表面技术概论表面基础理论-表面界面课件

第二章第二章表面科学基础理论表面科学基础理论材料表面与界面基础知识材料表面与界面基础知识正确选择与应用表面工程技术正确选择与应用表面工程技术第二章第二章表面科学的部分基础理论表面科学的部分基础理论表面晶体学表面晶体学2.1 金属表面现象金属表面现象2.2表面缺陷与表面扩散表面缺陷与表面扩散2.3基本概念：基本概念：晶体晶体晶体结构晶体结构表面表面界面界面理想表面理想表面清洁表面及其表面结构清洁表面及其表面结构偏析偏析吸附吸附一般表面一般表面粗糙度、贝尔比层、物理吸附、化学吸附、固体的表面张力与自由能、粗糙度、贝尔比层、物理吸附、化学吸附、固体的表面张力与自由能、表面扩散、表面缺陷、表面扩散、表面缺陷、l晶体与非晶体晶体与非晶体l晶体结构晶体结构l结合键结合键l理想表面结构理想表面结构l清洁表面结构清洁表面结构l实际表面结构实际表面结构2.1表面晶体学表面晶体学一、有关晶体的一些基本概念：一、有关晶体的一些基本概念：l晶体与非晶体晶体与非晶体l晶体结构晶体结构l结合键结合键原子结构原子结构原子球体堆积模型原子球体堆积模型三维空间格子三维空间格子晶体构造晶体构造金属中三种常见的晶体构造：金属中三种常见的晶体构造：fccstructurebcc structurehcpstructure键键物质结构中质点之间的结合力。物质结构中质点之间的结合力。金属键、离子键、共价键、分子键（范德瓦尔斯力金属键、离子键、共价键、分子键（范德瓦尔斯力、氢、氢键）键）金属键金属键离子键离子键共价键共价键范德瓦尔斯力键范德瓦尔斯力键氢键氢键二、固体表面二、固体表面界面界面一般指两相交界处，严格来讲固固、液液、固液、一般指两相交界处，严格来讲固固、液液、固液、气液、固液交界处皆为界面。气液、固液交界处皆为界面。固体表面通常指固固体表面通常指固-气界面或固气界面或固-液界面，一般由凝液界面，一般由凝聚态物质靠近气体或真空的一个或几个原子层组成。聚态物质靠近气体或真空的一个或几个原子层组成。表面原子排列与内部不同表面原子排列与内部不同表面组成与内部不同表面组成与内部不同三、理想表面结构三、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理想表面是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。平面。忽略周期性势场的中断忽略周期性势场的中断忽略缺陷、扩散、热运动忽略缺陷、扩散、热运动忽略外界环境影响忽略外界环境影响无缺陷的晶体被分成两个半无限大的晶体，分无缺陷的晶体被分成两个半无限大的晶体，分割前后的原子排列、电子密度不变；表面原子割前后的原子排列、电子密度不变；表面原子能量大于内部，既为表面能。能量大于内部，既为表面能。自行调整：结构改变，原子排列和内部自行调整：结构改变，原子排列和内部不同！不同！成分调整：表面成分偏析、对外来原子成分调整：表面成分偏析、对外来原子的吸附！的吸附！清洁表面成分和结构与内部不同，要清洁表面成分和结构与内部不同，要4-6个原子过渡！个原子过渡！固体表面的结构和性质在很多方向都与体内不同！固体表面的结构和性质在很多方向都与体内不同！四、清洁表面结构四、清洁表面结构表面缺陷表面缺陷清洁表面指没有被其它任何物质污染，也没有吸附任清洁表面指没有被其它任何物质污染，也没有吸附任何不是表面组分的其它原子或分子的表面，是我们在预何不是表面组分的其它原子或分子的表面，是我们在预处理后中想要得到的表面。处理后中想要得到的表面。晶体表面是原子排列面，有一侧无固体原子键合，形晶体表面是原子排列面，有一侧无固体原子键合，形成了附加的表面能。从热力学来看，表面附近的原子排成了附加的表面能。从热力学来看，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态。列总是趋于能量最低的稳定状态。表面缺陷表面缺陷清洁表面存在各种表面缺陷：清洁表面存在各种表面缺陷：点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷表面驰豫表面驰豫表面重构表面重构表面台阶表面台阶表面驰豫：表面的原子周期性突然破坏，表面上的原表面驰豫：表面的原子周期性突然破坏，表面上的原子会发生相对于正常位置的上、下位移以降低体系能子会发生相对于正常位置的上、下位移以降低体系能量，表面上原子的这种位移称为表面驰豫。量，表面上原子的这种位移称为表面驰豫。表面重构：平行基底的表面上，原子的平移对称性与体表面重构：平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整。内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整。化学吸附：外来原子吸附于表面并形成化学键。化学吸附：外来原子吸附于表面并形成化学键。表面偏析：表面原子从内部分凝出来。表面偏析：表面原子从内部分凝出来。表面台阶：表面原子形成台阶结构。表面台阶：表面原子形成台阶结构。化合物：外来原子进入表面，并与表面原子形化合物：外来原子进入表面，并与表面原子形成化合物。成化合物。五、实际表面结构五、实际表面结构（一）实际表面的一般情况（一）实际表面的一般情况理想的表面是不存在的，清洁的表面是难以制理想的表面是不存在的，清洁的表面是难以制备的，实际的表面存在缺陷、杂质等现象备的，实际的表面存在缺陷、杂质等现象。表面粗糙度与波纹度是实际表面的基本特征。表面粗糙度与波纹度是实际表面的基本特征。表面粗糙度表面粗糙度吸附和玷污吸附和玷污机械加工表面机械加工表面DSC热分析仪热分析仪经过处理的表面经过处理的表面DSC和和DTA仪器样品台仪器样品台不同加工方法不同加工方法形成的材料表形成的材料表面轮廓曲线面轮廓曲线如何评价实际加工零件表面的微观形貌？如何评价实际加工零件表面的微观形貌？一般从垂直于表面的二维截面上测量、分析其轮廓变化。一般从垂直于表面的二维截面上测量、分析其轮廓变化。表面的不平整性包括波纹度和粗糙度两个概念。表面的不平整性包括波纹度和粗糙度两个概念。波纹度波纹度:指在一段较长距离内出现一个峰和谷的周期。指在一段较长距离内出现一个峰和谷的周期。1.表面粗糙度表面粗糙度表面粗糙度表面粗糙度是指加工表面上具有的较小间距的峰和谷所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。组成的微观几何形状误差，也称微观粗糙度。指在较短距离内指在较短距离内(2800m)出现的凹凸不平出现的凹凸不平(0.03-4m)。材料的表面粗糙度是表面工程技术中最重要的概念之一。材料的表面粗糙度是表面工程技术中最重要的概念之一。它与表面工程技术的特征及实施前的预备工艺紧密联系，它与表面工程技术的特征及实施前的预备工艺紧密联系，材料表面的粗糙度与加工方法密切相关，尤其是最后一道加工材料表面的粗糙度与加工方法密切相关，尤其是最后一道加工工序起着决定性的作用。工序起着决定性的作用。并严重影响材料的摩擦磨损、腐蚀性能、表面磁性能和电性能并严重影响材料的摩擦磨损、腐蚀性能、表面磁性能和电性能等。等。一般表面一般表面一般的零件经过机械加工以后，表面上有各种氧化物覆盖。一般的零件经过机械加工以后，表面上有各种氧化物覆盖。为此，大部分表面覆层技术在工艺实施之前，都要求对表面进行预为此，大部分表面覆层技术在工艺实施之前，都要求对表面进行预处理，清除掉表面的氧化皮，以便提高覆层与基材的结合强度。处理，清除掉表面的氧化皮，以便提高覆层与基材的结合强度。机械加工表面机械加工表面在磨削、研磨、抛光在磨削、研磨、抛光等机械作用下，金属等机械作用下，金属表面能形成特殊结构表面能形成特殊结构的表面层。的表面层。贝尔比层贝尔比层塑性变形层塑性变形层粗糙表面对表面特性的影响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！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！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！粗糙的表面具有与内部不同的成分和组织！贝尔比层：固体材料经切削加工后，在几个微米或者十贝尔比层：固体材料经切削加工后，在几个微米或者十几个微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，使得几个微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，使得在表面约在表面约10nm的深度内，形成晶格畸变薄层。的深度内，形成晶格畸变薄层。加工点温度高于表面平均温度，磨后迅速冷却，原子无加工点温度高于表面平均温度，磨后迅速冷却，原子无法回到原来位置；法回到原来位置；极为细小的微晶层或非晶态层。极为细小的微晶层或非晶态层。2.贝尔比层贝尔比层和和残余应力残余应力贝尔比层具有较高的耐磨性和耐腐蚀性，对机械工程来贝尔比层具有较高的耐磨性和耐腐蚀性，对机械工程来说是好的。说是好的。但例如硅集成电路制作时，是位错、层错的根源。但例如硅集成电路制作时，是位错、层错的根源。塑性变形层：深度增加塑性变形量减小，塑性变形层：深度增加塑性变形量减小，1-10微米。微米。表面双晶、相变、再结晶。表面双晶、相变、再结晶。残余应力残余应力l宏观内应力宏观内应力l微观内应力微观内应力l内应力如何产生的？内应力如何产生的？l内应力有何影响？内应力有何影响？2.2金属表面现象金属表面现象3.金属表面反应金属表面反应2.润湿及黏着润湿及黏着1.吸附现象吸附现象表面吸附指固体表面吸引气体的一种结合。表面吸附指固体表面吸引气体的一种结合。一、表面吸附现象一、表面吸附现象化学吸附化学吸附物理吸附物理吸附吸附吸附润湿液体与固体表面接触时的表面现象，可以用液滴在润湿液体与固体表面接触时的表面现象，可以用液滴在表面上的散开程度表征润湿程度表面上的散开程度表征润湿程度-润湿与不润湿！润湿与不润湿！二、润湿现象二、润湿现象三、表面能与表面张力三、表面能与表面张力处于界面上的原子除受到来自内部自身原子的作用力处于界面上的原子除受到来自内部自身原子的作用力外，还受到外部介质分子外，还受到外部介质分子(或原子）的作用力。或原子）的作用力。显然其力是不平衡的，若外部为真空更是如此。这使显然其力是不平衡的，若外部为真空更是如此。这使得表面原子偏离正常的平衡位置，从而牵动着附近的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，造成表层产生畸变，表面的各种缺陷更加几层原子，造成表层产生畸变，表面的各种缺陷更加重了这种畸变。重了这种畸变。这样就使表层原子的能量比内部的要高这样就使表层原子的能量比内部的要高很多很多表面能与表面张力表面能与表面张力将它们高出的能量叠加起来；将它们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，简称为表面能，与平均在单位面积上的超额能量称之为比表面能，简称为表面能，与表面张力同一量纲。表面张力同一量纲。比较大的表面能有剩余吸引力，必然有通过原子迁移或吸附外来物质以调比较大的表面能有剩余吸引力，必然有通过原子迁移或吸附外来物质以调整结构向低能态演变的趋势，整结构向低能态演变的趋势，以晶态物质、表面有众多微孔和巨大表面积以及活性大的物质尤甚。以晶态物质、表面有众多微孔和巨大表面积以及活性大的物质尤甚。表层原子的能量表层原子的能量内部原子的能量内部原子的能量体系自由能降低，缩小界面张力！体系自由能降低，缩小界面张力！黏着固体与固体接触时的表面现象，产生两个新的表面黏着固体与固体接触时的表面现象，产生两个新的表面消耗的能量称为黏附功，表征固体与固体吸引强度！消耗的能量称为黏附功，表征固体与固体吸引强度！接触状况：紧密接触接触状况：紧密接触润湿性：润湿好，黏着强润湿性：润湿好，黏着强固溶性：不同金属间的固溶固溶性：不同金属间的固溶表面活化：提高黏着强度表面活化：提高黏着强度四、金属黏着现象四、金属黏着现象金属表面反应金属表面反应：气固反应：沉积、大气腐蚀、渗碳、脱碳！气固反应：沉积、大气腐蚀、渗碳、脱碳！液固反应：液固反应：金属的溶解、液体热处理、电化学！金属的溶解、液体热处理、电化学！固固反应：石墨与钢的反应！固固反应：石墨与钢的反应！离子离子-固反应：离子氮化、离子注入！固反应：离子氮化、离子注入！表面扩散表面扩散：原子或分子沿表面的二维迁移！：原子或分子沿表面的二维迁移！单个原子跳跃几个晶格后越过一个平台！单个原子跳跃几个晶格后越过一个平台！吸附原子沿边缘的长度方向扩散！吸附原子沿边缘的长度方向扩散！空位被表面原子填充形成扩散！空位被表面原子填充形成扩散！2.3表面扩散表面扩散