表面科学和工程的基础理论培训课件

LOGO主要内容主要内容v一、一、表面晶体学表面晶体学v二、二、金属的表面现象金属的表面现象v三、三、覆层的形成机制覆层的形成机制v四、四、表面缺陷与表面扩散表面缺陷与表面扩散1表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO一、一、表面晶体学表面晶体学v1.表面类型表面类型u理想表面理想表面u洁净表面洁净表面u实际表面实际表面2表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGOv1.理想表面理想表面 典型的固体表面典型的固体表面理想表面：无限晶体中插入一个平面，分成两部分后形成的表面。自然界很难获得理想表面。特点：表面原子近邻原子数少，表面原子能量升高，表面能，引起吸附。理想表面无限晶体3表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGOv2.洁净表面洁净表面典型的固体表面典型的固体表面洁净表面：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但化学成分与体内相同，这种表面称为洁净表面。相对于表面受污染表面和理想表面而言的。允许有吸附物，只有经过特殊处理方法得到，如高温处理。清洁表面（定义）：一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等)以后的表面。清洁表面易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。洁净表面的“清洁程度”比清洁表面高。洁净表面存在着：弛豫、重构、台阶化、偏析和吸附等表面现象。4表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO（1）弛豫：表面最外）弛豫：表面最外层原子与第二原子与第二层原子之原子之间的距离不同的距离不同于体内于体内间距距(缩小或增大小或增大)的的现象，即表面附近的点象，即表面附近的点阵常数常数在在垂直方向垂直方向上不同与晶体内部上不同与晶体内部。原因：晶体的三原因：晶体的三维周期性在表面周期性在表面处突然中突然中断，断，引起表面原子的配位数、附近的引起表面原子的配位数、附近的电荷荷分布、所分布、所处的力的力场等均与体内原子有所不等均与体内原子有所不同同，因此使表面上的原子会，因此使表面上的原子会发生相生相对于正于正常位置的上、下位移，以降低表面能量常位置的上、下位移，以降低表面能量。固体表面结构弛豫示意图 典型的固体表面典型的固体表面2.洁净表面5表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO（2）重重构构：表表面面原原子子在在水水平平方方向向的的周周期期性性不不同同于于体体内内的的晶晶面，面，表面重构能使表面表面重构能使表面结构构发生生质的的变化。化。典型的固体表面典型的固体表面2.洁净表面固体表面重构示意固体表面重构示意图图6表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO（3）台）台阶化：指化：指实际晶体的外表面由晶体的外表面由许多密排面的台多密排面的台阶构成。构成。固体表面台固体表面台阶阶示意示意图图2.洁净表面洁净表面典型的固体表面典型的固体表面单晶表面的TLK模型已被低能电子衍射（LEED）等表面分析结果所证实。平台（terrace）、台阶(ledge)、弯结(kink)三种主要缺陷就构成了晶粒表面缺陷的TLK模型。7表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO（4）偏析和吸附：指化学组分在表面区的变化。2.洁净表面洁净表面固体表面的偏析和吸附典型的固体表面典型的固体表面8表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO晶体表面的成分和晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部，一般大构都不同于晶体内部，一般大约要要经过46个原子个原子层之后才与体内基本相似，所以晶体表面之后才与体内基本相似，所以晶体表面实际上只有几个原上只有几个原层子范子范围。晶体表面的缺陷：晶体表面的缺陷：点缺陷：空位点缺陷：空位对，空位，空位团簇，吸附（偏析）的簇，吸附（偏析）的杂质原子等原子等线缺陷：位缺陷：位错在表面的露在表面的露头刃位刃位错：直径：直径为原子尺寸的一根管道原子尺寸的一根管道螺位螺位错：表面形成台：表面形成台阶 各种材料表面上的点缺陷类型和浓度都依一定条件而各种材料表面上的点缺陷类型和浓度都依一定条件而定，最为普遍的是吸附（或偏析）的外来杂质原子。定，最为普遍的是吸附（或偏析）的外来杂质原子。典型的固体表面典型的固体表面9表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO(1)刃型位错刃型位错：正刃型位错（：正刃型位错（）、负刃型位错）、负刃型位错()典型的固体表面典型的固体表面10表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO刃型位错的几何特征：刃型位错的几何特征：(1)位错线与其滑移矢量位错线与其滑移矢量d垂直，刃型位错可以为任意垂直，刃型位错可以为任意形状的曲线。形状的曲线。(2)有多余半原子面。有多余半原子面。习惯上，把多余半原子面在滑移面以上的位错称为习惯上，把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用符号正刃型位错，用符号“”表示，反之为负刃型位错，表示，反之为负刃型位错，用用“”表示。刃型位错周围的点阵畸变关于半原子表示。刃型位错周围的点阵畸变关于半原子面左右对称。面左右对称。典型的固体表面典型的固体表面11表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO(2)螺型位错：左螺型位错、右螺型位错螺型位错：左螺型位错、右螺型位错典型的固体表面典型的固体表面12表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO典型的固体表面典型的固体表面13表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO 螺位错具有如下的几何特征：(1)螺位错线与其滑移矢量d d平行，故纯螺位错只能是直线。(2)根据螺旋面的不同，螺位错可分左和右两种，当螺旋面为右手螺旋时，为右螺位错，反之为左螺位错。(3)螺位错没有多余原子面，它周围只引起切应变而无体应变。典型的固体表面典型的固体表面14表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO洁净表面的获得洁净表面的获得在表面技术的预处理中，常常要获得清洁表面。但在表面技术的预处理中，常常要获得清洁表面。但从清洁表面的定义上讲，用任何高效能洗涤剂清洗从清洁表面的定义上讲，用任何高效能洗涤剂清洗过的晶体材料的表面，也不是清洁表面，因为材料过的晶体材料的表面，也不是清洁表面，因为材料表面上必然会吸附有洗涤剂分子或空气中的某些成表面上必然会吸附有洗涤剂分子或空气中的某些成分的原子。分的原子。所以要获得清洁表面，必须采取一些特殊的处理措所以要获得清洁表面，必须采取一些特殊的处理措施。施。典型的固体表面典型的固体表面15表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO1在真空中解理晶体在真空中解理晶体金属金属(合金合金)沿某些严格的结晶学平面发生分离的断裂沿某些严格的结晶学平面发生分离的断裂(穿穿晶晶)称为解理。称为解理。在真空条件下，使金属产生解理，可获得在真空条件下，使金属产生解理，可获得清洁表面。清洁表面。受可解理的材料和平面的限制，仅能解理几种金属的单晶，受可解理的材料和平面的限制，仅能解理几种金属的单晶，如铍、锌、铋和如铍、锌、铋和 锑等。锑等。2把表面在真空中进行热处理，使温度高到足以蒸发掉表把表面在真空中进行热处理，使温度高到足以蒸发掉表面的污染物面的污染物 已成功地用来清洁一些难熔的金属表面已成功地用来清洁一些难熔的金属表面(如钨和铌等金属如钨和铌等金属表面表面)，但这种方法不能除去像碳等难于蒸发的原子。，但这种方法不能除去像碳等难于蒸发的原子。典型的固体表面典型的固体表面洁净表面的表面的获得得16表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO典型的固体表面典型的固体表面洁净表面的表面的获得得3离子多次轰击法离子多次轰击法把样品表面在真空中循环地用惰性气体离子轰击和退火的方把样品表面在真空中循环地用惰性气体离子轰击和退火的方法。法。单次轰击后晶体内的杂质还可分离到表面上来，这种方法必单次轰击后晶体内的杂质还可分离到表面上来，这种方法必须进行多次的反复轰击和退火。须进行多次的反复轰击和退火。对于大多数表面都是有效的，还可以清除用第二种方法清除对于大多数表面都是有效的，还可以清除用第二种方法清除不了的难蒸发的原子。不了的难蒸发的原子。注意不要把表面打得粗糙或变成新的晶相表面。因此，近来注意不要把表面打得粗糙或变成新的晶相表面。因此，近来也有将离子轰击改为用低能电子轰击。也有将离子轰击改为用低能电子轰击。17表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO典型的固体表面典型的固体表面3.实际表面实际表面实际表面：暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经过一定加工处理（如切割、研磨、抛光、清洗等），保持在常温和常压（也可能在低真空或高温）下的表面。特点：表面粗糙度，表面组织，表面化学成分18表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO实际表面的形表面的形态 实际表面就是我表面就是我们通常接触到的表面通常接触到的表面抛光后的金属表面抛光后的金属表面l 表面粗糙度表面粗糙度l 表面组织表面组织l 表面化学成分表面化学成分典型的固体表面典型的固体表面19表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO实际表面表面3.机械加工后的表面表面的粗糙度和波度构成了金属的表面形貌。v粗糙度:加工表面所具有的微小凹凸和微小峰谷所组成的微观几何形状就构成了其特征，粗糙度的波距与波深之比常常为150：15。v波纹度:金属表面呈波浪形的有规律和无规律的表面反复结构误差称为波纹度。波纹度的波距与波深的比为：1000：1100。材料的表面粗糙度是表面工程技术中材料的表面粗糙度是表面工程技术中最重要最重要的概念之一。的概念之一。它与表面工程技它与表面工程技术的特征的特征及及实施前的施前的预备工工艺紧密密联系，并系，并严重影响材料的重影响材料的摩擦磨摩擦磨损、腐、腐蚀性能、表性能、表面磁性能和面磁性能和电性能等。性能等。20表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGOl 表面粗糙度（表面粗糙度（surface roughness）典型的固体表面典型的固体表面21表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO金属表面形貌对其表面特性的影响金属表面形貌对其表面特性的影响v处于粗糙区域的原子比具有正常原子有更高的能量，具有处于粗糙区域的原子比具有正常原子有更高的能量，具有更高的表面自由能和表面流动性。更高的表面自由能和表面流动性。v影响金属表面间的实际接触面积和接触性质。金属表面的影响金属表面间的实际接触面积和接触性质。金属表面的接触，实际上是微凸体间的接触，此接触可为弹性接触，也接触，实际上是微凸体间的接触，此接触可为弹性接触，也可为塑性接触。可为塑性接触。v 金属实际表面积大于表观表面积，增加了与介质的实际金属实际表面积大于表观表面积，增加了与介质的实际接触面积，降低了抗蚀性能。接触面积，降低了抗蚀性能。v 粗糙金属表面常具有与内部不同的成分及组织，由机械粗糙金属表面常具有与内部不同的成分及组织，由机械加工时的高应力、高温度和金属间摩擦造成加工时的高应力、高温度和金属间摩擦造成。典型的固体表面典型的固体表面22表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO抛光金属表面附近抛光金属表面附近贝尔比比层（Beilby layer）残余残余应力力 表面形表面形变和和组织畸畸变区区实际表面表面固体材料加工后，在几微米至十几微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，造成一定程度的晶格畸变,这种畸变随深度而变化，在最外层约510nm可形成一种非晶态，其成分为金属及其氧化物，即为贝尔比层。l 表面组织表面组织23表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内明显不同。贝尔其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内明显不同。贝尔比层具有较高的耐磨性和耐蚀性，这在机械制造时可以利用。比层具有较高的耐磨性和耐蚀性，这在机械制造时可以利用。但是在其他许多场合，贝尔比层是有害的，例如在硅片上进但是在其他许多场合，贝尔比层是有害的，例如在硅片上进行外延、氧化和扩散之前要用腐蚀法除掉贝尔比层，因为它行外延、氧化和扩散之前要用腐蚀法除掉贝尔比层，因为它会感生出位错、层错等缺陷而严重影响器件的性能。会感生出位错、层错等缺陷而严重影响器件的性能。金属在切割、研磨和抛光后，除了表面产生贝尔比层之外，金属在切割、研磨和抛光后，除了表面产生贝尔比层之外，还存在着各种残余应力，同样对材料的许多性能发生影响。还存在着各种残余应力，同样对材料的许多性能发生影响。实际上残余应力是材料经各种加工、处理后普遍存在的。实际上残余应力是材料经各种加工、处理后普遍存在的。贝尔比层贝尔比层24表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGOl 表面成分表面成分二元合金表面富集元素二元合金表面富集元素由由A,B两种原子组成的固体表面情况两种原子组成的固体表面情况实际表面表面25表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGOFeOl 表面成分（表面成分（surface composition）金属的氧化金属的氧化:气相气相/高价氧化物高价氧化物/低价氧化物低价氧化物/金属金属空气空气1000CuCuCu2OCuOCu2O空气空气空气空气570FeFe3O4空气空气Fe2O3FeFe3O4Fe2O3实际表面表面26表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO1.基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面v微晶层(贝尔比层(Beilby)层)：1-100nm厚的晶粒微小的微晶层。v塑性变形层：塑变程度和它的深度有关。v其它变质层：(1)形成孪晶：Zn,Ti等密排六方结构的金属表层会形成孪晶;(2)发生相变：18-8型奥代体不锈钢，黄铜、淬火钢中的残余奥氏体，高锰钢等会形成相变层；(3)发生再结晶：Sn、Pb、Zn等低熔点金属加工后表层能够形成再结晶层。(4)发生时效和出现表层裂纹等。塑塑 变变 深深 度度(m)0 10 20 3054321变变 形形 量量(%)实例：金属材料在工业环境中的实际表面实例：金属材料在工业环境中的实际表面 27表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO粗晶环粗晶环疲劳强度大幅度下降28表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGOv二、固体的表面现象二、固体的表面现象v吸附吸附v润湿润湿v扩散（自学）扩散（自学）29表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO固体表面的物理吸附和化学吸附固体表面的物理吸附和化学吸附由于固体表面上原子或分子的力由于固体表面上原子或分子的力场是不是不饱和的，就有吸引其和的，就有吸引其它分子的能力，从而使它分子的能力，从而使环境介境介质在固体表面上的在固体表面上的浓度大于体度大于体相中的相中的浓度，度，这种种现象称象称为吸附。吸附。30表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO吸附表面吸附表面在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。在表面上的质点所构成的表面。吸附表面可分为四种吸附位置吸附表面可分为四种吸附位置：顶吸附、桥吸附顶吸附、桥吸附、填充吸附、中心吸附、填充吸附、中心吸附 顶吸附顶吸附桥吸附桥吸附填充吸附填充吸附中心吸附中心吸附俯视图俯视图剖面图剖面图31表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO固体固体对气体的吸附气体的吸附一个气体分子被表面吸附主要分成物理和化学两一个气体分子被表面吸附主要分成物理和化学两类：物理吸附物理吸附（Physical adsorption）：）：任何气体在其任何气体在其临界温度以下，都会在其和固体表面之界温度以下，都会在其和固体表面之间的范德的范德华力力(Van der Waals)作用下，被固体吸附，作用下，被固体吸附，但两者之但两者之间没有没有电子子转移。移。化学吸附化学吸附(Chemical adsorption)：气体和固体之气体和固体之间发生了生了电子的子的转移，二者移，二者产生了化学生了化学键力，其作用力和化合物中原子之力，其作用力和化合物中原子之间形成化学形成化学键的力的力相似，相似，较范德范德华力大的多。力大的多。但并不是任何气体在任何表面上都可以但并不是任何气体在任何表面上都可以发生化学吸附。生化学吸附。32表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO物理吸附与化学吸附的区别物理吸附与化学吸附的区别（1）热效应不同）热效应不同 物理吸附热小于化学吸附热，化学物理吸附热小于化学吸附热，化学吸附热与化学反应热同等数量级，物理吸附热与液化吸附热与化学反应热同等数量级，物理吸附热与液化相似；前者脱附温度在气体的沸点附近，后者的脱附相似；前者脱附温度在气体的沸点附近，后者的脱附温度比气体脱附温度高。温度比气体脱附温度高。（2）吸附和脱附的速率不同）吸附和脱附的速率不同 前者类似凝聚现象，不前者类似凝聚现象，不需要活化能，吸附速度快。后者类似化学反应，需要需要活化能，吸附速度快。后者类似化学反应，需要活化能，吸附速度慢。前者易脱附，可逆；后者不易活化能，吸附速度慢。前者易脱附，可逆；后者不易脱附，不可逆。脱附，不可逆。（3）化学吸附有选择性）化学吸附有选择性 化学吸附有高度选择性。如化学吸附有高度选择性。如氢会被钨和镍化学吸附，不能被铝化学吸附。物理吸氢会被钨和镍化学吸附，不能被铝化学吸附。物理吸附无选择性。附无选择性。33表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO（4）吸附层厚度不同）吸附层厚度不同 化化学吸附是单层覆盖，一旦学吸附是单层覆盖，一旦整个表面被单分子覆盖，化学吸附就达到饱和，终整个表面被单分子覆盖，化学吸附就达到饱和，终止。当进一步输入气体时，或者形成物理吸附，或止。当进一步输入气体时，或者形成物理吸附，或者形成化合物。者形成化合物。（5）吸附态的光谱不同）吸附态的光谱不同 物理吸附只能使原吸附分物理吸附只能使原吸附分子的特征吸附峰发生某些位移，或强度改变，而化子的特征吸附峰发生某些位移，或强度改变，而化学吸附会在光谱区产生新的吸收峰。学吸附会在光谱区产生新的吸收峰。物理吸附与化学吸附的区别物理吸附与化学吸附的区别34表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO物理吸附与化学吸附的区别物理吸附与化学吸附的区别35表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO物理吸附和化学吸附的物理吸附和化学吸附的联系系v某些情况下，物理吸附物和吸附剂之间相互作用拉长某些情况下，物理吸附物和吸附剂之间相互作用拉长某些化学键，使分子化学性质改变，这样很难断言为何某些化学键，使分子化学性质改变，这样很难断言为何种吸附；种吸附；v有些化学吸附可以直接在吸附物与吸附剂之间进行，有些化学吸附可以直接在吸附物与吸附剂之间进行，而相当多的化学吸附必须先经过物理吸附，然后再进行而相当多的化学吸附必须先经过物理吸附，然后再进行化学吸附；化学吸附；v两者可在一定条件下转化，如在铜上，氢分子的物理两者可在一定条件下转化，如在铜上，氢分子的物理吸附，经活化而进一步与铜催化表面接近，就可以转化吸附，经活化而进一步与铜催化表面接近，就可以转化为解理面氢化学吸附。为解理面氢化学吸附。物理吸附和化学吸附的物理吸附和化学吸附的联系系36表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO吸附的定量分析（自学）吸附的定量分析（自学）v吸附等温线吸附等温线v吸附等压线吸附等压线v吸附定量试验吸附定量试验37表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO吸附吸附实例Lei Xu.et al.Phys.Rev.Letter.38表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO固体固体对液体的吸附与液体的吸附与润湿湿固体表面固体表面对液体分子同液体分子同样有吸附作用。但有吸附作用。但这种吸附与种吸附与对气体的吸附又有不同，主要表气体的吸附又有不同，主要表现为：包括包括对电解解质吸附和非吸附和非电解解质吸附：吸附：电解解质吸附吸附-固体表面固体表面带电或双或双电层中的中的组分分发生生 变化，也可能是溶液中的某些离子被吸附到固体表面，而化，也可能是溶液中的某些离子被吸附到固体表面，而固体表面的离子固体表面的离子则进入溶液之中，入溶液之中，产生离子交生离子交换作用。作用。非非电解解质吸附吸附-表表现为单分子分子层吸附吸附，吸附，吸附层以外就是以外就是本体相溶液。本体相溶液。39表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO溶液有溶溶液有溶质和溶和溶剂，都可能被固体吸附，但被吸，都可能被固体吸附，但被吸附的程度不同。附的程度不同。正吸附正吸附：吸附：吸附层内溶内溶质的的浓度比本体相大。度比本体相大。负吸附吸附：吸附：吸附层内溶内溶质的的浓度比本体相小。度比本体相小。固体固体对液体的吸附与液体的吸附与润湿湿40表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO影响固体影响固体对液体吸附力的因素：液体吸附力的因素：l 固体表面的粗糙度固体表面的粗糙度l 固体表面的固体表面的污染程度染程度l 液体表面的表面液体表面的表面张力力固体固体对液体的吸附与液体的吸附与润湿湿41表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO固体固体对液体的吸附与液体的吸附与润湿湿洗净剂洗净剂接触角（接触角（）粘结强度粘结强度甲苯5993庚烷5193丁酮4794三氯乙烯42100醋酸乙烯43100三氯甲烷34113不同表面处理时钢和环氧树脂接触角不同表面处理时钢和环氧树脂接触角与相对粘结强度与相对粘结强度42表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO固体固体对液体的吸附与液体的吸附与润湿湿热力学定义：热力学定义：固体与液体接触后能使体系的吉布斯自由能降低，称为润湿。固体与液体接触后能使体系的吉布斯自由能降低，称为润湿。机械机械润滑、注水采油、油漆涂布、金属滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、搪瓷坯釉、陶瓷接、搪瓷坯釉、陶瓷/金属的金属的封接等工封接等工艺和理和理论都与都与润湿湿过程有关。程有关。43表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO设定液设定液/固，气固，气/固，气固，气/液的比表面吉布斯自由能分别为液的比表面吉布斯自由能分别为 、，则过，则过程吉布斯自由能变化：程吉布斯自由能变化：逆过程：逆过程：相当于外界所做的功相当于外界所做的功W：W 称为附着功或粘附功。称为附着功或粘附功。此值越大固液界面结合越牢，此值越大固液界面结合越牢，即附着润湿越强。即附着润湿越强。附着功示意附着功示意图固体固体对液体的吸附与液体的吸附与润湿湿附着润湿：附着润湿：液体和固体接触，变液液体和固体接触，变液/气和固气和固/气为固气为固/液界面液界面44表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO固体固体对液体的吸附与液体的吸附与润湿湿浸浸渍渍润湿：固体插入液体中，固润湿：固体插入液体中，固/液替代固液替代固/气界面气界面若 ，则 90，浸渍润湿过程自发进行。若 90，固体浸于液体必须做功。45表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO固体固体对液体的吸附与液体的吸附与润湿湿铺展润湿：铺展润湿：液滴落在固体表面的过程液滴落在固体表面的过程三种铺展润湿忽略液体重力和粘度影响，则铺展是由固/气(SG)、固/液(SL)和液/气(LG)三个界面张力所决定式中是润湿角；90不润湿；90润湿；=0 完全润湿。铺展是润湿的最高标准，能铺展则必能附着和浸渍。铺展是润湿的最高标准，能铺展则必能附着和浸渍。46表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO固体固体对固体的吸附固体的吸附固体和固体表面之固体和固体表面之间同同样有吸附作用，但两个固体表面必有吸附作用，但两个固体表面必须非常靠近，靠近到表面力作用的范非常靠近，靠近到表面力作用的范围内（即原子内（即原子间距范距范围内）才行。表明其粘附程度的大小用粘附功内）才行。表明其粘附程度的大小用粘附功WAB来表示来表示固体固体对固体的特点：固体的特点：v两个不同物两个不同物质间的粘附功往往超的粘附功往往超过其中其中较弱一物弱一物质的内聚力。的内聚力。v表面的表面的污染会使粘附功大大减小，而染会使粘附功大大减小，而这种种污染往往是非常迅速的。染往往是非常迅速的。如：如：铁片在水片在水银中断裂，两裂开面可以再粘中断裂，两裂开面可以再粘结起来；而在空气中断裂，起来；而在空气中断裂，铁迅速吸附氧气，形成化学吸附迅速吸附氧气，形成化学吸附层，两裂开面，两裂开面 就粘就粘结不起来。不起来。v固体的吸附作用只有当固体断面很小，并且很清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才能表现出来出来.47表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO莱莱宾杰杰尔效效应由于由于环境介境介质的的 可逆可逆 物理（或者物理物理（或者物理/化学）化学）过程致使固体程致使固体表面能降低，使得材料本身力学性能表面能降低，使得材料本身力学性能显著改著改变的效的效应。单晶晶锡在混脂凡士林油溶液中的拉伸在混脂凡士林油溶液中的拉伸图1.纯凡士林凡士林4.0.2%混脂酸混脂酸3.0.5%混脂酸混脂酸2.0.1%混脂酸混脂酸48表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO莱莱宾杰杰尔效效应49表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO来宾杰尔效应在生产中的应用和危害来宾杰尔效应在生产中的应用和危害v一方面可利用此效应提高金属加工效率（压力加一方面可利用此效应提高金属加工效率（压力加工，切削，磨削等）大量节约能源（工，切削，磨削等）大量节约能源（易熔金属做易熔金属做金刚砂轮填料）金刚砂轮填料）v另一方面，应该注意避免此效应所造成的材料早另一方面，应该注意避免此效应所造成的材料早期破坏（金属钎焊和焊接、轴承熔化、用液态金期破坏（金属钎焊和焊接、轴承熔化、用液态金属做润滑剂、原子反应堆、火箭装置、内燃机等属做润滑剂、原子反应堆、火箭装置、内燃机等均有这种接触）。要减少危害，尽量选用均有这种接触）。要减少危害，尽量选用敏感性敏感性小的材料或低活性物质，小的材料或低活性物质，如涂覆结合牢固的氧化如涂覆结合牢固的氧化物、碳化物和氮化物等，可保证物、碳化物和氮化物等，可保证固体金属件不被固体金属件不被熔融物浸润、从而阻止吸附引起的强度降低熔融物浸润、从而阻止吸附引起的强度降低。50表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO3.覆层的结合机制覆层的结合机制基于固相宏观成分差异形成的界面v冶金结合界面v扩散结合界面v外延生长界面v化学键结合界面v分子键结合界面v机械结合界面 实际表面改性层中界面的结合机理常常是上述几种机理的综合。应根据需要设计、控制界面的结合机理。结合合强度度较高高结合合强度度较低低51表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO冶金结合界面冶金结合界面v定义：将覆层材料和基材表面加热至熔化状态，通过液-固相作用，而后再冷却结晶形成覆层，覆层与基材的结合界面。v实质：金属键结合v特点：结合强度很高，可以承受较大的外力或载荷，不易在服役过程中发生剥落。v技术：激光熔覆技术、堆焊与喷焊技术等。52表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO扩散结合界面扩散结合界面v定义：两个固相直接接触，通过抽真空、加热、加压、界面扩散和反应等途径所形成的结合界面。v特点：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。v技术：热扩渗工艺、离子注入工艺（“类扩散”界面）等。53表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO外延生长界面外延生长界面定义：定义：在单晶衬底（基片）上生长一在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段，故称外延生长。一段，故称外延生长。关键：结晶相容性（晶格失配数m小）m=b-a/aa-基体晶格常数，b-薄膜晶格常数v特点：理论上应有较好的结合强度。具体取决于所形成的单晶层与衬底的结合键类型，如分子键、共价键、离子键或金属键等。v技术：气相外延（化学气相沉积技术等）、液相外延（电镀技术等）。衬底衬底SubstrateFilm缺失面缺失面失配位错失配位错Film衬底衬底Substrate54表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO化学键结合界面化学键结合界面v定义：当覆层材料与基材之间发生化学反应，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。v特点：结合强度较高，界面的韧性较差，表面发生粘连、氧化、腐蚀等化学作用也会产生化学键结合界面。v技术：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。55表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO分子键结合界面分子键结合界面v定义：涂(镀)层与基材表面以范德华力结合的界面。v特点：覆层与基材(或衬底)之间未发生扩散或化学作用。v技术：部分（低温）物理气相技术、涂装技术等。56表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO机械结合界面机械结合界面v定义：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。v特点：结合强度不高，但可起辅助作用。v技术：括热喷涂与包镀技术等。实际表面改性表面改性层中界面的中界面的结合机理常常是上述几种机合机理常常是上述几种机理的理的综合。合。应根据需要根据需要设计、控制界面的、控制界面的结合机理。合机理。57表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO1）覆材与基材成分、结构及其匹配性；（晶格常数，晶型）覆材与基材成分、结构及其匹配性；（晶格常数，晶型）覆层界面的结合性能及影响因素覆层界面的结合性能及影响因素覆层界面的结合性能的影响因素3）界面元素的扩散情况；（固溶体、低熔共晶、金属键化合）界面元素的扩散情况；（固溶体、低熔共晶、金属键化合物、扩散系统本性、温度时间）物、扩散系统本性、温度时间）4）基材的表面状态；（吸附层，表面清理，表面粗糙度）基材的表面状态；（吸附层，表面清理，表面粗糙度）5）覆层的应力状态。（拉应力，压应力，界面剪应力）覆层的应力状态。（拉应力，压应力，界面剪应力）2）材料的润湿性；）材料的润湿性；58表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO固体的界面固体的界面界面：两相之间的接触面。界面类型界面类型从晶体学角度：从晶体学角度：平移界面平移界面孪晶界面孪晶界面反演界面反演界面从实用角度：从实用角度：气固界面气固界面半导体界面半导体界面薄膜界面薄膜界面超晶格界面超晶格界面一、界面类型一、界面类型59表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO1、平移界面、平移界面 在在结结构构相相同同的的晶晶体体中中，一一部部分分相相对对于于另另一一部部分分平平滑滑移移动动一一个个位位移矢量移矢量 。其间的界面称为平移界面。其间的界面称为平移界面。A.P.B-等于点阵矢量，称反相界面；SF-不等于点阵矢量，称层错。60表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO2、孪晶界面、孪晶界面3、混合界面、混合界面孪晶界面又称取向界面。孪晶界面又称取向界面。孪晶界面与平移界面混合后的界面。孪晶界面与平移界面混合后的界面。61表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO4、反演界面、反演界面 当当晶晶体体结结构构由由中中心心对对称称向向非非中中心心对对称称转转变变时时，由由反反演演操操作联系起来的两个畴之间形成反演界面作联系起来的两个畴之间形成反演界面IB。反演界面两侧点阵相同，但通过一个反演中心联系着。反演界面两侧点阵相同，但通过一个反演中心联系着。I B左侧左侧右侧右侧设在平面内给定一点O和常数k(k不等于零)，对于平面内任意一点A，确定A，使A在直线OA上一点，并且有向线段OA与OA满足OAOA=k，我们称这种变换是以O为的反演中心，以k为反演幂的反演变换，简称反演。称A为A关于O（r）的互为反演点.62表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO二、界面的微观结构二、界面的微观结构 指指晶晶粒粒间间界界的的结结构构，是是在在晶晶体体结结晶晶过过程程中中形形成成的的，存存在在于于多多晶晶材材料料中中。晶晶界界区区的的晶晶粒粒表表面面原原子子，由由于于受受到到相相邻邻晶晶粒粒势势场场的作用，这些原子将在晶界区重新排列并达到平衡状态。的作用，这些原子将在晶界区重新排列并达到平衡状态。晶粒晶粒1晶粒晶粒2晶界晶界晶界原子排列示意图 据据晶晶界界结结构构相相邻邻晶晶粒粒取取向向差差别别角角度度的的大大小小，可可分分为为小小角角晶晶界界和大角晶界。和大角晶界。63表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO 1、晶界原子排列的理论模型、晶界原子排列的理论模型 2、小角晶界、小角晶界两个相邻晶粒取向差别角度两个相邻晶粒取向差别角度 在在0-10之间。之间。较小的较小的小角晶界可用位错排列来说明。如下图。小角晶界可用位错排列来说明。如下图。小角倾转晶界示意图64表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO3、大角晶界、大角晶界 当当两两个个相相邻邻晶晶粒粒取取向向差差别别角角度度 超超过过15时时为为大大角角倾倾斜斜晶晶界界，此时晶界内位错密集，当此时晶界内位错密集，当 超过超过35时，位错覆盖整个界面。时，位错覆盖整个界面。4、共格晶界、共格晶界 界界面面两两边边相相邻邻晶晶粒粒的的原原子子成成一一一一对对应应的的相相互互匹匹配配关关系系。界界面上的原子为相邻两个晶体所共有。面上的原子为相邻两个晶体所共有。相邻晶粒的面间距相邻晶粒的面间距差不多时，可完全共格；差不多时，可完全共格；面间距相差较大时，出面间距相差较大时，出现部分共格。现部分共格。65表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO5、晶界能与晶界电势、晶界能与晶界电势晶界能：晶界处的界面能。晶界能：晶界处的界面能。晶界电势晶界电势：小小角角度度范范围围（15）时时：E=EZ/D 或或El/D，EZ为为晶晶界界处处单单位位长长度度刃刃型型位位错错应应变变能能，El为为晶晶界界处处单单位位长长度度螺螺型型位位错错应应变变能能。D为小角度刃型位错的间距。为小角度刃型位错的间距。大角度范围大角度范围时：复杂，待进一步解释。时：复杂，待进一步解释。是是杂杂质质在在晶晶界界上上偏偏析析的的重重要要因因素素，晶晶界界势势垒垒是是许许多多功功能能材材料料特性的成因。特性的成因。66表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO表面原子扩散（自学）表面原子扩散（自学）v扩散机理扩散机理v扩散类型扩散类型v影响扩散的因素影响扩散的因素67表面科学和工程的基础理论7/21/2024LOGO思考题v物理吸附与化学吸附可以同物理吸附与化学吸附可以同时存在么？存在么？v表面粗糙度表面粗糙度对润湿如何影响？湿如何影响？为什么？什么？v切削、磨削切削、磨削时加入少量切削液能大幅度提高效率，加入少量切削液能大幅度提高效率，为什么？什么？68表面科学和工程的基础理论7/21/2024