表面工程技術(shù)的基礎(chǔ)理論

第二章表面工程技術(shù)的基礎(chǔ)理論時(shí)間：貳零壹叁年肆月上一次課回顧

1、概念:四個(gè)詞

2、學(xué)科體系：一級、二級

3、分類：兩種分類

4、應(yīng)用：五大應(yīng)用本章的主要內(nèi)容表面晶體學(xué)簡介金屬的表面現(xiàn)象表面缺陷模型表面擴(kuò)散方式涂層概念第一節(jié)表面晶體學(xué)簡介要了解材料表面的特性和獲得要求的表面功能，本質(zhì)上是要了解材料表面發(fā)生的物理和化學(xué)過程，即材料表面的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)與特性問題了解、認(rèn)識(shí)“表面”，對表面工程技術(shù)的學(xué)習(xí)是非常重要的這里的“表面”主要指金屬或晶體表面

第一節(jié)表面晶體學(xué)簡介一、界面與表面

幾個(gè)有關(guān)的重要概念：相、界面、表面物質(zhì)存在的某種狀態(tài)或結(jié)構(gòu)，通常稱為某一相各相并存必然存在一個(gè)交界區(qū)，我們稱之為——界面界面是由一個(gè)相到另一個(gè)相的過渡區(qū)域，界面處的結(jié)構(gòu)、能量、組成等都呈連續(xù)的梯度的變化

（示意圖如下）過渡區(qū)域相1相2相1——界面——相2過渡區(qū)域那么表面和界面又是什么關(guān)系呢？界面是任何兩種相之間的交界區(qū)，總稱習(xí)慣上把固——?dú)?、固——液、液——?dú)獾倪^渡區(qū)域稱為表面固——固、液——液的過渡區(qū)域還是稱為界面氣體之間一般是均相體系，因此不存在界面

與固體有關(guān)的界面又可分為哪幾種？三種：表面固-液

固-氣與固體有關(guān)的界面又可分為哪幾種？C.相界晶界不銹鋼晶界鋁合金相界結(jié)晶固體的表面是晶體中原子的周期性排列發(fā)生大面積突然終止的地方，或者是從晶體內(nèi)部的三維周期性結(jié)構(gòu)開始破壞到真空之間的整個(gè)過渡區(qū)域。固體表面大體上是怎樣的構(gòu)造呢？分類有幾種呢？

第一節(jié)表面晶體學(xué)簡介第一節(jié)表面晶體學(xué)簡介二、固體表面的分類：1、理想表面：當(dāng)一個(gè)無限大的無缺陷的晶體被分成兩個(gè)半無限大的晶體時(shí)，如果在分割面附近區(qū)域中的原子排列、電子的密度分布都和分割前一樣，而且晶體在分割時(shí)沒有原子進(jìn)入或跑出分割面，這個(gè)分割面就稱為——理想表面

理想表面形成示意圖第一節(jié)表面晶體學(xué)簡介顯然，理想表面是難以獲得的，只不過是把它作為研究其他類型表面的一個(gè)基礎(chǔ)。為什么難以獲得？

原子排列主要有兩種變化方式：

一是自行調(diào)整（清潔表面）

二是依靠表面的成分偏析、化合和吸附（覆蓋表面）第一節(jié)表面晶體學(xué)簡介2、清潔表面——指沒有被任何其他東西所污染，也沒有吸附其他任何不是表面組分的其他原子、分子的材料表面

——無污染，無吸附、偏析，排列不同，組分一樣——分為三種：表面弛豫、表面重構(gòu)和臺(tái)階第一節(jié)表面晶體學(xué)簡介a、表面弛豫：電子密度分布發(fā)生變化，垂直位置伸長或縮短

b、表面重構(gòu)：在平行基底的表面上，原子的平移對稱性與體內(nèi)不同，原子位置作了較大幅度調(diào)整；第一節(jié)表面晶體學(xué)簡介3、覆蓋表面當(dāng)有其他原子進(jìn)到表面就會(huì)出現(xiàn)另外的表面結(jié)構(gòu)，這種表面稱為覆蓋表面特點(diǎn)——表面組分和排列都與內(nèi)部不同，由吸附、偏析或化合等形式分為三種——偏析、吸附、化和物第一節(jié)表面晶體學(xué)簡介4、實(shí)際表面的特點(diǎn)a、表面的外形——固體表面從原子尺度來看是很不平整的，甚至還有裂紋、空洞等缺陷

b、表面的組織——晶粒尺寸與體內(nèi)有較大差別，有非晶態(tài)和納米顆粒存在，還存在各種應(yīng)力c、金屬表面的成分——金屬表面除了吸附或者偏析、化合其他與基體不同的原子、分子以外，在表面與空氣之間的過渡區(qū)由氧化物、氮化物、硫化物、鹽類、油脂等有機(jī)高分子、塵埃、表面接觸過的各種物質(zhì)痕量以及吸附的氣體等

固體表面的實(shí)際構(gòu)成P151936年，一位叫西邁爾茲的人就把實(shí)際表面區(qū)分為兩個(gè)部分：一部分是所謂“內(nèi)表面層”，它包括基體材料和加工硬化層（>5μm）；另一部分是所謂“外表面層”，它包括氧化層（10nm）、吸附層（0.5nm）、污染層（5nm）等

第二節(jié)固體的表面現(xiàn)象一、吸附現(xiàn)象：1、吸附的定義：由于物理或化學(xué)的作用力場，某種物質(zhì)分子能夠附著或結(jié)合在兩相界面上的濃度與兩相本體不同的現(xiàn)象。表面吸附就是指由于受到吸引力，其他分子在表面的富集。

2、固體表面上氣體的吸附：①物理吸附：靠范德瓦耳斯力吸附②化學(xué)吸附：表面發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，分為離子鍵吸附和化學(xué)鍵吸附——離子鍵吸附是指吸附劑和吸附物之間發(fā)生了完全的電子轉(zhuǎn)移，化學(xué)鍵吸附是指電子轉(zhuǎn)移不完全的情況。實(shí)際一般兩種情況都存在。兩種吸附的關(guān)系————既有區(qū)別又有聯(lián)系：①熱效應(yīng)不同：放熱過程，化學(xué)吸附的吸附熱高于物理吸附，吸附和脫附的溫度都高于物理吸附；②吸附和脫附的速率不同：物理吸附類似凝聚現(xiàn)象，一般不需要活化能，吸附速度快，化學(xué)吸附慢；化學(xué)吸附脫附比物理吸附難，物理是可逆的，化學(xué)是不可逆的。③化學(xué)吸附具有選擇性:一種固體表面只能吸附一些氣體，物理吸附無選擇性；④吸附層的厚度不同：化學(xué)吸附是單分子層，物理吸附有時(shí)會(huì)是多層的；⑤吸附態(tài)的光譜不同：物理吸附只是特征吸收峰發(fā)生位移，化學(xué)吸附會(huì)產(chǎn)生新的吸收峰；⑥聯(lián)系：一是很難區(qū)分