第二章 发展方向

1、2.1 固体的表面与界面固体的表面与界面 固体：能承受应力的刚体材料，在室温下其原固体：能承受应力的刚体材料，在室温下其原子在相对的固定位置上振动。从物质结构形态上子在相对的固定位置上振动。从物质结构形态上看，可分为晶体和非晶体两类看，可分为晶体和非晶体两类 界面：界面： 以两个均匀相为分界的面，它随相的种类不以两个均匀相为分界的面，它随相的种类不同而有相当不同的特征。同而有相当不同的特征。 S/S，S/G，S/L表面：表面：固体表面的物理化学性能常与其内部的不同，固体表面的物理化学性能常与其内部的不同，这是因为在热力学平衡条件下，表面的化学组分、这是因为在热力学平衡条件下，表面的化学组分、原

2、子排列、原子振动状态等等都与体内不同。原子排列、原子振动状态等等都与体内不同。 S/G，S/L 理想表面是一种理论的结构完整的二维点阵平面。理想表面是一种理论的结构完整的二维点阵平面。这里忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的这里忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响，也忽略表面上原子的热运动以及出现的缺陷影响，也忽略表面上原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象，又忽略表面外界环境的作用等，因而和扩散现象，又忽略表面外界环境的作用等，因而把晶体的解理面认为是理想表面。把晶体的解理面认为是理想表面。 在理论上，近似地假设除了固气界面的几何限在理论上，近似地假设除了固气界面的几何限制外，而系

3、统不发生任何变化的表面称为理想表面。制外，而系统不发生任何变化的表面称为理想表面。 首先，将固体切开，分割面垂直于固体表面，首先，将固体切开，分割面垂直于固体表面，于是新表面暴露出来，但是新表面上的原子仍留在于是新表面暴露出来，但是新表面上的原子仍留在原来晶体结点的位置上。原来晶体结点的位置上。 第二步，新表面上的原子将排列到各自的受力第二步，新表面上的原子将排列到各自的受力平衡位置上去。平衡位置上去。 不存在任何污染的化学纯表面不存在任何污染的化学纯表面 是经过如离子轰击、高温脱附、超高真空条件下是经过如离子轰击、高温脱附、超高真空条件下的解理、蒸发薄膜、化学反应、场致蒸发、分子束的解理、蒸

4、发薄膜、化学反应、场致蒸发、分子束外延等特殊处理后，保持在外延等特殊处理后，保持在106109Pa超真空超真空下外来污染少到不能用一般表面分析方法探测的表下外来污染少到不能用一般表面分析方法探测的表面。面。 在原子洁净的表面上，可发生多种与基体内不同在原子洁净的表面上，可发生多种与基体内不同的结构和成分变化，诸如的结构和成分变化，诸如弛豫弛豫、重构重构、台阶化台阶化、偏偏析析、吸附吸附等等。等等。 暴露于未加控制的大气环境中的固体表面，或暴露于未加控制的大气环境中的固体表面，或经一定加工处理（诸如清洗、抛光、研磨、切割等经一定加工处理（诸如清洗、抛光、研磨、切割等等）保持在常温常压或低真空或高

5、温下的表面。等）保持在常温常压或低真空或高温下的表面。 吸附吸附：固体表面吸引气体与之结合，以降低：固体表面吸引气体与之结合，以降低固体表面能的作用固体表面能的作用化学反应化学反应：固体与气体的分子或离子间以化固体与气体的分子或离子间以化学键相互作用，形成新的物质，整个固体的学键相互作用，形成新的物质，整个固体的能量发生显著的变化。能量发生显著的变化。 在工业环境中被污染的实际金属材表面示意在工业环境中被污染的实际金属材表面示意不平整性不平整性包括波纹度和粗糙度加工方法和材 料本性粗糙度粗糙度的表示方法：Ra，i=A i/ A l 粗糙度：粗糙度：影响膜层与基体材料的结合力，是表征 表面状态的

6、重要指标之一 固体材料经切削加工后，在几固体材料经切削加工后，在几 m m或者十几或者十几 m m的表层中可能发生组织结构的剧烈变化。这的表层中可能发生组织结构的剧烈变化。这种晶格畸变是随深度变化的，而在最外的，约种晶格畸变是随深度变化的，而在最外的，约5nm10nm厚度可能会形成一种非晶态层，厚度可能会形成一种非晶态层，称为称为贝尔比层贝尔比层 益处益处：具有较高的耐磨性和耐蚀性，在机具有较高的耐磨性和耐蚀性，在机械制造时可以利用。械制造时可以利用。害处害处：对制作电子器件不利，：对制作电子器件不利，如在硅片上如在硅片上进行外延、氧化和扩散之前要用腐蚀法除掉进行外延、氧化和扩散之前要用腐蚀法

7、除掉贝尔比层，因为它会感生出位错、层错等缺贝尔比层，因为它会感生出位错、层错等缺陷而严重影响器件的性能。陷而严重影响器件的性能。当当90 时，为不润湿。时，为不润湿。越大，润湿性越小，液体越不易铺展开，越大，润湿性越小，液体越不易铺展开，易收缩为球状。易收缩为球状。当当=180时，完全不润湿时，完全不润湿,为球状。为球状。耐磨性和耐蚀性是材料的系统性质耐磨性和耐蚀性是材料的系统性质粘着磨损粘着磨损：占磨损失效的：占磨损失效的15 焊合剪切及犁削理论焊合剪切及犁削理论 单位面积载荷大单位面积载荷大塑性变形塑性变形冷焊冷焊变形断裂变形断裂（塑性断裂）（塑性断裂） 粘着磨损粘着磨损粘着磨损：圆角处粘

8、着磨损：圆角处 脱落的材料碎屑脱落的材料碎屑 磨粒磨损磨粒磨损表面粗糙度表面粗糙度粘着磨损粘着磨损 什么是腐蚀？什么是腐蚀？定义：定义：材料材料和周围和周围环境环境发生发生化学化学或或电化学电化学的的 作用而作用而破坏破坏。金属材料金属材料和周围和周围环境环境发生发生相互作用相互作用而而破坏破坏。三个基本要素三个基本要素腐蚀的对象腐蚀的对象腐蚀的性质腐蚀的性质腐蚀的后果腐蚀的后果腐蚀的分类腐蚀的分类 按环境分类按环境分类： 大气腐蚀大气腐蚀 土壤腐蚀土壤腐蚀 海水腐蚀海水腐蚀 微生物腐蚀微生物腐蚀 化工介质腐蚀化工介质腐蚀 按形态分类按形态分类： 全面腐蚀全面腐蚀 局部腐蚀局部腐蚀 按机理分类

9、按机理分类： 化学腐蚀化学腐蚀 电化学腐蚀电化学腐蚀 物理腐蚀物理腐蚀腐蚀电池的工作过程腐蚀电池的工作过程腐蚀电池腐蚀电池: (点击查看点击查看)Zn + 2HClZn + 2HCl = ZnCl= ZnCl2 2 + H + H2 2 定义：定义： 只能导致金属材料破坏而不能对外界作功的只能导致金属材料破坏而不能对外界作功的短路原电池。短路原电池。下一页下一页电化学腐蚀原理电化学腐蚀原理纯锌与含铜锌在纯锌与含铜锌在HClHCl溶液中的腐蚀比较溶液中的腐蚀比较下一页下一页返回返回欧姆电阻压降iREEoc（cu）Ec（cu）Ea（Zn）Eoa（Zn）i imax欧姆电阻压降iREEoc（cu）Ec（cu）Ea（Zn）Eoa（Zn）i imaxW HNO330，V腐蚀 30 W HNO340， V腐蚀 电化学保护电化学保护 缓蚀剂保护缓蚀剂保护 涂镀层保护涂镀层保护 正确选材与合理设计正确选材与合理设计合理设计，正确选材合理设计，正确选材例：（例：（1）避免残留液和沉积物造成腐蚀）避免残留液和沉积物造成腐蚀（2）防止缝隙腐蚀l阴极保护法阴极保护法牺牲阳极保护法：外加比保护金属电位更牺牲阳极