固體材料表面特點以及表面清洗

1、關(guān)于固體材料的表面特點及表面清洗第一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 固體材料表面與內(nèi)部不同固體表面：指固氣界面或固液界面，它實 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(0.510nm) 組成，是凝聚態(tài)對氣體或真空的一 種過渡。穩(wěn)定狀態(tài)：能量最小第二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月固體表面的特點：1組分不同:成分偏析:很多合金在 表面上會富集某種合金 元素，如 不銹鋼表面的 Cr可達內(nèi)部的7倍。 表面吸附外來的一些原子或分子。第三張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月2原子排列不同:表面重構(gòu)：是指表面最外層原子的排列周期與體內(nèi)不一樣. 第四張，PPT

2、共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 表面馳豫：表面原子發(fā)生相對于正常位置(三維結(jié)構(gòu))的上、下位移以降低體系能量.表面上原子的這種位移（壓縮或膨脹）稱為表面馳豫.其表現(xiàn)為表面最外層原子間距離與體內(nèi)原子間距離不一樣，或者增長，或者減少. 第五張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月表面缺陷：臺階、彎折、空位等 第六張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第七張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 固體表面的吸附一、 固體對氣體的吸附第八張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月固體表面對氣體吸附的兩種形式： 物理吸附：固體表面與被吸附分子 之間的力是范德華力。 化學(xué)吸附：二者之間的力和

3、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。第九張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 物理吸附和化學(xué)吸附有著不同的特點: 物理吸附 化學(xué)吸附吸附熱： ?。s140KJ/mol） 大（40400KJ/mol）吸附力： 弱（范德華力） 強（化學(xué)鍵力）選擇性： 無 有吸附速度： 快 慢吸附層： 多分子層或單分子層 單分子層吸附結(jié)構(gòu)： 基本同吸附質(zhì)分子結(jié)構(gòu) 形成新的化合態(tài)可逆性： 可逆（易解吸） 不可逆電子轉(zhuǎn)移： 無 有吸附活化能： 不需 需，且較高吸附溫度： 低 較高第十張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第十一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月固體表面對液體吸附

4、的特點： 1電解質(zhì)吸附： 非電解質(zhì)吸附： 2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。 3固體表面的粗糙度及污染程度對吸 附有很大的影響，液體表面張力的 影響也很重要二、 固體對液體的吸附第十二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月固、液、氣三相穩(wěn)定接觸時： ：接觸角第十三張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 若 90，不潤濕，液體不易鋪展， 越大潤濕性越差； 180，完全不潤濕，液體呈球狀； 90，潤濕，液體易在表面展開， 越小潤濕性越好； 0，完全潤濕，液體完全鋪展開。第十四張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月在固、液、氣三相穩(wěn)定接觸

5、時： S = Lcos + SL Young方程式。凡能引起任一界面張力變化的因素都能影響固體表面的接觸角（即潤濕性）。 當(dāng)S SL時，則cos 0 90，此時為潤濕；而且S 和SL相差越大， 角越小，潤濕性越好。 當(dāng)S SL時，則cos 90，此時不潤濕；當(dāng)SL 越大和L 越小時，越大,不潤濕程度越嚴(yán)重。第十五張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月三相穩(wěn)定接觸情況下，三個界面張力之間必須滿足下列不等式： S L + SL 而 SLL+S2(Sd Ld)1/2-ISL 其中： Sd 、Ld 分別為固體和液體表面的范德華力； ISL是由范德華力之外的力引起的界面相互作用的勢能 上述條件可以表

6、述為： 2L 2(Sd Ld)1/2 ISL 對于碳氫化合物， ISL 0 ， Sd Ld 則完全潤濕的必要條件： L Sd第十六張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月液體和固體之間的吸附粘結(jié)力ISL可表示為： ISLL +S SL L（1cos） 即固液之間的粘結(jié)力大小是與液體表面張力L及接觸角相關(guān)的。 從Young方程可以知道：對同一種固體和液體界面組合，表面能高的固體比表面能低的固體更容易被液體潤濕。 故可以通過改變?nèi)齻€相界面上的值來調(diào)整接觸角，亦即可以通過一些表面活性物質(zhì)來改變潤濕角大小，從而改變固液表面之間的粘結(jié)力。第十七張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月三、固體對固體的

7、吸附 固體對固體表面之間同樣有吸附作用，其粘附力WAB表 示粘附程度： WAB=A+B-AB。固體對固體的吸附也有它的特點： 兩個不同物質(zhì)間的粘附功往往超過其中較弱一物質(zhì) 的內(nèi)聚力。 表面的污染會使粘附功大大減小，而這種污染是非 常迅速的。 固體的吸附作用只有當(dāng)固體斷面很小，并且很清潔 時才能表現(xiàn)出來。第十八張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 固體表面結(jié)構(gòu) 一理想表面結(jié)構(gòu) 理想表面是一種理論上的結(jié)構(gòu)完整的二維點陣平面，忽略了： 晶體內(nèi)部周期性熱場在表面中斷的影響 表面原子的熱運動及擴散現(xiàn)象 表面出現(xiàn)的缺陷 表面外界環(huán)境的作用第十九張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月二清潔表

8、面結(jié)構(gòu) 不存在任何污染的化學(xué)純表面，即不存在吸附、催化反應(yīng)或雜質(zhì)擴散等一系列物理、化學(xué)效應(yīng)的表面。 清潔表面與理想表面不同在于：它存在表面馳豫、表面重構(gòu)及表面臺階等缺陷。第二十張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月三、實際表面結(jié)構(gòu) 實際表面的一些重要特點： 1表面粗糙度： 2貝爾比層：約510nm厚的一種非晶態(tài)層,其成分為金屬和它的氧化物，而性質(zhì)與體內(nèi)明顯不同。 3殘余應(yīng)力（內(nèi)應(yīng)力）：按照作用力范圍分為宏觀內(nèi)應(yīng)力和微觀內(nèi)應(yīng)力（一種作用范圍大致與晶粒尺寸為同一數(shù)量級，另一種則更小，但卻是普遍存在的）。 4. 表面氧化，吸附和粘污：表面氧化可形成一層或多層的一種或多種氧化物（包括一些不穩(wěn)定的氧

9、化物和易揮發(fā)的氧化物）。第二十一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第四節(jié) 固體表面清洗 一、 概述 金屬表面的斷面模型圖：第二十三張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 加工層:緊靠基體，是由于機加工而造成的與材料內(nèi)部的組織、結(jié)構(gòu)不同的表面層。 擴散層:加工層組織和基體材料組織呈摻雜狀態(tài)的層帶。 氧化層:金屬材料暴露在空氣中時表面生成的膜層（氧化膜和氧化皮）。 銹 層:表面因腐蝕而生成的化學(xué)產(chǎn)物，表面疏松，與基體結(jié)合不牢，對基體無保護作用甚至還可能促進基體的進一步腐蝕。 污物層: 一般指附著在表面的微細的碳黑狀粉末，其粒度一般小于0

10、.01um(導(dǎo)電型或非導(dǎo)電型，有機污物或無機污物)第二十四張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 清潔表面時，只有加工層和擴散層可以予以保留,其它的幾層物質(zhì),都要盡可能的清洗干凈。 方法一般有：除油:除去表面油脂等污物。浸酸:一般稱除去薄氧化膜的化學(xué)處理方法。除磷:一般稱除去氧化皮的化學(xué)處理方法。酸洗:一般稱除去氧化皮、銹及表面生成物的化學(xué)處理方法。浸蝕:為了去除變質(zhì)層（加工層、擴散層），根據(jù)情況，有時需腐蝕基體的化學(xué)處理方法。第二十五張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月二、除 銹機械法:利用機械的方法（如噴砂、研磨、滾光等）使金屬制品表面達到整平的同時除去表面銹層。 化學(xué)法:利用酸

11、或堿溶液對金屬制品進行強浸蝕處理,使表面的銹層通過化學(xué)作用和浸蝕過程中所產(chǎn)生的氫氣泡的機械剝離作用而被除去。 電化學(xué)法:在酸或堿液中對金屬制品進行陰極或陽極處理除去銹層。 陽極除銹是由于化學(xué)溶解、電化學(xué)溶解和電極反應(yīng)析出的氫氣泡的機械剝落作用； 陰極除銹則是由于化學(xué)溶解和陰極析出氫氣的機械剝離作用。 第二十六張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月2.1 化學(xué)法除銹對于鋼鐵,一般使用H2SO4去除氧化皮的原理是:氧化皮 Fe2O3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3H20 Fe3O4 + 4H2SO4 = FeSO4 + Fe2(SO4)3 + 4H20 FeO + H2SO4

12、 = FeSO4 + H20基體 Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2產(chǎn)物 Fe2(SO4)3 + H2 = 2 FeSO4 + H2SO4 Fe2(SO4)3 + Fe = 3 FeSO4第二十七張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月H2SO4濃度,溫度對浸蝕時間的關(guān)系第二十八張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月溫度越高,濃度越大,則氧化皮溶解越快,一般采用10%20%的H2SO4濃度和40的浸蝕溫度為酸洗的工藝條件。用HCl去除鋼鐵件氧化皮,其原理與H2SO4相同，但速度快約1.52倍；實際生產(chǎn)中,一般采用濃度為15%(10%20%)左右和室溫條件進行酸洗。第二十九張，

13、PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月2.2 電解法除銹酸液電解：（520%的H2SO4），更容易除去粘結(jié) 牢固的氧化皮，而且酸液濃度有些變化 也不顯著影響浸蝕效果。且對基體腐蝕 小，操作管理容易，但需要設(shè)備，要增 加掛具，氧化皮溶解不均。 陰極電解：材料腐蝕少，但由于激烈析氫，易 引起氫脆。 陽極電解：借助于氧化的物理沖刷作用使氧化 皮脫落，有時可鈍化防止腐蝕，無 氫脆。 PR電解: 具有上述二者的特性。堿液電解：為克服酸液電解表面粗糙，有酸霧和 氫脆現(xiàn)象發(fā)生的現(xiàn)象。第三十張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月三、 除 油油脂有兩類: 皂化性油脂：能與堿發(fā)生皂化反應(yīng)生成 可溶于水的肥皂，

14、如動植 物油。 非皂化性油脂：不能發(fā)生皂化反應(yīng)，如 礦物油。 除油方法有： 有機溶劑 化學(xué)方法 電化學(xué)方法 超聲波法第三十一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3.1 有機溶劑除油浸洗法：將工件浸泡在有機溶劑中并加以攪拌，油脂被溶解并帶走不溶解的污物。各種有機溶劑均可使用。噴淋法：將有機溶劑噴淋于工件表面上，油脂不斷被溶解，反復(fù)噴淋直至油污全部除凈為止。易揮發(fā)的溶劑不適合，須于密閉容器內(nèi)操作。蒸汽洗法：在密閉容器內(nèi)，底部裝入有機溶劑，工件懸掛在有機溶劑上面，將溶劑加熱，溶液蒸汽在工件表面冷凝成液體并溶解油脂，連同油污一起滴落入溶劑槽中，除去工件表面上的油污。聯(lián)合處理法：采用浸洗蒸汽洗聯(lián)合

15、處理或浸洗噴淋蒸汽洗聯(lián)合處理，除油效果更好。注意：用有機溶劑進行除油時，一定要注意安全，保 持良好的通風(fēng)環(huán)境，做好各種各樣的防火措施，以免中毒，失火。第三十二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3.2 化學(xué)除油化學(xué)方法除油的原理： (1)堿溶液對皂化性油脂的皂化作用。 常用的如氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸三鈉等 (2)表面活性物質(zhì)對非皂化性油脂的乳化作用。 常用的如水玻璃、乳化劑OP-10、6501、6503洗凈劑、三乙醇胺油酸皂等第三十三張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3.3 電化學(xué)除油 在堿性電解液中，金屬工件受直流電的作用發(fā)生極化作用使金屬溶液界面張力降低，溶液易于潤濕并滲入油膜下的工件表面,使油膜易于剝落；析出大量氫或氧對油膜猛烈地撞擊和撕裂,并對溶液產(chǎn)生強烈攪拌，加強油膜表面溶液的更新，使油膜被分散成細小油珠，脫離工件表面而進入溶液中形成乳濁液。 陰極和陽極除油 陰極和陽極除油相比，相同電流下陰極除油產(chǎn)生的氫比陽極除油產(chǎn)生的氧多一倍，且氣泡小而密，乳化能力強，所以陰極除油效果更好。 第三十四張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3.4 超聲波除油 在堿溶液化學(xué)除油和電化學(xué)除油過程中