固體表面教材課件

第四章固體表面

第四章固體表面材料的表面與界面123表面缺陷4表面形貌6表層的基本特性57固體表面表面缺陷表面形貌CompanyLogo材料的表面與界面123表面缺陷4表面形貌6表層的基本特性571.固體表面的特點(diǎn)固體表面的不均一性，主要表現(xiàn)如下：(1)固體表面的凹凸不平；(2)固體中晶體晶面的不均一性：

各相異性、晶面不完整；(3)表面被外來(lái)物質(zhì)所污染，表面吸附外來(lái)雜質(zhì)；(4)制備和加工條件。4.1固體表面

CompanyLogo1.固體表面的特點(diǎn)固體表面的不均一性，主要表現(xiàn)如下：(1)金屬表面的實(shí)際構(gòu)成示意圖

工程表面對(duì)于給定條件下的表面，其實(shí)際組成及各層的厚度與表面制備過(guò)程、環(huán)境以及材料本身的性質(zhì)有關(guān)。CompanyLogo金屬表面的實(shí)際構(gòu)成示意圖工程表面2.固體表面力場(chǎng)晶體中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)周圍都存在著一個(gè)力場(chǎng)，在晶體內(nèi)部，質(zhì)點(diǎn)力場(chǎng)是對(duì)稱的。但在固體表面，質(zhì)點(diǎn)排列的周期重復(fù)性中斷，使處于表面邊界上的質(zhì)點(diǎn)力場(chǎng)對(duì)稱性破壞，表現(xiàn)出剩余的鍵力，稱之為固體表面力。CompanyLogo2.固體表面力場(chǎng)晶體中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)周圍都存在著一個(gè)表面力的分類：(2)范得華力(分子引力)(1)化學(xué)力（長(zhǎng)程力）定向作用力FK(靜電力)：發(fā)生于極性分子之間誘導(dǎo)作用力FD：發(fā)生于極性與非極性分子之間。分散作用力FL(色散力)：發(fā)生于非極性分子之間。F范＝FK＋FD＋FLCompanyLogo表面力的分類：(2)范得華力(分子引力)(1)化學(xué)力（1.典型表面的結(jié)構(gòu)組成貝氏層(Bielbylayer)重變形層輕變形層4.2表層的基本特性

CompanyLogo1.典型表面的結(jié)構(gòu)組成貝氏層(Bielbylayer)重變表面的組成與材料所處的狀態(tài)有密切關(guān)系

(1)變形層

又稱應(yīng)變層或加工硬化層，它是材料表面區(qū)域的重要組成部分。摩擦過(guò)程也會(huì)形成變形層。（2）貝氏層貝氏層是加工過(guò)程中表面分子產(chǎn)生溶解和表面產(chǎn)生流動(dòng)之后淬火硬化而沉積的表層，它屬于非晶或微晶結(jié)構(gòu)。CompanyLogo表面的組成與材料所處的狀態(tài)有密切關(guān)系(1)變形層

又稱應(yīng)

(3)表面吸附層在吸附過(guò)程中，一些能量較高的吸附分子，可能克服吸附勢(shì)的束縛而脫離固體表面，稱為“脫附”或“解吸”。當(dāng)吸附與解吸達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，固體表面保存著一定數(shù)量的相對(duì)穩(wěn)定的吸附分子，這種吸附，稱為平衡吸附。CompanyLogo(3)表面吸附層CompanyLogo（4）化學(xué)反應(yīng)層表面化學(xué)反應(yīng)是指吸附質(zhì)與固體表面相互作用形成了一種新的化合物。金屬表面特別是多晶體金屬表面往往包含有很多缺陷：晶界、位錯(cuò)、臺(tái)階等，這些部位能量高，氧化也就往往從這些高能位置開(kāi)始，一直到將表面覆蓋?；瘜W(xué)反應(yīng)膜：一般是指金屬表面與潤(rùn)滑油中中的添加劑（有時(shí)也包括氣體介質(zhì)）相互作用產(chǎn)生的表面膜。氧化膜有時(shí)也被認(rèn)為是化學(xué)反應(yīng)膜的一種，它是先發(fā)生氧的物理吸附，然后在界面發(fā)生吸附反應(yīng)，而轉(zhuǎn)換為化學(xué)吸附，最后在氧原子與金屬之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氧化膜。CompanyLogo（4）化學(xué)反應(yīng)層化學(xué)反應(yīng)膜：一般是指金屬表面與潤(rùn)滑油中中的添機(jī)械零件的表面形貌直接影響其磨損、疲勞與腐蝕，以及接觸剛度和傳熱性能，影響界面間的導(dǎo)電性能與密封性能。磨具的表面形貌影響它的磨削性能；噴涂表面預(yù)處理后的形貌影響表面涂層(如油漆)的質(zhì)量與外觀；飛機(jī)跑道的表面形貌影響飛機(jī)起降的平穩(wěn)性與飛機(jī)機(jī)件的壽命；公路路面的表面形貌影響汽車行駛的平穩(wěn)性與汽車的壽命；海洋表面的形貌直接同船舶航行有關(guān)，而電子的發(fā)射、電磁波的反射也同器件的表面形貌有密切的關(guān)系。所以，表面形貌越來(lái)越為工程技術(shù)界所重視。4.3表面形貌

CompanyLogo機(jī)械零件的表面形貌直接影響其磨損、疲勞與腐蝕，以及接觸剛度和CompanyLogoCompanyLogo化學(xué)機(jī)械拋光后銅膜表面的SEM形貌CompanyLogo化學(xué)機(jī)械拋光后銅膜表面的SEM形貌CompanyLogo機(jī)械加工的表面產(chǎn)生凹凸不平的原因：1、切削加工過(guò)程刀具遺留在工件表面上的痕跡；2、切屑與表面分離斷裂時(shí)引起不規(guī)則的塑性變形；3、機(jī)床——工件系統(tǒng)的振動(dòng)在工件表面上留下的波形，以及機(jī)床系統(tǒng)誤差和工件在切削力與重力等作用下發(fā)生變形引起的誤差。CompanyLogo機(jī)械加工的表面產(chǎn)生凹凸不平的原因：CompanyLogo表面形貌形狀誤差：實(shí)際表面形狀與理想表面形狀的宏觀偏差

波紋度：表面周期性重復(fù)出現(xiàn)的幾何形狀誤差

表面粗糙度：表面微觀幾何形狀誤差CompanyLogo表面形貌形狀誤差：實(shí)際表面形狀與理想表面形狀的宏觀偏差Co波紋度和粗糙度的主要區(qū)別是波長(zhǎng)不同

表面粗糙度與摩擦磨損的關(guān)系較密切，它對(duì)接觸表面上的壓力分布，接觸變形的程度，摩擦阻力大小和摩擦成因等都有很大影響。

CompanyLogo波紋度和粗糙度的主要區(qū)別是波長(zhǎng)不同表面粗糙度與摩擦4.3.1表面粗糙度國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

4.3.1.1基本術(shù)語(yǔ)

1.實(shí)際輪廓（表面輪廓）實(shí)際輪廓是指平面與實(shí)際表面相交所得的輪廓線。

實(shí)際輪廓CompanyLogo4.3.1表面粗糙度國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

4.3.1.1基

2.取樣長(zhǎng)度lr取樣長(zhǎng)度是指用于判別具有表面粗糙度特征的一段基準(zhǔn)線長(zhǎng)度。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定取樣長(zhǎng)度按表面粗糙程度合理取值，通常應(yīng)包含至少5個(gè)輪廓峰和輪廓谷。取樣長(zhǎng)度和評(píng)定長(zhǎng)度CompanyLogo2.取樣長(zhǎng)度lr取樣長(zhǎng)度和評(píng)定長(zhǎng)度CompanyL

3.評(píng)定長(zhǎng)度ln評(píng)定長(zhǎng)度是指評(píng)定輪廓表面粗糙度所必需的一段長(zhǎng)度。一般情況下，標(biāo)準(zhǔn)推薦ln=5lr，

4.基準(zhǔn)線（中線m）基準(zhǔn)線是用以評(píng)定表面粗糙度參數(shù)大小所規(guī)定的一條參考線，據(jù)此來(lái)作為評(píng)定表面粗糙度參數(shù)大小的基準(zhǔn)。

（1）輪廓的最小二乘中線在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，使輪廓上各點(diǎn)至一條假想線距離的平方和為最小。輪廓最小二乘中線CompanyLogo3.評(píng)定長(zhǎng)度ln4.基準(zhǔn)線（中線m）輪廓最

（2）輪廓算術(shù)平均中線

在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，由一條假想線將實(shí)際輪廓分為上、下兩部分，而且使上部分面積之和等于下部分面積之和。輪廓算術(shù)平均中線CompanyLogo（2）輪廓算術(shù)平均中線輪廓算術(shù)平均中線Company5.輪廓單元即一個(gè)輪廓峰和其相鄰的一個(gè)輪廓谷的組合。

6.輪廓峰高zp輪廓峰高即輪廓最高點(diǎn)距中線的距離。7.輪廓谷深zv輪廓谷深即中線與輪廓最低點(diǎn)之間的距離。

輪廓算術(shù)平均中線輪廓單元CompanyLogo5.輪廓單元輪廓算術(shù)平均中線輪廓單元CompanyLogo8.輪廓單元的高度zt輪廓單元的高度即一個(gè)輪廓單元的峰高和谷深之和。

9.輪廓單元的寬度xs輪廓單元的寬度即中線與輪廓單元相交線段的長(zhǎng)度。

10.在水平位置c上輪廓的實(shí)體材料長(zhǎng)度Ml（c）

即在一個(gè)給定水平位置c上用一條平行于中線的線與輪廓單元相截所獲得的各段截線長(zhǎng)度之和。11.高度和間距辨別力高度和間距辨別力分別是指應(yīng)計(jì)入被評(píng)定輪廓的輪廓峰和輪廓谷的最小高度和最小間距。CompanyLogo8.輪廓單元的高度ztCompanyLogo4.3.2表面粗糙度的評(píng)定參數(shù)一、固體的表面形貌一維表征

CompanyLogo4.3.2表面粗糙度的評(píng)定參數(shù)一、固體的表面形貌一維表征宏觀和微觀粗糙度

CompanyLogo宏觀和微觀粗糙度CompanyLogo1、表面輪廓高度方向一維表征

（1）輪廓算術(shù)平均偏差（或稱中心線平均值Ra）輪廓算術(shù)平均偏差（Ra），又稱中位線算術(shù)平均偏差（CLA，Centerlineaverage），定義為一個(gè)取樣長(zhǎng)度內(nèi)，表面輪廓線偏離其中位線的絕對(duì)值的算術(shù)平均值。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為其離散化計(jì)算公式為CompanyLogo1、表面輪廓高度方向一維表征（1）輪廓算術(shù)平均偏差（或（2）輪廓均方根偏差（Rq，簡(jiǎn)稱RMS,Rootmeansquare）

統(tǒng)計(jì)學(xué)認(rèn)為，均方根偏差（Rq），能比Ra更好地描述表面輪廓的粗糙度特征。其定義為，在一個(gè)取樣長(zhǎng)度內(nèi)，表面輪廓線偏離其中位線的距離的平方的算術(shù)平均值的平方根。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為其離散化計(jì)算公式為對(duì)絕大多數(shù)的固體表面而言，Ra與Rq之間有如下的近似關(guān)系，即CompanyLogo（2）輪廓均方根偏差（Rq，簡(jiǎn)稱RMS,Rootmean（3）微觀不平度十點(diǎn)平均高度（Rz）定義為取樣長(zhǎng)度內(nèi)，5個(gè)最大的輪廓峰高的平均值與5個(gè)最深的輪廓谷深的平均值之和。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為CompanyLogo（3）微觀不平度十點(diǎn)平均高度（Rz）定義為取樣長(zhǎng)度內(nèi)，5個(gè)（4）輪廓最大高度（Ry）定義為取樣長(zhǎng)度內(nèi)，輪廓峰頂線與輪廓谷底線之間的距離。CompanyLogo（4）輪廓最大高度（Ry）定義為取樣長(zhǎng)度內(nèi)，輪廓峰頂線與輪廓

CompanyLogoCompanyLogoRa值相同的輪廓RaRq2.292.542.292.542.292.642.292.682.292.682.292.59CompanyLogoRa值相同的輪廓RaRqComp2、表面輪廓水平方向的表征（1）高點(diǎn)數(shù)所謂高點(diǎn)數(shù)，是指在評(píng)定長(zhǎng)度內(nèi)，高出中位線或與中位線平行的某一預(yù)先設(shè)定高度的線的完整表面輪廓峰的數(shù)目。如圖所示的表面輪廓，其高點(diǎn)數(shù)為7。CompanyLogo2、表面輪廓水平方向的表征（1）高點(diǎn)數(shù)所謂高點(diǎn)數(shù)，是指在（2）輪廓微觀不平度的平均間距Sm

含有一個(gè)輪廓峰（與中位線有交點(diǎn)的峰）和相鄰輪廓谷（與中位線有交點(diǎn)的谷）的一段中位線長(zhǎng)度，稱為輪廓微觀不平度間距。在取樣長(zhǎng)度內(nèi)，輪廓微觀不平度間距的平均值，稱為輪廓微觀不平度平均間距，用Sm表示，輪廓的單峰平均間距也是反映表面微觀幾何形狀上峰谷間距特性方面的表面粗糙度參數(shù)，同樣，其數(shù)值愈大，表面愈粗糙。CompanyLogo（2）輪廓微觀不平度的平均間距Sm含有一個(gè)輪廓峰（與中位線二、固體表面形貌的二維表征

直至目前，幾個(gè)相對(duì)成熟且有一定應(yīng)用前途的表面形貌特征的二維表征參數(shù)是：輪廓高度分布的概率密度函數(shù)、輪廓的支承長(zhǎng)度率及支承面積曲線、表面輪廓的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)。表面輪廓的自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)這兩者是相互關(guān)聯(lián)的，它們相互構(gòu)成一對(duì)傅立葉變換對(duì)。CompanyLogo二、固體表面形貌的二維表征直至目前，幾個(gè)相對(duì)成熟且有一定應(yīng)4.3.3表面粗糙度的選用及標(biāo)注4.3.3.1表面粗糙度評(píng)定參數(shù)的選用鑒于零件表面粗糙度對(duì)其使用性能的多方面影響，在選擇表面粗糙度評(píng)定參數(shù)時(shí)，應(yīng)能充分合理地反映表面微觀幾何形狀的真實(shí)情況。CompanyLogo4.3.3表面粗糙度的選用及標(biāo)注CompanyLogo（3）摩擦面、承受高壓和交變載荷的工作面的粗糙度數(shù)值應(yīng)小一些。（4）尺寸精度和形狀精度要求高的表面，粗糙度數(shù)值應(yīng)小一些。（5）要求耐腐蝕的零件表面，粗糙度數(shù)值應(yīng)小一些。（6）有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已對(duì)表面粗糙度要求作出規(guī)定的，應(yīng)按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)確定表面粗糙度數(shù)值。4.3.3.2表面粗糙度主參數(shù)值的選用（1）同一零件上，工作表面的粗糙度值應(yīng)比非工作表面小。（2）摩擦表面的粗糙度值應(yīng)比非摩擦表面小;滾動(dòng)摩擦表面的粗糙度值應(yīng)比滑動(dòng)摩擦表面小。CompanyLogo（3）摩擦面、承受高壓和交變載荷的工作面的粗糙度數(shù)值應(yīng)小一些4.3.3.3表面粗糙度的標(biāo)注表面粗糙度的基本符號(hào)

CompanyLogo4.3.3.3表面粗糙度的標(biāo)注表面粗糙度的基本符號(hào)CoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogo4.3.4表面粗糙度的測(cè)量表面形貌的測(cè)量對(duì)于解決摩擦學(xué)問(wèn)題是極為重要的，測(cè)量表面微觀或宏觀的幾何性能，可用很多方法。在觀察和測(cè)量表面形貌的方法中，比較常用的有用干涉或反射顯微術(shù)的光測(cè)法以及用電子顯微鏡等方法。觀測(cè)表面形貌和表面輪廓的分辨率方面，目前比較先進(jìn)的原子力顯微鏡（AFM）和掃描隧道顯微鏡（STM）可以達(dá)到原子的尺度。在測(cè)量表面輪廓和粗糙度的儀器中，以電子放大的觸針式儀器使用最為普及。CompanyLogo4.3.4表面粗糙度的測(cè)量表面形貌的測(cè)量對(duì)于解決摩擦學(xué)問(wèn)題一、8”測(cè)試片測(cè)試方法采用Agilent5600LSAFM測(cè)試MIT/SEMATECH854上測(cè)試點(diǎn)。選取定位點(diǎn)所在半徑上的5個(gè)測(cè)試單元（一條半徑上共5個(gè)測(cè)試單元），命名方法由圓心向外邊依次命名為point1、point2、point3、point4、point5。CompanyLogo一、8”測(cè)試片測(cè)試方法采用Agilent5600LSAFBlanket結(jié)構(gòu)圖CompanyLogoBlanket結(jié)構(gòu)圖CompanyLogo854測(cè)試單元結(jié)構(gòu)符號(hào)說(shuō)明CompanyLogo854測(cè)試單元結(jié)構(gòu)符號(hào)說(shuō)明CompanyLogo854測(cè)試結(jié)構(gòu)單元命名CompanyLogo854測(cè)試結(jié)構(gòu)單元命名CompanyLogo854測(cè)試單元示意圖CompanyLogo854測(cè)試單元示意圖CompanyLogo1.Roughness典型測(cè)試結(jié)果Roughness選取命名為D2M2的測(cè)試單元（線寬50微米、間隔50微米）上的copper和dielectriclayer，測(cè)試面積10X10微米，由圓心沿半徑共取5組。典型結(jié)果：粗糙度值/nmpoint1point2point3point4point5Copperline0.8020.7340.6080.6501.103dielectriclayer0.6260.5780.3130.6141.097CompanyLogo1.Roughness典型測(cè)試結(jié)果Roughness選取命名典型結(jié)果：dielectriclayerroughnessCompanyLogo典型結(jié)果：dielectriclayerroughne2.Dishing典型測(cè)試結(jié)果Dishing選取D2M2單元，測(cè)試面積100X100微米。由圓心沿半徑共取5組。典型結(jié)果：測(cè)試點(diǎn)point1point2point3point4point5Dishing深度值/nm1815107.525CompanyLogo2.Dishing典型測(cè)試結(jié)果Dishing選取D2M2單元Point2DishingCompanyLogoPoint2DishingCompanyLogo3.Erosion典型測(cè)試結(jié)果Erosion選取AHAG單元，測(cè)試面積100X100微米。由圓心沿半徑共取5組。典型結(jié)果：5nmpoint1CompanyLogo3.Erosion典型測(cè)試結(jié)果Erosion選取AHAG單元Erosion典型測(cè)試結(jié)果Erosion選取AHAG單元，測(cè)試面積100X100微米。由圓心沿半徑共取5組。典型結(jié)果：10nmpoint2CompanyLogoErosion典型測(cè)試結(jié)果Erosion選取AHAG單元，測(cè)Erosion典型測(cè)試結(jié)果Erosion選取AHAG單元，測(cè)試面積100X100微米。由圓心沿半徑共取5組。典型結(jié)果：7.5nmpoint3CompanyLogoErosion典型測(cè)試結(jié)果Erosion選取AHAG單元，測(cè)Erosion典型測(cè)試結(jié)果Erosion選取AHAG單元，測(cè)試面積100X100微米。由圓心沿半徑共取5組。典型結(jié)果：5nmpoint4CompanyLogoErosion典型測(cè)試結(jié)果Erosion選取AHAG單元，測(cè)Erosion典型測(cè)試結(jié)果Erosion選取AHAG單元，測(cè)試面積100X100微米。由圓心沿半徑共取5組。典型結(jié)果：7.5nmpoint5CompanyLogoErosion典型測(cè)試結(jié)果Erosion選取AHAG單元，測(cè)二、12”pattern測(cè)試片測(cè)試方法1.采用SMIC65nmpattern測(cè)試片該片為雙層結(jié)構(gòu)。單元結(jié)構(gòu)圖如下：CompanyLogo二、12”pattern測(cè)試片測(cè)試方法1.采用SMIC6SMIC65nmpattern測(cè)試片結(jié)構(gòu)該片為雙層結(jié)構(gòu)。使用Agilent5600LSAFM測(cè)試如圖所示的PAD區(qū)域。由圓心沿半徑測(cè)試5個(gè)單元（共5個(gè)）。PAD1CompanyLogoSMIC65nmpattern測(cè)試片結(jié)構(gòu)PAD1CompSMIC65nmpattern測(cè)試片PAD說(shuō)明PAD1和PAD2分別測(cè)試M2和M1CMP后erosion，用于監(jiān)測(cè)小線條Cu的厚度。PAD4至PAD8是dishingPAD，用于監(jiān)測(cè)大塊面積Cu的厚度。其中PAD4測(cè)試M1的dishing而PAD5測(cè)試M2的dishing。單元結(jié)構(gòu)圖如下：57812634M1dishingM1,M3,M5,TM1THKanderosionM2,M4,M6,TM2THKanderosionM3,TM2dishingM2,TM1dishingM4dishingM5dishingCompanyLogoSMIC65nmpattern測(cè)試片PAD說(shuō)明5781.Dishing典型測(cè)試結(jié)果Dishing選取M2的PAD4，測(cè)試面積100X100微米。由圓心沿半徑共取5組。典型結(jié)果：測(cè)試點(diǎn)point1point2point3point4point5Dishing深度值/nm3040251825CompanyLogo1.Dishing典型測(cè)試結(jié)果Dishing選取M2的PADPoint1PAD4DishingCompanyLogoPoint1PAD4DishingCompanyLPoint2PAD4DishingCompanyLogoPoint2PAD4DishingCompanyLPoint3PAD4DishingCompanyLogoPoint3PAD4DishingCompanyLPoint4PAD4DishingCompanyLogoPoint4PAD4DishingCompanyLPoint5PAD4DishingCompanyLogoPoint5PAD4DishingCompanyL2.Erosion典型測(cè)試結(jié)果Erosion選取M2的PAD2，測(cè)試面積100X100