表面基礎(chǔ)理論(與“表面”有關(guān)的文檔共65張)

表面基礎(chǔ)理論第一頁，共65頁。

表面晶體學

金屬表面現(xiàn)象

表面缺陷與表面擴散第二頁，共65頁。一些基本概念第三頁，共65頁。固體是一種重要的物質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)。它大致分為晶體和非晶體兩類。晶體中原子、離于或分子在三維空間呈周期性規(guī)則排列，即存在長程的幾何有序。非晶體包括傳統(tǒng)的玻璃、非晶態(tài)金屬、非晶態(tài)半導體和某些高分子聚合物，內(nèi)部原子、離子或分子在三維空間排列無長程序。第四頁，共65頁。在固體中，原子、離子或分子之間存在一定的結(jié)合鍵。這種結(jié)合鍵與原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。1.化學健(主價鍵):離子鍵、共價鍵、金屬鍵2.物理鍵(次價鍵)：分子鍵1)范德瓦爾斯(VanderWaals)鍵2）氫鍵第五頁，共65頁。三種主鍵ionicbond

（離子鍵）（主要存在于非金屬材料中，如陶瓷材料中）

covalentbond（共價鍵）（主要存在于高分子材料及陶瓷中）

metallicbond（金屬鍵）（主要存在于金屬材料中）

第六頁，共65頁。金屬正離子與非金屬負離子由靜電庫侖力吸引而結(jié)合在一起1）離子鍵ionicbond由金屬原子與非金屬原子組成第七頁，共65頁。2）共價鍵Covalentbond兩個原子共享電子對而結(jié)合在一起methane(CH4

甲烷).第八頁，共65頁。氧分子的結(jié)構(gòu)共價鍵第九頁，共65頁。3）金屬鍵metallicbond金屬原子脫去最外層價電子成為正離子，各原子所貢獻的電子成為自由電子，在間隙內(nèi)高速穿梭往來運動，形成電子云，金屬正離子之間靠與電子云形成的靜電庫侖力結(jié)合在一起。第十頁，共65頁。分子鍵氫鍵H2O第十一頁，共65頁。不同材料制成的飲料罐三大類材料第十二頁，共65頁。小轎車－－采用多種材料制成鋼鐵塑料鋁其它材料第十三頁，共65頁。陶瓷制品第十四頁，共65頁。固體材料還可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。結(jié)構(gòu)材料是以力學性能為主的工程材料，主要用來制造工程建筑中的構(gòu)件，機械裝備中的零件以及工具、模具等。功能材料是利用物質(zhì)的各種物理和化學特性及其對外界環(huán)境敏感的反應，實現(xiàn)各種信息處理和能量轉(zhuǎn)換的材料(有時也包括具有特殊力學性能的材料)。第十五頁，共65頁。2.1表面晶體學1.相物質(zhì)存在的某種狀態(tài)或結(jié)構(gòu)，通常稱為某一相。嚴格地說，相是系統(tǒng)中均勻的、與其他部分有界面分開的部分。第十六頁，共65頁。(1)表面——固體材料與氣體或液體的分界面。(2)晶界(或亞晶界)——多晶材料內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)相同而取向不同晶粒(或亞晶)之間的界面。(3)相界——固體材料中成分、結(jié)構(gòu)不同的兩相之間的界面。2.固體材料的界面第十七頁，共65頁。對于固體材料與氣體的界面，分為：

(1)清潔表面——經(jīng)過諸如離子轟擊、高溫脫附、超高真空中解理、蒸發(fā)薄膜、場效應蒸發(fā)、化學反應、分子束外延等特殊處理后。

(2)實際表面——暴露在未加控制的大氣環(huán)境中的固體表面，或者經(jīng)過一定加工處理，保持在常溫和常壓(也可能在低真空或高溫)下的表面。第十八頁，共65頁。3.理想表面理想表面是一種理論上的結(jié)構(gòu)完整的二維點陣平面。忽略周期性勢場的中斷忽略缺陷、擴散、熱運動忽略外界環(huán)境影響第十九頁，共65頁。原子球體堆積模型

固體金屬材料的基本狀態(tài)是結(jié)晶態(tài)，結(jié)晶態(tài)是熱力學穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)晶態(tài)固體稱為晶體，其內(nèi)部質(zhì)點(離子、原子、原子集團)在三維空間周期排列或者說是晶格陣點規(guī)則排列。第二十頁，共65頁。第二十一頁，共65頁。

面心立方結(jié)構(gòu)

（fcc）固體金屬材料的基本晶格類型：三種：面心立方結(jié)構(gòu)第二十二頁，共65頁。

體心立方結(jié)構(gòu)（bcc）固體金屬材料的基本晶格類型：體心立方結(jié)構(gòu)第二十三頁，共65頁。

hcpstructure固體金屬材料的基本晶格類型：密排六方結(jié)構(gòu)第二十四頁，共65頁。無缺陷的晶體被分成兩個半無限大的晶體，分割前后的原子排列、電子密度不變；表面原子能量大于內(nèi)部，既為表面能。第二十五頁，共65頁。固體材料有單晶、多晶和非晶體等。目前對一些單晶材料的清潔表面研究得較為徹底。而對多晶和非晶體的清潔表面還研究得很少。第二十六頁，共65頁。4.清潔表面清潔表面指沒有被其它任何物質(zhì)污染，也沒有吸附任何不是表面組分的其它原子或分子的表面，是我們在預處理后中想要得到的表面。晶體表面是原子排列面，有一側(cè)無固體原子鍵合，形成了附加的表面能。從熱力學來看，表面附近的原子排列總是趨于能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)。第二十七頁，共65頁。4.清潔表面清潔表面成分和結(jié)構(gòu)與內(nèi)部不同，要4-6個原子過渡！

即一般大約要經(jīng)過4—6個原子層之后才與體內(nèi)基本相似，所以晶體表面實際上只有幾個原子層范圍。另一方面，晶體表面的最外一層也不是一個原子級的平整表面，因為這樣的墑值較小，盡管原子排列作了調(diào)整，但是自由能仍較高，所以清潔表面必然存在各種類型的表面缺陷。第二十八頁，共65頁。4.清潔表面清潔表面存在的表面缺陷類型：馳豫、重構(gòu)、吸附、偏析、化合物、臺階無論是具有各種缺陷的平臺，還是臺階和扭折都會對表面的一些性能產(chǎn)生顯著的影響。例如表面的臺階和扭折對晶體生長、氣體吸附和反應速度等影響較大。第二十九頁，共65頁。4.清潔表面

嚴格地說，清潔表面是指不存在任何污染的化學純表面，即不存在吸附、催化反應或雜質(zhì)擴散等一系列物理、化學效應的表面。因此，制備清潔表面是很困難的，而在幾個原子層范圍內(nèi)的清潔表面，其偏離三維周期性結(jié)構(gòu)的主要特征應該是表面弛豫、表面重構(gòu)以及表面臺階結(jié)構(gòu)。第三十頁，共65頁。第三十一頁，共65頁。表面弛豫

(d1-2<dbulk)第三十二頁，共65頁?；瘜W吸附：外來原子吸附于表面并形成化學鍵。表面偏析：表面原子從內(nèi)部分凝出來?；瘜W吸附表面偏析第三十三頁，共65頁。表面臺階結(jié)構(gòu)：清潔表面實際上不會是完整表面，因為這種原子級的平整表面的嫡很小，屬熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)，故而清潔表面必然存在臺階結(jié)構(gòu)等表面缺陷。由LEED等實驗證實許多單晶體的表面有平臺、臺階和扭折。第三十四頁，共65頁。臺階：表面原子形成臺階結(jié)構(gòu)。第三十五頁，共65頁?；衔铮和鈦碓舆M入表面，并與表面原子形成化合物。第三十六頁，共65頁。5.實際表面理想的表面是不存在的，清潔的表面是難以制備的，實際的表面存在缺陷、雜質(zhì)等現(xiàn)象。

表面粗糙度與波紋度是實際表面的基本特征。表面粗糙度吸附和玷污機械加工表面第三十七頁，共65頁。一般表面

一般的零件經(jīng)過機械加工以后，表面上有各種氧化物覆蓋。

為此，大部分表面覆層技術(shù)在工藝實施之前，都要求對表面進行預處理，清除掉表面的氧化皮，以便提高覆層與基材的結(jié)合強度。第三十八頁，共65頁。DSC熱分析儀第三十九頁，共65頁。經(jīng)過處理的表面DSC和DTA儀器樣品臺第四十頁，共65頁。經(jīng)過切削、研磨、拋光的固體表面似乎很平整，然而用電子顯微鏡進行觀察，可以看到表面有明顯的起伏，同時還可能有裂縫、空洞等。如何評價實際加工零件表面的微觀形貌？

一般從垂直于表面的二維截面上測量、分析其輪廓變化。

表面的不平整性包括波紋度和粗糙度兩個概念。

波紋度:

指在一段較長距離內(nèi)出現(xiàn)一個峰和谷的周期。

第四十一頁，共65頁。不同加工方法形成的材料表面輪廓曲線

第四十二頁，共65頁。第四十三頁，共65頁。表面粗糙度是指加工表面上具有的較小間距的峰和谷所組成的微觀幾何形狀特性。表面粗糙度對材料的性能有顯著的影響：零件配合的可靠和穩(wěn)定；減小摩擦與磨損提高接觸剛度和疲勞強度降低振動與噪聲等有重要作用并嚴重影響材料的摩擦磨損、腐蝕性能、表面磁性能和電性能等。第四十四頁，共65頁。表面粗糙度是指加工表面上具有的較小間距的峰和谷所組成的微觀幾何形狀誤差，也稱微觀粗糙度。指在較短距離內(nèi)(2～800μm)出現(xiàn)的凹凸不平(0.03-4μm)。

第四十五頁，共65頁。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)的特征及實施前的預備工藝緊密聯(lián)系，材料表面的粗糙度與加工方法密切相關(guān)，尤其是最后一道加工工序起著決定性的作用。第四十六頁，共65頁。

機械加工表面在磨削、研磨、拋光等機械作用下，金屬表面能形成特殊結(jié)構(gòu)的表面層。貝爾比層塑性變形層貝爾比層第四十七頁，共65頁。貝爾比層：固體材料經(jīng)切削加工后，在幾個微米或者十幾個微米的表層中可能發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的劇烈變化，使得在表面約10nm的深度內(nèi)，形成晶格畸變薄層。加工點溫度高于表面平均溫度，磨后迅速冷卻，原子無法回到原來位置；極為細小的微晶層或非晶態(tài)層。第四十八頁，共65頁。貝爾比層具有較高的耐磨性和耐蝕性，這在機械制造時可以利用。但是在其他許多場合，貝爾比層是有害的，例如在硅片上進行外延、氧化和擴散之前要用腐蝕法除掉貝爾比層，因為它會感生出位錯、層錯等缺陷而嚴重影響器件的性能。在制作硅集成電路時，是位錯、層錯的根源。第四十九頁，共65頁。

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力，同樣對材料的許多性能發(fā)生影響。實際上殘余應力是材料經(jīng)各種加工、處理后普遍存在的。許多表面加工處理能在材料表層產(chǎn)生很大的殘余應力。它也是一種內(nèi)應力。表面殘余應力第五十頁，共65頁。殘余應力對材料的許多性能和各種反應過程可能會產(chǎn)生根大的影響，有利也有弊。例如材料在受載時，內(nèi)應力將與外應力一起發(fā)生作用。如果內(nèi)應力方向和外應力相反，就會抵消一部分外應力，從而起有利的作用；如果方向相同則互相疊加，則起壞作用。許多表面技術(shù)就是利用這個原理，即在材料表層產(chǎn)生殘余壓應力，來顯著提高零件的疲勞強度，降低零件的疲勞缺口敏感度。表面殘余應力第五十一頁，共65頁。2.2金屬表面現(xiàn)象3.金屬表面反應2.潤濕及黏著1.吸附現(xiàn)象第五十二頁，共65頁。一、表面吸附、氧化、沾污固體與氣體的作用有三種形式：吸附、吸收和化學反應。吸附是固體表面吸引氣體與之結(jié)合，以降低固體表面能的作用。吸收是固體的表面和內(nèi)部都容納氣體，使整個固體的能量發(fā)生變化?；瘜W反應是固體與氣體的分子或離子間以化學鍵相互作用，形成新的物質(zhì)，整個固體的能量發(fā)生顯著的變化。第五十三頁，共65頁。表面吸附包括物理吸附和化學吸附兩種。物理吸附靠范德華力作用，物理吸附對溫度比較敏感，低溫下的單層有序結(jié)構(gòu)，吸附分子結(jié)構(gòu)無變化！化學吸附則形成化學鍵結(jié)合，存在電子轉(zhuǎn)移，結(jié)合強度比物理吸附大許多。1.表面吸附現(xiàn)象第五十四頁，共65頁。惰性氣體原子在基底上往往通過范德瓦爾斯健形成有序的密堆積結(jié)構(gòu)，但這種物理吸附不穩(wěn)定，易解吸，也易受溫度影響，對表面結(jié)構(gòu)和性能影響小。其他氣體原子在基底上往往以化學吸附形成覆蓋層，或者形成替換式或填隙式合金型結(jié)構(gòu)，對表面結(jié)構(gòu)和性能影響大。第五十五頁，共65頁。2.表面氧化現(xiàn)象固體表面與氣體之間會發(fā)生作用。當固體表面暴露在一般的空氣中就會吸附氧或水蒸氣，在一定的條件下發(fā)生化學反應而形成氧化物或氫氧化物。金屬在高溫下的氧化形成的氧化物大致有三種類型：一是不穩(wěn)定的氧化物，如金、鉬等的氧化物。二是揮發(fā)性的氧化物，如氧化鉬等，它以恒定的、相當高的速率形成。第五十六頁，共65頁。在金屬表面上形成一層或多層的一種或多種氧化物，這是經(jīng)常遇到的情況，例如鐵在高于560℃時生成三種氧化物：外層是Fe2O3；中層是Fe304；內(nèi)層是溶有氧的FeO，為一種以化合物為基的缺位固溶體，稱作郁氏體。這三層氧化物的含氧量依次遞減而厚度卻依次遞增。2.表面氧化現(xiàn)象第五十七頁，共65頁。3.表面沾污實際上在工業(yè)環(huán)境中除了氧和水蒸氣外，還可能存在CO2、S02、N02等各種污染氣體，它們吸附于材料表面生成各種化合物。污染氣體的化學吸附和物理吸附層中其他物質(zhì)，如有機物、鹽等，與材料表面接觸后，也留下痕跡。金屬材料在工業(yè)環(huán)境中被污染的實際表面示意圖。第五十八頁，共65頁。潤濕液體與固體表面接觸時的表面現(xiàn)象，可以用液滴在表面上的散開程度表征潤濕程度-----潤濕與不潤濕！二、潤濕及黏著第五十九頁，共65頁。黏著固體與固體接觸時的表面現(xiàn)象，產(chǎn)生兩個新的表面消耗的能量稱為黏附功，表征固體與固體