表面工程技术的基础理论要点

第二章表面工程技术的基础理论时间:贰零壹叁年肆月上一次课回顾1、概念:四个词2、学科体系：一级、二级3、分类：两种分类4.应用：五大应用本章的主要内容表面晶体学简介金属的表面现象表面缺陷模型表面扩散方式涂层概念第一节表面晶体学简介要了解材料表面的特性和获得要求的表面功能，本质上是要了解材料表面发生的物理和化学过程，即材料表面的结构、状态与特性问题

了解、认识"表面”，对表面工程技术的学习是非常重要的这里的"表面”主要指金属或晶体表面

第一节表面晶体学简介一、界面与表面

几个有关的重要概念：相、界面、表面

物质存在的某种状态或结构，通常称为某一相

各相并存必然存在一个交界区，我们称之为——界面界面是由一个相到另一个相的过渡区域，界面处的结构、能量、组成等都呈连续的梯度的变化

（示意图如下)过渡区域相1相2相1——界面——相2过渡区域那么表面和界面又是什么关系呢?界面是任何两种相之间的交界区,总称

习惯上把固——气、固——液、液——气的过渡区域称为表面

固——固、液——液的过渡区域还是称为界面

气体之间一般是均相体系,因此不存在界面

与固体有关的界面又可分为哪几种?三种:表面固-液

固-气与固体有关的界面又可分为哪几种?C.相界晶界不锈钢晶界铝合金相界结晶固体的表面是晶体中原子的周期性排列发生大面积突然终止的地方，或者是从晶体内部的三维周期性结构开始破坏到真空之间的整个过渡区域。固体表面大体上是怎样的构造呢?分类有几种呢?第一节表面晶体学简介第一节表面晶体学简介二、固体表面的分类：1.理想表面：当一个无限大的无缺陷的晶体被分成两个半无限大的晶体时，如果在分割面附近区域中的原子排列、电子的密度分布都和分割前一样，而且晶体在分割时没有原子进入或跑出分割面，这个分割面就称为——理想表面

理想表面形成示意图第一节表面晶体学简介显然，理想表面是难以获得的，只不过是把它作为研究其他类型表面的一个基础。为什么难以获得？

原子排列主要有两种变化方式：

一是自行调整

（清洁表面)

二是依靠表面的成分偏析、化合和吸附（覆盖表面)第一节表面晶体学简介2.清洁表面——指没有被任何其他东西所污染，也没有吸附其他任何不是表面组分的其他原子、分子的材料表面

——无污染，无吸附、偏析，排列不同，组分一样——分为三种：表面弛豫、表面重构和台阶第一节表面晶体学简介a、表面弛豫:电子密度分布发生变化，垂直位置伸长或缩短

b、表面重构：在平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内不同，原子位置作了较大幅度调整;第一节表面晶体学简介3.覆盖表面当有其他原子进到表面就会出现另外的表面结构，这种表面称为覆盖表面特点——表面组分和排列都与内部不同，由吸附、偏析或化合等形式分为三种——偏析、吸附、化和物第一节表面晶体学简介4.实际表面的特点a、表面的外形——固体表面从原子尺度来看是很不平整的，甚至还有裂纹、空洞等缺陷

b、表面的组织——晶粒尺寸与体内有较大差别，有非晶态和纳米颗粒存在，还存在各种应力c、金属表面的成分——金属表面除了吸附或者偏析、化合其他与基体不同的原子、分子以外，在表面与空气之间的过渡区由氧化物、氮化物、硫化物、盐类、油脂等有机高分子、尘埃、表面接触过的各种物质痕量以及吸附的气体等

固体表面的实际构成P151936年，一位叫西迈尔兹的人就把实际表面区分为两个部分：一部分是所谓“内表面层”，它包括基体材料和加工硬化层（>5μm)；另一部分是所谓“外表面层”，它包括氧化层（10nm)、吸附层（0.5nm)、污染层（5nm)等

第二节固体的表面现象一、吸附现象：1、吸附的定义：

由于物理或化学的作用力场，某种物质分子能够附着或结合在两相界面上的浓度与两相本体不同的现象。

表面吸附就是指由于受到吸引力，其他分子在表面的富集。

2.固体表面上气体的吸附：

①物理吸附：靠范德瓦耳斯力吸附

②化学吸附：表面发生了化学反应，分为离子键吸附和化学键吸附——离子键吸附是指吸附剂和吸附物之间发生了完全的电子转移，化学键吸附是指电子转移不完全的情况。实际一般两种情况都存在。

两种吸附的关系————既有区别又有联系：①热效应不同：放热过程，化学吸附的吸附热高于物理吸附，吸附和脱附的温度都高于物理吸附;②吸附和脱附的速率不同：物理吸附类似凝聚现象，一般不需要活化能，吸附速度快，化学吸附慢;化学吸附脱附比物理吸附难，物理是可逆的，化学是不可逆的。③化学吸附具有选择性:一种固体表面只能吸附一些气体，物理吸附无选择性;④吸附层的厚度不同：化学吸附是单分子层，物理吸附有时会是多层的;⑤吸附态的光谱不同：物理吸附只是特征吸收峰发生位移，化学吸附会产生新的吸收峰;⑥联系：一是很难区分，二是化学吸附有时要先经过物理吸附，三是两者有时互相转化。

第二节固体的表面现象与液体和固体的接触方式二、润湿和黏着1、润湿：液体和固体表面接触时，液体在固体表面铺展的现象。2.黏着：固体与固体接触时将产生黏着

第三节表面缺陷与表面扩散

一、单晶表面缺陷模型——TLK模型，也称为台地——棱阶——弯结模型

（教材P31)二、表面扩散——指的是原子或分子沿着表面做二维的迁移运动（教材P32)第四节涂层形成机制

一、涂层的内涵广义:经过处理后的不同于基体材料的表面层

狭义:由于外来成分通过渗透、注入或涂覆在表面而形成的覆盖层

相近的概念:镀层、渗层、覆盖层、膜等

第四节涂层形成机制二、参考定义——涂层是指用物理的、化学的或其他方法，在金属或非金属基体表面形成的，具有一定厚度、不同于基体材料且具有一定的强化、防护或特殊功能的覆盖层上述涂层定义涉及到下述应弄清楚的问题：涂层应有"一定厚度”，这个厚度多少？涂层是"不同于基体材料”的一个覆盖层，是一种什么材料？涂层是如何形成的？即涂层的形成机制涂层是如何"附着”在基体上的？即涂层与基体的结合机制涂层应具备"一定功能”，什么功能？涂层与表面改性和表面处理的关系三、涂层分类及形成机制（P33)①金属涂层表面高温熔融涂层——通过热源熔化金属，冷却凝固（热喷涂、热浸镀、堆焊、热烫印层、真空熔结涂层、自蔓延高温合成涂层、铸渗涂层、电火花涂层)电沉积涂层——通过直流电还原金属原子，沉积（电镀、电刷镀)化学沉积涂层——通过化学反应还原金属，沉积（化学镀)第四节涂层形成机制

三、涂层分类及形成机制（P33)①金属涂层气相沉积涂层——气化状态下（物理气相沉积、化学气相沉积)扩散涂层——又叫化学热处理，是化学反应和物理冶金的结合离子注入及冲击镀——机械力作用（内部注入、外部)表面粉末冶金涂层——加热加压、烧结，坚实化、致密化第四节涂层形成机制

三、涂层分类及形成机制（P33)

非金属涂层a、有机涂料涂层——涂覆，高分子固化反应——氧化聚合型——溶剂挥发型——固化剂固化型——加温固化型——生物酶催化型——电沉积型第四节涂层形成机制

三、涂层分类及形