧的晶体具有非常相似的结构和类似的取 向，越过界面原子面是连续的。
• 晶体的各向异性
• 制备和加工条件不同
原 因
• 晶格缺陷、空位或位错
• 吸附
• 原子尺寸上是凹凸不平的。
了解两个概念
表面粗糙度会引起表面力场变化，进而影响其表面性质。
从色散力的本质可见，位于凹谷深处的质点，其色散力 最大，凹谷面上和平面上次之，位于峰顶处则最小；反之， 对于静电力，则位于孤立峰顶处应最大，而凹谷深处最小。
由于固体表面的不平坦结构，使表面力场变得不均匀， 其活性和其它表面性质也随之发生变化。其次，粗糙度还直 接影响到固体比表面积、内、外表面积比值以及与之相关的 属性，如强度、密度、润湿、孔隙率和孔隙结构、透气性和 浸透性等。此外，粗糙度还关系到两种材料间的封接和结合 界面间的吻合和结合强度。
表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生。微裂纹 同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度这种影响 尤为重要。
图4.2.2液体在固体表面的铺展
V S
L
图4.2.3浸湿过程
V
沾浸铺
S
湿展
L S
图4.2.4固体进入液体过程
b.半共格晶界：晶面间距比较小的一个相发生应变，在界面 位错线附近发生局部晶格畸变。
c.非共格晶界：界面两侧结构相差很大且与相邻晶体间有畸变 的原子排列。
失配度
C2 C1 C1
薄膜的外延生长
♣亚晶界--- 亚晶粒之间的界面
亚晶粒：一个晶粒中若干个位向稍有差异的部分。 亚晶界：相邻亚晶粒之 间的界面。位相差一般小于2º。