材料表面與薄膜技術(shù)概論

1、2課程安排課程安排章節(jié)章節(jié)內(nèi)容內(nèi)容學時學時1 1材料表面與薄膜技術(shù)概論材料表面與薄膜技術(shù)概論4 42 2表面噴涂技術(shù)表面噴涂技術(shù)4 43 3物理氣相沉積技術(shù)物理氣相沉積技術(shù)4 44 4化學氣相沉積技術(shù)化學氣相沉積技術(shù)4 45 5表面納米化技術(shù)表面納米化技術(shù)4 46 6表面冶金技術(shù)表面冶金技術(shù)4 47 7表面分析表征技術(shù)表面分析表征技術(shù)4 48 8高離化率物理氣相沉積技術(shù)進展與薄膜設(shè)計高離化率物理氣相沉積技術(shù)進展與薄膜設(shè)計（實驗參觀）（實驗參觀）4 43教學目的教學目的n 通過本課程學習，系統(tǒng)了解材料表面通過本課程學習，系統(tǒng)了解材料表面與薄膜技術(shù)的與薄膜技術(shù)的常見方法常見方法與與基本原理基本原理

2、，能，能用用表面工程學表面工程學的觀點和方法分析、解決的觀點和方法分析、解決實際科研工作中的實際科研工作中的關(guān)鍵技術(shù)問題關(guān)鍵技術(shù)問題。4參考書目參考書目l徐濱士徐濱士. 納米表面納米表面工程工程. 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社, 2004l徐重徐重. 等離子表面等離子表面冶金學冶金學. 科學科學出版社出版社, 2008l張鈞張鈞, 趙彥輝趙彥輝. 多弧離子鍍技術(shù)與多弧離子鍍技術(shù)與應(yīng)用應(yīng)用. 冶金工業(yè)出版社冶金工業(yè)出版社, 2007l趙文軫趙文軫. 材料表面工程材料表面工程導論導論. 西安交通大學出版社西安交通大學出版社, 2003l錢苗根錢苗根, 張張少宗少宗. 現(xiàn)代表面現(xiàn)代表面技術(shù)技術(shù). 機

3、械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社, 2002l田民波田民波, 劉德令劉德令. 薄膜科學與技術(shù)手冊薄膜科學與技術(shù)手冊. 機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社, 1991l胡傳炘胡傳炘, 宋幼慧宋幼慧. 涂層技術(shù)原理及應(yīng)用涂層技術(shù)原理及應(yīng)用. 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社, 2000l楊烈宇楊烈宇, 關(guān)文鐸等關(guān)文鐸等. 材料表面薄膜技術(shù)材料表面薄膜技術(shù). 人民交通出版社人民交通出版社, 19915文獻資料文獻資料6基本要求基本要求l總成績總成績 = 平時成績（平時成績（20%）+ 筆試（筆試（80%）l平時成績平時成績 = 出勤（出勤（10%）+ 問答（問答（10%）l出勤：每遲到一次或早退一次扣出勤：每遲到一

4、次或早退一次扣 2 分；每分；每曠課一次扣曠課一次扣 5 分，分，曠課超過曠課超過3次取消筆試資次取消筆試資格格；若有事不能上課，請務(wù)必提前寫請假若有事不能上課，請務(wù)必提前寫請假條或發(fā)送短信或郵件條或發(fā)送短信或郵件l筆試：閉卷考試筆試：閉卷考試研究生的角色研究生的角色 “人人”字兩筆：一撇代表字兩筆：一撇代表品格品格，一捺代表，一捺代表學識學識。 有德無才是有德無才是君子君子，有才無德是，有才無德是小人小人。 德才兼?zhèn)涫堑虏偶鎮(zhèn)涫鞘ト耸ト耍?道德品質(zhì)道德品質(zhì)和和人文修養(yǎng)人文修養(yǎng)是立人的基石。是立人的基石。 對人才的培養(yǎng)不能只注重在業(yè)務(wù)能力的培養(yǎng)，道對人才的培養(yǎng)不能只注重在業(yè)務(wù)能力的培養(yǎng)，道德水

5、平低下的所謂人才起到的負面影響是巨大的德水平低下的所謂人才起到的負面影響是巨大的，只有具有，只有具有優(yōu)秀的專業(yè)技能優(yōu)秀的專業(yè)技能和和良好的道德素質(zhì)良好的道德素質(zhì)的的人才才能對社會的發(fā)展起推動作用。人才才能對社會的發(fā)展起推動作用。7 中國科學院院士、著名的物理學家和材料科學中國科學院院士、著名的物理學家和材料科學家、原清華大學校長家、原清華大學校長顧秉林顧秉林認為：認為：學術(shù)理想學術(shù)理想，是一種對學術(shù)目標的是一種對學術(shù)目標的向往和追求向往和追求。有理想才會。有理想才會勇于追求、敢于批判，才會有熱情、有興趣，勇于追求、敢于批判，才會有熱情、有興趣，才會有堅持不懈的努力和無私無畏的付出。才會有堅持不

6、懈的努力和無私無畏的付出。 要為要為“學問學問”而不要為而不要為“學位學位”。要立下。要立下追求追求真理真理、創(chuàng)造新知創(chuàng)造新知的志向，敢于探索未知的、重的志向，敢于探索未知的、重大的和困難的題目，并為此付出精力和心血。大的和困難的題目，并為此付出精力和心血。8樹立學術(shù)理想，恪守學術(shù)道德樹立學術(shù)理想，恪守學術(shù)道德引自：顧秉林校長在清華大學引自：顧秉林校長在清華大學2011級研究生新生開學典禮上的講話級研究生新生開學典禮上的講話 樹立學術(shù)理想，還要有正確的樹立學術(shù)理想，還要有正確的治學精神治學精神和和治學治學態(tài)度態(tài)度，具有，具有良好的學術(shù)道德良好的學術(shù)道德，這其中最為關(guān)鍵，這其中最為關(guān)鍵的就是的就

7、是“嚴謹嚴謹”和和“誠信誠信”。 學術(shù)不端學術(shù)不端或或?qū)W術(shù)失范學術(shù)失范的行為，對學校聲譽的破的行為，對學校聲譽的破壞是嚴重的，對個人的學術(shù)前途甚至人生道路壞是嚴重的，對個人的學術(shù)前途甚至人生道路造成的影響更是無可挽回的。牢記造成的影響更是無可挽回的。牢記“學問來不學問來不得半點虛假得半點虛假” ” 。9引自：顧秉林校長在清華大學引自：顧秉林校長在清華大學2010級研究生新生開學典禮上的講話級研究生新生開學典禮上的講話 研究生是開展高水平科學研究的一支生力軍。對研究充滿研究生是開展高水平科學研究的一支生力軍。對研究充滿激情和濃厚興趣、把研究作為自己的一種追求。激情和濃厚興趣、把研究作為自己的一種

8、追求。成為成為“以以研究為生研究為生”的青年，而不是僅僅的青年，而不是僅僅“為生而研究為生而研究”的人的人。 科研工作講究六個字：科研工作講究六個字：“頂天、立地、樹人頂天、立地、樹人”?！绊斕祉斕臁笔且嫦驀H學術(shù)前沿和前所未有的領(lǐng)域開展研究；是要面向國際學術(shù)前沿和前所未有的領(lǐng)域開展研究；“立立地地”是要積極服務(wù)于國家戰(zhàn)略和社會需求；是要積極服務(wù)于國家戰(zhàn)略和社會需求；“樹人樹人”就要就要是在是在“頂天頂天”和和“立地立地”的研究中，自覺地提升素質(zhì)與能的研究中，自覺地提升素質(zhì)與能力，錘煉品格和學風。力，錘煉品格和學風。 當代中國的學術(shù)不僅要走到國際前沿，還要能夠當代中國的學術(shù)不僅要走到國際前沿

9、，還要能夠發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)、定定義義和和引領(lǐng)國際前沿引領(lǐng)國際前沿。我國的科研，不僅要。我國的科研，不僅要“頂天立地頂天立地”，還要還要“開天辟地開天辟地”！10 成才成才是一個長期的過程，是一個長期的過程，研究生階段研究生階段是決是決定人才水平的定人才水平的關(guān)鍵關(guān)鍵。在研究生階段要重點。在研究生階段要重點完成好完成好兩項任務(wù)兩項任務(wù)：一是繼續(xù)打好較為：一是繼續(xù)打好較為廣博廣博與扎實與扎實的基礎(chǔ)；二是在導師的帶領(lǐng)下，受的基礎(chǔ)；二是在導師的帶領(lǐng)下，受到一次完整的研究工作的到一次完整的研究工作的訓練訓練，做出優(yōu)秀，做出優(yōu)秀的學位論文。的學位論文。11楊樂院士觀點楊樂院士觀點 第一要第一要立志立志。堅定自己的

10、追求，潛心科學研究。堅定自己的追求，潛心科學研究，以，以“追求卓越追求卓越”的精神，開啟學問之路。的精神，開啟學問之路。 第二要第二要創(chuàng)新創(chuàng)新。珍惜機會，利用資源，潛心研究。珍惜機會，利用資源，潛心研究，以，以原始創(chuàng)新原始創(chuàng)新的勇氣和精神開啟學問之路。的勇氣和精神開啟學問之路。 第三要第三要規(guī)范規(guī)范。恪守學術(shù)道德規(guī)范，以。恪守學術(shù)道德規(guī)范，以“厚德尚厚德尚學學”的精神開啟學問之路。的精神開啟學問之路。12華南理工大學王迎軍校長要求華南理工大學王迎軍校長要求 金屬材料表面工程權(quán)威、中國工程院院士、裝甲金屬材料表面工程權(quán)威、中國工程院院士、裝甲兵工程學院兵工程學院徐濱士徐濱士； 材料表面科學與工程

11、技術(shù)領(lǐng)域知名專家、中國工材料表面科學與工程技術(shù)領(lǐng)域知名專家、中國工程院院士、廣州有色金屬研究院程院院士、廣州有色金屬研究院周克崧周克崧； 中國工程院院士、中科院上海硅酸鹽所中國工程院院士、中科院上海硅酸鹽所丁傳賢丁傳賢； 中國工程院院士、中科院蘭州化物所、中科院寧中國工程院院士、中科院蘭州化物所、中科院寧波材料所波材料所薛群基薛群基； 表面工程技術(shù)領(lǐng)域知名專家、中國工程院院士、表面工程技術(shù)領(lǐng)域知名專家、中國工程院院士、中科院沈陽金屬研究所研究員中科院沈陽金屬研究所研究員聞立時聞立時（20102010）；）； 13材料表面技術(shù)領(lǐng)域國內(nèi)專家材料表面技術(shù)領(lǐng)域國內(nèi)專家14沉痛悼念師昌緒先生沉痛悼念師昌

12、緒先生1918.11.15-2014.11.1015簡單回顧簡單回顧材料與物質(zhì)材料與物質(zhì) 物質(zhì)物質(zhì)是指任何有質(zhì)量并占據(jù)空間的東西。是指任何有質(zhì)量并占據(jù)空間的東西。 材料材料是人類社會所能接受的、可經(jīng)濟地制造是人類社會所能接受的、可經(jīng)濟地制造有用器件（或物品）的有用器件（或物品）的物質(zhì)物質(zhì)。 材料屬于物質(zhì)，強調(diào)的是材料屬于物質(zhì)，強調(diào)的是有形的有形的、具有某些、具有某些功效的功效的物質(zhì)。物質(zhì)。 二者區(qū)別：二者區(qū)別：材料強調(diào)效能材料強調(diào)效能 (performance) 物質(zhì)物質(zhì)強調(diào)性質(zhì)強調(diào)性質(zhì) (property)16材料科學的定義材料科學的定義 材料科學材料科學是一門以固體材料為研究對象，以固體是

13、一門以固體材料為研究對象，以固體物理、熱力學、動力學、量子力學、冶金、化工物理、熱力學、動力學、量子力學、冶金、化工為理論基礎(chǔ)的為理論基礎(chǔ)的邊緣交叉學科邊緣交叉學科，它運用各種現(xiàn)代分，它運用各種現(xiàn)代分析儀器和技術(shù)，探討材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備工析儀器和技術(shù)，探討材料的組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝和加工使用過程與其機械、物理、化學性能之藝和加工使用過程與其機械、物理、化學性能之間規(guī)律的一門間規(guī)律的一門基礎(chǔ)應(yīng)用學科基礎(chǔ)應(yīng)用學科，是研究，是研究材料共性材料共性的的一門學科。一門學科。17材料科學與工程四要素材料科學與工程四要素 成分與結(jié)構(gòu)成分與結(jié)構(gòu)(Composition/Structure) 性質(zhì)性質(zhì)(Pr

14、operties) 加工加工(Processing) 效能效能(Performance)加工加工（合成與制備）（合成與制備）效能效能性質(zhì)性質(zhì)成成分分與與結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)（化學）（化學）（工程）（工程）（物理學）（物理學）18四要素內(nèi)涵四要素內(nèi)涵p 成分與結(jié)構(gòu)成分與結(jié)構(gòu)包括：化學包括：化學元素組成元素組成、用肉眼或放大鏡能觀、用肉眼或放大鏡能觀察到的察到的宏觀組織宏觀組織、用金相顯微鏡和電子顯微鏡觀察到的、用金相顯微鏡和電子顯微鏡觀察到的微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)（顯微組織）以及用（顯微組織）以及用X X光和電子衍射測得的光和電子衍射測得的晶體晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)等。等。p 性質(zhì)性質(zhì)包括：包括：力學性質(zhì)力學性質(zhì)（特別是強

15、度、剛度與塑性）、（特別是強度、剛度與塑性）、物物理性質(zhì)理性質(zhì)（熱學、電學、磁學、光學、聲學等各種性質(zhì)）（熱學、電學、磁學、光學、聲學等各種性質(zhì)）、化學性質(zhì)化學性質(zhì)（特別是與材料的氧化、腐蝕行為有關(guān)的性（特別是與材料的氧化、腐蝕行為有關(guān)的性質(zhì)）和質(zhì)）和冶金性質(zhì)冶金性質(zhì)（如合金化和相變行為）。（如合金化和相變行為）。19四要素內(nèi)涵四要素內(nèi)涵p 加工加工是指材料的制備、合成、壓力加工、機械加工、廢是指材料的制備、合成、壓力加工、機械加工、廢料的再生處理等。料的再生處理等。p 效能效能是指材料在各種是指材料在各種使用條件使用條件（包括高溫或低溫、各種（包括高溫或低溫、各種應(yīng)力狀態(tài)、沖擊和疲勞加載、腐

16、蝕和輻照環(huán)境）下的性應(yīng)力狀態(tài)、沖擊和疲勞加載、腐蝕和輻照環(huán)境）下的性能或行為，包括環(huán)境影響、受力狀態(tài)、材料特征曲線、能或行為，包括環(huán)境影響、受力狀態(tài)、材料特征曲線、壽命評估等。壽命評估等。材料的性能包括使用性能和工藝性能。材料的性能包括使用性能和工藝性能。使用性能是材料在使用條件下表現(xiàn)使用性能是材料在使用條件下表現(xiàn)出的性能，如力學（或機械）性能、物理性能和化學性能等；工藝性能則出的性能，如力學（或機械）性能、物理性能和化學性能等；工藝性能則指材料在加工過程中反映出的性能，如切削加工性能、鑄造性能、壓力加指材料在加工過程中反映出的性能，如切削加工性能、鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、熱處理性能

17、等。工性能、焊接性能、熱處理性能等。20第一章第一章 材料表面與薄膜技術(shù)概論材料表面與薄膜技術(shù)概論1.1 1.1 材料表面工程材料表面工程技術(shù)基本概念技術(shù)基本概念1.2 1.2 表面、表面狀態(tài)及表面特性表面、表面狀態(tài)及表面特性1.3 1.3 涂層、薄膜與真空技術(shù)涂層、薄膜與真空技術(shù)21 材料的材料的失效失效與與破壞破壞往往從往往從表面表面開始。開始。 在許多工作條件下，對材料基體和材料表在許多工作條件下，對材料基體和材料表面性能的要求有很大的差異。一般要求材面性能的要求有很大的差異。一般要求材料料基體基體具有具有高強度高強度和一定的和一定的韌性韌性，而對，而對表表面面則要求則要求高硬高硬、耐磨

18、耐磨或具有或具有抗蝕抗蝕、抗高溫抗高溫氧化氧化等性能。等性能。1.1 材料表面工程技術(shù)基本概念材料表面工程技術(shù)基本概念22 近近5050年來，材料表面工程技術(shù)飛速發(fā)展，年來，材料表面工程技術(shù)飛速發(fā)展，使使材料表面科學和工程材料表面科學和工程逐步形成一個龐大逐步形成一個龐大而獨立的知識體系。而獨立的知識體系。 該體系主要由該體系主要由3 3部分組成：部分組成： 材料表面工程技術(shù)材料表面工程技術(shù)是材料表面科學與工是材料表面科學與工程體系的程體系的主體主體。 材料表面科學基礎(chǔ)材料表面科學基礎(chǔ)主要由主要由表面物理、表表面物理、表面化學及表面分析面化學及表面分析三部分組成。三部分組成。 材料表面工程應(yīng)用

19、材料表面工程應(yīng)用主要指表面技術(shù)的應(yīng)主要指表面技術(shù)的應(yīng)用、開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。用、開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。23表面工程技術(shù)內(nèi)涵表面工程技術(shù)內(nèi)涵 表面工程技術(shù)表面工程技術(shù)是將材料的表面與基體一起作為一是將材料的表面與基體一起作為一個系統(tǒng)進行設(shè)計，利用各種表面技術(shù)，使材料的個系統(tǒng)進行設(shè)計，利用各種表面技術(shù)，使材料的表面獲得材料本身沒有而又希望具有的性能的表面獲得材料本身沒有而又希望具有的性能的系系統(tǒng)工程統(tǒng)工程。 主要通過主要通過表面涂覆表面涂覆和和表面改性技術(shù)表面改性技術(shù)來提高材料抵來提高材料抵御環(huán)境作用能力和賦予材料表面某種功能特性。御環(huán)境作用能力和賦予材料表面某種功能特性。 表面涂覆技術(shù)：表面涂覆技術(shù)：主要采用

20、各種涂層技術(shù)。主要采用各種涂層技術(shù)。 表面改性技術(shù)：表面改性技術(shù)：用機械、物理、化學等方法，改變材料表面的用機械、物理、化學等方法，改變材料表面的形貌、化學成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)。形貌、化學成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)。24表面工程技術(shù)內(nèi)涵表面工程技術(shù)內(nèi)涵 從廣義上講，材料表面工程技術(shù)包括：從廣義上講，材料表面工程技術(shù)包括：表面工程技術(shù)的表面工程技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用理論基礎(chǔ)和應(yīng)用理論表面處理技術(shù)表面處理技術(shù)：包括表面覆蓋技術(shù)、表面改性：包括表面覆蓋技術(shù)、表面改性技術(shù)和復合表面處理技術(shù)三部分技術(shù)和復合表面處理技術(shù)三部分表面表面加工技術(shù)加工技術(shù)表面表面分析和測試技術(shù)分

21、析和測試技術(shù)表面工程技術(shù)表面工程技術(shù)設(shè)計設(shè)計25表面工程表面工程技術(shù)分類技術(shù)分類薄膜技術(shù)薄膜技術(shù) 其其 它它 涂、鍍層技術(shù)涂、鍍層技術(shù) 表面改性技術(shù)表面改性技術(shù) 表面表面技術(shù)技術(shù) 電鍍、化學鍍、熱滲鍍、電鍍、化學鍍、熱滲鍍、熱噴涂、堆焊、化學轉(zhuǎn)化熱噴涂、堆焊、化學轉(zhuǎn)化膜、涂裝、表面彩色、氣膜、涂裝、表面彩色、氣相沉積、相沉積、“三束三束”改性以改性以及表面熱處理、形變強化及表面熱處理、形變強化和襯里等和襯里等13類類 26材料表面工程技術(shù)材料表面工程技術(shù)按工藝特點分：按工藝特點分：27表面工程技術(shù)分類表面工程技術(shù)分類 徐重認為，根據(jù)材料表面處理后徐重認為，根據(jù)材料表面處理后表面物理表面物理、化

22、學化學及及幾何特征幾何特征，可將材料表面工程技術(shù)劃分為以下，可將材料表面工程技術(shù)劃分為以下三大類：三大類： 表面表面硬化硬化技術(shù)技術(shù) (surface hardening) 表面表面覆蓋覆蓋技術(shù)技術(shù) (surface covering) 表面表面冶金冶金技術(shù)技術(shù) (surface metallurgy) 表面硬化技術(shù)是通過表面硬化技術(shù)是通過外力外力或或外加熱源外加熱源對基體材料對基體材料原表面原表面的作用，使其硬度和耐磨性提高的一種材的作用，使其硬度和耐磨性提高的一種材料表面工程技術(shù)。料表面工程技術(shù)。 其主要特征是其主要特征是被處理基體材料表面的成分不變被處理基體材料表面的成分不變。p 表面硬

23、化技術(shù)內(nèi)涵表面硬化技術(shù)內(nèi)涵281、表面硬化技術(shù)、表面硬化技術(shù)(surface hardening) 表面硬化技術(shù)主要由兩類組成：表面硬化技術(shù)主要由兩類組成：（1 1）形變形變表面硬化技術(shù)表面硬化技術(shù)（2 2）相變相變表面硬化技術(shù)表面硬化技術(shù)p 表面硬化技術(shù)分類表面硬化技術(shù)分類291、表面硬化技術(shù)、表面硬化技術(shù)(surface hardening)p 表面硬化技術(shù)分類表面硬化技術(shù)分類301、表面硬化技術(shù)、表面硬化技術(shù)(surface hardening)（1）形變表面硬化技術(shù)形變表面硬化技術(shù)在在外力外力作用下，使材料原表面發(fā)生組織結(jié)構(gòu)變作用下，使材料原表面發(fā)生組織結(jié)構(gòu)變化而導致其硬度升高和強化的

24、表面硬化技術(shù)。化而導致其硬度升高和強化的表面硬化技術(shù)。如如噴丸、滾壓、孔擠壓以及表面納米化噴丸、滾壓、孔擠壓以及表面納米化等。等。p 表面硬化技術(shù)分類表面硬化技術(shù)分類311、表面硬化技術(shù)、表面硬化技術(shù)(surface hardening)（2）相變表面硬化技術(shù)相變表面硬化技術(shù)在外加熱源的在外加熱源的快速加熱快速加熱和和快速冷卻快速冷卻中使基體材中使基體材料原表面組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而導致其硬度升料原表面組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而導致其硬度升高和強化的表面硬化技術(shù)。高和強化的表面硬化技術(shù)。如采用火焰、電磁感應(yīng)、離子束、激光束、電如采用火焰、電磁感應(yīng)、離子束、激光束、電子束以及弧光等加熱手段使材料表面快速

25、加熱子束以及弧光等加熱手段使材料表面快速加熱的的表面淬火技術(shù)表面淬火技術(shù)等。等。 表面覆蓋技術(shù)是通過表面覆蓋技術(shù)是通過物理物理或或化學化學方法使基體材方法使基體材料原表面上覆蓋一種與基體料原表面上覆蓋一種與基體不同材料不同材料的表面工的表面工程技術(shù)。程技術(shù)。 其主要特征是在被處理基體材料原表面上形成其主要特征是在被處理基體材料原表面上形成合金、化合物或陶瓷保護層合金、化合物或陶瓷保護層。 例如電鍍、化學氣相沉積、物理氣相沉積以及例如電鍍、化學氣相沉積、物理氣相沉積以及熱噴涂等。熱噴涂等。p 表面覆蓋技術(shù)內(nèi)涵表面覆蓋技術(shù)內(nèi)涵322、表面覆蓋技術(shù)、表面覆蓋技術(shù)(surface covering)p

26、 表面覆蓋技術(shù)分類表面覆蓋技術(shù)分類332、表面覆蓋技術(shù)、表面覆蓋技術(shù)(surface covering) 表面覆蓋技術(shù)按照基體材料原表面的空間和參表面覆蓋技術(shù)按照基體材料原表面的空間和參與處理介質(zhì)的物理狀態(tài)分為五類：與處理介質(zhì)的物理狀態(tài)分為五類：（1 1）物理氣相沉積物理氣相沉積表面覆蓋技術(shù)表面覆蓋技術(shù)（2 2）化學氣相沉積化學氣相沉積表面覆蓋技術(shù)表面覆蓋技術(shù)（3 3）溶液沉積溶液沉積表面覆蓋技術(shù)表面覆蓋技術(shù)（4 4）熱熔融熱熔融表面覆蓋技術(shù)表面覆蓋技術(shù)（5 5）熱浸鍍熱浸鍍表面覆蓋技術(shù)表面覆蓋技術(shù)p 表面覆蓋技術(shù)分類表面覆蓋技術(shù)分類342、表面覆蓋技術(shù)、表面覆蓋技術(shù)(surface cove

27、ring)（1）物理氣相沉積表面覆蓋技術(shù)物理氣相沉積表面覆蓋技術(shù)在在真空真空條件下，利用條件下，利用加熱、離子濺射等物理手加熱、離子濺射等物理手段段使其他材料使其他材料氣化氣化為各種為各種粒子粒子（如原子、離子、（如原子、離子、分子等）沉積在基體材料原表面上而形成保護分子等）沉積在基體材料原表面上而形成保護膜的技術(shù)。膜的技術(shù)。如如真空蒸鍍、磁控濺射、離子鍍真空蒸鍍、磁控濺射、離子鍍等。等。p 表面覆蓋技術(shù)分類表面覆蓋技術(shù)分類352、表面覆蓋技術(shù)、表面覆蓋技術(shù)(surface covering)（2）化學氣相沉積表面覆蓋技術(shù)化學氣相沉積表面覆蓋技術(shù)在在真空或常壓真空或常壓條件下，利用條件下，利用

28、氣體介質(zhì)氣體介質(zhì)在基體材在基體材料原表面上進行料原表面上進行物理化學反應(yīng)物理化學反應(yīng)而形成保護膜的而形成保護膜的技術(shù)。技術(shù)。如如熱化學氣相沉積、等離子化學氣相沉積、金熱化學氣相沉積、等離子化學氣相沉積、金屬有機化合物化學氣相沉積屬有機化合物化學氣相沉積等。等。p 表面覆蓋技術(shù)分類表面覆蓋技術(shù)分類362、表面覆蓋技術(shù)、表面覆蓋技術(shù)(surface covering)（3）溶液沉積表面覆蓋技術(shù)溶液沉積表面覆蓋技術(shù)在在溶液溶液中，通過中，通過物理、化學、電化學等反應(yīng)物理、化學、電化學等反應(yīng)產(chǎn)產(chǎn)生的各種生的各種粒子粒子（如原子、離子、分子等）在基（如原子、離子、分子等）在基體材料原表面上形成保護膜的技

29、術(shù)。體材料原表面上形成保護膜的技術(shù)。如如電鍍、化學鍍、微弧氧化電鍍、化學鍍、微弧氧化以及以及化學轉(zhuǎn)化膜化學轉(zhuǎn)化膜技技術(shù)等。術(shù)等。p 表面覆蓋技術(shù)分類表面覆蓋技術(shù)分類372、表面覆蓋技術(shù)、表面覆蓋技術(shù)(surface covering)（4）熱熔融表面覆蓋技術(shù)熱熔融表面覆蓋技術(shù)采用某種采用某種加熱方法加熱方法使被涂材料處于使被涂材料處于熔融或半熔熔融或半熔融狀態(tài)融狀態(tài)，以一定速度，以一定速度噴涂或堆積噴涂或堆積在工件原表面在工件原表面上而形成涂層的技術(shù)。上而形成涂層的技術(shù)。如如火焰噴涂、等離子噴涂、電弧噴涂以及爆炸火焰噴涂、等離子噴涂、電弧噴涂以及爆炸噴涂噴涂等，堆焊、電火花涂鍍、等，堆焊、電火

30、花涂鍍、自蔓延自蔓延等也可歸等也可歸于此類。于此類。p 表面覆蓋技術(shù)分類表面覆蓋技術(shù)分類382、表面覆蓋技術(shù)、表面覆蓋技術(shù)(surface covering)（5）熱浸鍍表面覆蓋技術(shù)熱浸鍍表面覆蓋技術(shù)將工件將工件浸入浸入被熔化的被熔化的低熔點金屬低熔點金屬如鋅、鋁、錫如鋅、鋁、錫等，使基體材料原表面上形成涂層的技術(shù)。等，使基體材料原表面上形成涂層的技術(shù)。如如熱鍍鋅、熱鍍鋁、熱鍍錫熱鍍鋅、熱鍍鋁、熱鍍錫等。等。此外，此外，表面覆蓋技術(shù)按材料表面表面覆蓋技術(shù)按材料表面覆蓋層厚度覆蓋層厚度劃分為劃分為表面薄膜技術(shù)表面薄膜技術(shù)和和厚涂層技術(shù)厚涂層技術(shù)兩大類。兩大類。 表面冶金技術(shù)是采用物理或化學方法，

31、提供合表面冶金技術(shù)是采用物理或化學方法，提供合金元素并使其金元素并使其擴散進入擴散進入被加熱基體材料，而使被加熱基體材料，而使該材料原表面內(nèi)形成該材料原表面內(nèi)形成合金層合金層的一種表面工程技的一種表面工程技術(shù)。術(shù)。 其主要特征是在被處理基體材料原表面內(nèi)形成其主要特征是在被處理基體材料原表面內(nèi)形成化學成分呈梯度變化化學成分呈梯度變化的合金層。的合金層。 例如傳統(tǒng)的例如傳統(tǒng)的化學熱處理技術(shù)化學熱處理技術(shù)、等離子處理技術(shù)等離子處理技術(shù)，離子注入技術(shù)離子注入技術(shù)也可歸于此類。也可歸于此類。p 表面冶金技術(shù)內(nèi)涵表面冶金技術(shù)內(nèi)涵393、表面冶金技術(shù)、表面冶金技術(shù)(surface metallurgy) 根

32、據(jù)所采用的物理和化學手段，可以將材料表面根據(jù)所采用的物理和化學手段，可以將材料表面冶金技術(shù)分為三類：冶金技術(shù)分為三類：（1 1）熱化學熱化學表面冶金技術(shù)表面冶金技術(shù)（2 2）高能束高能束表面冶金技術(shù)表面冶金技術(shù)（3 3）等離子等離子表面冶金技術(shù)表面冶金技術(shù)p 表面冶金技術(shù)分類表面冶金技術(shù)分類403、表面冶金技術(shù)、表面冶金技術(shù)(surface metallurgy)p 表面冶金技術(shù)分類表面冶金技術(shù)分類41（1）熱化學表面冶金技術(shù)熱化學表面冶金技術(shù)熱化學表面冶金是利用外加熱源熱化學表面冶金是利用外加熱源使化學物質(zhì)分使化學物質(zhì)分解解而在材料原表面內(nèi)形成合金層的一種表面冶而在材料原表面內(nèi)形成合金層的一

33、種表面冶金技術(shù)。金技術(shù)。傳統(tǒng)的化學熱處理技術(shù)均屬于此類，如傳統(tǒng)的化學熱處理技術(shù)均屬于此類，如滲碳、滲碳、滲氮、滲硫、滲硼、滲金屬滲氮、滲硫、滲硼、滲金屬等。等。3、表面冶金技術(shù)、表面冶金技術(shù)(surface metallurgy)p 表面冶金技術(shù)分類表面冶金技術(shù)分類42（2）高能束表面冶金技術(shù)高能束表面冶金技術(shù)高能束表面冶金是利用高能束表面冶金是利用高能量粒子束高能量粒子束，如激光，如激光束、離子束、電子束等，在材料原表面內(nèi)形成束、離子束、電子束等，在材料原表面內(nèi)形成合金層的表面冶金技術(shù)。合金層的表面冶金技術(shù)。例如例如激光表面合金化、電子束表面合金化、離激光表面合金化、電子束表面合金化、離子束

34、表面合金化、離子注入子束表面合金化、離子注入等。等。3、表面冶金技術(shù)、表面冶金技術(shù)(surface metallurgy)p 表面冶金技術(shù)分類表面冶金技術(shù)分類43（3）等離子表面冶金技術(shù)等離子表面冶金技術(shù)等離子表面冶金是利用輝光或弧光放電所產(chǎn)生等離子表面冶金是利用輝光或弧光放電所產(chǎn)生的的低溫等離子體低溫等離子體，在材料原表面內(nèi)形成合金層，在材料原表面內(nèi)形成合金層的表面冶金技術(shù)。的表面冶金技術(shù)。例如例如離子滲氮、離子滲碳、雙層輝光離子滲金離子滲氮、離子滲碳、雙層輝光離子滲金屬、加弧輝光離子滲金屬屬、加弧輝光離子滲金屬等。等。3、表面冶金技術(shù)、表面冶金技術(shù)(surface metallurgy)

35、根據(jù)美國金屬學會對表面改性的定義，根據(jù)美國金屬學會對表面改性的定義，表表面改性技術(shù)面改性技術(shù)(surface modification)主要是指主要是指能夠改變基體材料原表面內(nèi)能夠改變基體材料原表面內(nèi)成分成分和和結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的的表面工程技術(shù)。表面工程技術(shù)。 因此，上述分類中的因此，上述分類中的表面硬化技術(shù)表面硬化技術(shù)和和表面表面冶金技術(shù)冶金技術(shù)應(yīng)該屬于應(yīng)該屬于表面改性技術(shù)表面改性技術(shù)。44表面工程技術(shù)分類表面工程技術(shù)分類45表面表面工程技術(shù)的工程意義與科學價值工程技術(shù)的工程意義與科學價值Raw materialenergyProductProductSurface Technology/Engin

36、eeringGood product+工程意義工程意義 * 提高材料和工件的可靠性，延長其使用壽命提高材料和工件的可靠性，延長其使用壽命 * 制備具有特殊功能的表面制備具有特殊功能的表面 * 對節(jié)能降耗與再制造的特殊對節(jié)能降耗與再制造的特殊貢獻貢獻科學價值科學價值 * 材料制備與合成的新技術(shù)材料制備與合成的新技術(shù) * 為新技術(shù)發(fā)展提供工藝和材料支持為新技術(shù)發(fā)展提供工藝和材料支持 * 多學科交叉，凝練新的學術(shù)研究課題多學科交叉，凝練新的學術(shù)研究課題New idea46p零件在服役過程中，零件在服役過程中，主要失效的形式為主要失效的形式為：腐蝕腐蝕 (Corrosion)、磨損、磨損 (Wear)

37、、疲勞、疲勞(Fatigue)、 斷裂斷裂 (Fracture) 。p現(xiàn)代工業(yè)要求產(chǎn)品能在現(xiàn)代工業(yè)要求產(chǎn)品能在更高參數(shù)更高參數(shù)（如高溫、高壓、（如高溫、高壓、高速）、高速）、高度自動化高度自動化和和更惡劣的工況條件更惡劣的工況條件下更長期下更長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，這就必然對工件表面的抗磨損、耐腐蝕穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，這就必然對工件表面的抗磨損、耐腐蝕等性能提出了更高的要求。等性能提出了更高的要求。47表面表面工程技術(shù)的工程工程技術(shù)的工程意義意義 汽車汽車輕量化輕量化 鋁合金鋁合金 表面耐磨問題突出表面耐磨問題突出 表面耐磨涂層表面耐磨涂層 火箭發(fā)動機火箭發(fā)動機的尾噴管內(nèi)壁和燃燒室：的尾噴管內(nèi)壁和燃燒室： 需承受

38、需承受20003300溫度和巨大的熱焰流溫度和巨大的熱焰流沖擊沖擊表面耐熱涂層和抗沖擊涂層表面耐熱涂層和抗沖擊涂層48應(yīng)用實例應(yīng)用實例1 飛船或者洲際導彈的頭部錐體和翼前沿飛船或者洲際導彈的頭部錐體和翼前沿：由于：由于具有幾十倍的音速，并與大氣層摩擦，即所謂具有幾十倍的音速，并與大氣層摩擦，即所謂氣動加熱，其溫度高達氣動加熱，其溫度高達40005000。 問題：問題：絕大多數(shù)的金屬和合金不能承受如此高絕大多數(shù)的金屬和合金不能承受如此高的溫度。的溫度。 解決問題的方法：解決問題的方法：依靠各種形式的依靠各種形式的隔熱涂層、隔熱涂層、防火涂層和燒蝕涂層防火涂層和燒蝕涂層。 隔熱防火涂層通常是熱導率

39、低的氧化物：氧化鋁、氧隔熱防火涂層通常是熱導率低的氧化物：氧化鋁、氧化鋯、氧化釷等?；啞⒀趸Q等。 燒蝕涂層：有機材料加石英纖維、陶瓷纖維或碳纖維燒蝕涂層：有機材料加石英纖維、陶瓷纖維或碳纖維等。等。49應(yīng)用實例應(yīng)用實例2高溫鈦合金高溫鈦合金鈮合金（帶鈮合金（帶高溫抗氧化高溫抗氧化涂層）涂層）姿姿/ /軌控發(fā)動機推力室軌控發(fā)動機推力室 實例實例- -高溫抗氧化涂層高溫抗氧化涂層 50難熔金屬難熔金屬 Nb 在高溫下易發(fā)生氧化，其高溫在高溫下易發(fā)生氧化，其高溫氧化物不具備保護作用，使材料的力學性能氧化物不具備保護作用，使材料的力學性能急劇下降，嚴重影響性能。急劇下降，嚴重影響性能。必須使用高必

40、須使用高溫抗氧化涂層！溫抗氧化涂層！Tips：鈮在鈮在180開始發(fā)生緩慢氧化，開始發(fā)生緩慢氧化，450以下的氧化物具有保護作用，以下的氧化物具有保護作用，450600氧化膜的晶體體積發(fā)生變化（從氧化膜的晶體體積發(fā)生變化（從4.36變到變到5.17)，開始出現(xiàn)粉，開始出現(xiàn)粉化，化，600700其氧化速度與氧壓成正比關(guān)系，其氧化速度與氧壓成正比關(guān)系，700850內(nèi)層氧化膜內(nèi)層氧化膜起控制作用，起控制作用，850以上氧化產(chǎn)物完全為以上氧化產(chǎn)物完全為Nb2O5。51實例實例- -高溫抗氧化涂層高溫抗氧化涂層 1、飛機發(fā)動機飛機發(fā)動機用高溫抗氧化涂層用高溫抗氧化涂層： 使用溫度使用溫度：12001400

41、， 使用壽命大于使用壽命大于1000h。 使用溫度使用溫度：1800，使用壽命大于使用壽命大于100h。2、航天航天火箭發(fā)動機火箭發(fā)動機用高溫抗氧化涂層用高溫抗氧化涂層： 使用溫度使用溫度：1800以上，最高要求達到以上，最高要求達到2000，使用使用壽命壽命較短，幾分鐘較短，幾分鐘 十幾分鐘十幾分鐘。52實例實例- -高溫抗氧化涂層高溫抗氧化涂層 航天飛機外殼的航天飛機外殼的防熱材料和涂層防熱材料和涂層： 如美國洛克希德導彈與航天公司的一種如美國洛克希德導彈與航天公司的一種LI-900全氧化硅絕熱氈特性：全氧化硅絕熱氈特性： 1）重量輕，整個體積的）重量輕，整個體積的95%都是空的。都是空的

42、。 2）為防水、耐蝕以及散熱，表面加涂了一種）為防水、耐蝕以及散熱，表面加涂了一種碳化硅涂層，該涂層可把碳化硅涂層，該涂層可把90%的入射熱反射掉，而的入射熱反射掉，而剩下剩下10%幾乎都被氧化硅氈所隔絕。幾乎都被氧化硅氈所隔絕。53應(yīng)用實例應(yīng)用實例3 在太陽能的利用中，必須利用涂層來吸收太陽在太陽能的利用中，必須利用涂層來吸收太陽光譜中所有波段的能量。光譜中所有波段的能量。 如用電子束蒸鍍的金屬陶瓷層如用電子束蒸鍍的金屬陶瓷層Co-Al2O3作為太作為太陽能吸熱器，對陽能吸熱器，對太陽能的太陽能的吸收率吸收率可達可達95%。54應(yīng)用實例應(yīng)用實例4p材料表面是普遍存在的，其物理化學性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、

43、材料表面是普遍存在的，其物理化學性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、性能與材料內(nèi)部均不一樣。性能與材料內(nèi)部均不一樣。p材料物理、化學性能及其變化都材料物理、化學性能及其變化都從表面開始從表面開始。p隨著器件的微型化，表面隨著器件的微型化，表面/ /體相的原子比增大，會出體相的原子比增大，會出現(xiàn)許多現(xiàn)許多新的特性新的特性（如（如納米結(jié)構(gòu)材料納米結(jié)構(gòu)材料的研究）。的研究）。p材料表面的研究是許多高新技術(shù)的材料表面的研究是許多高新技術(shù)的理化基礎(chǔ)理化基礎(chǔ)等。等。p伴隨著表面技術(shù)的開發(fā)和完善，又會有很多新的科伴隨著表面技術(shù)的開發(fā)和完善，又會有很多新的科學問題出現(xiàn)。學問題出現(xiàn)。55表面表面工程技術(shù)工程技術(shù)的的科學價值科學價值背景

44、背景：美國工程學會為美國國會提供的美國工程學會為美國國會提供的 2000 年前集中力量發(fā)展的年前集中力量發(fā)展的 9 項項科學科學技術(shù)中，有關(guān)材料方面的僅有技術(shù)中，有關(guān)材料方面的僅有材料表面科學與表面技術(shù)材料表面科學與表面技術(shù)的研究的研究。1986年諾貝爾物理獎獲得者年諾貝爾物理獎獲得者56實例實例-STM-STM和和AFMAFM的發(fā)明的發(fā)明Tips：STM掃描隧道顯微鏡；掃描隧道顯微鏡；AFM原子力顯微鏡原子力顯微鏡石墨表面石墨表面純鋁表面純鋁表面57實例實例-STM-STM和和AFMAFM的發(fā)明的發(fā)明 表面工程技術(shù)的表面工程技術(shù)的主要目的主要目的：通過表面處理使材料：通過表面處理使材料表面按

45、人們希望的性能進行改變。表面按人們希望的性能進行改變。 具體說：表面工程技術(shù)是在不改變基體材料的成具體說：表面工程技術(shù)是在不改變基體材料的成分、不削弱基體材料的強度的條件下，通過物理分、不削弱基體材料的強度的條件下，通過物理手段或化學手段賦予材料表面以特殊的性能，從手段或化學手段賦予材料表面以特殊的性能，從而滿足工程技術(shù)上對材料提出的要求的技術(shù)。而滿足工程技術(shù)上對材料提出的要求的技術(shù)。 表面工程技術(shù)的作用就是改善或賦予表面各種性表面工程技術(shù)的作用就是改善或賦予表面各種性能。能。58表面表面工程技術(shù)工程技術(shù)的作用和目的的作用和目的（1）提高材料抵御環(huán)境作用能力。）提高材料抵御環(huán)境作用能力。（2）

46、賦予材料表面某種功能特性，包括光、電、）賦予材料表面某種功能特性，包括光、電、磁、熱、聲、吸附、分離等等各種物理和化學性磁、熱、聲、吸附、分離等等各種物理和化學性能。能。（3）實施特定的表面加工來制造構(gòu)件、零部件和）實施特定的表面加工來制造構(gòu)件、零部件和元器件等。元器件等。59表面表面工程技術(shù)工程技術(shù)的作用和目的的作用和目的1 1） 社會生產(chǎn)、生活的需要社會生產(chǎn)、生活的需要2 2） 通過表面處理大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量通過表面處理大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量3 3） 節(jié)約貴重材料節(jié)約貴重材料4 4） 實現(xiàn)材料表面復合化，解決單一材料無法解決實現(xiàn)材料表面復合化，解決單一材料無法解決的問題的問題5 5） 良好的節(jié)

47、能、節(jié)材效果良好的節(jié)能、節(jié)材效果6 6） 促進了新興工業(yè)的發(fā)展促進了新興工業(yè)的發(fā)展60表面表面工程技術(shù)工程技術(shù)的社會經(jīng)濟效益的社會經(jīng)濟效益p 表面技術(shù)在結(jié)構(gòu)材料以及工程構(gòu)件和機械零表面技術(shù)在結(jié)構(gòu)材料以及工程構(gòu)件和機械零部件上的應(yīng)用部件上的應(yīng)用工具、模具：主要起防護、耐磨、強化、修復表工具、模具：主要起防護、耐磨、強化、修復表面技術(shù)面技術(shù)p 在功能材料和元器件上的應(yīng)用在功能材料和元器件上的應(yīng)用光、電、磁、熱及化學等特性光、電、磁、熱及化學等特性p 表面技術(shù)在人類適應(yīng)、保護和優(yōu)化環(huán)境方面表面技術(shù)在人類適應(yīng)、保護和優(yōu)化環(huán)境方面的一些應(yīng)用的一些應(yīng)用抗菌滅菌抗菌滅菌TiO2、生物醫(yī)學材料等、生物醫(yī)學材料

48、等61表面表面工程技術(shù)工程技術(shù)的應(yīng)用的應(yīng)用廣泛性廣泛性+重要性！重要性！p 高新技術(shù)的發(fā)展對機器零件質(zhì)量的高新技術(shù)的發(fā)展對機器零件質(zhì)量的要求越來要求越來越高越高，如要求高耐磨、強耐蝕、抗高溫及各，如要求高耐磨、強耐蝕、抗高溫及各種特殊功能，而現(xiàn)有的材料往往不能滿足需種特殊功能，而現(xiàn)有的材料往往不能滿足需要。要。p 器件的器件的微型化微型化，使表面問題更為突出。，使表面問題更為突出。p 人們希望通過表面改質(zhì)，以普通材料代替昂人們希望通過表面改質(zhì)，以普通材料代替昂貴材料以貴材料以降低成本降低成本。62表面表面工程技術(shù)工程技術(shù)的發(fā)展的發(fā)展p 材料表面改性和強化問題引起國內(nèi)外材料科材料表面改性和強化問

49、題引起國內(nèi)外材料科學界的極大關(guān)注，學術(shù)研究異?；钴S，舊工學界的極大關(guān)注，學術(shù)研究異?；钴S，舊工藝被不斷革新，藝被不斷革新，新工藝、新技術(shù)相繼問世新工藝、新技術(shù)相繼問世，工程應(yīng)用不斷擴大。工程應(yīng)用不斷擴大。p 材料表面技術(shù)是一門新興的材料表面技術(shù)是一門新興的邊緣交叉學科邊緣交叉學科，它不但涉及到諸如表面物理學、表面化學、它不但涉及到諸如表面物理學、表面化學、金屬學、陶瓷學、高分子學、傳熱學、傳質(zhì)金屬學、陶瓷學、高分子學、傳熱學、傳質(zhì)學等多個學科的理論，而且其本身也溶入了學等多個學科的理論，而且其本身也溶入了諸多學科的新技術(shù)，必定得到更快發(fā)展。諸多學科的新技術(shù)，必定得到更快發(fā)展。63表面表面工程技

50、術(shù)工程技術(shù)的發(fā)展的發(fā)展64 現(xiàn)代現(xiàn)代表面工程技術(shù)的基礎(chǔ)是表面工程技術(shù)的基礎(chǔ)是表面科學表面科學：表面分析技術(shù)：表面分析技術(shù)：表面的原子排列結(jié)構(gòu)、原子類表面的原子排列結(jié)構(gòu)、原子類型和電子能態(tài)結(jié)構(gòu)等，是揭示表面現(xiàn)象的微觀型和電子能態(tài)結(jié)構(gòu)等，是揭示表面現(xiàn)象的微觀實質(zhì)和各種動力學過程的必要手段。實質(zhì)和各種動力學過程的必要手段。 表面、界面表面、界面物理物理：研究研究任何任何兩相之間兩相之間的界面上的界面上發(fā)生的物理過程的科學發(fā)生的物理過程的科學 。表面、界面表面、界面化學：化學：研究研究任何任何兩相之間兩相之間的界面上的界面上發(fā)生的化學過程的科學發(fā)生的化學過程的科學 。1.2 表面表面、表面狀態(tài)及表面特

51、性、表面狀態(tài)及表面特性The real surface is totally different from the body！ 65The real surface is totally different from the body！ 66The real surface is totally different from the body！ 6768固體表面的概念固體表面的概念l幾何概念：幾何概念：表面是一種二維幾何結(jié)構(gòu)。表面是一種二維幾何結(jié)構(gòu)。拋光的鋼帶表面拋光的鋼帶表面69固體表面的概念固體表面的概念l機械結(jié)構(gòu)概念：機械結(jié)構(gòu)概念：表面表面是材料是材料的外邊界，且與所考的外邊界，且與所考

52、慮的尺度有關(guān)。慮的尺度有關(guān)。不同尺度下的針尖不同尺度下的針尖70固體表面的概念固體表面的概念l物理化學物理化學概念概念：表面是兩相（或多相）間有著極表面是兩相（或多相）間有著極小厚度的分界層，或物理相間區(qū)域。小厚度的分界層，或物理相間區(qū)域。71固體表面的概念固體表面的概念l表面表面固體材料與氣體或液體的分界面。固體材料與氣體或液體的分界面。l晶界（或亞晶界）晶界（或亞晶界）多晶材料內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)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。相同而取向不同晶粒（或亞晶）之間的界面。l相界相界固體材料中成分、結(jié)構(gòu)不同的兩相之間固體材料中成分、結(jié)構(gòu)不同的兩相之間的界面。的界面。sur

53、facegrain boundaryphase boundary72固體表面的概念固體表面的概念l定義：定義：一般來說，固體表面是指一般來說，固體表面是指“固氣固氣”界面或界面或“固液固液”界面。前者實際上是由凝聚態(tài)物質(zhì)靠近氣界面。前者實際上是由凝聚態(tài)物質(zhì)靠近氣體或真空的一個或幾個原子層（體或真空的一個或幾個原子層（0.510nm）組成，）組成，是凝聚態(tài)對氣體或真空的一種過渡。是凝聚態(tài)對氣體或真空的一種過渡。正是這樣的原因，造成了固體材料正是這樣的原因，造成了固體材料表面表面與固體材料與固體材料體內(nèi)體內(nèi)不同不同：（：（1 1）原子排列不同原子排列不同；（；（2 2）組分不同組分不同。GaAs

54、(110)面：實線面：實線-晶體晶體內(nèi)；虛線內(nèi)；虛線-表面表面73固體表面結(jié)構(gòu)固體表面結(jié)構(gòu)l理想表面理想表面一種理論上的結(jié)構(gòu)完整的二維點陣平面，忽略一種理論上的結(jié)構(gòu)完整的二維點陣平面，忽略了晶體內(nèi)部周期性熱場在晶體表面中斷的影響；了晶體內(nèi)部周期性熱場在晶體表面中斷的影響；忽略了表面上原子的熱運動以及出現(xiàn)的缺陷和忽略了表面上原子的熱運動以及出現(xiàn)的缺陷和擴散現(xiàn)象；忽略了表面外界環(huán)境的作用等。擴散現(xiàn)象；忽略了表面外界環(huán)境的作用等。l清潔表面清潔表面經(jīng)過諸如離子轟擊、高溫脫附、超高真空中解經(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(yīng)蒸發(fā)、化學反應(yīng)、分子理、蒸發(fā)薄膜、場效應(yīng)蒸發(fā)、化學反應(yīng)

55、、分子束外延等特殊處理后，保持在束外延等特殊處理后，保持在10-910-6Pa超高超高真空下，外來沾污非常少的表面。真空下，外來沾污非常少的表面。l實際表面實際表面暴露在未加控制的大氣環(huán)境中的固體表面，或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（如切割、研磨、拋光、者經(jīng)過一定加工處理（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?？栈蚋邷兀┫碌谋砻妗?按照熱力學的觀點，表面附近的原子排列總是趨按照熱力學的觀點，表面附近的原子排列總是趨于能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)：于能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)： 自行調(diào)整自行調(diào)整 原子排

56、列情況與材料內(nèi)部明顯不同原子排列情況與材料內(nèi)部明顯不同 依靠表面成分偏析，表面對外來原子或分子的吸依靠表面成分偏析，表面對外來原子或分子的吸附，以及兩者的相互作用而趨向穩(wěn)定態(tài)附，以及兩者的相互作用而趨向穩(wěn)定態(tài) 表面表面組分與材料內(nèi)部不同組分與材料內(nèi)部不同741、清潔表面結(jié)構(gòu)、清潔表面結(jié)構(gòu)751、清潔表面結(jié)構(gòu)、清潔表面結(jié)構(gòu)relaxationreconstruction761、清潔表面結(jié)構(gòu)、清潔表面結(jié)構(gòu)segregationchemisorptioncompounds771、清潔表面結(jié)構(gòu)、清潔表面結(jié)構(gòu)terraceledgekink單晶表面的單晶表面的TLKTLK模型已模型已被低能電子衍射被低能

57、電子衍射(LEED)(LEED)等表面分析結(jié)果所證實等表面分析結(jié)果所證實臺階、扭折是催化和固臺階、扭折是催化和固相反應(yīng)的活化中心。相反應(yīng)的活化中心。 晶體表面的成分和結(jié)構(gòu)都不同于晶體內(nèi)部，一般晶體表面的成分和結(jié)構(gòu)都不同于晶體內(nèi)部，一般約經(jīng)過約經(jīng)過4 46 6個原子層個原子層之后才與體內(nèi)基本相似，所之后才與體內(nèi)基本相似，所以晶體表面實際上只有幾個原子層范圍。以晶體表面實際上只有幾個原子層范圍。781、清潔表面結(jié)構(gòu)、清潔表面結(jié)構(gòu) 晶體表面的缺陷：晶體表面的缺陷：點缺陷：點缺陷：空位對，空位團簇，吸附（偏空位對，空位團簇，吸附（偏析）的雜質(zhì)原子等析）的雜質(zhì)原子等線缺陷：線缺陷：位錯在表面的露頭位錯在

58、表面的露頭，包括刃型，包括刃型位錯（直徑為原子尺寸的一根管道）和位錯（直徑為原子尺寸的一根管道）和螺型位錯（表面形成臺階螺型位錯（表面形成臺階 ） 實際表面就是我們通常接觸實際表面就是我們通常接觸到的表面。到的表面。 實際表面形態(tài)：實際表面形態(tài)： 表面粗糙度表面粗糙度 表面組織表面組織 表面化學成分表面化學成分792、實際表面結(jié)構(gòu)、實際表面結(jié)構(gòu)拋光后的金屬表面拋光后的金屬表面802、實際表面結(jié)構(gòu)、實際表面結(jié)構(gòu)p 表面粗糙度（表面粗糙度（surface roughness）where Rpi, Rvi are the ith highest peak, and lowest valley res

59、pectively. ( ISO 25178)81常見工藝對應(yīng)常見工藝對應(yīng)的表面粗糙度的表面粗糙度超精磨：超精磨：較小較小砂鑄、熱軋、火砂鑄、熱軋、火焰切割：焰切割：較大較大822、實際表面結(jié)構(gòu)、實際表面結(jié)構(gòu)p 表面粗糙度（表面粗糙度（surface roughness）表面粗糙表面粗糙系數(shù)：系數(shù)：qrAAR Ar： 真實表面面積真實表面面積Aq：幾何表面面積：幾何表面面積832、實際表面結(jié)構(gòu)、實際表面結(jié)構(gòu)p 表面組織（表面組織（surface microstructure）拋光金屬表面拋光金屬表面附近附近貝爾比層貝爾比層 （Beilby layer） 殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力 表面形變和組織表面形變

60、和組織畸變區(qū)畸變區(qū)Tip：金屬摩擦后，表面區(qū)域溫度迅速：金屬摩擦后，表面區(qū)域溫度迅速冷卻下來，原子來不及回到平衡位置，冷卻下來，原子來不及回到平衡位置，造成一定程度的晶格畸變。這種畸變隨造成一定程度的晶格畸變。這種畸變隨深度而變化，在最外層約深度而變化，在最外層約510nm可形可形成一種非晶態(tài)，其成分為金屬及其氧化成一種非晶態(tài)，其成分為金屬及其氧化物，即為貝爾比層。物，即為貝爾比層。842、實際表面結(jié)構(gòu)、實際表面結(jié)構(gòu)p 表面成分（表面成分（surface composition）由由AB兩種原子組成的固體表面情況兩種原子組成的固體表面情況二元合金表面富集元素二元合金表面富集元素852、實際表面