第2章-表面工程技术的物理、化学基础

第二章，表面工程技术的物理化学基础，现代表面技术，Lecture2表面工程技术的物理化学基础，一、本课的基本要求可以理解晶体表面能、表面张力、吸附活化能等基本概念，用相关理论说明相关的表面现象。 二、本课重点、难点：重点：固体表面特征，晶体表面能和表面张力，固体对气体的吸附，固体对液体的吸附，固体表面间的吸附。 难点：固体表面结构，固体对液体的吸附规律。 主要介绍表面工程技术的基本概念，更好地掌握影响材料表面性能的主要因素，更好地理解表面工程技术的特点。 第一节固体表面和界面、表面：固相和气相界面：固相间界面不同的凝聚相间界面称为相界面a和m、f和m同相晶粒间界面称为晶界微晶m的非晶1nm、一般的固体表面、材料表层的原子结构的周期性与体内不同，但化学成分与体内相同，将该表面称为清洁表面。 对于表面被污染的程度和理想的表面。 允许吸附物，只能通过高温处理这种特殊的处理方法得到。 1理想的表面认为，半无限晶体中的原子位置和电子密度与原来的无限晶体相同。 显然自然界很难得到理想的表面。 2 .清洁表面和清洁表面，由于晶体内原子的排列在垂直于表面的方向上周期性变化，表面原子的邻近原子数减少，其所具有的能量大于晶体内部原子的能量，超过的能量与减少的结合数成比例，该部分的能量为材料的表面能。 表面能是高洁净度的表面，可以引起不同于体内结构和成分的变化：松弛；重建阶梯化、偏析和吸附、表面清洗：清洗(脱脂、润湿)后的表面。 在得到的各种涂层和镀膜之前，多采用各种预处理技术得到清洁表面的微电子工业中的气相生长和微加工需要清洁表面或超清洁表面，3机械加工表面的实际部件表面绝对不平滑。 由微观上不规则的起伏的山谷组成。 波纹度的粗糙度、材料的表面粗糙度与加工方法有关，最后的加工工序起着决定作用。 粗糙度的表现方法：轮廓的算术平均偏差Ra:yi是峰和谷的绝对值，n是测定个数。 or:Ai是实际面积，Al是Ai的投影面积。 4一般表面除Ag外，金属经机械加工后，常温常压下氧化。 因此，固体表面吸附有外来原子。 氧化皮、二、典型的固体界面、界面通常指两块之间的过渡区域，其空间尺度取决于原子力影响范围的大小，其状态取决于材料和环境条件的特性。 最常见的界面类型是基于1固相晶体尺寸和微观结构的不同而形成的界面，即基于2固相组织或晶体结构的界面3固相宏观成分的不同而形成的界面、基于1固相晶体尺寸和微观结构的不同而形成的界面， 研磨金属的表面组织Bilby层：具有粘性液体膜之类的非晶质外观，不仅平滑地复盖表面，而且能够流入裂纹伤等表面不规则的部位的塑性流变层：流变层与深度相关的硬度成反比例，600#SiC砂纸是真的吗？ 研磨，深度达1-10um的单晶塑性层多晶塑性层、双固相组织或晶体结构的界面、典型特征：两者之间的微观成分与组织存在较大差异，宏观成分无明显差异。 钢中珠光体：F和渗透c体钢的表面淬火：的表面为m，心部仍为原始组织，存在过渡区。 基于3固相宏观成分差异形成的界面，冶金结合界面结合强度高、金属结合、载荷大、堆焊不易剥落的喷涂； 激光熔复产生晶体扩散结合界面扩散焊接、热扩散渗透的特征是被复层与基材之间成分梯度的变化。外延生长界面在单晶基板表面沿原晶轴生成晶格完整的新单晶层的工艺称为外延生长，化学键界面的霸层材料与基材之间发生化学反应，形成成分固定的化合物时，两种材料的界面称为化学键界面。 Ti合金表面气相生长形成TiN和TiC薄膜分子结合界面通过范德华力结合的霸层和基体界面的特征是不发生扩散和化学作用机械结合界面的两种材料相互马赛克的机械结合作用形成的界面喷镀、电镀、钎焊、三、表面晶体结构等二维周期结构的再现性也是一个二维koss El stronski (str anski )表面的晶体结构物理模型平台(Terrace)-阶梯(Ledge)扭曲(Kink )模型，表面区域的各原子可以用最近的邻接数n来描述，阶梯比较光滑，但T、扭曲数增加、扭曲el台阶的生成，面心(111 )面的台阶0约为4a，简单立方(100 )台阶(10 )的0约为30a，可以分析表面存在多个缺陷，空穴、位错出现头，有晶界的痕迹等。 四表面扩散、物质中原子(分子)的移动现象称为扩散. Fick扩散的第一定律和扩散第二定律.扩散过程中原子扩散的平均扩散距离除了体扩散之外，还包括表面扩散、结晶扩散、位错扩散等. d表 d场 d位 d体、扩散温度、母材金属、扩散元素、浓度、合金元素、晶格类型、固体类型、晶格缺陷、磁状态等，五表面能和表面张力，1表面能严格来说是指材料表面内部能， 2表面张力表面张力是表面能的物理表现，取决于原子间的力和表面与内部的排列状态的不同.球、六固体表面的物理吸附和化学吸附， 1吸附的基本特性物体表面的原子和分子力场不饱和，具有吸附周围其他物质分子的能力的所谓吸附作用.吸附是固体表面最重要的性质之一.物理吸附-范德华力.力小.化学吸附-化学吸附力大.物理吸附和化学吸附的差异，6固体表面的物理吸附和化学吸附， 2固体对气体吸附的任一种气体都在临界t吸附在固体表面，即发生物理吸附.物理吸附不发生电子的移动，只有电子云中心的变动.物理吸附容易解吸，是可逆过程.气体化学吸附具有选择性. H2在Ni的表面可以化学吸附，但不能是Al . 在大多数金属中，吸附强度排列成o2c2h2c2h4co2n2气相沉积膜、气体渗透c、渗透n等。 化学吸附是一个难以解吸、不可逆的过程，六固体表面的物理吸附和化学吸附，三固体液体的吸附电解质吸附：改变表面带电or带电层的组织，发生离子交换。 电镀化学镀吸附：单分子吸附溶液的正吸附； 溶液负吸附； 固体对液体的吸附也分为物理吸附和化学吸附。 润滑油、普通润滑油、极化的长链油分子在金属表面与弱分子引力结合形成物理吸附膜，16烷基和t的化学吸附首先形成物理吸附，然后在界面发生化学反应转化为化学吸附，结合能高，不可逆。 由硬脂酸脂和FeO的作用生成的硬脂酸铁皂膜适用于较高温度，六固体表面的物理吸附和化学吸附，四固体表面之间的吸附两表面只有在原子间距的范围内才能产生固体表面吸附。 新鲜玻璃丝用黏附力描述黏附程度：表面污染影响较大。铁是汞、空气中六固体表面的物理吸附和化学吸附，5吸附对材料力学性能的影响利文扎尔效应在环境介质的作用下材料强度、塑性、耐磨损性等力学性能下降的现象。 原因：1.不可逆物理过程的腐蚀减小尺寸，不改变力性2 .可逆物理和物理化学过程降低表面自由能，力性发生变化。 任何固体都有雷氏效应。 例：玻璃、石膏吸附水蒸气后，强度降低的铜表面复盖熔融薄膜后，塑性大大降低。 六固体表面的物理吸附和化学吸附、复合效应具有以下显着特征：环境介质的影响具有明显的化学特征，使表面活化的金属水降低了Zn的和，但对镉没有影响，是同族、同晶格点。 2 .能够以少量表面活性物质产生寿命效应的微米级薄膜有可能引起脆性破坏， 溶解和腐蚀不同活性熔融金属的数滴引起低应力解理脆性破坏3 .表面活性熔融物的作用非常迅速4 .表面活性物的作用是可逆的，除去后的性能恢复5 .拉伸应力产生需要与活性物质同时作用的晶界扩散的例外，六固体表面的物理吸附和化学吸附， 机理：金属表面对活性介质的吸附，补偿表面原子的不饱和键，降低表面能，改变表面原子之间的相互作用，降低金属的表面强度。 实际上，七固体表面润湿、润湿现象和机制液体在固体表面扩散的现象称为润湿。 水滴、玻璃、石蜡的亲水疏水用润湿角表示时，润湿程度90为润湿，越小，润湿好的90为不润湿=0和=180时，称为完全润湿和完全润湿。 七固体表面湿润，其大小与界面张力有关：三力平衡，合力为0，有：七固体表面湿润，定义拉伸系数：七固体表面湿润，三湿理论应用a变化调整，加入表面活性物质增加b粗糙度等，改变拉伸率c不粘锅，第二节不同的力性是材料的固有特性，受到多方面的影响，如接触条件、状况、环境、媒体是系统的性质。 从表面开始，表面作为决定材料耐磨性的关键，磨损机理不同，对材料的要求大不相同，另一方面，固体材料的摩擦和磨损，摩擦-相互接触的物体相对运动时产生的阻力。 磨损-相互接触的物体相对运动时产生的物体损失或残馀变形。 因果关系，一、固体材料的摩擦与磨损，一摩擦“三定律”摩擦力与两接触体之间的表观接触面积无关摩擦力与两接触体之间的法线载荷成正比两个相对运动物体表面的界面折射摩擦阻力与折射速度无关。 f=n(2-11 )与外界条件有关，摩擦学无规律。 一、固体材料的摩擦和磨损，二摩擦和磨损分类4类：干摩擦边界润滑摩擦流体润滑摩擦； 滚动摩擦干式摩擦没有润滑摩擦制动，传动边界润滑摩擦接触面之间存在油膜(1分子0.1m厚)，F2-10倍流体润滑摩擦用油膜将摩擦表面完全隔离，用油膜的压力使外负荷平衡，f依赖于润滑油的内摩擦系数，最小、 f与接触表面无关滚动摩擦磨损：粘结磨粒疲劳腐蚀微动侵蚀高温等7种，2、粘结磨损、润滑和固体润滑约占15%，刃、模、量、齿轮、轴承等材料的磨损与粘结磨损有关，1粘结磨损机理冷焊缝削，2、粘结磨损、润滑和固体润滑、粘结成分缝削分量，后者摩擦力与Fr=AbA-剪切的微凸总面积近似表现的b-焊接点的平均剪切强度。材料的正压力： FN=AS为摩擦系数：=fr/fn=ab/as=b/s(2-12 )、2、固着磨损、润滑和固体润滑、双流体润滑和边界润滑、3固体润滑环境要求：高负、极低温、强氧化、强辐射、超高真空、高温、特殊极限环境要求1 )固体粉末润滑和润滑油混合； 飞扬，悬浊液多孔质材料润滑2 )固体润滑膜固体润滑膜电镀和气相生长s化p化o化，二、固着磨损、润滑和固体润滑，二、固着磨损、润滑和固体润滑，三)自润滑复合材料金属系复合材料润滑粉和金属粉压烧结塑料系复合材料的固着和塑料的组合轻， 耐腐蚀吸收冲击，加工成形容易C系复合材料的焦炭、石墨石墨等与沥青焦油、合成树脂挤出成形烧结、多孔复合材料、钢铁零件中一些典型的固体润滑材料的摩擦系数、固体润滑的摩擦系数与作业环境有关，二是固着磨损、润滑和固体润滑， 影响固体材料固着磨损性能的因素润滑条件与环境真空氧化膜硬度晶体结构与晶体相互溶性：六方面心体心温度： t、硬度、相互溶性磨损、氧化、三、磨粒磨损、一磨粒磨损过程中材料去除机理的简化模型：磨损体积v与载荷p、材料硬度h及折射距离l有关，k为比例系数，与多因素有关。 事实上，磨粒磨损有塑性变形和断裂两种机理。 脆性材料以破坏为主，有、2磨粒磨损过程的影响因素，(1)磨粒特性的影响硬度、形状、粒度1 )磨粒硬度的影响Ha-磨粒硬度、hm-材料硬度； Ha/Hm1.2硬磨粒磨损，影响小，但1(V金属=m /) m-1mol金属原子生成氧化物的质量； x-一分子氧化物中所含金属原子的个数； D-氧化物密度； M-金属摩尔质量； -金属密度； v氧化物/V金属1生成完全致密的氧化膜，有可能发挥保护作用的v