材料表面工程技术基本理论ppt课件.ppt

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1、第二章材料表面工程技术基本理论2.1表面晶体学表面的范围：金属为1-3个原子层；半导体4-6层；绝缘体为十至几十层。表面的分类：1理想表面2清洁表面3实际表面一、理想表面一种理论上的结构完整的二维点阵平面。表面原子排列与晶体内部相同。理想表面实际上是不存在的。、清洁表面经过彻底清洗、烘干、溅射，并进行热处理后，保存在超高真空（10-12Torr)下的不存在任何污染的化学纯表面，称为清洁表面。清洁表面结构：由于表面能的作用，在原子清洁的表面上可以发生多种与体内不同的结构和成分变化。如：表面弛豫，表面重构

2、，表面偏析，表面吸附，表面化合物，表面台阶（TLK模型）。三、实际表面有一定的粗糙度、贝尔比层、残余应力、表面吸附及沾污等。原子力显微镜（AFM）图象轮廓仪得到的表面形貌固体表面形貌的表征实际表面示意图2.2材料表面现象一、材料表面缺陷1、点缺陷2、线缺陷3、面缺陷由于表面特殊的结构和表面能，使得表面有许多与晶体内部不同的性质。例如，表面吸附、表面润湿、原子的表面扩散等。表面吸附是实际固体重要的表面现象，它的存在可以显著降低表面的系统能量。吸附作用是固体表面最重要的特征之一。包括在气相中的吸附、在液相

3、中的吸附。表面吸附按其作用力的性质可分为两类：物理吸附和化学吸附。在吸附过程中，一些能量较高的吸附分子，可能克服吸附势的束缚而脱离固体表面，称为“脱附”或“解吸”。当吸附与解吸达到动态平衡时，固体表面保存着一定数量的相对稳定的吸附分子，这种吸附，称为平衡吸附。二、表面吸附物理吸附的作用力是表面原子与吸附原子之间的范得瓦尔斯力（VanderWaals）。化学吸附，在吸附剂和吸附物的原子或分子间发生电子的转移，形成了化学键。如，氧化。用于判别化学吸附和物理吸附的另一个判据是活化能。当产生化学吸附时，需要有

4、一定的活化能。这可能是由于存在一个温度界限的缘故，低于此界限就不会发生化学吸附。物理吸附无需活化能，在任何温度下都会以一定的速率，即以使吸附物布满固体表面的速率发生物理吸附。物理吸附化学吸附化学反应表面氧化膜表面化学反应是指吸附质与固体表面相互作用形成了一种新的化合物。金属表面特别是多晶体金属表面往往包含有很多缺陷：晶界、位错、台阶等，这些部位能量高，氧化也就往往从这些高能位置开始，一直到将表面覆盖。固体表面对液体分子同样有吸附作用。固体表面之间也会产生吸附。但表面必须非常光滑且为清洁表面。固体表面之

5、间的吸附模型：三、表面润湿四、表面扩散因为零件或产品久置于大气中或储运过程中被空气、各种油质所污染，使材料表面被10-102原子层厚的氧化膜、水蒸气、油、腐蚀生成物等所覆盖，从而改变了原有表面特性，给表面处理带来严重障碍。预处理就是恢复材料表面和内部差别的过程，使表面洁净并处于活性状态，即获得“清洁表面”甚至“洁净表面”。2.3基体表面预处理表面清洁度与表面粗糙度是表面工程技术预处理工艺的两个最重要指标。一方面，表面清洁度过低，不但会影响覆盖层的完整性、附着力、耐蚀性、装饰性和功能薄膜性能的连续性，严

6、重时甚至不能够实施表面工程技术；另一方面，不同的表面工程技术对零件或制品表面粗糙度的要求也不同。例如，对涂装与热喷涂工艺而言，零件或制品表面需要有一定程度的粗糙度，因为这两种工艺中材料与基体界面主要依靠机械结合与范德华力结合，一定的表面粗糙度可以增加覆盖层与基体的接触面积。2.3基体表面预处理表面预处理技术分类：表面预处理技术主要包括机械性清理、脱脂、除锈等几个部分。一、机械性清理机械性清理主要是去除材料机加工产生的毛刺、划痕、铸造沙眼、焊缝残留和氧化锈蚀层，以及获得平整表面的的常用方法。其中包括：2

7、.3基体表面预处理1）机械磨光和抛光机械磨光是用粘有磨料的磨光轮对金属表面进行磨削的过程。机械磨光可以去除零件表面的划痕、毛刺、砂眼、焊缝残留物、腐蚀痕迹和氧化皮等，使其具有一定的平整度和粗糙度。零件经磨光后表面粗糙度Ra值可达0.4μm。机械抛光工序是在装有抛光轮的抛光机上进行的。抛光轮上涂有由粒度很细小的磨料组成的抛光膏。抛光可以去掉金属表面的细微划痕。依据抛光后表面质量的不同，抛光可分为粗抛、中抛和精抛三类，经过精抛后零件表面可获得镜面光泽。2.3基体表面预处理2）滚光和刷光 滚光是将零件放

8、入盛有磨料和化学溶液的滚桶中，借滚桶的旋转使零件与磨料、零件与零件表面相互摩擦，以达到清理零件表面的过程。滚光可以起到除去零件表面少量的油和锈、整平金属表面的作用，使零件获得一定的表面光泽。该方法只适于大批量生产的小零件。 刷光是用金属丝轮或金属丝刷，在刷光机上或用手工进行刷光的表面清理过程。其目的是为了去掉制件表面上的毛刺、氧化物、残存的油污以及侵蚀后的黑膜等。一般用于小批量零件的表面预处理。2.3基体表面预处理表面预处理技术分类：二、表面清洁（脱