表面科學(xué)與工程的基礎(chǔ)理論

關(guān)于表面科學(xué)與工程的基礎(chǔ)理論第1頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六主要內(nèi)容一、表面晶體學(xué)二、金屬的表面現(xiàn)象三、覆層的形成機(jī)制四、表面缺陷與表面擴(kuò)散第2頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六一、表面晶體學(xué)1.表面類型理想表面潔凈表面實(shí)際表面第3頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六1.理想表面

典型的固體表面理想表面：無(wú)限晶體中插入一個(gè)平面，分成兩部分后形成的表面。自然界很難獲得理想表面。特點(diǎn)：表面原子近鄰原子數(shù)少，表面原子能量升高，表面能，引起吸附。理想表面無(wú)限晶體第4頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六2.潔凈表面典型的固體表面潔凈表面：材料表層原子結(jié)構(gòu)的周期性不同于體內(nèi)，但化學(xué)成分與體內(nèi)相同，這種表面稱為潔凈表面。相對(duì)于表面受污染表面和理想表面而言的。允許有吸附物，只有經(jīng)過(guò)特殊處理方法得到，如高溫處理。清潔表面（定義）：一般指零件經(jīng)過(guò)清洗(脫脂、浸蝕等)以后的表面。清潔表面易于實(shí)現(xiàn)，只要經(jīng)過(guò)常規(guī)的清洗過(guò)程即可。潔凈表面的“清潔程度”比清潔表面高。潔凈表面存在著：弛豫、重構(gòu)、臺(tái)階化、偏析和吸附等表面現(xiàn)象。第5頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六（1）弛豫：表面最外層原子與第二層原子之間的距離不同于體內(nèi)間距(縮小或增大)的現(xiàn)象，即表面附近的點(diǎn)陣常數(shù)在垂直方向上不同與晶體內(nèi)部。原因：晶體的三維周期性在表面處突然中斷，引起表面原子的配位數(shù)、附近的電荷分布、所處的力場(chǎng)等均與體內(nèi)原子有所不同，因此使表面上的原子會(huì)發(fā)生相對(duì)于正常位置的上、下位移，以降低表面能量。固體表面結(jié)構(gòu)弛豫示意圖

典型的固體表面2.潔凈表面第6頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六（2）重構(gòu)：表面原子在水平方向的周期性不同于體內(nèi)的晶面，表面重構(gòu)能使表面結(jié)構(gòu)發(fā)生質(zhì)的變化。

典型的固體表面2.潔凈表面固體表面重構(gòu)示意圖第7頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六（3）臺(tái)階化：指實(shí)際晶體的外表面由許多密排面的臺(tái)階構(gòu)成。固體表面臺(tái)階示意圖2.潔凈表面典型的固體表面單晶表面的TLK模型已被低能電子衍射（LEED）等表面分析結(jié)果所證實(shí)。平臺(tái)（terrace）、臺(tái)階(ledge)、彎結(jié)(kink)三種主要缺陷就構(gòu)成了晶粒表面缺陷的TLK模型。第8頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六（4）偏析和吸附：指化學(xué)組分在表面區(qū)的變化。2.潔凈表面固體表面的偏析和吸附典型的固體表面第9頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六晶體表面的成分和結(jié)構(gòu)都不同于晶體內(nèi)部，一般大約要經(jīng)過(guò)4～6個(gè)原子層之后才與體內(nèi)基本相似，所以晶體表面實(shí)際上只有幾個(gè)原層子范圍。晶體表面的缺陷：點(diǎn)缺陷：空位對(duì)，空位團(tuán)簇，吸附（偏析）的雜質(zhì)原子等線缺陷：位錯(cuò)在表面的露頭刃位錯(cuò)：直徑為原子尺寸的一根管道螺位錯(cuò)：表面形成臺(tái)階

各種材料表面上的點(diǎn)缺陷類型和濃度都依一定條件而定，最為普遍的是吸附（或偏析）的外來(lái)雜質(zhì)原子。典型的固體表面第10頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六(1)刃型位錯(cuò)：正刃型位錯(cuò)（）、負(fù)刃型位錯(cuò)()

典型的固體表面第11頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六刃型位錯(cuò)的幾何特征：

(1)位錯(cuò)線與其滑移矢量d垂直，刃型位錯(cuò)可以為任意形狀的曲線。

(2)有多余半原子面。習(xí)慣上，把多余半原子面在滑移面以上的位錯(cuò)稱為正刃型位錯(cuò)，用符號(hào)“┻”表示，反之為負(fù)刃型位錯(cuò)，用“┳”表示。刃型位錯(cuò)周圍的點(diǎn)陣畸變關(guān)于半原子面左右對(duì)稱。典型的固體表面第12頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六(2)螺型位錯(cuò)：左螺型位錯(cuò)、右螺型位錯(cuò)典型的固體表面第13頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六典型的固體表面第14頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六

螺位錯(cuò)具有如下的幾何特征：

(1)螺位錯(cuò)線與其滑移矢量d平行，故純螺位錯(cuò)只能是直線。

(2)根據(jù)螺旋面的不同，螺位錯(cuò)可分左和右兩種，當(dāng)螺旋面為右手螺旋時(shí)，為右螺位錯(cuò)，反之為左螺位錯(cuò)。

(3)螺位錯(cuò)沒(méi)有多余原子面，它周圍只引起切應(yīng)變而無(wú)體應(yīng)變。典型的固體表面第15頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六潔凈表面的獲得在表面技術(shù)的預(yù)處理中，常常要獲得清潔表面。但從清潔表面的定義上講，用任何高效能洗滌劑清洗過(guò)的晶體材料的表面，也不是清潔表面，因?yàn)椴牧媳砻嫔媳厝粫?huì)吸附有洗滌劑分子或空氣中的某些成分的原子。所以要獲得清潔表面，必須采取一些特殊的處理措施。典型的固體表面第16頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六1．在真空中解理晶體金屬(合金)沿某些嚴(yán)格的結(jié)晶學(xué)平面發(fā)生分離的斷裂(穿晶)稱為解理。在真空條件下，使金屬產(chǎn)生解理，可獲得清潔表面。受可解理的材料和平面的限制，僅能解理幾種金屬的單晶，如鈹、鋅、鉍和銻等。2．把表面在真空中進(jìn)行熱處理，使溫度高到足以蒸發(fā)掉表面的污染物

已成功地用來(lái)清潔一些難熔的金屬表面(如鎢和鈮等金屬表面)，但這種方法不能除去像碳等難于蒸發(fā)的原子。典型的固體表面潔凈表面的獲得第17頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六典型的固體表面潔凈表面的獲得3．離子多次轟擊法把樣品表面在真空中循環(huán)地用惰性氣體離子轟擊和退火的方法。單次轟擊后晶體內(nèi)的雜質(zhì)還可分離到表面上來(lái)，這種方法必須進(jìn)行多次的反復(fù)轟擊和退火。對(duì)于大多數(shù)表面都是有效的，還可以清除用第二種方法清除不了的難蒸發(fā)的原子。注意不要把表面打得粗糙或變成新的晶相表面。因此，近來(lái)也有將離子轟擊改為用低能電子轟擊。第18頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六典型的固體表面3.實(shí)際表面實(shí)際表面：暴露在未加控制的大氣環(huán)境中的固體表面，或者經(jīng)過(guò)一定加工處理（如切割、研磨、拋光、清洗等），保持在常溫和常壓（也可能在低真空或高溫）下的表面。特點(diǎn)：表面粗糙度，表面組織，表面化學(xué)成分第19頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六實(shí)際表面的形態(tài)

實(shí)際表面就是我們通常接觸到的表面拋光后的金屬表面

表面粗糙度表面組織表面化學(xué)成分典型的固體表面第20頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六實(shí)際表面3.機(jī)械加工后的表面表面的粗糙度和波度構(gòu)成了金屬的表面形貌。粗糙度:加工表面所具有的微小凹凸和微小峰谷所組成的微觀幾何形狀就構(gòu)成了其特征，粗糙度的波距與波深之比常常為150：1~5。波紋度:金屬表面呈波浪形的有規(guī)律和無(wú)規(guī)律的表面反復(fù)結(jié)構(gòu)誤差稱為波紋度。波紋度的波距與波深的比為：1000：1~100。

材料的表面粗糙度是表面工程技術(shù)中最重要的概念之一。它與表面工程技術(shù)的特征及實(shí)施前的預(yù)備工藝緊密聯(lián)系，并嚴(yán)重影響材料的摩擦磨損、腐蝕性能、表面磁性能和電性能等。第21頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六表面粗糙度（surfaceroughness）典型的固體表面第22頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六金屬表面形貌對(duì)其表面特性的影響①處于粗糙區(qū)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動(dòng)性。②影響金屬表面間的實(shí)際接觸面積和接觸性質(zhì)。金屬表面的接觸，實(shí)際上是微凸體間的接觸，此接觸可為彈性接觸，也可為塑性接觸。③金屬實(shí)際表面積大于表觀表面積，增加了與介質(zhì)的實(shí)際接觸面積，降低了抗蝕性能。④粗糙金屬表面常具有與內(nèi)部不同的成分及組織，由機(jī)械加工時(shí)的高應(yīng)力、高溫度和金屬間摩擦造成。典型的固體表面第23頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六拋光金屬表面附近貝爾比層（Beilbylayer）殘余應(yīng)力表面形變和組織畸變區(qū)實(shí)際表面固體材料加工后，在幾微米至十幾微米的表層中可能發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的劇烈變化，造成一定程度的晶格畸變,這種畸變隨深度而變化，在最外層約5～10nm可形成一種非晶態(tài)，其成分為金屬及其氧化物，即為貝爾比層。表面組織第24頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六其成分為金屬和它的氧化物，而性質(zhì)與體內(nèi)明顯不同。貝爾比層具有較高的耐磨性和耐蝕性，這在機(jī)械制造時(shí)可以利用。但是在其他許多場(chǎng)合，貝爾比層是有害的，例如在硅片上進(jìn)行外延、氧化和擴(kuò)散之前要用腐蝕法除掉貝爾比層，因?yàn)樗鼤?huì)感生出位錯(cuò)、層錯(cuò)等缺陷而嚴(yán)重影響器件的性能。金屬在切割、研磨和拋光后，除了表面產(chǎn)生貝爾比層之外，還存在著各種殘余應(yīng)力，同樣對(duì)材料的許多性能發(fā)生影響。實(shí)際上殘余應(yīng)力是材料經(jīng)各種加工、處理后普遍存在的。

貝爾比層第25頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六表面成分二元合金表面富集元素由A,B兩種原子組成的固體表面情況實(shí)際表面第26頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六FeO表面成分（surfacecomposition）金屬的氧化:氣相/高價(jià)氧化物/低價(jià)氧化物/金屬空氣<1000℃>1000℃CuCuCu2OCuOCu2O空氣空氣<570℃>570℃FeFe3O4空氣Fe2O3FeFe3O4Fe2O3實(shí)際表面第27頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六1.基于固相晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu)差異形成的界面微晶層(貝爾比層(Beilby)層)：1-100nm厚的晶粒微小的微晶層。塑性變形層：塑變程度和它的深度有關(guān)。其它變質(zhì)層：(1)形成孿晶：Zn,Ti等密排六方結(jié)構(gòu)的金屬表層會(huì)形成孿晶;(2)發(fā)生相變：18-8型奧代體不銹鋼，β黃銅、淬火鋼中的殘余奧氏體，高錳鋼等會(huì)形成相變層；(3)發(fā)生再結(jié)晶：Sn、Pb、Zn等低熔點(diǎn)金屬加工后表層能夠形成再結(jié)晶層。(4)發(fā)生時(shí)效和出現(xiàn)表層裂紋等。塑變深度(μm)010203054321ε變形量(%)實(shí)例：金屬材料在工業(yè)環(huán)境中的實(shí)際表面第28頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六粗晶環(huán)疲勞強(qiáng)度大幅度下降第29頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六二、固體的表面現(xiàn)象吸附潤(rùn)濕擴(kuò)散（自學(xué)）第30頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六固體表面的物理吸附和化學(xué)吸附

由于固體表面上原子或分子的力場(chǎng)是不飽和的，就有吸引其它分子的能力，從而使環(huán)境介質(zhì)在固體表面上的濃度大于體相中的濃度，這種現(xiàn)象稱為吸附。

第31頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六吸附表面在清潔表面上有來(lái)自體內(nèi)擴(kuò)散到表面的雜質(zhì)和來(lái)自表面周圍空間吸附在表面上的質(zhì)點(diǎn)所構(gòu)成的表面。吸附表面可分為四種吸附位置：頂吸附、橋吸附、填充吸附、中心吸附

頂吸附橋吸附填充吸附中心吸附俯視圖剖面圖第32頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六固體對(duì)氣體的吸附

一個(gè)氣體分子被表面吸附主要分成物理和化學(xué)兩類：物理吸附（Physicaladsorption）： 任何氣體在其臨界溫度以下，都會(huì)在其和固體表面之間的范德華力(VanderWaals)作用下，被固體吸附，但兩者之間沒(méi)有電子轉(zhuǎn)移?；瘜W(xué)吸附(Chemicaladsorption)： 氣體和固體之間發(fā)生了電子的轉(zhuǎn)移，二者產(chǎn)生了化學(xué)鍵力，其作用力和化合物中原子之間形成化學(xué)鍵的力相似，較范德華力大的多。

但并不是任何氣體在任何表面上都可以發(fā)生化學(xué)吸附。

第33頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六物理吸附與化學(xué)吸附的區(qū)別（1）熱效應(yīng)不同物理吸附熱小于化學(xué)吸附熱，化學(xué)吸附熱與化學(xué)反應(yīng)熱同等數(shù)量級(jí)，物理吸附熱與液化相似；前者脫附溫度在氣體的沸點(diǎn)附近，后者的脫附溫度比氣體脫附溫度高。（2）吸附和脫附的速率不同前者類似凝聚現(xiàn)象，不需要活化能，吸附速度快。后者類似化學(xué)反應(yīng)，需要活化能，吸附速度慢。前者易脫附，可逆；后者不易脫附，不可逆。（3）化學(xué)吸附有選擇性化學(xué)吸附有高度選擇性。如氫會(huì)被鎢和鎳化學(xué)吸附，不能被鋁化學(xué)吸附。物理吸附無(wú)選擇性。第34頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六（4）吸附層厚度不同化學(xué)吸附是單層覆蓋，一旦整個(gè)表面被單分子覆蓋，化學(xué)吸附就達(dá)到飽和，終止。當(dāng)進(jìn)一步輸入氣體時(shí)，或者形成物理吸附，或者形成化合物。（5）吸附態(tài)的光譜不同物理吸附只能使原吸附分子的特征吸附峰發(fā)生某些位移，或強(qiáng)度改變，而化學(xué)吸附會(huì)在光譜區(qū)產(chǎn)生新的吸收峰。物理吸附與化學(xué)吸附的區(qū)別第35頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六物理吸附與化學(xué)吸附的區(qū)別第36頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六物理吸附和化學(xué)吸附的聯(lián)系①某些情況下，物理吸附物和吸附劑之間相互作用拉長(zhǎng)某些化學(xué)鍵，使分子化學(xué)性質(zhì)改變，這樣很難斷言為何種吸附；②有些化學(xué)吸附可以直接在吸附物與吸附劑之間進(jìn)行，而相當(dāng)多的化學(xué)吸附必須先經(jīng)過(guò)物理吸附，然后再進(jìn)行化學(xué)吸附；③兩者可在一定條件下轉(zhuǎn)化，如在銅上，氫分子的物理吸附，經(jīng)活化而進(jìn)一步與銅催化表面接近，就可以轉(zhuǎn)化為解理面氫化學(xué)吸附。物理吸附和化學(xué)吸附的聯(lián)系第37頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六吸附的定量分析（自學(xué)）吸附等溫線吸附等壓線吸附定量試驗(yàn)第38頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六吸附實(shí)例LeiXu.etal.Phys.Rev.Letter.第39頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六固體對(duì)液體的吸附與潤(rùn)濕

固體表面對(duì)液體分子同樣有吸附作用。但這種吸附與對(duì)氣體的吸附又有不同，主要表現(xiàn)為：包括對(duì)電解質(zhì)吸附和非電解質(zhì)吸附：

電解質(zhì)吸附----固體表面帶電或雙電層中的組分發(fā)生變化，也可能是溶液中的某些離子被吸附到固體表面，而固體表面的離子則進(jìn)入溶液之中，產(chǎn)生離子交換作用。

非電解質(zhì)吸附--表現(xiàn)為單分子層吸附，吸附層以外就是本體相溶液。第40頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六溶液有溶質(zhì)和溶劑，都可能被固體吸附，但被吸附的程度不同。

正吸附：吸附層內(nèi)溶質(zhì)的濃度比本體相大。

負(fù)吸附：吸附層內(nèi)溶質(zhì)的濃度比本體相小。固體對(duì)液體的吸附與潤(rùn)濕

第41頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六影響固體對(duì)液體吸附力的因素：固體表面的粗糙度固體表面的污染程度液體表面的表面張力固體對(duì)液體的吸附與潤(rùn)濕

第42頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六固體對(duì)液體的吸附與潤(rùn)濕

洗凈劑接觸角（°）粘結(jié)強(qiáng)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不同表面處理時(shí)鋼和環(huán)氧樹脂接觸角與相對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度第43頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六固體對(duì)液體的吸附與潤(rùn)濕

熱力學(xué)定義：固體與液體接觸后能使體系的吉布斯自由能降低，稱為潤(rùn)濕。

機(jī)械潤(rùn)滑、注水采油、油漆涂布、金屬焊接、搪瓷坯釉、陶瓷/金屬的封接等工藝和理論都與潤(rùn)濕過(guò)程有關(guān)。第44頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六

設(shè)定液/固，氣/固，氣/液的比表面吉布斯自由能分別為、、，則過(guò)程吉布斯自由能變化：

逆過(guò)程：

相當(dāng)于外界所做的功W：

W稱為附著功或粘附功。

此值越大固液界面結(jié)合越牢，

即附著潤(rùn)濕越強(qiáng)。

附著功示意圖固體對(duì)液體的吸附與潤(rùn)濕

附著潤(rùn)濕：液體和固體接觸，變液/氣和固/氣為固/液界面第45頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六固體對(duì)液體的吸附與潤(rùn)濕

浸漬潤(rùn)濕：固體插入液體中，固/液替代固/氣界面若>

，則θ<90°，浸漬潤(rùn)濕過(guò)程自發(fā)進(jìn)行。

若<

，則θ>90°，固體浸于液體必須做功。第46頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六

固體對(duì)液體的吸附與潤(rùn)濕

鋪展?jié)櫇瘢阂旱温湓诠腆w表面的過(guò)程三種鋪展?jié)櫇窈雎砸后w重力和粘度影響，則鋪展是由固/氣(SG)、固/液(SL)和液/氣(LG)三個(gè)界面張力所決定

式中θ是潤(rùn)濕角；

θ>90°不潤(rùn)濕；

θ<90°潤(rùn)濕；

θ=0°完全潤(rùn)濕。

鋪展是潤(rùn)濕的最高標(biāo)準(zhǔn)，能鋪展則必能附著和浸漬。第47頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六固體對(duì)固體的吸附

固體和固體表面之間同樣有吸附作用，但兩個(gè)固體表面必須非常靠近，靠近到表面力作用的范圍內(nèi)（即原子間距范圍內(nèi)）才行。表明其粘附程度的大小用粘附功WAB來(lái)表示固體對(duì)固體的特點(diǎn)：兩個(gè)不同物質(zhì)間的粘附功往往超過(guò)其中較弱一物質(zhì)的內(nèi)聚力。表面的污染會(huì)使粘附功大大減小，而這種污染往往是非常迅速的。

如：鐵片在水銀中斷裂，兩裂開面可以再粘結(jié)起來(lái)；而在空氣中斷裂，鐵迅速吸附氧氣，形成化學(xué)吸附層，兩裂開面就粘結(jié)不起來(lái)。固體的吸附作用只有當(dāng)固體斷面很小，并且很清潔時(shí)才能表現(xiàn)出來(lái).

第48頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六萊賓杰爾效應(yīng)

由于環(huán)境介質(zhì)的可逆物理（或者物理/化學(xué)）過(guò)程致使固體表面能降低，使得材料本身力學(xué)性能顯著改變的效應(yīng)。

單晶錫在混脂凡士林油溶液中的拉伸圖1.純凡士林4.0.2%混脂酸3.0.5%混脂酸2.0.1%混脂酸第49頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六萊賓杰爾效應(yīng)

第50頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六來(lái)賓杰爾效應(yīng)在生產(chǎn)中的應(yīng)用和危害一方面可利用此效應(yīng)提高金屬加工效率（壓力加工，切削，磨削等）大量節(jié)約能源（易熔金屬做金剛砂輪填料）另一方面，應(yīng)該注意避免此效應(yīng)所造成的材料早期破壞（金屬釬焊和焊接、軸承熔化、用液態(tài)金屬做潤(rùn)滑劑、原子反應(yīng)堆、火箭裝置、內(nèi)燃機(jī)等均有這種接觸）。要減少危害，盡量選用敏感性小的材料或低活性物質(zhì)，如涂覆結(jié)合牢固的氧化物、碳化物和氮化物等，可保證固體金屬件不被熔融物浸潤(rùn)、從而阻止吸附引起的強(qiáng)度降低。第51頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六3.覆層的結(jié)合機(jī)制基于固相宏觀成分差異形成的界面冶金結(jié)合界面擴(kuò)散結(jié)合界面外延生長(zhǎng)界面化學(xué)鍵結(jié)合界面分子鍵結(jié)合界面機(jī)械結(jié)合界面

實(shí)際表面改性層中界面的結(jié)合機(jī)理常常是上述幾種機(jī)理的綜合。應(yīng)根據(jù)需要設(shè)計(jì)、控制界面的結(jié)合機(jī)理。結(jié)合強(qiáng)度較高結(jié)合強(qiáng)度較低第52頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六冶金結(jié)合界面定義：將覆層材料和基材表面加熱至熔化狀態(tài)，通過(guò)液-固相作用，而后再冷卻結(jié)晶形成覆層，覆層與基材的結(jié)合界面。實(shí)質(zhì)：金屬鍵結(jié)合特點(diǎn)：結(jié)合強(qiáng)度很高，可以承受較大的外力或載荷，不易在服役過(guò)程中發(fā)生剝落。技術(shù)：激光熔覆技術(shù)、堆焊與噴焊技術(shù)等。第53頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六擴(kuò)散結(jié)合界面定義：兩個(gè)固相直接接觸，通過(guò)抽真空、加熱、加壓、界面擴(kuò)散和反應(yīng)等途徑所形成的結(jié)合界面。特點(diǎn)：覆層與基材之間的成分梯度變化，并形成了原子級(jí)別的混合或合金化。技術(shù)：熱擴(kuò)滲工藝、離子注入工藝（“類擴(kuò)散”界面）等。第54頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六外延生長(zhǎng)界面定義：在單晶襯底（基片）上生長(zhǎng)一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶層，猶如原來(lái)的晶體向外延伸了一段，故稱外延生長(zhǎng)。關(guān)鍵：結(jié)晶相容性（晶格失配數(shù)m小）

m=│b-a│/aa-基體晶格常數(shù)，b-薄膜晶格常數(shù)特點(diǎn)：理論上應(yīng)有較好的結(jié)合強(qiáng)度。具體取決于所形成的單晶層與襯底的結(jié)合鍵類型，如分子鍵、共價(jià)鍵、離子鍵或金屬鍵等。技術(shù)：氣相外延（化學(xué)氣相沉積技術(shù)等）、液相外延（電鍍技術(shù)等）。襯底SubstrateFilm缺失面失配位錯(cuò)Film襯底Substrate第55頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六化學(xué)鍵結(jié)合界面定義：當(dāng)覆層材料與基材之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成成分固定的化合物時(shí)，兩種材料的界面就稱為化學(xué)鍵結(jié)合界面。特點(diǎn)：結(jié)合強(qiáng)度較高，界面的韌性較差，表面發(fā)生粘連、氧化、腐蝕等化學(xué)作用也會(huì)產(chǎn)生化學(xué)鍵結(jié)合界面。技術(shù)：物理和化學(xué)氣相沉積技術(shù)、離子注入技術(shù)、熱擴(kuò)滲技術(shù)、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)、陽(yáng)極氧化和化學(xué)氧化技術(shù)等。第56頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六分子鍵結(jié)合界面定義：涂(鍍)層與基材表面以范德華力結(jié)合的界面。特點(diǎn)：覆層與基材(或襯底)之間未發(fā)生擴(kuò)散或化學(xué)作用。技術(shù)：部分（低溫）物理氣相技術(shù)、涂裝技術(shù)等。第57頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六機(jī)械結(jié)合界面定義：覆層與基材的結(jié)合界面主要通過(guò)兩種材料相互鑲嵌的機(jī)械連接作用而形成。特點(diǎn)：結(jié)合強(qiáng)度不高，但可起輔助作用。技術(shù)：括熱噴涂與包鍍技術(shù)等。

實(shí)際表面改性層中界面的結(jié)合機(jī)理常常是上述幾種機(jī)理的綜合。應(yīng)根據(jù)需要設(shè)計(jì)、控制界面的結(jié)合機(jī)理。第58頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六1）覆材與基材成分、結(jié)構(gòu)及其匹配性；（晶格常數(shù)，晶型）覆層界面的結(jié)合性能及影響因素覆層界面的結(jié)合性能的影響因素3）界面元素的擴(kuò)散情況；（固溶體、低熔共晶、金屬鍵化合物、擴(kuò)散系統(tǒng)本性、溫度時(shí)間）4）基材的表面狀態(tài)；（吸附層，表面清理，表面粗糙度）5）覆層的應(yīng)力狀態(tài)。（拉應(yīng)力，壓應(yīng)力，界面剪應(yīng)力）2）材料的潤(rùn)濕性；第59頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六固體的界面界面：兩相之間的接觸面。界面類型從晶體學(xué)角度：平移界面孿晶界面反演界面從實(shí)用角度：氣固界面半導(dǎo)體界面薄膜界面超晶格界面一、界面類型第60頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六1、平移界面在結(jié)構(gòu)相同的晶體中，一部分相對(duì)于另一部分平滑移動(dòng)一個(gè)位移矢量。其間的界面稱為平移界面。A.P.B---等于點(diǎn)陣矢量，稱反相界面；SF---不等于點(diǎn)陣矢量，稱層錯(cuò)。第61頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六2、孿晶界面3、混合界面孿晶界面又稱取向界面。孿晶界面與平移界面混合后的界面。第62頁(yè)，共69頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)13分，星期六4、反