材料表面与界面(V)

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1、1固体表面1.1表面的基本特性表面是一个抽象的概念，实际常把无厚度的抽象表面叫数学表面，把厚度在几个原子层内的表面叫作物理表面，而把我们常说实际的固体表面叫工程表面。理想的晶体由原胞组成，并具有三维周期性。但实际物质不是无限的，在晶体中原子或分子的周期性排列发生大面积突然终止的地方就出现了界面，如固体－液体、固体－气体及固体－固体的界面，常把固体－气体（或真空）、固体－液体的界面称为固体的表面。很多物理化学过程：催化、腐蚀、摩擦和电子发射等都发生在“表面”，可见其重要性。1.1.1固体表面的特点(1)固体表面的凹凸不平；(2)固体中晶体晶面的不均一

2、性：各相异性、晶面不完整；(3)表面被外来物质所污染，表面吸附外来杂质；(4)制备和加工条件；金属表面的实际构成示意图工程表面对于给定条件下的表面，其实际组成及各层的厚度与表面制备过程、环境以及材料本身的性质有关。1.1.2固体表面力场定义：晶体中每个质点周围都存在着一个力场，在晶体内部，质点力场是对称的；但在固体表面，质点排列的周期重复性中断，使处于表面边界上的质点力场对称性破坏，表现出剩余的键力，称之为固体表面力。(2)范德华力（分子引力）；(1)化学力（长程力）；定向作用力FK(静电力)：发生于极性分子之间诱导作用力FD：发生于极性与非极性分

3、子之间。分散作用力FL(色散力)：发生于非极性分子之间。F范＝FK＋FD＋FL1/r7表面力的分类：1.2.1金属的晶格类型金属及其合金都是由原子或分子所组成的一种物质的凝聚集态，金属的性能不仅取决于其组成原子的本性和原子间结合键的类型，同时也取决于原子规则排列的方式。固态金属规则排列的原子即称为晶体结构。1.2表面结构基本排列形式有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。a体心立方晶格b面心立方晶格c密排六方晶格晶体结构在常用金属中：体心立方晶格：铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、铁(α-Fe)等。面心立方晶格：铝(Al)、铜(Cu

4、)、镍(Ni)、铅(Pb)和铁(γ-Fe)等。密排六方晶格：镁(Mg)、镉(Cd)、铍(Be)、锌（Zn）等。1.2.2晶体结构变化晶体结构的变化可以改变金属表面的摩擦特性。如元素钴在加热时，晶体结构从常温的密排六方晶格转变为面心立方晶格，摩擦系数增大，而当温度降到室温时，摩擦系数将减小到原来的数字。而四氯化物在温度升高到222.5K时，摩擦系数大大降低。在摩擦力的作用下，表层反复变形，温度也随之变化，接触区的晶体结构和材料结构在不断变化，导致互相作用的两表面摩擦特性的改变。所以原子由有序排列状态转化为无序排列状态是材料结构变化的重要因素之一。面心

5、立方表面原子的配位数在表面的位置配位数表面所处晶面配位数角上原子3原子在(111)上9边缘原子5原子在(100)上8表面原子M的配位数为5。而基体中的任一个原子的配位数为6。1.2.3表面结构表面上方原子的空缺，必然导致晶体表面电荷分布的变化，从而使表面原子排列或多或少发生变化。不过，实验分析表明，很多晶体材料的表面有着近乎理想的原子排列。当然，也有很多例外。金属表面出现“断键”，原子的能量会升高，为了达到一个较稳定的状态，电子也要重新分布，也就是说电子与离子、电子与电子之间的交互作用都会发生变化，使表面与体内的电子分布不同，一般要在表面形成一电偶

6、层，可降低十分之几电子伏特的表面能。材料表面电子结构的不同，在很大程度决定表面的化学性质，对金属表面的吸附和粘着是非常重要的。1.2.4表面缺陷按照几何特征，晶体缺陷主要分为：（1）点缺陷（2）线缺陷（3）面缺陷a空位b间隙原子c置换原子点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生了扭曲—晶格畸变，使金属的电阻率、屈服强度增加，金属的密度发生变化。(1)点缺陷位错破坏了原子的有序排列，位错运动可使晶体产生弹性畸变和塑性变形。位错的产生使金属接近表面处产生微孔隙，当微孔隙凝聚时就产生相平行的裂纹，当裂纹生长到极限长度时，材料就会以“薄瓣状”剥落下来。加工硬

7、化就是当位错密度随塑性变形增加而增加时，许多位错相互作用的结果。(2)线缺陷(3)面缺陷晶粒（单晶体）晶界亚晶界晶界对位错运动起阻碍作用，使金属的强度升高。晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。1.4表面成分成份是决定材料性能的主要因素。（1）金属表面成分一般特征：“金属/过渡层/空气”，而“金属/空气”极为少见。过渡层中常由氧化物、氮化物、硫化物、尘埃、油脂、吸附气体（氧、氮、二氧化碳和水汽等）所组成。过渡层为氧化物最为常见。由于一些金属元素的氧化态可变，因此，在氧化层中也包含不同氧化态的氧化物。铜：1000℃以下为：空气/CuO/Cu2O/Cu

8、;1000℃以上为：空气/Cu2O/Cu。铁：570℃以下为：空气/Fe2O3/Fe3O4/Fe;570℃以上为：空气/F