表面技术概论表面基本理论

1、 授课学时： 2学时章节名称第二章 表面工程技术的基础理论备 注教学目的和要求通过本章学习了解固体材料的表面特性；掌握典型固体界面结构特点；了解材料表面热力学的基础知识重 点难 点（1）材料表面、界面的基本概念（2）典型固态的界面结构特点教学方法教学手段1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲的方法突出重点，用分析证明、分类举例（特别要分清“复合层次”，以免漏层）的方法突破难点。2、教学手段：以传统的口述，现代的多媒体，再加黑板为辅助的手段进行教学。教学进程设计（含教学内容、教学设计、时间分配等）2.1 固体材料的表面特性2.1.1 固体表面界面与表面几个有关的重要概念：界面、表面· 相

2、：物质存在的某种状态或结构，通常称为某一相 · 界面：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。 界面包括固-固、液-液、固-液、气-液、气-固界面。 表面-固-液、固-气的分界面 晶界（亚晶界）-多晶材料内部成分、结构相同而取向不同晶粒（或亚晶）之间的界面。 相界-固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。2.1.2 理想晶体表面：是理论的结构完整的二维点阵平面。· 忽略周期性势场的中断· 忽略缺陷、扩散、热运动· 忽略外界环境影响理想表面是难以获得的，只不过是把它作为

3、研究其他类型表面的一个基础。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） 2.1.3 洁净表面与清洁表面 （1）洁净表面尽管材料表层原子结构的周期性不同于体内，但如果其化学成分仍与体内相同，这种表面就称为洁净表面。它是相对于理想表面和受环境气氛污染的实际表面而言的。· 台阶：表面原子形成台阶结构。· 表面弛豫：由于固相的三维周期性在表面处突然中断，表面上原子产生的相对于正常位置的上下位移。· 表面重构：表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，垂直方向的层间距与体内相同。· 化合物：外来原子进入

4、表面，并与表面原子形成化合物。 Compound （2）清洁表面一般指零件经过清洗(脱 脂、浸蚀等)以后的表面。 实际表面结构（1）表面粗造度： 是指加工表面上具有的较小间距的峰和谷所组成的微观几何形状误差，也称微观粗糙度。粗糙表面对表面特性的影响· 粗糙表面的原子比正常的原子具有更高的表面能！· 粗糙表面影响实际表面的接触面积和接触性质！· 实际比表面积大于表观比表面积！· 粗糙的表面具有与内部不同的成分和组织！（2）机械加工表面在磨削、研磨、抛光等机械作用下，金属表面能形成特殊结构的表面层。实际零件的加工表面不可能绝对平整光滑，而是由许多微观不规则的

5、峰谷组成。 · 贝尔比层：固体材料经切削加工后，在几个微米或十几个微米的表层中发生组织结构的晶格畸变。该种晶格畸变随深度变化，而在最外边，约5nm100nm厚度可能会形成一种非晶态层，称为贝尔比（Beilby）层。 · 残余应力：材料经加工，就会存在着各种残余应力，对性能发生影响。压应力是有利的。· 表面氧化、吸附和沾污：当固体表面暴露在一般的空气中就会吸附氧或水蒸气，还可能有CO2、SO2、NO2等各种污染气体，甚至在一定的条件下发生化学反应而形成氧化物、有机物、盐或氢氧化物。实际表面可分为两个范围：一是所谓“内表面层”，包括基体材料和加工硬化层；另一部分是所谓

6、“外表面层”，包括吸附层、氧化层等。· 外表面层 - 吸附层、氧化层· 内表面层 - 基体材料、加工硬化层2.2 典型固体界面结构特点 按照界面的形成过程与特点，最常见的界面类型为如下几种：2.2.1 基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面在离表面约5nm的区域内，点阵发生强烈畸变，形成厚度约1-100nm的晶粒极微小的微晶层，亦称为贝尔比层(Bilby层)， 在比尔比层的下面为塑性流变(简称塑变)层，塑变程度与工艺有关。例如用600号SiC砂纸研磨黄铜时，其塑变层一般可达1-10m。基于固相宏观成分差异形成的界面 （1）冶金结合界面 当覆层与基体材料之间的界面结合是通过

7、处于熔融状态的覆层材料沿处于半熔化状态下的固体基材表面向外凝固结晶而形成时，覆层与基材的结合就称为“冶金结合”。冶金结合的实质是金属键结合。 （2）扩散结合界面 两个固相直接接触，通过抽真空、加热、加压、界面分散和反应等途径所形成的结合界面。其特点是覆层与基材之间的成分梯度变化，并形成了原子级别的混合或合金化。热扩渗工艺、离子注入（3）外延生长界面 在工艺条件合适时，在单晶衬底表面沿原来的结晶轴向生成一层完整的新单晶层的工艺过程，就称为外延生长，形成的界面称为外延生长界面。主要有两类： 种是气相外延，如化学气相沉积技术；另一种是液相外延，如电镀技术等。（4）化学键结合界面 当覆层材料与基材之间

8、发生化学反应，形成成分固定的化合物时，两种材料的界面就称为化学键结合界面。例如， 气相沉积：TiN和TiC薄膜 可获得化学键结合的表面技术主要有：物理和化学气相沉积技术、离子注入技术、热扩渗技术、化学转化膜技术、阳极氧化和化学氧化技术等。（5）分子键结合界面分子键结合界面是指涂(镀)层与基材表面以范德华力结合的界面。 这种界面的特征是覆层与基材(或衬底)之间未发生扩散或化学作用。 部分物理气相沉积层、涂装技术中有机粘结涂层与基材的结合界面等均属于典型的分子键结合界面。（6）机械结合界面 机械结合主要指覆层与基材的结合界面主要通过两种材 料相互镶嵌的机械连接作用而形成。热喷涂2.3表面热力学固体

9、的表面特性与内部不同：表层原子的能量 内部原子的能量 原因：表层畸变-界面上原子受力不平衡，使得表面原子偏离正常的平衡位置，从而牵动着附近的几层原子，产生表层畸变，使表层原子的能量比内部的要高很多。表面能：将表层原子高出的能量叠加起来。平均在单位面积上的超额能量称之为比表面能，简称表面能。表面能      表面物理中，严格意义上的表面能应该是指材料表面的内能，它包括：原子的动能，原子间的势能，原子核的动能和势能，电子的动能和势能。2.3.2表面张力 表面张力是表面能的一种物理表现，是由于原子间的作用力以及在表面和内部的排列状态的差别而引起的。表

10、面层分子受到指向液体内部的合力(分子间净吸引力）。产生的原因：物质表面层的分子所处的力场是不均衡的。 导致液体表面具有自动缩小的趋势。2.3.3 固体表面的吸附：在固体表面上的原子或分子的力场不饱和，清洁的固体表面处于不稳定的高能状态。如某种物质能与表面作用，降低其表面能，则这种物质就吸附于固体表面（表面吸附的热力学依据）。l 润湿现象与机理定义：液体在固体表面上铺展的现象。亲水物质、疏水物质：润湿角：润湿程度的定义：当90°时称为润湿。角越小，润湿性越好，液体越容易在固体表面展开。当90°时称为不润湿。角越大，润湿性越不好，液体越不容易在固体表面上铺展开，并越容易收缩至接近圆球状。当=0°和180°时，则相应的称为完全润湿和完全不润湿。机理：润湿与否取决于液体分子间相互吸引力(内聚力)和液一固分子间吸引力(粘附力)的相对大小。若液一固粘附力较大，则液体在固体表面铺展，呈润湿；若液体内聚力占优势则不铺展，呈不润湿。润湿理论在各