2、表面工程技術的基礎理論1.ppt

1、第二章 表面工程技術的基礎理論,2.1 固體材料的表面特性,固體的表面能 固體的表面結構 固體表面的吸附現(xiàn)象,固體材料,固體是一種重要的物質結構狀態(tài)，其表面和內部具有不同的性能。固體材料是工程技術中最普遍使用的材料。它的分類方法很多。例如按照材料特性，可將它分為金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料三類。,固體材料按所起的作用可分為 結構材料和功能材料兩大類。 結構材料 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件，機械裝備中的零件以及工具、模具等。,功能材料 功能材料是利用物質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換的材料（有時也包括具有特殊力學

2、性能的材料）。 這類材料常用來制造各種裝備中具有獨特功能的核心部件。,固體材料還可以分為晶體和非晶體兩類。晶體中的原子在三維空間內呈周期性規(guī)則重復排列，而非晶體內部原子的排列是無序的。,最輕固體材料,美國宇航局科學家研制出的一種氣凝膠，作為世界最輕的固體，已正式入選吉尼斯世界紀錄。這種新材料密度僅為，是玻璃的千分之一。 美宇航局噴氣推進實驗室發(fā)布的新聞公報說，該實驗室瓊斯博士研制出的新型氣凝膠，主要由純二氧化硅等組成。在制作過程中，液態(tài)硅化合物首先與能快速蒸發(fā)的液體溶劑混合，形成凝膠，然后將凝膠放在一種類似加壓蒸煮器的儀器中干燥，并經過加熱和降壓，形成多孔海綿狀結構。瓊斯博士最終獲得的氣凝膠中

3、空氣比例占到了.。 氣凝膠因其半透明的色彩和超輕重量，有時也被稱為“固態(tài)煙”。這種新材料看似脆弱不堪，其實非常堅固耐用，最高能承受的高溫。氣凝膠的這些特性在航天探測上有多種用途。俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”探測器上，都用到了氣凝膠材料。新入選吉尼斯世界紀錄的氣凝膠材料，特性比以往有所改進。此前，世界最輕固體的紀錄由另一種氣凝膠保持，它的密度為,固體材料的界面有三種：,（1）表面固體材料與氣體或液體的分界面。 （2）晶界（或亞晶界）多晶材料內部成分、結構相同而取向不同晶粒（或亞晶）之間的界面。同相中晶粒之間的分界面。 （3）相界固體材料中成分、結構不同的兩相之間的界面。不同凝聚相之

4、間的分界面。,2.1.1固體的表面能,固體的表面能是其表面原子受到不平衡力場的影響而產生的附加的能量。 表面產生表面能級(表面態(tài))的原因是塔姆(Tamm)首先提出的，他認為晶體的周期性勢場在表面處發(fā)生中斷引起了附加能級。因此，這種表面能級稱為塔姆表面能級或塔姆能級(Tamm Level)。,表面物理中，嚴格意義上的表面能應該是指材料表面的內能，它包括,這種意義上的表面內能無法測量其絕對值， 常用表面自由能來描述材料表面能量的變化，,表示產生單位面積新表面使體系自由能的增加。 若不考慮重力，一定體積的液體平衡時總取圓球狀，因為這樣表面積最小，表面能最低。 固體的外表面總是由若干種原子排列不同的晶

5、面組成的，一定體積的固體必然要構成總的表面自由能最低的形狀。,2.1.2 固體的表面結構,表面工程技術研究的對象是表面。固體材料表面可以分為三類： （1）理想表面 （2）清潔表面 （3）實際表面,理想表面結構,理想表面是一種理論上結構完整的二維點陣平面。 理想表面是指表面層中原子排列的對稱性與體內原子完全相同,且表面上不附著任何原子或分子的半無限晶體表面(即晶體的自由表面)。,理想表面 這種理想表面在自然界中是不存在的。,清潔表面是指經過特殊處理后，保持在超真空條件下，使外來污染少到不能用一般表面分析方法探測的表面。獲得清潔界面的方法諸如離子轟擊、高溫脫附、超高真空中解理、蒸發(fā)薄膜、場效應蒸發(fā)

6、、化學反應、分子束外延等。清潔界面是客觀存在的。但實際上，即使在106Pa109Pa超高真空下，清潔表面仍會吸附外來原子薄層。,清潔表面結構,1）弛豫表面是指表面層之間以及表面和體內原子層之間的垂直間距d1和體內原子層間距d0相比有所膨脹和壓縮的現(xiàn)象。,2）重構（reconstruction）表面重構是指表面原子層在水平方同上的周期性不同于體內，但垂直方向的層間間距d。與體內相同。表面原子重新排列。形成不同于體內的晶面。至于偏折，則是指化學組分在表面區(qū)的變化。,外來原子在固體表面上形成吸附層。 如果吸附作用由范德瓦爾斯鍵引起則此吸附稱為物理吸附。 如果吸附作用由表面化學鍵引起，則該吸附稱為化學

7、吸附。 吸附原子可以形成無序的或有序的覆蓋層。 覆蓋層可以具有和基底相同的結構，也可以形成重構表面層。,3）吸附表面,當吸附原子和基底原子之間相互作用很強時，則能形成表面合金或表面化合物。 覆蓋層結構中也存在缺陷，如空位、雜質原子為點缺陷，原子臺階或疇邊界為線缺陷，覆蓋層的結構也隨溫度發(fā)生變化。,表面晶體結構模型,描述晶體結構的物理模型著名的是單晶表面的TLK模型，所示的臺階是從原子級水平看，出現(xiàn)的比較規(guī)律的非完全平面結構的現(xiàn)象，又稱TLK結構（其中T指平臺：Terrace，L指臺階：Ledge，K指扭折：Kink）。,實際表面暴露在未加控制的大氣環(huán)境中的固體表面，或者經過一定加工處理（如切割

8、、研磨、拋光、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。 與清潔表面相比，實際表面具有以下重要特點： 表面粗糙度 貝爾比層 殘余應力,實際表面結構,1表面粗糙度,從宏觀看，經過切削、研磨、拋光的固體表面似乎很平整，然而從微觀角度觀察會發(fā)現(xiàn)表面有明顯的起伏、同時還可能有裂縫、空洞等。 （1） 輪廓算術平均偏差：Ra （2） 微觀不平度+點高度：Rz （3） 輪廓最大高度：Ry,粗糙度的表示方法：輪廓的算術平均偏差Ra：,yi為峰和谷的絕對值，n為測量個數。,Ai為真實面積，Al為Ai的投影面積。,機械加工后的表面，表面粗糙度取決于加工方法,不同加工方法形成的材料表面輪廓曲線,機

9、械加工面的表面粗糙度 加工方法 Ra（m） 珩磨 0.01 0.05 研磨 0.08 0.63 磨削 0.32 2.5 銑削 1.25 5 車削 0.63 5 鉆削 1.25 10,用鑲嵌在珩磨頭上的油石對工件表面施加一定壓力，珩磨工具或工件同時作相對旋轉和軸向直線往復運動，切除工件上極小余量的精加工方法。,珩磨,珩磨示意圖,2貝爾比層,固體材料經過切削加工后，在幾個微米或者十幾個微米的表層中可能發(fā)生組織結構的劇烈變化，既造成一定程度的晶格畸變。 這種晶格的畸變隨深度變化，而在最外的，約5nm-10nm厚度可能會形成一種非晶態(tài)層。這層非晶態(tài)稱為貝爾比層。 其成分為金屬和它的氧化物，而性質與體內

10、明顯不同。,貝爾比層具有效高的耐磨性和耐蝕性。但是在其他許多場合，貝爾比層是有害的。,比爾比層 (Bilby層),3、殘余應力,固體材料在加工變形中外力所做的功，除大部分轉化為熱能外，還有大約小于10%的功以畸變能的形式儲存在變形材料的內部。儲存能在變形材料中的具體表現(xiàn)即為殘余應力，它是一種內應力。 殘余應力對材料的許多性能和各種反應過程會產生很大的影響。 殘余應力按其作用范圍分為： 宏觀內應力和微觀內應力兩類。,2.1.3 固體表面的吸附現(xiàn)象,由于固體表面上的原子或分子力場不飽和，就有吸引周圍其它物質(主要是氣體、液體)分子的能力，從而使環(huán)境介質在固體表面上的濃度大于體相中的濃度，這種現(xiàn)象成

11、為吸附。 吸附是固體表面最重要的性質之一。,1、固體對氣體的吸附,固體表面對氣體的吸附可以分為物理吸附和化學吸附兩類。 物理吸附是固體與氣體原子之間靠范德華力作用而結合的吸附。 化學吸附是固體與氣體原子之間是靠化學鍵作用而結合的吸附。,物理吸附與化學吸附的區(qū)別,物理吸附的特點 (1)無選擇性-只要條件適宜，任何氣體都可以吸附在任何固體上 (2)吸附熱與冷凝熱相似 ( - 40kJ mol-1) (3)范德華力（色散力，偶極力） (4)低溫,應用： 測表面積和孔徑分布,物理吸附的位能曲線可近似地用Lennard-Jones勢 表示：,排斥力,吸附力,蘭納-瓊斯勢（Lennard-Jones po

12、tential function, 又稱L-J勢能函數或6-12勢能函數）是計算化學中用來模擬兩分子間作用勢能的一個函數。 等于勢能阱的深度，是互相作用的勢能正好為零時的兩體距離。在實際應用中，、參數往往通過擬合已知實驗數據或精確量子計算結果而確定。,化學吸附特點 (1)吸附熱大( - 400kJ mol-1) (2)選擇性(不同金屬，同一金屬的不同晶面） (3)化學鍵力 (4)吸附層在高溫下穩(wěn)定,應用：測活性表面積，解釋動力學,H2在Ni上的吸附位能曲線,物理吸附,過渡態(tài),化學吸附,DH-H：H2鍵能（分子接力能） qp：物理吸附熱 Ea：吸附活化能 Ed：脫附活化能 q：化學吸附熱,吸附熱

13、q= Ed -Ea,2、固體表面對液體的吸附,固體表面對液體分子同樣有吸附作用。一般是通過液體對固體表面的潤濕與鋪展來實現(xiàn)的。,潤濕作用,潤濕是指液體對固體表面浸潤、附著的能力。 能被水潤濕的固體叫親水性固體。 不能被水潤濕的固體叫憎水性固體。,潤濕角是指固、液、氣三相接觸達到平衡時，從三相接觸的公共點沿液、氣界面所引切線與固、液界面的夾角。 當90時稱為潤濕。 角越小，潤濕性越好，液體越容易在固體表面展開。 當90時稱為不潤濕。角越大，潤濕性越不好，液體越不容易在固體表面上鋪展開，并越容易收縮至接近呈圓球狀。 當0和180時，則相應地稱為完全潤濕和完全不潤濕。,角的大小，與界面張力有關。其關系服從Young方程：,