第二章 固体材料的表面特点及表面清洗课件

第二章

固体材料的表面特点及表面清洗

第二章

固体材料的表面特点及表面清洗第一节固体材料表面与内部不同

固体表面：指固～气界面或固～液界面，它实际上是由凝聚态物质靠近气体或真空的一个或几个原子层(0.5～10nm)组成，是凝聚态对气体或真空的一种过渡。稳定状态：能量最小第一节固体材料表面与内部不同

固体表面：指固～气界面或固～固体表面的特点：1．组分不同:成分偏析:很多合金在表面上会富集某种合金元素，如不锈钢表面的Cr可达内部的7倍。表面吸附外来的一些原子或分子。固体表面的特点：1．组分不同:表面吸附外来的一些原子或分子2．原子排列不同:表面重构：是指表面最外层原子的排列周期与体内不一样.

2．原子排列不同:

表面驰豫：表面原子发生相对于正常位置(三维结构)的上、下位移以降低体系能量.表面上原子的这种位移（压缩或膨胀）称为表面驰豫.其表现为表面最外层原子间距离与体内原子间距离不一样，或者增长，或者减少.

表面驰豫：表面原子发生相对于正常位置(三维结构)的上、下位表面缺陷：台阶、弯折、空位等

表面缺陷：台阶、弯折、空位等第二章固体材料的表面特点及表面清洗课件第二节固体表面的吸附

一、固体对气体的吸附第二节固体表面的吸附

一、固体对气体的吸附固体表面对气体吸附的两种形式：<1>物理吸附：固体表面与被吸附分子之间的力是范德华力。<2>化学吸附：二者之间的力和化合物中原子之间形成化学键的力相似，较范德华力大的多。固体表面对气体吸附的两种形式：物理吸附和化学吸附有着不同的特点:

物理吸附化学吸附<1>吸附热：小（约1～40KJ/mol）大（40～400KJ/mol）<2>吸附力：弱（范德华力）强（化学键力）<3>选择性：无有<4>>吸附速度：快慢<5>吸附层：多分子层或单分子层单分子层<6>吸附结构：基本同吸附质分子结构形成新的化合态<7>可逆性：可逆（易解吸）不可逆<8>电子转移：无有<9>吸附活化能：不需需，且较高<10>吸附温度：低较高物理吸附和化学吸附有着不同的特点:

第二章固体材料的表面特点及表面清洗课件固体表面对液体吸附的特点：1．电解质吸附：非电解质吸附：2．正吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相大。负吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相小。3．固体表面的粗糙度及污染程度对吸附有很大的影响，液体表面张力的影响也很重要二、固体对液体的吸附固体表面对液体吸附的特点：二、固体对液体的吸附固、液、气三相稳定接触时：θ：接触角固、液、气三相稳定接触时：

若θ＞90°，不润湿，液体不易铺展，θ越大润湿性越差；θ＝180°，完全不润湿，液体呈球状；θ＜90°，润湿，液体易在表面展开，θ越小润湿性越好；θ＝0°，完全润湿，液体完全铺展开。

在固、液、气三相稳定接触时：

γS=γLcosθ+γSL

Young方程式。凡能引起任一界面张力变化的因素都能影响固体表面的接触角（即润湿性）。当γS>γSL时，则cosθ>0→θ<90°，此时为润湿；而且γS和γSL相差越大，θ角越小，润湿性越好。当γS<γSL时，则cosθ<0→θ>90°，此时不润湿；当γSL越大和γL

越小时，θ越大,不润湿程度越严重。在固、液、气三相稳定接触时：三相稳定接触情况下，三个界面张力之间必须满足下列不等式：

γS≥γL

+γSL

而γSL＝γL+γS－2(γSd

γLd)1/2-ISL’

其中：

γSd

、γLd分别为固体和液体表面的范德华力；ISL’是由范德华力之外的力引起的界面相互作用的势能∴上述条件可以表述为：

2γL

≤2(γSd

γLd)1/2＋ISL’对于碳氢化合物，ISL’＝0，γSd

＝γLd则完全润湿的必要条件：γL

≤

γSd三相稳定接触情况下，三个界面张力之间必须满足下列不等式：液体和固体之间的吸附粘结力ISL可表示为：

ISL＝γL+γS–γSL＝γL（1＋cosθ）

即固液之间的粘结力大小是与液体表面张力γL及接触角θ相关的。从Young方程可以知道：对同一种固体和液体界面组合，表面能高的固体比表面能低的固体更容易被液体润湿。故可以通过改变三个相界面上的γ值来调整接触角，亦即可以通过一些表面活性物质来改变润湿角θ大小，从而改变固液表面之间的粘结力。液体和固体之间的吸附粘结力ISL可表示为：三、固体对固体的吸附固体对固体表面之间同样有吸附作用，其粘附力WAB表示粘附程度：WAB=γA+γB-γAB。固体对固体的吸附也有它的特点：<1>两个不同物质间的粘附功往往超过其中较弱一物质的内聚力。<2>表面的污染会使粘附功大大减小，而这种污染是非常迅速的。<3>固体的吸附作用只有当固体断面很小，并且很清洁时才能表现出来。三、固体对固体的吸附第三节固体表面结构

一．理想表面结构理想表面是一种理论上的结构完整的二维点阵平面，忽略了：①晶体内部周期性热场在表面中断的影响②表面原子的热运动及扩散现象③表面出现的缺陷④表面外界环境的作用第三节固体表面结构

一．理想表面结构二．清洁表面结构

不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面。

清洁表面与理想表面不同在于：它存在表面驰豫、表面重构及表面台阶等缺陷。第二章固体材料的表面特点及表面清洗课件三、实际表面结构

实际表面的一些重要特点：

1．表面粗糙度：

2．贝尔比层：约5～10nm厚的一种非晶态层,其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内明显不同。

3．残余应力（内应力）：按照作用力范围分为宏观内应力和微观内应力（一种作用范围大致与晶粒尺寸为同一数量级，另一种则更小，但却是普遍存在的）。

4.

表面氧化，吸附和粘污：表面氧化可形成一层或多层的一种或多种氧化物（包括一些不稳定的氧化物和易挥发的氧化物）。三、实际表面结构第二章固体材料的表面特点及表面清洗课件第四节固体表面清洗

一、概述金属表面的断面模型图：第四节固体表面清洗

一、概述

加工层:紧靠基体，是由于机加工而造成的与材料内部的组织、结构不同的表面层。

扩散层:加工层组织和基体材料组织呈掺杂状态的层带。

氧化层:金属材料暴露在空气中时表面生成的膜层（氧化膜和氧化皮）。

锈层:表面因腐蚀而生成的化学产物，表面疏松，与基体结合不牢，对基体无保护作用甚至还可能促进基体的进一步腐蚀。

污物层:

一般指附着在表面的微细的碳黑状粉末，其粒度一般小于0.01um(导电型或非导电型，有机污物或无机污物)加工层:紧靠基体，是由于机加工而造成的与材料内部的组织、结清洁表面时，只有加工层和扩散层可以予以保留,其它的几层物质,都要尽可能的清洗干净。方法一般有：除油:除去表面油脂等污物。浸酸:一般称除去薄氧化膜的化学处理方法。除磷:一般称除去氧化皮的化学处理方法。酸洗:一般称除去氧化皮、锈及表面生成物的化学处理方法。浸蚀:为了去除变质层（加工层、扩散层），根据情况，有时需腐蚀基体的化学处理方法。清洁表面时，只有加工层和扩散层可以二、除锈机械法:利用机械的方法（如喷砂、研磨、滚光等）使金属制品表面达到整平的同时除去表面锈层。

化学法:利用酸或碱溶液对金属制品进行强浸蚀处理,使表面的锈层通过化学作用和浸蚀过程中所产生的氢气泡的机械剥离作用而被除去。

电化学法:在酸或碱液中对金属制品进行阴极或阳极处理除去锈层。阳极除锈是由于化学溶解、电化学溶解和电极反应析出的氢气泡的机械剥落作用；阴极除锈则是由于化学溶解和阴极析出氢气的机械剥离作用。

二、除锈2.1化学法除锈对于钢铁,一般使用H2SO4去除氧化皮的原理是:氧化皮Fe2O3+3H2SO4====Fe2(SO4)3+3H20Fe3O4+4H2SO4====FeSO4+Fe2(SO4)3+4H20FeO+H2SO4====FeSO4+H20基体Fe+H2SO4====FeSO4+H2↑产物Fe2(SO4)3+H2====2FeSO4+H2SO4Fe2(SO4)3+Fe====3FeSO42.1化学法除锈H2SO4浓度,温度对浸蚀时间的关系H2SO4浓度,温度对浸蚀时间的关系温度越高,浓度越大,则氧化皮溶解越快,一般采用10%～20%的H2SO4浓度和40℃的浸蚀温度为酸洗的工艺条件。用HCl去除钢铁件氧化皮,其原理与H2SO4相同，但速度快约1.5～2倍；实际生产中,一般采用浓度为15%(10%～20%)左右和室温条件进行酸洗。温度越高,浓度越大,则氧化皮溶解越快,2.2电解法除锈酸液电解：（5～20%的H2SO4），更容易除去粘结牢固的氧化皮，而且酸液浓度有些变化也不显著影响浸蚀效果。且对基体腐蚀小，操作管理容易，但需要设备，要增加挂具，氧化皮溶解不均。阴极电解：材料腐蚀少，但由于激烈析氢，易引起氢脆。阳极电解：借助于氧化的物理冲刷作用使氧化皮脱落，有时可钝化防止腐蚀，无氢脆。PR电解:具有上述二者的特性。碱液电解：为克服酸液电解表面粗糙，有酸雾和氢脆现象发生的现象。2.2电解法除锈酸液电解：（5～20%的H2SO4），更容三、除油油脂有两类:皂化性油脂：能与碱发生皂化反应生成可溶于水的肥皂，如动植物油。非皂化性油脂：不能发生皂化反应，如矿物油。除油方法有：<1>有机溶剂<2>化学方法<3>电化学方法<4>超声波法三、除油3.1有机溶剂除油浸洗法：将工件浸泡在有机溶剂中并加以搅拌，油脂被溶解并带走不溶解的污物。各种有机溶剂均可使用。喷淋法：将有机溶剂喷淋于工件表面上，油脂不断被溶解，反复喷淋直至油污全部除净为止。易挥发的溶剂不适合，须于密闭容器内操作。蒸汽洗法：在密闭容器内，底部装入有机溶剂，工件悬挂在有机溶剂上面，将溶剂加热，溶液蒸汽在工件表面冷凝成液体并溶解油脂，连同油污一起滴落入溶剂槽中，除去工件表面上的油污。联合处理法：采用浸洗——蒸汽洗联合处理或浸洗——喷淋——蒸汽洗联合处理，除油效果更好。注意：用有机溶剂进行除油时，一定要注意安全，保持良好的通风环境，做好各种各样的防火措施，以免中毒，失火。3.1有机溶剂除油浸洗法：将工件浸泡在有机溶剂中并加以搅拌3.2化学除油化学方法除油的原理：(1)碱溶液对皂化性油脂的皂化作用。常用的如氢氧化钠、碳酸钠、磷酸三钠等(2)表面活性物质对非皂化性油脂的乳化作用。

常用的如水玻璃、乳化剂OP-10、6501、6503洗净剂、三乙醇胺油酸皂等3.2化学除油化学方法除油的原理：3.3电化学除油在碱性电解液中，金属工件受直流电的作用发生极化作用①使金属～溶液界面张力降低，溶液易于润湿并渗入油膜下的工件表面,使油膜易于剥落；②析出大量氢或氧对油膜猛烈地撞击和撕裂,并对溶液产生强烈搅拌，加强油膜表面溶液的更新，使油膜被分散成细小油珠，脱离工件表面而进入溶液中形成乳浊液。

阴极和阳极除油阴极和阳极除油相比，相同电流下阴极除油产生的氢比阳极除油产生的氧多一倍，且气泡小而密，乳化能力强，所以阴极除油效果更好。3.3电化学除油在碱性电解液中，金属工件受直3.4超声波除油在碱溶液化学除油和电化学除油过程中引入超声波场，可以强化除油过程，缩短除油时间，提高工艺质量，还可以使细孔、盲孔中的油污彻底清除。并且引入超声波后，对除油溶液的浓度和温度要比相应的化学除油和电化学除油为低，可减少工件表面金属的腐蚀。超声波振荡可使溶液内产生许多真空的空穴。这些空穴在形成和闭合时产生强烈的振荡,对工件表面的油污产生强大的冲击作用，有助于油污脱离，加强皂化和乳化作用，从而加速除油过程并使除油更彻底。3.4超声波除油在碱溶液化学除油和电化学除油过程

在阴极电化学除油时，超声波一方面使金属表面活化而促进渗氢，另一方面其产生的真空空穴对吸附的氢有排除作用，可防止渗氢。所以使用时要合理地选择超声波场参数（频率、强度等），达到抑制渗氢，防止氢脆的目的。一般形状较复杂的小制品可用高频低振幅的超声波，表面较大的制品则使用频率较低的超声波。

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固体材料的表面特点及表面清洗

第二章

固体材料的表面特点及表面清洗第一节固体材料表面与内部不同

固体表面：指固～气界面或固～液界面，它实际上是由凝聚态物质靠近气体或真空的一个或几个原子层(0.5～10nm)组成，是凝聚态对气体或真空的一种过渡。稳定状态：能量最小第一节固体材料表面与内部不同

固体表面：指固～气界面或固～固体表面的特点：1．组分不同:成分偏析:很多合金在表面上会富集某种合金元素，如不锈钢表面的Cr可达内部的7倍。表面吸附外来的一些原子或分子。固体表面的特点：1．组分不同:表面吸附外来的一些原子或分子2．原子排列不同:表面重构：是指表面最外层原子的排列周期与体内不一样.

2．原子排列不同:

表面驰豫：表面原子发生相对于正常位置(三维结构)的上、下位移以降低体系能量.表面上原子的这种位移（压缩或膨胀）称为表面驰豫.其表现为表面最外层原子间距离与体内原子间距离不一样，或者增长，或者减少.

表面驰豫：表面原子发生相对于正常位置(三维结构)的上、下位表面缺陷：台阶、弯折、空位等

表面缺陷：台阶、弯折、空位等第二章固体材料的表面特点及表面清洗课件第二节固体表面的吸附

一、固体对气体的吸附第二节固体表面的吸附

一、固体对气体的吸附固体表面对气体吸附的两种形式：<1>物理吸附：固体表面与被吸附分子之间的力是范德华力。<2>化学吸附：二者之间的力和化合物中原子之间形成化学键的力相似，较范德华力大的多。固体表面对气体吸附的两种形式：物理吸附和化学吸附有着不同的特点:

物理吸附化学吸附<1>吸附热：小（约1～40KJ/mol）大（40～400KJ/mol）<2>吸附力：弱（范德华力）强（化学键力）<3>选择性：无有<4>>吸附速度：快慢<5>吸附层：多分子层或单分子层单分子层<6>吸附结构：基本同吸附质分子结构形成新的化合态<7>可逆性：可逆（易解吸）不可逆<8>电子转移：无有<9>吸附活化能：不需需，且较高<10>吸附温度：低较高物理吸附和化学吸附有着不同的特点:

第二章固体材料的表面特点及表面清洗课件固体表面对液体吸附的特点：1．电解质吸附：非电解质吸附：2．正吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相大。负吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相小。3．固体表面的粗糙度及污染程度对吸附有很大的影响，液体表面张力的影响也很重要二、固体对液体的吸附固体表面对液体吸附的特点：二、固体对液体的吸附固、液、气三相稳定接触时：θ：接触角固、液、气三相稳定接触时：

若θ＞90°，不润湿，液体不易铺展，θ越大润湿性越差；θ＝180°，完全不润湿，液体呈球状；θ＜90°，润湿，液体易在表面展开，θ越小润湿性越好；θ＝0°，完全润湿，液体完全铺展开。

在固、液、气三相稳定接触时：

γS=γLcosθ+γSL

Young方程式。凡能引起任一界面张力变化的因素都能影响固体表面的接触角（即润湿性）。当γS>γSL时，则cosθ>0→θ<90°，此时为润湿；而且γS和γSL相差越大，θ角越小，润湿性越好。当γS<γSL时，则cosθ<0→θ>90°，此时不润湿；当γSL越大和γL

越小时，θ越大,不润湿程度越严重。在固、液、气三相稳定接触时：三相稳定接触情况下，三个界面张力之间必须满足下列不等式：

γS≥γL

+γSL

而γSL＝γL+γS－2(γSd

γLd)1/2-ISL’

其中：

γSd

、γLd分别为固体和液体表面的范德华力；ISL’是由范德华力之外的力引起的界面相互作用的势能∴上述条件可以表述为：

2γL

≤2(γSd

γLd)1/2＋ISL’对于碳氢化合物，ISL’＝0，γSd

＝γLd则完全润湿的必要条件：γL

≤

γSd三相稳定接触情况下，三个界面张力之间必须满足下列不等式：液体和固体之间的吸附粘结力ISL可表示为：

ISL＝γL+γS–γSL＝γL（1＋cosθ）

即固液之间的粘结力大小是与液体表面张力γL及接触角θ相关的。从Young方程可以知道：对同一种固体和液体界面组合，表面能高的固体比表面能低的固体更容易被液体润湿。故可以通过改变三个相界面上的γ值来调整接触角，亦即可以通过一些表面活性物质来改变润湿角θ大小，从而改变固液表面之间的粘结力。液体和固体之间的吸附粘结力ISL可表示为：三、固体对固体的吸附固体对固体表面之间同样有吸附作用，其粘附力WAB表示粘附程度：WAB=γA+γB-γAB。固体对固体的吸附也有它的特点：<1>两个不同物质间的粘附功往往超过其中较弱一物质的内聚力。<2>表面的污染会使粘附功大大减小，而这种污染是非常迅速的。<3>固体的吸附作用只有当固体断面很小，并且很清洁时才能表现出来。三、固体对固体的吸附第三节固体表面结构

一．理想表面结构理想表面是一种理论上的结构完整的二维点阵平面，忽略了：①晶体内部周期性热场在表面中断的影响②表面原子的热运动及扩散现象③表面出现的缺陷④表面外界环境的作用第三节固体表面结构

一．理想表面结构二．清洁表面结构

不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面。

清洁表面与理想表面不同在于：它存在表面驰豫、表面重构及表面台阶等缺陷。第二章固体材料的表面特点及表面清洗课件三、实际表面结构

实际表面的一些重要特点：

1．表面粗糙度：

2．贝尔比层：约5～10nm厚的一种非晶态层,其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内明显不同。

3．残余应力（内应力）：按照作用力范围分为宏观内应力和微观内应力（一种作用范围大致与晶粒尺寸为同一数量级，另一种则更小，但却是普遍存在的）。

4.

表面氧化，吸附和粘污：表面氧化可形成一层或多层的一种或多种氧化物（包括一些不稳定的氧化物和易挥发的氧化物）。三、实际表面结构第二章固体材料的表面特点及表面清洗课件第四节固体表面清洗

一、概述金属表面的断面模型图：第四节固体表面清洗

一、概述

加工层:紧靠基体，是由于机加工而造成的与材料内部的组织、结构不同的表面层。

扩散层:加工层组织和基体材料组织呈掺杂状态的层带。

氧化层:金属材料暴露在空气中时表面生成的膜层（氧化膜和氧化皮）。

锈层:表面因腐蚀而生成的化学产物，表面疏松，与基体结合不牢，对基体无保护作用甚至还可能促进基体的进一步腐蚀。

污物层:

一般指附着在表面的微细的碳黑状粉末，其粒度一般小于0.01um(导电型或非导电型，有机污物或无机污物)加工层:紧靠基体，是由于机加工而造成的与材料内部的组织、结清洁表面时，只有加工层和扩散层可以予以保留,其它的几层物质,都要尽可能的清洗干净。方法一般有：除油:除去表面油脂等污物。浸酸:一般称除去薄氧化膜的化学处理方法。除磷:一般称除去氧化皮的化学处理方法。酸洗:一般称除去氧化皮、锈及表面生成物的化学处理方法。浸蚀:为了去除变质层（加工层、扩散层），根据情况，有时需腐蚀基体的化学处理方法。清洁表面时，只有加工层和扩散层可以二、除锈机械法:利用机械的方法（如喷砂、研磨、滚光等）使金属制品表面达到整平的同时除去表面锈层。

化学法:利用酸或碱溶液对金属制品进行强浸蚀处理,使表面的锈层通过化学作用和浸蚀过程中所产生的氢气泡的机械剥离作用而被除去。

电化学法:在酸或碱液中对金属制品进行阴极或阳极处理除去锈层。阳极除锈是由于化学溶解、电化学溶解和电极反应析出的氢气泡的机械剥落作用；阴极除锈则是由于化学溶解和阴极析出氢气的机械剥离作用。

二、除锈2.1化学法除锈对于钢铁,一般使用H2SO4去除氧化皮的原理是:氧化皮Fe2O3+3H2SO4====Fe2(SO4)3+3H20Fe3O4+4H2SO4====FeSO4+Fe2(SO4)3+4H20FeO+H2SO4====FeSO4+H20基体Fe+H2SO4====FeSO4+H2↑产物Fe2(SO4)3+H2====2FeSO4+H2SO4Fe2(SO4)3+Fe====3FeSO42.1化学法除锈H2SO4浓度,温度对浸蚀时间的关系H2SO4浓度,温度对浸蚀时间的关系温度越高,浓度越大,则氧化皮溶解越快,一般采用10%～20%的H2SO4浓度和40℃的浸蚀温度为酸洗的工艺条件。用HCl去除钢铁件氧化皮,其原理与H2SO4相同，但速度快约1.5～2倍；实际生产中,一般采用浓度为15%(10%～20%)左右和室温条件进行酸洗。温度越高,浓度越大,则氧化皮溶解越快,2.2电解法除锈酸液电解：（5～20%的H2SO4），更容易除去粘结牢固的氧化皮，而且酸液浓度有些变化也不显著影响浸蚀效果。且对基体腐蚀小，操作管理容易，但需要设备，要增加挂具，氧化皮溶解不均。阴极电解：材料腐蚀少，但由于激烈析氢，易引起氢脆。阳极电解：借助于氧化的物理冲刷作用使氧化皮脱落，有时可钝化防止腐蚀，无氢脆。PR电解:具有上述二者的特性。碱液电解：为克服酸液电解表面粗糙，有酸雾和氢脆现象发生的现象。2.2电解法除锈酸液电解：（5～20%的H2SO4），更容三、除油油脂有两类:皂化性油脂：能与碱发生皂化反应生成可溶于水的肥皂，如动植物油。非皂化性油脂：不能发