固體材料的表面特點(diǎn)及表面清洗

關(guān)于固體材料的表面特點(diǎn)及表面清洗第一頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日第一節(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(shí)際上是由凝聚態(tài)物質(zhì)靠近氣體或真空的一個(gè)或幾個(gè)原子層(0.5～10nm)

組成，是凝聚態(tài)對(duì)氣體或真空的一種過(guò)渡。穩(wěn)定狀態(tài)：能量最小第二頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日固體表面的特點(diǎn)：1．組分不同:成分偏析:很多合金在表面上會(huì)富集某種合金元素，如不銹鋼表面的

Cr可達(dá)內(nèi)部的7倍。

表面吸附外來(lái)的一些原子或分子。第三頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日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.

第四頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

表面馳豫：表面原子發(fā)生相對(duì)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(zhǎng)，或者減少.

第五頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日表面缺陷：臺(tái)階、彎折、空位等

第六頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日第七頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二節(jié)固體表面的吸附

一、固體對(duì)氣體的吸附第八頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日固體表面對(duì)氣體吸附的兩種形式：

<1>物理吸附：固體表面與被吸附分子之間的力是范德華力。

<2>化學(xué)吸附：二者之間的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。第九頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

物理吸附和化學(xué)吸附有著不同的特點(diǎn):

物理吸附化學(xué)吸附<1>吸附熱：?。s1～40KJ/mol）大（40～400KJ/mol）<2>吸附力：弱（范德華力）強(qiáng)（化學(xué)鍵力）<3>選擇性：無(wú)有<4>>吸附速度：快慢<5>吸附層：多分子層或單分子層單分子層<6>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)<7>可逆性：可逆（易解吸）不可逆<8>電子轉(zhuǎn)移：無(wú)有<9>吸附活化能：不需需，且較高<10>吸附溫度：低較高第十頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日第十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日固體表面對(duì)液體吸附的特點(diǎn)：

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(duì)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(duì)液體的吸附第十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日固、液、氣三相穩(wěn)定接觸時(shí)：θ：接觸角第十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

若θ＞90°，不潤(rùn)濕，液體不易鋪展，

θ越大潤(rùn)濕性越差；

θ＝180°，完全不潤(rùn)濕，液體呈球狀；

θ＜90°，潤(rùn)濕，液體易在表面展開(kāi)，

θ越小潤(rùn)濕性越好；

θ＝0°，完全潤(rùn)濕，液體完全鋪展開(kāi)。第十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日在固、液、氣三相穩(wěn)定接觸時(shí)：

γS=γLcosθ+γSL

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(rùn)濕性）。當(dāng)γS>γSL時(shí)，則cosθ>0→θ<90°，此時(shí)為潤(rùn)濕；而且γS和γSL相差越大，θ角越小，潤(rùn)濕性越好。當(dāng)γS<γSL時(shí)，則cosθ<0→θ>90°，此時(shí)不潤(rùn)濕；當(dāng)γSL

越大和γL

越小時(shí)，θ越大,不潤(rùn)濕程度越嚴(yán)重。第十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日三相穩(wěn)定接觸情況下，三個(gè)界面張力之間必須滿足下列不等式：

γS≥γL

+γSL

而γSL＝γL+γS－2(γSd

γLd)1/2-ISL’

其中：

γSd

、γLd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(shì)能∴上述條件可以表述為：

2γL

≤2(γSd

γLd)1/2＋I(xiàn)SL’

對(duì)于碳?xì)浠衔?，ISL’＝0，γSd

＝γLd

則完全潤(rùn)濕的必要條件：γL

≤

γSd第十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日液體和固體之間的吸附粘結(jié)力ISL可表示為：

ISL＝γL+γS–γSL

＝γL（1＋cosθ）即固液之間的粘結(jié)力大小是與液體表面張力γL及接觸角θ相關(guān)的。從Young方程可以知道：對(duì)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(rùn)濕。故可以通過(guò)改變?nèi)齻€(gè)相界面上的γ值來(lái)調(diào)整接觸角，亦即可以通過(guò)一些表面活性物質(zhì)來(lái)改變潤(rùn)濕角θ大小，從而改變固液表面之間的粘結(jié)力。第十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日三、固體對(duì)固體的吸附

固體對(duì)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=γA+γB-γAB。固體對(duì)固體的吸附也有它的特點(diǎn)：

<1>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。

<2>表面的污染會(huì)使粘附功大大減小，而這種污染是非常迅速的。

<3>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)。第十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日第三節(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(diǎn)陣平面，忽略了：①晶體內(nèi)部周期性熱場(chǎng)在表面中斷的影響②表面原子的熱運(yùn)動(dòng)及擴(kuò)散現(xiàn)象③表面出現(xiàn)的缺陷④表面外界環(huán)境的作用第十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日二．清潔表面結(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(kuò)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(tái)階等缺陷。第二十頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日三、實(shí)際表面結(jié)構(gòu)

實(shí)際表面的一些重要特點(diǎn)：

1．表面粗糙度：

2．貝爾比層：約5～10nm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(jí)，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)定的氧化物和易揮發(fā)的氧化物）。第二十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日第四節(jié)固體表面清洗

一、概述金屬表面的斷面模型圖：第二十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

加工層:緊靠基體，是由于機(jī)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(kuò)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(shí)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(duì)基體無(wú)保護(hù)作用甚至還可能促進(jìn)基體的進(jìn)一步腐蝕。

污物層:

一般指附著在表面的微細(xì)的碳黑狀粉末，其粒度一般小于0.01um(導(dǎo)電型或非導(dǎo)電型，有機(jī)污物或無(wú)機(jī)污物)

第二十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

清潔表面時(shí)，只有加工層和擴(kuò)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(kuò)散層），根據(jù)情況，有時(shí)需腐蝕基體的化學(xué)處理方法。第二十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日二、除銹機(jī)械法:利用機(jī)械的方法（如噴砂、研磨、滾光等）使金屬制品表面達(dá)到整平的同時(shí)除去表面銹層。

化學(xué)法:利用酸或堿溶液對(duì)金屬制品進(jìn)行強(qiáng)浸蝕處理,使表面的銹層通過(guò)化學(xué)作用和浸蝕過(guò)程中所產(chǎn)生的氫氣泡的機(jī)械剝離作用而被除去。

電化學(xué)法:在酸或堿液中對(duì)金屬制品進(jìn)行陰極或陽(yáng)極處理除去銹層。陽(yáng)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(jī)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(jī)械剝離作用。

第二十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.1化學(xué)法除銹對(duì)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+3H20Fe3O4+4H2SO4====FeSO4+Fe2(SO4)3+4H20FeO+H2SO4====FeSO4+H20基體

Fe+H2SO4====FeSO4+H2↑產(chǎn)物

Fe2(SO4)3+H2====2FeSO4+H2SO4Fe2(SO4)3+Fe====3FeSO4第二十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日H2SO4濃度,溫度對(duì)浸蝕時(shí)間的關(guān)系第二十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日溫度越高,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1.5～2倍；實(shí)際生產(chǎn)中,一般采用濃度為15%(10%～20%)左右和室溫條件進(jìn)行酸洗。第二十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.2電解法除銹酸液電解：（5～20%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(duì)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(yáng)極電解：借助于氧化的物理沖刷作用使氧化皮脫落，有時(shí)可鈍化防止腐蝕，無(wú)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。第三十頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日三、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，如動(dòng)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：

<1>有機(jī)溶劑

<2>化學(xué)方法

<3>電化學(xué)方法

<4>超聲波法第三十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.1有機(jī)溶劑除油浸洗法：將工件浸泡在有機(jī)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(jī)溶劑均可使用。噴淋法：將有機(jī)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(jī)溶劑，工件懸掛在有機(jī)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(jī)溶劑進(jìn)行除油時(shí)，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。第三十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.2化學(xué)除油化學(xué)方法除油的原理：

(1)堿溶液對(duì)皂化性油脂的皂化作用。常用的如氫氧化鈉、碳酸鈉、