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1 表面技术与工程概论11 表面技术与工程的涵义 表面技术从广义上讲，它是一个十分宽广的科学技术领域，是具极高使用价值的基础技术。随着工业的现代化、规模化、产业化，以及高新技术和现代国防用先进武器的发展对各种材料表面性能的要求愈来愈高。20世纪80年代，被列入世界10项关键技术之一的表面技术经过20余年的发展，已成为一门新兴的，跨学科的，综合性强的先进基础与工程技术，形成支撑当今技术革新与技术革命发展的重要因素。材料表面技术与工程是把材料的表面与基体作为一个统一系统进行设计和改性，以最经济，最有效的方法改善材料表面及近表面区的形态、比学虚分、组织结构，并赋予材料表面新的复合性能；使许多新构思、新材料、新器件，实现了新的工程应用：我们把这种综合化的，用于提高材料表面性能的各种新技术，统称为现代材料表面技术(现代表面技术)。111 表面技术与工程实施的目的 对固体材料而言，材料表面技术与工程实施的主要目的，是以最经济、最有效的方法改变材料表面及近表面区的形态、化学成分和组织结构，使材料表面获得新的复合性能以新型的功能，实现新的工程应用。具体而言，通过表面技术与工程的优化设计与实施，可以达到下列目的： (1)提高材料抵御环境的能力。 (2)赋予材料表面具有机械功能、装饰功能、物理功能和特殊功能(包括声、电、光、磁及其转换和各种特殊的物理、化学性能)。 (3)弄清各类固体表面的失效机理和各种特殊的性能要求，实施特定的表面加工来制备具有优异性能的构件、零部件和元器件等先进产品，以促进材料表面科学技术与生产力的发展。 为达到上述目的，主要通过使用先进的涂镀技术，在材料的表面加上各种涂镀层：如涂层技术中的电镀、电刷镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、塑料喷涂，热浸镀、陶瓷涂敷、搪瓷涂敷、各种物理气相沉积包括真空蒸发镀、溅射镀、阴极多弧镀、空心阴极离子镀、磁控溅射镀等)，化学气相沉积、分子束外延、离子束合成等技术。 另外，也采用各种表面改性技术及机械、物理、化学等方法，使材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态、应力状态得到改变，其技术主要有表面热处理、化学热处理、喷丸强化、等离子扩渗处理、三束(激光束、电子束、离子束)改性处理、高密度太阳能表面处理等等。 值得一提舶是，当今国内外表面技术的发展和实际应用，都是把各类表面技术作为一个系统工程进行优化设计和优化组合。通过优化设计，使材料“物尽其用”；通过优化组合，使各类表面技术“各展所长”。表面工程作为一个完整的概念，它又是一门典型的学科交叉，系统性强，涉及面广的边缘学科。学科的交叉，使表面工程应运而生，表面工程的发展又促进了各类新型表面工程材料的发展。各种表面薄膜加工的需要，又促进了各种表面镀膜方法的发展。在相关学科的理论基础上，通过对材料表面的物理、化学特性，表面与界面的检测方法及技术等研究，以“表面、界面”为核心，逐步形成了与其他学科相关的诸如“表面失效分析、表面摩擦与磨损、表面腐蚀与防护、表面界面与功能效应、疲劳及环境脆化、表面机、力、热、光、声、电、磁等功能膜层的设计、表面功能特性问的耦合转换、复合性能、低维材料的结构”等表面工程理论基础。表面工程的发展，又反过来为各类学科不断开辟崭新的研究领域，在显示其学术价值的同时，由于表面工程在国民经济及国防先进武2S装备上的日益广泛应用，其经济效益和社会效益令人瞩目。112 与表面有关的一些表面技术 表面技术与科学、表面工程，已经取得了巨大的成就。从高新技术产品，先进的武器装备到日常生活用品，都离不开现代科学技术的迅速发展，都离不开现代表面科学技术和表面工程技术。 人造卫星向地面发回的信息、图像、资料，依靠的是薄膜支撑的太阳能电池，人造卫星中用于各种声、光、电、磁的转换，维持各种仪器设备的自动化运转，相当一部分是靠薄膜技术来支撑的，各种高性能的战机、战车“隐身”，高空预警飞机所配备的大功率计算机，各类探测器、转换器、传感器，探视空中与地面各种动向，向地面发布各种信息等等，都离不开大量的薄膜沉积材料和先进的涂层及表面改性、涂镀技术的支撑。 现代都市涂有装饰、保护层的电视塔、微波塔，现代化高层建筑群用的大型幕墙表面镀膜玻璃以及现代化大厦、宾馆大厅，金碧辉煌的各种装饰物壁画、美丽的灯饰等表面装修，各种磁带、光盘、集成电路、电视机、手机上的线路板，计算机的集成块、终端显示屏等等，都离不开薄膜、表面改性和涂镀层技术。 不难观察到，只要有固定形状的物体，都存在表面。制造任何产品、部件，首先要设计、处理好表面。物体美化装饰在表面，大量机械、零部件的摩擦、磨损、腐蚀首先在表面发生。总之，通过表面科学与工程的设计，可以创造出一个性能优异的表面涂镀层，装饰出一个更加美好的世界，为人类创造出舒适雅致的生活环境，创造出使用寿命更长，性能更优异、更轻巧的各种专机、设备和仪器；可以使电子信息产品变得更轻、更薄、更小、更精，使物体具有防止损伤以及特殊的、超常的性能。 就表面现象而言不难看出在自然界中的表面现象随处可见，有关与它直接的表面技术还很多，这里仅举一些与表面现象有关的表面技术。 1121 表面湿润和反湿润技术 湿润是一种重要的表面现象。人们期望液体在固体表面上有高的湿润性和不湿润性。这就需要在各种条件下采用表面湿润和反湿润的技术。如洗涤，是为除去粘在固体基质表面上的污垢尽管固体基质和污垢各种各样，五花八门，但为了除净污垢，达到洗净目的，其洗涤液必须能湿润，而且直接附着在固体基质的污垢上，使浸人的污垢与基质界面两者间的附着力削弱，从而使污垢完全脱离基质形成胶粒漂浮在洗涤液介质中。如用磁控溅射法生产机沉积制备液晶显示器用的ITO导电玻璃，在实现溅射镀制ITO膜前，必须把ITO溅射靶与生产机用铜背靶实施钎焊；这种钎焊实际上是一种“金属陶瓷”间的焊接，按技术和涂层要求，必须采用铟(In)或铟合金焊料，而铟或铟合金与铜背靶完全可以润湿，可在铜背靶上大面积均匀地铺展开来，涂覆上铟或锢合金焊料不成问题。但氧化铟锡(ITO靶)与焊料铟或铟合金，就不能润湿，铟在ITO靶上表现为集聚，在焊接时，便需要采用一种“特殊的方法”，首先使铟或铟合金打破集聚，洼它分散在ITO背靶上大面积的铺展开来，方能很好地实施钎焊。这就涉及到湿润与反湿润的相关技术。又如矿物浮选是用气泡力来实现物质分离的选别矿物的技术，其所用的浮选剂是促使浮矿石的表面变成疏水性，促使黏附在气泡上或由疏水性低密度介质湿润而浮起：表面技术与工程的基本概念和基础理论 表面科学在当今的一个鲜明特点是应用技术与基础理论紧密结合，互相推动，蓬勃发展；它的强烈的应用背景，特别是高新技术领域的特殊要求，极大地促进了表面工程科学技术的发展。从材料科学的角度看，表面与界面，是表面科学研究的重要基础，固体表面有其独特的物理 特性，这里所指固体的表面，可以视为固一固，固一液，固一气等界面的一种特殊情况。广泛意义下的现代界面应用基础研究包括了相界、晶粒边界，异质结构或异相材料的复合等等基础性问题。这些研究都与新材料、新器件、新技术紧密相联。本章扼要简介固体材料及其表面，表面晶体学，表面(界面)特征与现象，表面电子学，薄膜的电迁移及其部分功能效应，附着和材料的腐蚀与磨损等，为表面科学技术的深人研究开展工作，建立表面科学的一些基本概念和基本的理论基础。21 固体材料及其表面211 固体材料 固体材料是指能承受应力的刚体材料，在室温下其原子在相对的固定位置上振动。从物质结构形态上看，可分为晶体、非晶体。晶体中的分子、原子、离子在三维空间呈周期性规则排列，存在长程的几何有序。非晶体包括玻璃金属(非晶态金属)、玻璃，非晶态半导体和某些高分子聚合物。其内部分子、原子、离子在三维空间排列无长程序，因化学键的作用，在1一2nm内，原子间距和成键键角等有一定特征，即所谓的短程序。 在固体中，分子、原子、离子之间存在着一定的结合键，它的结合与原子结构相关。这种结合键被称为范德瓦尔斯(Van derWals)键。在许多分子之间通过这种键合成固体，分子间靠范德瓦尔斯键结合成为固体的键称为分子键。另外，还有氢键，它是特殊的分子间作用力，把氢原子与其他原子结合而构成氢的化合物。分子键和氢键均属物理键或次价键。由于大多数元素的原子核外的最外电子层都没填满电子，所谓的化学反应或结合，实质就是争夺核外电子，使之成为如惰性气体式的稳定结构。不同元素的不同电子排布，就导致了它们不同的键合方式。如铜是金属键结合，硅是共价键结合，氯化钠固体是离子键结合。离子键、金属键、共价键同属化学键和主价键，都是强的结合键。实际上，众多的固体材料不是一种单一的键把原子和分子结合，而是包含有两种或更多种的结合键。通常只是其中某种键起主导作用。 工程技术普遍使用固体材料。如果按其在工程技术中所起的作用来分可分为结构材料和功能材料两类。结构材料以力学性能为主用来制造工程构件，机械零件，工具、模具以及机械装备中的大型件等等；而功能材料是利用该材料的各种物理化学特性及对各种外界环境条件下的敏感反应，以实现能量转换、信息处理或某些特殊的力学性能的材料。常用来制备各种仪器、设备中具有独特功能的关键部件。212 固体表面 固体的表面有其独特的物理、化学特性。材料的表面与其内部本体材料在结构和化学组成上都有明显的差别。 一定温度和压力条件下，把两种不同的相，它们之间的交界区称为界面，如固固，固液，固气界面。表界面就是由一个相过渡到另一个相的过渡区域。对固体材料而言，界面有三种，即： (1)分界面一固液，固气间的分界面，即表面。 (2)晶界面或亚晶界即多晶材料内，成分结构相同，而晶粒取向不同(或亚晶)之间的界面。 (3)相界固体材料中，成分、结构不同的两相之间的界面(相界面)。 由于我们研究的表面往往又是多个相的系统，这种复杂的相系致使表面界面呈复杂多样性。为了便于研究表面，在理论上，近似地假设除了固气界面的几何限制外，而系统不发生任何变化的表面称为理想表面。就晶体而言，这种理想的晶体表面可用二维晶格结构来描述，它存在5种布喇菲格子，9种点群和17种二维空间群。 对于固体材料与气体界面，又有两种不同的对象，即清洁表面和实际表面。 这里所说的清洁表面，是指不存在任何污染的化学纯表面，是经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空条件下的解理、蒸发薄膜、化学反应、场致蒸发、分子束外延等特殊处理后，保持在10-8”一10-9Pa超真空下外来污染少到不能用一般表面分析方法探测的表面，称为清洁表面。 这里所说的实际表面，是指暴露于大气环境中的固体表面，或经一定加工处理(诸如清洗、抛光、研磨、切割等等)保持在常温常压或低真空或高温下的表面。 清洁表面与实际表面相差很大。表面的清洁程度又需用相应的特殊处理和超高真空的情况来定，在原子清洁的表面上，可发生多种与基体内不同的结构和成分变化，诸如弛豫、重构、台阶化、偏析、吸附等等。所以研究清洁表面，又需使用复杂、精密的仪器，而研究的结果一般难以应用于实际。但是它对表面所得到的确定性的描述，深入研究表面成分和结构在不同真空条件下的变化规律，对揭示表面的本质和深入了解影响材料表面性能的各种因素，都对实际工作具有理论指导意义，并以此为基础来研究实际表面。虽然因受氧化，吸附污染等各种因素的影响，得不到明确的特定性的描述，但它可根据试验取得一定条件下的具体结论，并直接的指导应用于实际，这在控制材料质量，研究新型材料，并可靠地应用