表面科学工程 无机非金属表面课件

无机非金属材料的表界面陶瓷表面表面结构表面特征与行为表界面对陶瓷性能的影响玻璃表界面表界面结构玻璃表、界面的化学组成与化学反应玻璃表界面的性能及其改进玻璃表界面的表征无机非金属材料的表界面陶瓷表面1非金属元素在周期表中的位置非金属元素在周期表中的位置2非金属元素特征由于非金属元素的原子最外层中可以成键的价电子数多，具有多种氧化态。非金属元素的成键特征是：一方面能形成离子键；另一方面(也是主要的一方面)能形成共价键。这是由非金属元素原于的外层电子构型、原子半径和元素的电负性所决定的。非金属元素特征由于非金属元素的原子最外层中可以成键的价电子数3一、陶瓷表面表界面结构表面特征与行为表界面对陶瓷性能的影响

一、陶瓷表面表界面结构4表界面结构

表面弛豫表面重构晶界相界表界面结构

表面弛豫5表界面结构

（a）弛豫（b）重构（c）偏析（d）台阶表界面结构

（a）弛豫（b）重构（c）偏析（6晶界大、小角度晶界晶界大、小角度晶界7相界非共格相界共格相界准共格相界相界非共格相界8金属与NaCl小角度晶界刃型位错比较金属与NaCl小角度晶界刃型位错比较9表面科学工程无机非金属表面课件10晶界构形（1）固-固-气（2）固-固-液热蚀角固-液-固平衡角晶界构形（1）固-固-气热蚀角固-液-固平衡角11（3）固-固-固——杂质在陶瓷晶界的分布（3）固-固-固——杂质在陶瓷晶界的分布12不同两面角下第二相分布

φ=0φ=135不同两面角下第二相分布φ=13陶瓷是一种多晶或微晶体系。陶瓷的晶界要比金属和合金的晶界宽，结构和成分都非常复杂：陶瓷主要由带电单元，以离子键为主体构成，带电单元影响晶界的稳定性。陶瓷中的少量杂质对晶粒尺寸和晶界性质起确定性影响。陶瓷是一种多晶或微晶体系。陶瓷的晶界要比金属和合金的晶界宽，14陶瓷表面特征与行为晶界应力晶界电位及空间电荷陶瓷表面特征与行为晶界应力15晶界应力——晶界应力——16表界面对陶瓷性能的影响PTC热敏电阻陶瓷

电阻率随温度变化的材料，分为四大类：负温度系数，正温度系数，临界热敏，线性热敏；主要通过掺杂实现；用于定温加热器，延时开关，马达启动器等。气敏陶瓷

分为半导体式，固体电解质式利用表面气体吸附导致电导率变化；压敏陶瓷通过电压变化导致电阻率的变化。主要有：ZnO压敏，SiC压敏，硅压敏，锗压敏；用于电力系统，电器过压保护及高压稳压等。表界面对陶瓷性能的影响PTC热敏电阻陶瓷17气敏陶瓷系列气敏陶瓷系列18ZnO压敏陶瓷显微结构添加了Bi、Mn、Co、Ba、Pb、Sb、Cr等氧化物

晶界ZnO压敏陶瓷显微结构添加了Bi、Mn、Co、Ba、Pb19ZnO晶界能带图

耗尽层厚度富Bi能垒电压变化ZnO晶界能带图耗尽层厚度富Bi能垒电压变化20二、玻璃表界面

表界面结构玻璃表、界面的化学组成与化学反应玻璃表界面的性能及其改进玻璃表界面的表征

二、玻璃表界面

表界面结构21玻璃表界面结构

玻璃新表面上存在不饱和键，能吸附大气中的水；并和水反应形成各种羧基团。SiO2和石英断裂表面形成等量的E（过剩氧）单元，D（不足氧单元）单元。玻璃表界面结构

玻璃新表面上存在不饱和键，能吸附大气中的水；22（a）石英晶体断裂表面结构（b）石英玻璃断裂表面结构（a）石英晶体断裂表面结构（b）石英玻璃断裂表面结构23表界面结构亚表面层（10-4~10-5cm）特点：（1）几何表面熵值梯度变化；（2）亚表面缺陷多，具有微多孔性；（3）亚表面不对称，造成热振动非谐性。据此可解释表层流变、、裂纹、离子交换等现象。表界面结构亚表面层（10-4~10-5cm）特点：24陶瓷的亚表面层结构陶瓷的亚表面层结构25玻璃表、界面的化学组成与化学反应玻璃表面的化学组成由于挥发、富集等因素，使成分随深度而变化。玻璃表、界面的化学反应包括：玻璃表面与水、酸、碱以及气体的反应。硅酸盐玻璃表面受浸蚀后有五种类型状态：玻璃表、界面的化学组成与化学反应玻璃表面的化学组成26玻璃表面化学反应：五种类型不溶型可溶型玻璃表面化学反应：五种类型不溶型可溶型27·玻璃表面与水反应例如：100~300℃与水蒸气作用：与水结合：氢氧根离子与硅氧键作用：形成多孔高硅膜——脱碱反应·玻璃表面与水反应例如：100~300℃与水蒸气作用：与水28·玻璃表面与酸反应：例如：钠钙硅盐玻璃受酸浸蚀时：实质是酸中H+与玻璃中Na+，Ca+发生互相扩散。·玻璃表面与碱反应：键断裂，结构破坏，SiO2溶出。·玻璃表面与酸反应：例如：钠钙硅盐玻璃受酸浸蚀时：实质29·玻璃表面的风化

玻璃与大气的作用称风化，出现雾状薄膜或点线状模糊物，甚至彩虹，白霜，粘片现象；玻璃风化又称霉变。风化过程：吸附大气中的水——与水反应——对玻璃浸蚀——随时间浸蚀加重·玻璃表面的风化

玻璃与大气的作用称风化，出现雾状薄膜或点30玻璃表界面的性能及其改进玻璃表界面的性能（1）光学特性平整度与光波长度关系（2）电学性质碱离子进入水膜，使玻璃表面导电率升高。影响因素：环境温度与湿度玻璃化学稳定性玻璃表面状态（3）力学性能玻璃表界面的性能及其改进玻璃表界面的性能31·玻璃表面的改性

玻璃表面涂膜改性

减反膜，导电膜，玻璃表面强化离子注入玻璃表面改性

离子注入对折射率，硬度造成影响。·玻璃表面的改性

玻璃表面涂膜改性32陶瓷层涂敷工艺补充内容陶瓷层涂敷工艺补充内容33

涂装方法——刷涂、滚涂、刮涂、浸涂、淋涂、空气喷涂等；涂装方法——刷涂、滚涂、刮涂、浸涂、淋涂、空气喷涂等34搪瓷用瓷釉是化学成分较复杂的硅酸盐玻璃，化学成分不同其性能有较大差异。一般瓷釉主要由四类氧化物组成：搪瓷用瓷釉是化学成分较复杂的硅酸盐玻璃，35搪瓷涂层搪瓷是将玻璃质瓷釉涂敷在金属底材表面，经过高温烧结而成．在整体上有金属的力学强度，表面有玻璃的各种特性。搪瓷涂层搪瓷是将玻璃质瓷釉涂敷在金属底材表面，经过高温烧结而36搪瓷的分类

按金属底材分类．有钢板搪瓷、铸铁搪瓷、铝搪瓷和耐热合金搪瓷等，按瓷釉组成结构和性能分类有：锑白搪瓷、钛白搪瓷、微晶搪瓷、耐酸搪瓷和高温搪瓷等；按用途分类，有日用品搪瓷、艺术品搪瓷、建筑搪瓷、电子搪瓷、医用搪瓷等。搪瓷的分类

按金属底材分类．有钢板搪瓷、铸铁搪瓷、铝搪瓷和耐37

在飞机、汽车、船舶等的发动机的排气管、某些耐热器具和部件上应用。在飞机、汽车、船舶等的发动机的排气管、某些38

高温合金搪瓷抗高温燃气流腐蚀和冲刷的性能好，热导率比合金低；在有液膜或气膜冷却部件时搪瓷可降低合金底材的使用温度，特别适合作为高性能航空发动机的村套、导向叶片、燃烧室和尾喷管等高温合金部件的保护涂层，提高这些部件的设计和使用温度或延长其使用寿命。高温合金搪瓷抗高温燃气流腐蚀和冲刷的性能好39涡轮转子高温搪瓷涂层涡轮转子高温搪瓷涂层40涡轮球壳搪瓷涂层涡轮球壳搪瓷涂层41练习题（一）何谓材料表面？表面与界面有何区别？固体的表面特性是什么？如何理解固体的表面能与表面张力？什么是接触角？如何根据Young方程来判定润湿性好坏？比较说明三种类型的固体润湿过程。如何理解动润湿与动接触角？写出描述液体表面的Laplace方程，Kelvin方程与Gibbs方程，并说明其意义。绘图简要述说金属的真实表面。什么是金属表面的吸附粒子超点阵？如何用Wood标注法表明超点阵与金属表面点阵的相互关系？比较固体表面与液体表面的特性。练习题（一）何谓材料表面？表面与界面有何区别？42练习题（二）什么叫PVD？它包括哪些方法？什么叫化学气相沉积？其沉积反应有哪几种？简要说明PVD与CVD的主要不同点。表面预处理的目的是什麽？它包括哪些内容？什麽叫电镀？简要说明电镀液的基本组成与作用什麽叫合金电镀，合金电镀的基本条件是什么？什么叫渗镀？渗镀层的特点是什么？什么叫化学转化膜？举例说明它的用途。化学转化膜为什么要进行后处理？常用的方法有哪几种？简要说明铝及铝合金阳极氧化膜的性能。练习题（二）什么叫PVD？它包括哪些方法？43练习题（三）什么是表面弛豫？绘出NaCl晶体的表面弛豫示意图。陶瓷脆性的原因？如何改善陶瓷材料的脆性？玻璃亚表面的主要特点。玻璃表、界面化学反应的类型与特点。说明玻璃表面改性的方法，并例举其应用。材料表面分析的主要特点。简要说明表面分析的主要方法。采用什么方法对下面表、界面进行分析：（1）拉伸断口（2）复合镀层的观察（3）合金的晶界（4）陶瓷的表、界面观察练习题（三）什么是表面弛豫？绘出NaCl晶体的表面弛豫示44无机非金属材料的表界面陶瓷表面表面结构表面特征与行为表界面对陶瓷性能的影响玻璃表界面表界面结构玻璃表、界面的化学组成与化学反应玻璃表界面的性能及其改进玻璃表界面的表征无机非金属材料的表界面陶瓷表面45非金属元素在周期表中的位置非金属元素在周期表中的位置46非金属元素特征由于非金属元素的原子最外层中可以成键的价电子数多，具有多种氧化态。非金属元素的成键特征是：一方面能形成离子键；另一方面(也是主要的一方面)能形成共价键。这是由非金属元素原于的外层电子构型、原子半径和元素的电负性所决定的。非金属元素特征由于非金属元素的原子最外层中可以成键的价电子数47一、陶瓷表面表界面结构表面特征与行为表界面对陶瓷性能的影响

一、陶瓷表面表界面结构48表界面结构

表面弛豫表面重构晶界相界表界面结构

表面弛豫49表界面结构

（a）弛豫（b）重构（c）偏析（d）台阶表界面结构

（a）弛豫（b）重构（c）偏析（50晶界大、小角度晶界晶界大、小角度晶界51相界非共格相界共格相界准共格相界相界非共格相界52金属与NaCl小角度晶界刃型位错比较金属与NaCl小角度晶界刃型位错比较53表面科学工程无机非金属表面课件54晶界构形（1）固-固-气（2）固-固-液热蚀角固-液-固平衡角晶界构形（1）固-固-气热蚀角固-液-固平衡角55（3）固-固-固——杂质在陶瓷晶界的分布（3）固-固-固——杂质在陶瓷晶界的分布56不同两面角下第二相分布

φ=0φ=135不同两面角下第二相分布φ=57陶瓷是一种多晶或微晶体系。陶瓷的晶界要比金属和合金的晶界宽，结构和成分都非常复杂：陶瓷主要由带电单元，以离子键为主体构成，带电单元影响晶界的稳定性。陶瓷中的少量杂质对晶粒尺寸和晶界性质起确定性影响。陶瓷是一种多晶或微晶体系。陶瓷的晶界要比金属和合金的晶界宽，58陶瓷表面特征与行为晶界应力晶界电位及空间电荷陶瓷表面特征与行为晶界应力59晶界应力——晶界应力——60表界面对陶瓷性能的影响PTC热敏电阻陶瓷

电阻率随温度变化的材料，分为四大类：负温度系数，正温度系数，临界热敏，线性热敏；主要通过掺杂实现；用于定温加热器，延时开关，马达启动器等。气敏陶瓷

分为半导体式，固体电解质式利用表面气体吸附导致电导率变化；压敏陶瓷通过电压变化导致电阻率的变化。主要有：ZnO压敏，SiC压敏，硅压敏，锗压敏；用于电力系统，电器过压保护及高压稳压等。表界面对陶瓷性能的影响PTC热敏电阻陶瓷61气敏陶瓷系列气敏陶瓷系列62ZnO压敏陶瓷显微结构添加了Bi、Mn、Co、Ba、Pb、Sb、Cr等氧化物

晶界ZnO压敏陶瓷显微结构添加了Bi、Mn、Co、Ba、Pb63ZnO晶界能带图

耗尽层厚度富Bi能垒电压变化ZnO晶界能带图耗尽层厚度富Bi能垒电压变化64二、玻璃表界面

表界面结构玻璃表、界面的化学组成与化学反应玻璃表界面的性能及其改进玻璃表界面的表征

二、玻璃表界面

表界面结构65玻璃表界面结构

玻璃新表面上存在不饱和键，能吸附大气中的水；并和水反应形成各种羧基团。SiO2和石英断裂表面形成等量的E（过剩氧）单元，D（不足氧单元）单元。玻璃表界面结构

玻璃新表面上存在不饱和键，能吸附大气中的水；66（a）石英晶体断裂表面结构（b）石英玻璃断裂表面结构（a）石英晶体断裂表面结构（b）石英玻璃断裂表面结构67表界面结构亚表面层（10-4~10-5cm）特点：（1）几何表面熵值梯度变化；（2）亚表面缺陷多，具有微多孔性；（3）亚表面不对称，造成热振动非谐性。据此可解释表层流变、、裂纹、离子交换等现象。表界面结构亚表面层（10-4~10-5cm）特点：68陶瓷的亚表面层结构陶瓷的亚表面层结构69玻璃表、界面的化学组成与化学反应玻璃表面的化学组成由于挥发、富集等因素，使成分随深度而变化。玻璃表、界面的化学反应包括：玻璃表面与水、酸、碱以及气体的反应。硅酸盐玻璃表面受浸蚀后有五种类型状态：玻璃表、界面的化学组成与化学反应玻璃表面的化学组成70玻璃表面化学反应：五种类型不溶型可溶型玻璃表面化学反应：五种类型不溶型可溶型71·玻璃表面与水反应例如：100~300℃与水蒸气作用：与水结合：氢氧根离子与硅氧键作用：形成多孔高硅膜——脱碱反应·玻璃表面与水反应例如：100~300℃与水蒸气作用：与水72·玻璃表面与酸反应：例如：钠钙硅盐玻璃受酸浸蚀时：实质是酸中H+与玻璃中Na+，Ca+发生互相扩散。·玻璃表面与碱反应：键断裂，结构破坏，SiO2溶出。·玻璃表面与酸反应：例如：钠钙硅盐玻璃受酸浸蚀时：实质73·玻璃表面的风化

玻璃与大气的作用称风化，出现雾状薄膜或点线状模糊物，甚至彩虹，白霜，粘片现象；玻璃风化又称霉变。风化过程：吸附大气中的水——与水反应——对玻璃浸蚀——随时间浸蚀加重·玻璃表面的风化

玻璃与大气的作用称风化，出现雾状薄膜或点74玻璃表界面的性能及其改进玻璃表界面的性能（1）光学特性平整度与光波长度关系（2）电学性质碱离子进入水膜，使玻璃表面导电率升高。影响因素：环境温度与湿度玻璃化学稳定性玻璃表面状态（3）力学性能玻璃表界面的性能及其改进玻璃表界面的性能75·玻璃表面的改性

玻璃表面涂膜改性

减反膜，导电膜，玻璃表面强化离子注入玻璃表面改性

离子注入对折射率，硬度造成影响。·玻璃表面的改性

玻璃表面涂膜改性76陶瓷层涂敷工艺补充内容陶瓷层涂敷工艺补充内容77

涂装方法——刷涂、滚涂、刮涂、浸涂、淋涂、空气喷涂等；涂装方法——刷涂、滚涂、刮涂、浸涂、淋涂、空气喷涂等78搪瓷用瓷釉是化学成分较复杂的硅酸盐玻璃，化学成分不同其性能有较大差异。一般瓷釉主要由四类氧化物组成：搪瓷用瓷釉是化学成分较复杂的硅酸盐玻璃，79搪瓷涂层搪瓷是将玻璃质瓷釉涂敷在金属底材表面，经过高温烧结而成．在整体上有金属的力学强度，表面有玻璃的各种特性。搪瓷涂层搪瓷是将玻璃质瓷釉涂敷在金属底材表面，经过高温烧结而80搪瓷的分类

按金属底材分类．有钢板搪瓷、铸铁搪瓷、铝搪瓷和耐热合金搪瓷等，按瓷釉组成结构和性能分类有：锑白搪瓷、钛白搪瓷、微晶搪瓷、耐酸搪瓷和高温搪瓷等；按用途分类，有日用品搪瓷、艺术品搪瓷、建筑搪瓷、电子搪瓷、医用搪瓷等。搪瓷的分类

按金属底材分类．有钢板搪瓷、铸铁搪瓷、铝搪瓷和耐81

在飞机、汽车、船舶等的发动机的排气管、某些耐热器具和部件上应用。在飞机、汽车、船舶等的发动机的排气管、某些82

高温合金搪瓷抗高温燃气流腐蚀和冲刷的性能好，热导率比合金低；在有液膜或气膜冷却部件时搪瓷可降低合金底材的使用温度，特别适合作为高性能航空发动机的村套、导向叶片、燃烧室和尾喷管等高温合金部件的保护涂层，提高这些部件的设计和使用温度或延长其