2、表面工程技术的基础理论1.ppt

1、第二章表面工程技术基础理论，2.1固体材料的表面特性，固体表面能固体表面吸附现象，固体材料，固体是重要的物质结构状态，其表面与内部具有不同的性能。 固体材料是工程技术中使用最普遍的材料。 其分类方法很多。 例如，根据材料特性，可以分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料这3种。 固体材料根据其作用可分为结构材料和功能材料两类。 结构材料是以力学性能为主的工程材料，主要用于制造工程建筑中的构件、机械装备中的零件及工具、模具等。 功能材料功能材料是利用物质的各种物理和化学特性以及对外界环境敏感的反应来实现各种信息处理和能量转换的材料(有时也包括具有特殊力学性能的材料)。 这种材料经常用于制造在

2、各种装置中具有独特功能的核心部件。 固体材料也可以分为结晶和非晶两种。 晶体中的原子在三维空间内周期性地重复排列，非晶内部原子的排列是无序的。 最轻的固体材料，NASA科学家开发的气凝胶，作为世界上最轻的固体正式入选吉尼斯世界记录。 这种新材料的密度很小，是玻璃的千分之一。 根据美国国家航空航天局喷气推进实验室发表的新闻公报，该实验室琼斯博士开发的新型气凝胶，主要由纯二氧化硅等组成。 在制造过程中，液态硅化合物首先与能够快速蒸发的液态溶剂混合形成凝胶，然后将凝胶放入加压蒸煮器等装置中干燥，经过加热和降压形成多孔海绵状结构。 琼斯博士最终得到的气凝胶中的空气所占比例。 气凝胶是半透明的色彩和超轻

3、量，因此也被称为“固体烟”。 这种新材料看起来很脆弱，其实非常结实耐用，是最耐受的高温。 气凝胶的这些特性在太空探测中有多种用途。 俄罗斯的“和平”号宇宙空间站和美国的“火星探险家”探测器使用的是气凝胶材料。 新入吉尼斯世界纪录的气凝胶材料，其特性比以往有所改善。 迄今为止，世界上最轻的固体记录由另一种气凝胶保持，其密度有三种： (1)表面固体材料与气体或液体的界面。 (2)晶界(或亚晶界)多晶材料的内部成分、结构相同且取向不同的晶粒(或亚晶)间的界面。 同相晶粒间的界面。 (3)相界固形物中成分、结构不同的两相间的界面。 不同凝聚相间的界面。 2.1.1固体的表面能，固体的表面能是其表面原子

4、受不平衡力场的影响而产生的附加能。 表面产生表面能水平(表面状态)的原因是塔姆(Tamm )最初提出的，可以认为结晶的周期性势场在表面中断，引起附加能水平。 因此，这种表面能级称为塔姆表面能级或塔姆能级。 在表面物理中，严格意义上的表面能应指材料表面的内部能，这意味着表面内部能不能测量绝对值，表示材料表面能变化的表面自由能经常使用，表示每单位面积产生新的表面，系统自由能增加因为如果不考虑重力，在一定体积的液体平衡时总是取正球状，表面积最小，表面能最低。 固体的外表面总是由几个原子排列不同的晶面组成，一定体积的固体必然要构成总表面自由能最低的形状。 2.1.2固体的表面结构，表面工程技术研究的对

5、象是表面。 固体材料的表面可分为(1)理想表面；(2)清洁表面；(3)实际表面、理想表面结构、理想表面理论上完整结构的二维晶格平面。理想表面是指表面层中的原子排列的对称性与体内原子完全相同，表面上没有附着原子或分子的半无限晶体表面(即晶体的自由表面)。 理想表面这种理想表面在自然界中是不存在的。 表面清洗是指经过特殊处理后，在超真空条件下保持，外来污染减少到用一般的表面分析方法无法检测的程度的表面。 得到离子轰击、高温解吸、向超高真空中劈开、蒸发薄膜、场效应蒸发、化学反应、分子束外延等清洗界面的方法。 清洁的界面是客观存在的。 但是，实际上，即使在106Pa109Pa的超高真空下，外来原子薄层

6、也会吸附在清洗表面。 (1)弛豫表面是指表面层间及表面与体内原子层间的垂直间距d1与体内原子层间距d0相比存在膨胀和压缩的现象。 2 )重构表面重构是指表面原子层在水平方向上具有相同周期性且与体内不同，但在垂直方向上的层间距离d。 和体内一样。 表面原子重新排列。 形成与体内不同的结晶面。 偏转是指表面区域中的化学成分的变化。 外来原子在固体表面形成吸附层。 如果吸附作用是范德华键产生的，那么这种吸附就称为物理吸附。 如果吸附作用是由表面化学键产生的，这种吸附称为化学吸附。 吸附原子可以形成无序或有序的靶层。 目标层可具有与基本层相同的结构或形成重构表面层。 3 )吸附表面，吸附原子和基底原子

7、的相互作用强的话，可以形成表面合金和表面化合物。 复盖层的构造也存在缺陷，例如空穴、杂质原子为点缺陷，原子阶梯或域边界为线缺陷，复盖层的构造也根据温度而变化。 表面晶体结构模型，描述晶体结构的物理模型的名称是单晶表面的TLK模型，所显示的步骤是从原子水平来看出现的比较规则的不完全平面结构的现象，也称为TLK结构(其中t是平台： Terrace，l是步骤： Ledge，k是扭曲： kk 实际表面暴露在不受控制的大气气氛中的固体表面，或者经过切断、研磨、研磨、清洗等加工处理，保持在常温和常压(有时为低真空或高温)下的表面。 与清洗表面相比，实际表面具有以下重要特征：表面粗糙度婴儿胶囊层的残馀应力，

8、实际表面结构，1表面粗糙度，从宏观上看，切削、抛光、抛光的固体表面显得平坦，但从微观角度看，表面有明显起伏，同时有裂纹、空洞等(1)轮廓算术平均偏差： Ra (2)微观的凹凸点高度： Rz (3)轮廓最大高度： Ry，粗糙度的表示方法：轮廓的算术平均偏差Ra :yi是峰值和谷值的绝对值，n是测定个数。 Ai是实际面积，Al是Ai的投影面积。 机械加工后的表面、表面粗糙度取决于加工方法，用不同的加工方法形成的材料表面轮廓曲线、机械加工面的表面粗糙度加工方法Ra(m )珩磨0.01 0.05研磨0.08 0.63研磨0.32 2.5铣削1.25 5车削0.63 5钻头1.25 10， 用嵌入珩磨头

9、的油石对工件表面施加一定的压力，珩磨、珩磨图像、2贝尔比层、固体材料经切削加工后，在几微米或十几微米的表层发生组织结构的急剧变化，可能引起一定程度的晶格变形这种晶格的应变随深度而变化，最外侧有可能形成约5nm-10nm厚度的非晶层。 这种非晶态称为红宝石层。 其成分为金属及其氧化物，但性质与体内明显不同。 钟形比层有效地具有较高的耐磨性和耐腐蚀性。 然而，在其他许多情况下，红宝石层是有害的。红宝石层(Bilby层)、3、残馀应力、固体材料在加工变形中施加外力的功能，大部分除转化为热能外，还有不到10%的功能作为应变能积存在变形材料的内部。 可以保存在变形材料中的具体表现是残馀应力，是内应力。

10、残馀应力对材料的许多性能和各种反应过程有很大影响。 残馀应力根据其作用范围分为宏观内部应力和微观内部应力2种。 2.1.3固体表面的吸附现象由于固体表面上的原子或分子力场不饱和，因此具有吸引周围其他物质(主要是气体、液体)分子的能力，使固体表面上的环境介质的浓度大于体相中的浓度，该现象成为吸附。 吸附是固体表面最重要的性质之一。 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2种。 物理吸附是固体与气体原子之间通过范德瓦尔斯力而结合的吸附。 化学吸附是固体和气体原子间通过化学键合的吸附。 物理吸附和化学吸附的不同，物理吸附的特点(1)缺乏选择性如果条件合适，任何气体都可以

11、吸附在任何固体上；(2)吸附热与冷凝热相似(- 40kJ mol-1) (3) 范德瓦尔斯力(色散力物理吸附的势曲线近似可由Lennard-Jones势表示：斥力、吸附力、跑道-琼斯势， 等于势阱深度，也称为L-J势函数或6-12势函数，是相互作用的势能刚好为零时的二体距离。 在实际应用中，残奥仪表通常是通过拟合已知的实验数据和精确量化计算结果来确定的。 化学吸附的特点(1)吸附热大(- 400kJ mol-1) (2)选择性(不同金属、相同金属的不同晶面) (3)化学键合力(4)吸附层在高温下稳定，应用：测定活性表面积，应用DH-H:H2结合能(分子接力能) qp :物理吸附热Ea :吸附活

12、化能Ed :解吸活化能q :化学吸附热，吸附热q=Ed -Ea，2，固体表面对液体的吸附，固体表面对液体分子也同样有吸附作用。 通过液体对固体表面的润湿和扩散来实现。 润湿作用，润湿是指液体在固体表面润湿、附着的能力。 被水淋湿的固体叫亲水性固体。 不被水淋湿的固体叫防水性固体。 湿角是指固液气三相接触达到平衡时，从三相接触的共同点沿液气界面导出的切线与固液界面的夹角。 90的时候叫做湿。 角越小，润湿性越好，液体越容易在固体表面扩散。 据说90的情况下不会淋湿。 角度越大，润湿性越差，液体难以在固体表面扩散，容易接近正球状。 如果为0和180，则相应地称为完全润湿和完全润湿。 角的大小与界面张力有关。 其关系遵循Young方程：展开系数：在表面热力学