表面工程学二、表面物理与化学.ppt

《表面工程学二、表面物理与化学.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第一节固体的表面与界面第二章表面工程技术的物理、化学基础与固体材料相关的表面与界面表面：固体材料与气相接触的面；界面：固相之间的分界面；相界面：固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面；晶界：晶粒与晶粒之间的分界面；微晶：尺寸在微米级以下的晶粒；非晶态：尺寸小于纳米级的晶粒。（1）理想表面：将晶体切开后形成的表面；一、典型固体表面（1）理想表面典型的固体表面有：理想表面、洁净表面、清洁表面、机加工表面和一般表面。在特殊条件下获得的固体表面，表面有极少量的吸附物。几种获得洁净表面的方法:(1)在超高真空的环境下用简单的晶面劈开法获得清洁表面，如NaCl的（100）面；(2)在

2、还原气氛中加热，使沾圬物形成可挥发的化合物，如在氢气中加热还原氧化物。(3)在真空中用惰性气体离子轰击溅射表面，(4)通过真空蒸发法获得理想的单晶和多晶薄膜。（2）洁净表面零件经过去油、除锈等预处理后的表面。（3）清洁表面机械加工后的表面，表面粗糙度取决于加工方法（图2－1）。（4）机加工表面机械加工面的表面粗糙度加工方法Ra（μm）珩磨0.01~0.05研磨0.08~0.63磨削0.32~2.5铣削1.25~5车削0.63~5钻削1.25~10不同加工方法形成的材料表面轮廓曲线一般机加工后金属表面示意图毕氏层（Bilby层）：因机械加工力引起的晶格点阵强烈畸变而形成的非晶

3、态层，具有粘性液体膜似的非晶态外观，厚约5~10nm。金属材料在工业环境中被污染的实际表面示意图金属表面的实际构成示意图（5）一般表面（实际表面）放置在大气中的材料表面。一般表面（实际表面）加热过的金属表面二、表面技术中的界面（典型固体界面）表面改性处理后，新生成的表面层与基材之间结合的界面，按其结合状态可分为：（1）冶金结合：覆层与基材之间是通过熔化或熔融后重新凝固结晶而成，如堆焊。冶金结合属于金属键结合，结合强度最高。两个固相平面在加热、加压等条件下，固相原子在界面处相互扩散并连接在一起，如扩散焊。扩散结合属于原子级的冶金结合。（2）扩散结合分子扩散焊软连接沿单晶衬底的

4、晶轴向外延伸，生成与原晶格相同的新单晶涂层。如电镀的初始阶段。外延生长界面结合强度取决于结合键的类型，如分子键、共价键、离子键和金属键（依次增强）。（3）外延生长涂层与基材之间发生化学反应形成化合物，如在Ti表面沉积TiN时，界面处的N和基体的Ti作用形成Ti-N化学键。化学键的结合强度高，但界面韧性差。（4）化学键结合以范德华力结合的界面，界面上没有发生扩散或化学反应，如物理气相沉积。虽然分子键的结合力稍差，但可以满足某些要求。（5）分子键结合物理气相沉积TiN涂层与基体之间靠相互镶嵌连接结合在一起，如喷涂。机械结合的结合强度较差。（6）机械结合单晶体洁净表面的晶体结构可

5、以看作是由二维布拉菲晶格(点阵)加上结点(阵点)组成的二维周期排列形成的无限点阵。三、表面晶体结构（1）五种可能的布拉维点阵表面晶体结构（2）由于单晶体表面外侧没有固体原子的键合，形成附加表面能。表面原子有向能量最低的稳定状态发展。使表面原子处于稳定状态的方式：（1）自行调整，使表面原子的排列与内部不同；（2）依靠表面成分偏析或吸附外来原子或分子降低表面能。为了使表面原子结构和体内原子晶格匹配，表面数个原子层将发生重组（排）。一般表面原子要经过4～6个原子层之后才与体内原子结构基本相似。表面原子的重组（1）表面原子的重组（2）晶体表面的最外层往往不是一个原子级的平面，这样的

6、熵值较小，自由能比较高，所以洁净表面必然存在各种类型的表面缺陷才能得到最小的表面能，如体内缺陷在表面的露头、点缺陷、台阶、弯折等。三、表面晶体结构（3）TLK模型平台(Terrace)：低晶面指数平台；台阶(Ledge)：单分子或单原子高度的平台；扭折(Kink)：单分子或单原子尺度的扭折。三、表面晶体结构（4）固体表面上的能量是不均匀的，有的部位高，有的部位低，这将导致表面的吸附和化学反应是不均匀的。D与温度T和扩散激活能Q的关系四、表面原子扩散（1）Fick扩散第一定律：（扩散流量与浓度的关系）Fick扩散第二定律：（浓度与扩散时间的关系）扩散过程中原子平均（垂直）扩散

7、距离式中，c—常数；D—扩散系数；t—扩散时间。固体表面原子或分子要从一个位置移到另一个位置，必须克服一定的位垒（扩散激活能Q），而且要达到的位置是空着的（有缺陷）。表面扩散（2）吸附原子在（100）面上的扩散路径表面吸附原子扩散能量固体原子的活动能力按表面、界面、位错、体内依次下降，故激活能Q表D界>D位>D体。表面扩散（3）1表面张力（1）液体表面张力：使液体表面向最小表面积趋向的力。（2）固体表面张力。五、表面能及表面张力2表面能因物质表面原子和内部原子排列差别引起的一种物理表