表面工程技术的基础理论

1、第二章表面工程技术的基础理论，2.1固体材料的表面特性，固体表面能量固体表面结构固体表面吸附现象，固体材料，固体是表面和内部特性不同的重要物质结构状态。固体材料是工程技术中最常用的材料。那种分类方法多种多样。例如，根据材料特性，可以分为三类：金属材料、无机非金属材料和有机聚合物材料。固体材料可根据其作用分为结构材料和功能材料两类。结构材料主要是基于机械性能的工程材料，用于制造工程建筑的零部件、机械设备的零件和工具、模具等。功能材料功能材料功能材料是利用材料的各种理化特性和对外部环境敏感的反应，实现各种信息处理和能量转换的材料(有时包括具有特殊机械性质的材料)。这些材料经常用于制造在各种设备上具

2、有独特功能的核心零件。固体材料也可分为晶体和非晶质两类。晶体的原子在三维空间中反复排列成周期规律，而非晶内部原子的排列则是无序的。最轻的固体物质，NASA科学家开发的气凝胶，是世界上最轻的固体，正式被吉尼斯记录选定。这种新材料的密度只有玻璃的千分之一。根据Nasa喷气推进研究所发表的新闻稿，该研究室琼斯博士开发的新气凝胶主要由纯二氧化硅等构成。在制作过程中，液体硅化合物首先与能快速蒸发的液体溶剂混合形成凝胶，然后放入加压蒸煮器等仪器中干燥，加热和降低血压，形成多孔海绵状结构。琼斯博士终于得到的气凝胶的空气比例占了上风。气凝胶由于半透明的颜色和超轻的重量，有时也被称为“固态香烟”。这种新材料看起

3、来易碎，但实际上非常坚固耐用，最高可承受的高温。气凝胶的这种特性在宇宙探索中有多种用途。俄罗斯和平空间站和美国火星探测器都在气溶胶材料中使用。吉尼斯世界纪录新选择的气凝胶材料，其特性比以往任何时候都有所改善。以前，世界上最轻的固体记录由其他气凝胶维持，其密度保持在以下三种类型：(1)表面固体物质和气体或液体的子接口。(2)晶界(或多晶)多晶材料的内部成分，结构相同、方向不同的晶粒(或多晶)之间的接口。相同相粒子之间的界面。(3)相边界固体材料的组成，结构不同的两相之间的界面。不同凝聚相之间的界面。2.1.1固体的表面能，固体的表面能，是其表面能原子受到不平衡力场的影响而产生的附加能量。表面产生

4、表面能级(表面状态)的原因是，Tamm先提出了晶体的周期势场在表面中断，导致额外能量级的事实。因此，此表面能量级别称为TammLevel(汤姆表面能量级别)或tamm level(汤姆能量级别)。在表面物理中，严格意义上的表面能必须指材料表面的内能性。这意味着表面内部能量不能测量绝对值，通常使用表面自由能来描述表面能量的变化，每单位面积产生新表面，增加系统的自由能。如果不考虑重力，一定体积的液体平衡时总是采取球体形状。这是因为表面积最小，表面能量最低。固体的外表总是由不同种类的原子排列成不同的晶面，一定体积的固体必须形成整个表面自由能的最低形状。2.1.2固体的表面结构，表面工程技术研究的对象

5、是表面。固体材料曲面可以分为三类：(1)理想曲面(2)干净曲面(3)真实曲面、理想曲面结构和理想曲面理论上具有完整结构的二维光栅平面。理想的表面是指表面层的原子排列对称与体内的原子完全相同，表面没有任何原子或分子附着的半无限晶体表面(即晶体的自由表面)。，理想的表面在自然界中不存在。干净的表面经过特殊处理后，将外部污染保持在超真空状态，直到普通表面分析方法无法检测到的表面为止。获得离子冲击、高温解吸、超真空分解、蒸发薄膜、场效应蒸发、化学反应、分子束外延等干净界面。干净的界面是客观的。但是实际上，在106Pa109Pa超真空中，外部原子的薄层也吸附在干净的表面上。清洁表面结构，1)缓解表面，不

6、仅是表面层之间，还指表面和体内原子层之间的垂直间距D1和体内原子层间距d0相比的膨胀和压缩现象。2)重构曲面重构表示垂直方向的层间间距d，尽管表面原子层与身体在水平上方的周期相同。像体内一样。表面原子重新排列。在体内形成不同的晶面。关于偏转，是指表面区域化学成分的变化。外部原子在固体表面形成吸附层。如果吸附是由范德华键引起的，这种吸附称为物理吸附。如果吸附是由表面化学结合引起的，则称为化学吸附。原子吸附可以形成无序或有序的盖子。罩可以具有与底座相同的结构，也可以形成重构曲面层。3)吸附表面可以形成表面合金或表面化合物，前提是吸附原子和基底原子之间的相互作用很强。盖子结构有空隙，杂质原子有点缺陷

7、，原子阶段或域边界有线缺陷，盖子的结构随温度变化等缺陷。表面晶体结构模型，描述晶体结构的物理模型以单晶表面的TLK模型而闻名，显示的阶段也称为TLK结构，从原子水平的层面来看，是更规则的非完全平面结构的现象(其中t是平台：阶地，l是步骤：Ledge，k是扭转：Kink)。实际表面是暴露在不受控制的大气环境的固体表面，或经过一定的处理过程(如切割、研磨、抛光、洗涤等)保持常温和大气压(也可能在低真空或高温下)的表面。实际表面看起来比清理表面粗糙贝尔非层残余应力、实际表面结构、1表面粗糙度、从宏观角度看，切割、研磨、抛光的固体表面看起来平坦，但从微观角度看，可能会发现表面明显的起伏、裂缝、空洞等。

8、(1)轮廓算术平均偏差：Ra(2)精细平面度点高度：Rz(3)轮廓最大高度：Ry，表示粗糙度：轮廓的算术平均偏差Ra:yi是波峰和波谷的绝对值，n是测量数。Ai是实际区域，Al是Ai的投影区域。加工后的表面，表面粗糙度取决于处理方法。不同加工方法形成的材料表面轮廓曲线，加工表面的表面粗糙度处理方法Ra(m)珩磨0.010.05磨削0.080.63磨削0.322.5铣削1.255车削0.635钻孔1.2510，用镶在珩磨头上的油石施加工作表面的压力。珩磨工具或工件作为相对旋转和轴向直线往复运动，从工件中去除最小残余量的精加工方法。珩磨、珩磨图、2贝尔比层、固体材料由于某种程度的晶格畸变，可能会在

9、多个微米或10多个微米的表面发生剧烈的组织结构变化。这个晶格的扭曲随深度变化，最外面约5nm-10nm的厚度可以形成非晶层。这个无定形层叫贝尔维尤层。其成分是金属及其氧化物，其性质在体内明显不同。贝尔比层有效，耐磨性和耐蚀性高。但在很多其他情况下，贝尔维尤是有害的。比层、3、残余应力、加工变形中固体材料由外力执行的操作，除了大部分转换为热外，还将在变形材料内部以扭曲能量的形式存储约10%的操作。可以存储在变形材料中的特定表达是内部应力，即残余应力。残余应力会极大地影响材料的许多特性和各种反应过程。残余应力根据其作用范围分为宏观内部应力和微观内部应力两类。2.1.3固体表面的吸附现象，由于固体表

10、面的原子或分子力场不饱和，具有吸引周围其他物质(主要是气体、液体)分子的能力，被环境介质固体表面的浓度大于体上的浓度的现象吸附。吸附是固体表面最重要的特性之一。1，固体对气体的吸附，固体表面对气体的吸附可分为物理吸附和化学吸附两类。物理吸附是固体和气体原子之间通过范德华力结合的吸附。化学吸附是固体和气体原子之间的化学键结合的吸附。物理吸附和化学吸附的区别，物理吸附的特性(1)不可选-条件适当时所有固体(2)吸附热和冷凝热相似(-40kJmol-1)(3)范德华力(分散力，偶极力)(4)与势能井的深度相同，但相互作用的势能正好等于零时的两个体距离。参数往往是通过匹配已知的实验数据或精确的量子计算

11、结果在实际应用中确定的。化学吸附特性(1)吸附热大(-400kJmol-1)(2)可选(其他金属、相同金属的不同晶面)(3)化学结合力(4)吸附层在高温下稳定，应用：活性表面积测定、动力学分析一般由液体对固体表面的润湿和扩散构成。润湿作用，润湿是液体渗入固体表面并附着的能力。能被水浸湿的固体称为亲水固体。不沾水的固体称为疏水固体。润湿角是固体、液体、气体三相接触达到平衡时，在三相接触的公共点上由液体、气体接口诱导的切线和固体、液体接口的角度。90点叫吃奶。边缘越小，润湿性越好，液体在固体表面容易扩散。据说90点不湿。角度越大，润湿性越差，液体在实体表面不容易展平，更容易收缩到接近球体的形状。0和180的时候，因此被称为完全润湿和完全不润湿。角度的大小与界面张力相关。其关系由Young方程式：定义：扩散系数：在表面热力学中，液体在固