1、表面工程学全册配套完整表面工程学全册配套完整教学课件教学课件21 绪论绪论教学目的和要求教学目的和要求掌握表面工程的定义、分类、特点（意义）等。掌握表面工程的定义、分类、特点（意义）等。 1.1表面工程学的定义和内涵表面工程学的定义和内涵n表面工程学是上个世纪八十年代中期才出现的一门新型综合性学科。表面工程学是上个世纪八十年代中期才出现的一门新型综合性学科。它是在传统的表面硬化技术和腐蚀防护基础上，引入了一些科技新成就，如气它是在传统的表面硬化技术和腐蚀防护基础上，引入了一些科技新成就，如气相沉积，离子注入，激光、电子束和等离子等技术后，拓宽了表面工程的应用范围，相沉积，离子注入，激光、电子束
2、和等离子等技术后，拓宽了表面工程的应用范围，使其成为表面硬化、表面防腐、机械修复使其成为表面硬化、表面防腐、机械修复(再制造再制造)，新材料制造、功能材料、复合，新材料制造、功能材料、复合材料、表面装饰和表面精细加工等方面不可或缺的工艺手段，被广泛应用于机械、材料、表面装饰和表面精细加工等方面不可或缺的工艺手段，被广泛应用于机械、电子、冶金、建筑、交通、航空航天、核工业及日常生活用品等领域，逐渐形成了电子、冶金、建筑、交通、航空航天、核工业及日常生活用品等领域，逐渐形成了一门一门独立独立的学科。的学科。 1983年，英国伯明翰大学成立沃福森表面工程研究所年，英国伯明翰大学成立沃福森表面工程研究
3、所 1985年，年，“表面工程表面工程”国际刊物创刊；第一界表面工程国际会议国际刊物创刊；第一界表面工程国际会议 1988年，我国年，我国“表面工程研究所表面工程研究所”成立成立(属机械工程学会属机械工程学会)；“表面工程表面工程”创刊创刊n上世纪上世纪80年代后期，美国商业部就将表面工程技术列入影响年代后期，美国商业部就将表面工程技术列入影响21世世纪人类生活的七大关键技术之一纪人类生活的七大关键技术之一（计算机科学、生命科学、新能源技术、（计算机科学、生命科学、新能源技术、新材料技术、信息技术和先进制造技术）。新材料技术、信息技术和先进制造技术）。n表面工程技术被喻为上个世纪表面工程技术被
4、喻为上个世纪80年代以来年代以来世界十项关键技术世界十项关键技术之一。之一。n表面工程学是近表面工程学是近20年来（材料科学与工程中）发展最为迅速的学年来（材料科学与工程中）发展最为迅速的学科之一。科之一。n表面工程已成为现代制造技术的重要组成部分和部分产业的关键表面工程已成为现代制造技术的重要组成部分和部分产业的关键技术支撑。技术支撑。n材料表面工程的应用范围材料表面工程的应用范围： 表面强化表面强化 防腐工程防腐工程 零部件修复零部件修复 电子电路电子电路 传感器与自动控制传感器与自动控制 表面强化、耐蚀、耐磨、表面强化、耐蚀、耐磨、修复、装饰、微细加工修复、装饰、微细加工在航空航天方面的
5、应用在航空航天方面的应用 在防护上常用涂镀技术，热浸镀技术，物理和化学气相沉积技术（在防护上常用涂镀技术，热浸镀技术，物理和化学气相沉积技术（PVD，CVD）来提高飞机、运载火箭、卫星、宇宙飞船、导弹在各种飞行恶劣环）来提高飞机、运载火箭、卫星、宇宙飞船、导弹在各种飞行恶劣环境下对材料性能产生的影响进行防护。境下对材料性能产生的影响进行防护。在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用 如第四、五代的飞如第四、五代的飞机，在停飞和飞行过程机，在停飞和飞行过程中，可能遇到中，可能遇到50的的空气摩擦升温至空气摩擦升温至200，因而在飞机蒙皮的表面因而在飞机蒙皮
6、的表面涂上高聚物涂料免受环涂上高聚物涂料免受环境介质侵蚀，减少阻力。境介质侵蚀，减少阻力。 飞机的蒙皮、雷达罩、发动机的尾飞机的蒙皮、雷达罩、发动机的尾喷管、座舱都采用隐身涂层，雷达罩喷管、座舱都采用隐身涂层，雷达罩和尾喷管采用和尾喷管采用SnO2和和In2O3等掺杂半导等掺杂半导体材料作填料和适当的载流子浓度及体材料作填料和适当的载流子浓度及迁移率以及等离子体频率，使其具有迁移率以及等离子体频率，使其具有兼容雷达和红外隐身。美国的兼容雷达和红外隐身。美国的TF39发发动机轴承，离子注入铬磷，可解决动机轴承，离子注入铬磷，可解决点蚀、磨蚀，提高发动机轴承的使用点蚀、磨蚀，提高发动机轴承的使用寿
7、命。寿命。 在航空航天方面的应用在航空航天方面的应用奔 驰 系 列 在车身涂装上，设计选用电泳底漆、中间涂层、面漆三涂层体在车身涂装上，设计选用电泳底漆、中间涂层、面漆三涂层体系，不仅使车身具有防腐蚀功能，更具有亮丽、闪光色彩。系，不仅使车身具有防腐蚀功能，更具有亮丽、闪光色彩。一、表面工程技术的定义一、表面工程技术的定义n为满足特定的工程需求，使为满足特定的工程需求，使材料或零部材料或零部件件表面表面具有特殊的具有特殊的成分、成分、结构和性能结构和性能(或功能或功能)的化学、物理方法与工艺。的化学、物理方法与工艺。关于表面工程：关于表面工程：n表面工程是以表面科学为理论基础，以表面工程是以表
8、面科学为理论基础，以表面表面和和界面界面行为为研究对行为为研究对象，把相互依存、相互分工的零件基体与零件表面构成一个系统，象，把相互依存、相互分工的零件基体与零件表面构成一个系统，同时又综合了失效分析、表面技术、表面层材料、表面层性能、同时又综合了失效分析、表面技术、表面层材料、表面层性能、预处理和后加工、表面检测技术、表面质量控制、使用寿命评估、预处理和后加工、表面检测技术、表面质量控制、使用寿命评估、表面施工管理、技术经济分析、三废处理和重大工程实践等多项表面施工管理、技术经济分析、三废处理和重大工程实践等多项内容。内容。n表面工程是一项系统工程。表面工程是一项系统工程。二、表面工程技术的
9、内涵二、表面工程技术的内涵n表面改性技术表面改性技术n表面（微细）加工技术表面（微细）加工技术n表面合成材料技术表面合成材料技术n表面加工三维合成技术表面加工三维合成技术n上述要点的组合或综合上述要点的组合或综合高深宽比高深宽比GaN深刻蚀深刻蚀 （深：（深：4m，宽：，宽：0.6m）1.2表面工程技术的特点与意义表面工程技术的特点与意义表面工程技术具有一般整体材料加工技术不具备的优点。表面工程技术具有一般整体材料加工技术不具备的优点。n主要作用在基材表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大主要作用在基材表面，对远离表面的基材内部组织与性能影响不大。因此，可以。因此，可以制备表面性能与基材
10、性能相差很大的复合材料。制备表面性能与基材性能相差很大的复合材料。n采用表面涂采用表面涂(镀镀)、表面合金化技术取代整体合金化，使普通、廉价的材料表面具、表面合金化技术取代整体合金化，使普通、廉价的材料表面具有特殊的性能，有特殊的性能，不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零部件的耐磨不仅可以节约大量贵重金属，而且可以大幅度提高零部件的耐磨性和耐蚀性，提高劳动生产率，降低生产成本。性和耐蚀性，提高劳动生产率，降低生产成本。n可以兼有装饰和防护功能可以兼有装饰和防护功能，有力推动了产品的更新换代。，有力推动了产品的更新换代。n表面薄膜技术和表面微细加工技术具有微细加工功能，表面薄膜技术和表
11、面微细加工技术具有微细加工功能，是制作大规模集成电路、是制作大规模集成电路、光导纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元器件的基础技术。光导纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元器件的基础技术。n二维的表面处理技术已发展成为三维零件制造技术二维的表面处理技术已发展成为三维零件制造技术（生长型制造法），不仅大幅（生长型制造法），不仅大幅度降低了零部件的制造成本，亦使设计与生产速度成倍提高。度降低了零部件的制造成本，亦使设计与生产速度成倍提高。n表面工程技术已成为制备新材料的重要方法表面工程技术已成为制备新材料的重要方法，可以在材料表面制备整体合金化难，可以在材料表面制备整体合金化难以做到的特殊性能合金等。
12、以做到的特殊性能合金等。金属材料表面工程学的地位：金属材料表面工程学的地位： n表面工程技术所涉及的基材包括几乎所有的工程材料，如金属、表面工程技术所涉及的基材包括几乎所有的工程材料，如金属、陶瓷、半导体材料、高分子材料、混凝土、木材和各类复合材料陶瓷、半导体材料、高分子材料、混凝土、木材和各类复合材料等。等。n金属材料，特别是钢铁材料，目前仍旧是机械、设备和工程构件金属材料，特别是钢铁材料，目前仍旧是机械、设备和工程构件的主要材料。的主要材料。 机械行业中：机械行业中： 钢铁材料：钢铁材料：93% 有色金属：有色金属：2% 非金属材料：非金属材料：5%据统计，世界钢材的据统计，世界钢材的10
13、%因腐蚀而损失。因腐蚀而损失。（2015年，世界钢铁产量约为年，世界钢铁产量约为16亿吨，亿吨，其中我国约为其中我国约为8亿吨。）亿吨。）机械零件失效的主要形式：机械零件失效的主要形式： n塑性变形：材料强度不足或过载使用；塑性变形：材料强度不足或过载使用；n断裂：韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂；断裂：韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂；n磨损：按磨损机理分为磨料磨损、冲蚀磨损、粘着磨损和疲劳磨损等七大类；磨损：按磨损机理分为磨料磨损、冲蚀磨损、粘着磨损和疲劳磨损等七大类；n腐蚀：在环境及周围介质作用下产生。腐蚀：在环境及周围介质作用下产生。n在以上四种失效形式中，磨损、疲劳和腐蚀占在以上四种失效形式
14、中，磨损、疲劳和腐蚀占80%以上。以上。 实验证实：失效通常是从材料的表面开始的，而且往往是因其表面性能不高所致。实验证实：失效通常是从材料的表面开始的，而且往往是因其表面性能不高所致。 研究金属材料的表面及其相应的强化方法有十分重要的意义。研究金属材料的表面及其相应的强化方法有十分重要的意义。1.3表面工程技术的分类表面工程技术的分类n表面改性技术表面改性技术表面组织转化技术表面组织转化技术表面涂镀技术表面涂镀技术表面合金化和掺杂技术表面合金化和掺杂技术n表面微细加工技术表面微细加工技术n表面加工三维成型技术表面加工三维成型技术n表面合成新材料技术表面合成新材料技术n复合表面技术复合表面技术
15、（上述几个要点的组合或综合）（上述几个要点的组合或综合）思考题思考题 n从机械零部件失效的主要形式及比例出发，说明研发表面工程技术从机械零部件失效的主要形式及比例出发，说明研发表面工程技术的重要意义。的重要意义。n试举例说明表面工程技术的效用。试举例说明表面工程技术的效用。 2 表面工程技术的物理、化学基础表面工程技术的物理、化学基础教学目的和要求教学目的和要求 掌握固体掌握固体(金属金属)的重要表面特性，材料磨损及腐蚀基的重要表面特性，材料磨损及腐蚀基本原理。本原理。 前言前言成功运用表面工程技术的三要素：成功运用表面工程技术的三要素：n掌握材料表面与界面的基础知识掌握材料表面与界面的基础知
16、识n掌握各种表面工程技术的特点掌握各种表面工程技术的特点n了解与掌握影响材料表面性能的主要因素了解与掌握影响材料表面性能的主要因素2.1固体的表面和界面固体的表面和界面 n（外）表面（定义）：（外）表面（定义）： 固体与周围环境（气相、液相和真空）之间的分界面（固体与周围环境（气相、液相和真空）之间的分界面（过渡区过渡区）。）。 因环境不同，过渡区的组成和深度不同。因环境不同，过渡区的组成和深度不同。n界面（定义）：界面（定义）： 固体之间的分界面称为界面；界面是一种二维的结构缺陷。固体之间的分界面称为界面；界面是一种二维的结构缺陷。 在体系中，结构和成分不同的区域间；或结构和成分均相同，但取
17、向不同的两晶粒在体系中，结构和成分不同的区域间；或结构和成分均相同，但取向不同的两晶粒间的交界面都称为界面。间的交界面都称为界面。 前者称前者称相界相界，而后者称为，而后者称为晶界晶界。一、典型固体表面一、典型固体表面1. 理想表面理想表面n 定义：向无限晶体内插入一个平面并切断插入面两侧的原子结合键后，将其分为定义：向无限晶体内插入一个平面并切断插入面两侧的原子结合键后，将其分为两部分而形成的两个新的表面称为理想表面。两部分而形成的两个新的表面称为理想表面。n 特点：此过程中除了晶体附加了一组边界条件外，无任何其它改变。在半无限晶特点：此过程中除了晶体附加了一组边界条件外，无任何其它改变。在
18、半无限晶体内部，原子和电子的状态与原来无限晶体的情况一样。体内部，原子和电子的状态与原来无限晶体的情况一样。 理想表面实际不存在（是理论分析的基础）。理想表面实际不存在（是理论分析的基础）。实际表面存在表面能。实际表面存在表面能。理想表面形成示意图理想表面形成示意图1-1.实际表面实际表面n定义：与理想表面不相同的实际的表面定义：与理想表面不相同的实际的表面（温度在（温度在0K以上的表面）。以上的表面）。 nJ.W.Gibbs于于1877年首先提出：在气固相界面年首先提出：在气固相界面处存在一种二维凝聚物相。处存在一种二维凝聚物相。 n特点：特点：1.驰豫及重构驰豫及重构 2.合金的表面偏析合
19、金的表面偏析 3.表面吸附和表面化合物表面吸附和表面化合物 4.表面缺陷表面缺陷 驰驰 豫豫重重 构构表面原子的驰豫与重构表面原子的驰豫与重构 表面吸附表面吸附表面偏析表面偏析2.洁净表面与清洁表面洁净表面与清洁表面n洁净表面（定义）：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分仍与洁净表面（定义）：材料表层原子结构的周期性不同于体内，但其化学成分仍与体内相同的表面。体内相同的表面。n洁净表面允许有吸附物，但其覆盖的几率应该非常低。洁净表面允许有吸附物，但其覆盖的几率应该非常低。n洁净表面只有用特殊的方法才能得到洁净表面只有用特殊的方法才能得到n清洁表面（定义）：一般指零件经过清洗清洁表面
20、（定义）：一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等脱脂、浸蚀等)以后的表面。以后的表面。n清洁表面易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。清洁表面易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。n洁净表面的洁净表面的“清洁程度清洁程度”比清洁表面高。比清洁表面高。洁净表面与清洁表面这一对概念很重要。洁净表面与清洁表面这一对概念很重要。3.机械加工后的表面机械加工后的表面表面的粗糙度和波度构成了金属的表面形貌。表面的粗糙度和波度构成了金属的表面形貌。n波纹度波纹度:金属表面呈波浪形的有规律和无规律的表面反复结构误差称为波纹度。金属表面呈波浪形的有规律和无规律的表面反复结构误差称为波纹度。波纹度的波距与波深的比为：波
21、纹度的波距与波深的比为：1000：1100。 n粗糙度粗糙度:加工表面所具有的微小凹凸和微小峰谷所组成的微观几何形状就构成了其特征。加工表面所具有的微小凹凸和微小峰谷所组成的微观几何形状就构成了其特征。粗糙度的波距与波深之比常常为粗糙度的波距与波深之比常常为150：15。波纹度是间距大于表面粗糙度但小于表面几何形状误差的表面几何不平度，属波纹度是间距大于表面粗糙度但小于表面几何形状误差的表面几何不平度，属于微观和宏观之间的几何误差。于微观和宏观之间的几何误差。 n粗糙度的表示粗糙度的表示: :1、轮廓的算术平均偏差、轮廓的算术平均偏差Ra：式中：式中：y i 为为波峰高或波谷深的数值波峰高或波
22、谷深的数值，n为测量的波峰或波谷的个数。为测量的波峰或波谷的个数。2、真实面积与投影面积之比、真实面积与投影面积之比 i ： i A i /A l 式中：式中： A i为真实面积，为真实面积，A l 为的投影面积（理想的几何学面积）为的投影面积（理想的几何学面积） 显然，显然， i 1表面光洁度表面光洁度 1 3 5 7 9 11 13表面粗糙度表面粗糙度Ra（m）5012.53.20.800.200.0500.012式式(2-1)式式(2-2)经过仔细研磨的金属：经过仔细研磨的金属： i 2它与表面工程技术的特征它与表面工程技术的特征及实施前的预备工艺紧密及实施前的预备工艺紧密联系，并严重影
23、响材料的联系，并严重影响材料的摩擦磨损、腐蚀性能、表摩擦磨损、腐蚀性能、表面磁性能和电性能等。面磁性能和电性能等。材料的表面粗糙度是表面工程技术中材料的表面粗糙度是表面工程技术中最重要最重要的概念之一。的概念之一。（控制最后一道加工工序。）（控制最后一道加工工序。）（与实际情况的对应关系）（与实际情况的对应关系） 14 （0.006m）：镜面）：镜面 13（0.012m）：雾状镜面）：雾状镜面 12 （0.025m）：镜状光泽面）：镜状光泽面 11 （0.050m）：亮光泽面）：亮光泽面 10（ 0.10m）：暗光泽面）：暗光泽面 9（0.20m）：不可见加工痕迹方向）：不可见加工痕迹方向8（
24、0.40 m）：微见加工痕迹方向）：微见加工痕迹方向 7 （0.80m）：可见加工痕迹方向）：可见加工痕迹方向 6 （1.60 m）：看不清加工痕迹方向）：看不清加工痕迹方向5（3.2m）：微见加工痕迹方向）：微见加工痕迹方向 4（6.3m）：可见加工痕迹方向）：可见加工痕迹方向 3（12.5m）：微见刀痕）：微见刀痕 2（25m）：可见刀痕）：可见刀痕 1（50m）：明显可见刀痕）：明显可见刀痕 4.一般表面一般表面n由于表面原子处于非平衡状态，一般表面会吸咐一层外来原子。由于表面原子处于非平衡状态，一般表面会吸咐一层外来原子。n常温常压条件下，金属表面会被氧化（金除外）。常温常压条件下，金
25、属表面会被氧化（金除外）。n要求进行表面预处理。要求进行表面预处理。二、典型固体界面二、典型固体界面1.基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面n微晶层微晶层(比尔比层比尔比层(Bilby)层层)：1100nm厚的晶粒微小的厚的晶粒微小的微晶层。微晶层。n塑性变形层：塑变程度和它的深度有关。塑性变形层：塑变程度和它的深度有关。n其它变质层：其它变质层： (1)形成孪晶：形成孪晶：Zn,Ti等密排六方结构的金属表层会形成孪晶等密排六方结构的金属表层会形成孪晶;(2)发生相变：发生相变：18-8型奥代体不锈钢，型奥代体不锈钢，黄铜、淬火钢中的残黄铜、淬火钢中
26、的残余奥氏体，高锰钢等会形成相变层；余奥氏体，高锰钢等会形成相变层；(3)发生再结晶：发生再结晶：Sn、Pb、Zn等低熔点金属加工后表层能够等低熔点金属加工后表层能够形成再结晶层。形成再结晶层。(4)发生时效和出现表层裂纹等。发生时效和出现表层裂纹等。塑变深度塑变深度(m)0 10 20 3054321变形量变形量(%)2.基于固相组织或晶体结构差异形成的界面基于固相组织或晶体结构差异形成的界面n典型特征是两相之间的微观成分与组织存在很大的典型特征是两相之间的微观成分与组织存在很大的差异，但无宏观成分上的明显区别（珠光体），且差异，但无宏观成分上的明显区别（珠光体），且宏观组织变化存在渐变区域
27、宏观组织变化存在渐变区域(表面淬火组织表面淬火组织)，在服，在服役过程中役过程中不易出现不易出现表层剥落等情况。表层剥落等情况。3.基于固相宏观成分差异形成的界面（基于固相宏观成分差异形成的界面（覆层界面覆层界面）n冶金结合界面冶金结合界面n扩散结合界面扩散结合界面n外延生长界面外延生长界面n化学键结合界面化学键结合界面n分子键结合界面分子键结合界面n机械结合界面机械结合界面 实际表面改性层中界面的结合机理常常是上述几种机理的综合。实际表面改性层中界面的结合机理常常是上述几种机理的综合。应根据需要设计、控制界面的结合机理。应根据需要设计、控制界面的结合机理。结合强度较高结合强度较高结合强度较低
28、结合强度较低冶金结合界面冶金结合界面n定义：当覆层与基体材料之间的界面结合是通过处于熔融状态的覆层材料沿处于定义：当覆层与基体材料之间的界面结合是通过处于熔融状态的覆层材料沿处于半熔化状态下的固体基材表面向外凝固结晶而形成时，覆层与基材的结合界面。半熔化状态下的固体基材表面向外凝固结晶而形成时，覆层与基材的结合界面。n实质：金属键结合实质：金属键结合n特点：结合强度很高，可以承受较大的外力或载荷，不易在服役过程中发生剥落。特点：结合强度很高，可以承受较大的外力或载荷，不易在服役过程中发生剥落。n技术：激光熔覆技术、堆焊与喷焊技术等。技术：激光熔覆技术、堆焊与喷焊技术等。扩散结合界面扩散结合界面
29、n定义：两个固相直接接触，通过抽真空、加热、加压、定义：两个固相直接接触，通过抽真空、加热、加压、界面扩散和反应等途径所形成的结合界面。界面扩散和反应等途径所形成的结合界面。n特点：覆层与基材之间的成分梯度变化，并形成了原子特点：覆层与基材之间的成分梯度变化，并形成了原子级别的混合或合金化。级别的混合或合金化。n技术：热扩渗工艺、离子注入工艺（技术：热扩渗工艺、离子注入工艺（“类扩散类扩散”界面）界面）等。等。金属间化合物：两种或两种以上金属以整数比（化学计量）金属间化合物：两种或两种以上金属以整数比（化学计量）组成的化合物。组成的化合物。除离子键和共价键之外，金属间化合物有很强的金属键结除离
30、子键和共价键之外，金属间化合物有很强的金属键结合，因而它具有金属的一些特性。合，因而它具有金属的一些特性。金属间化合物仍然是金属材料。金属间化合物仍然是金属材料。 (异质异质)外延生长界面外延生长界面n定义：当工艺条件合适时，在（单晶）衬底定义：当工艺条件合适时，在（单晶）衬底表面沿原来的结晶轴向生成一层晶格完整的表面沿原来的结晶轴向生成一层晶格完整的新单晶层的工艺过程，就称为外延生长，形新单晶层的工艺过程，就称为外延生长，形成的界面称为外延生长界面。成的界面称为外延生长界面。n关键：关键：结晶相容性（晶格失配数结晶相容性（晶格失配数m小）小）m=b-a/aa-基体晶格常数，基体晶格常数，b-
31、薄膜晶格常数薄膜晶格常数n特点：理论上应有较好的结合强度。具体取特点：理论上应有较好的结合强度。具体取决于所形成的单晶层与衬底的结合键类型，决于所形成的单晶层与衬底的结合键类型，如分子键、共价键、离子键或金属键等。如分子键、共价键、离子键或金属键等。n技术：气相外延（化学气相沉积技术等）、技术：气相外延（化学气相沉积技术等）、液相外延（电镀技术等）。液相外延（电镀技术等）。衬底衬底SubstrateFilm缺失面缺失面失配位错失配位错Film衬底衬底Substrate化学键结合界面化学键结合界面n定义：当覆层材料与基材之间发生化学反应，定义：当覆层材料与基材之间发生化学反应，形成成分固定的化合
32、物时，两种材料的界面形成成分固定的化合物时，两种材料的界面就称为化学键结合界面。就称为化学键结合界面。n特点：结合强度较高，界面的韧性较差；表特点：结合强度较高，界面的韧性较差；表面发生粘连、氧化、腐蚀等化学作用也会产面发生粘连、氧化、腐蚀等化学作用也会产生化学键结合界面。生化学键结合界面。n技术：物理和化学气相沉积技术、离子注入技术：物理和化学气相沉积技术、离子注入技术、热扩渗技术、转化膜技术等。技术、热扩渗技术、转化膜技术等。阳极氧化阳极氧化+涂装涂装分子键结合界面分子键结合界面n定义：涂定义：涂(镀镀)层与基材表面以范德华力结合的界面。层与基材表面以范德华力结合的界面。n特点：覆层与基材
33、特点：覆层与基材(或衬底或衬底)之间未发生扩散或化学之间未发生扩散或化学作用。结合强度较低。作用。结合强度较低。n技术：部分（低温）物理气相技术、涂装技术等。技术：部分（低温）物理气相技术、涂装技术等。阳极氧化阳极氧化+涂装涂装机械结合界面机械结合界面n定义：覆层与基材的结合界面主要通过两种定义：覆层与基材的结合界面主要通过两种材料相互镶嵌等机械连接作用而形成。材料相互镶嵌等机械连接作用而形成。n特点：结合强度不高，但可起辅助作用。特点：结合强度不高，但可起辅助作用。n技术：热喷涂、包镀技术、涂装技术等。技术：热喷涂、包镀技术、涂装技术等。实际表面改性层中界面的结合机理常常实际表面改性层中界面
34、的结合机理常常是上述几种机理的综合。是上述几种机理的综合。应根据需要设计、控制界面的结合机理。应根据需要设计、控制界面的结合机理。机械结合界面示意图机械结合界面示意图阳极氧化膜的多孔结构阳极氧化膜的多孔结构三、表面晶体结构三、表面晶体结构n二维晶体结构二维晶体结构(二维布拉菲晶格二维布拉菲晶格) 任何一个二维周期性的结构均可用一个二维晶格（点阵）加上结点（阵点）来描任何一个二维周期性的结构均可用一个二维晶格（点阵）加上结点（阵点）来描述，称为二维晶格。述，称为二维晶格。(呈二维周期性排列而形成的无限平面点阵，每个结点周围的情呈二维周期性排列而形成的无限平面点阵，每个结点周围的情况是相同的。况是
35、相同的。) 五种布拉菲二维晶格及晶胞五种布拉菲二维晶格及晶胞nTLK模型（模型（当温度为当温度为0K时时理想表面理想表面）：在温度相当于在温度相当于0K时，表面原子结构呈静态。表面原子层可认为是理想平面，时，表面原子结构呈静态。表面原子层可认为是理想平面，其中的原子作完整二维周期性排列，且不存在缺陷和杂质。其中的原子作完整二维周期性排列，且不存在缺陷和杂质。五种布拉菲二维晶格及晶胞五种布拉菲二维晶格及晶胞nTLK模型（模型（当温度在当温度在0K以上时以上时实际表面实际表面）：当温度在当温度在0K以上时，由于原子的热运动，晶体表面将产生低晶面指数的以上时，由于原子的热运动，晶体表面将产生低晶面指
36、数的平台平台、一定密度的单分子或原子高度的一定密度的单分子或原子高度的台阶台阶、单分子或原子尺度的、单分子或原子尺度的扭折扭折，以及表面吸附，以及表面吸附的单原子及表面空位等。的单原子及表面空位等。n实际表面上还存在大量各种类型的缺陷，如原子空位、位错露头实际表面上还存在大量各种类型的缺陷，如原子空位、位错露头和晶界痕迹等和晶界痕迹等物理缺陷物理缺陷，材料组分和杂质原子偏析等，材料组分和杂质原子偏析等化学缺陷化学缺陷。上述表面缺陷对于固体材料的表面状态和表面形成过程都有重上述表面缺陷对于固体材料的表面状态和表面形成过程都有重要影响。要影响。（表面吸附、表面扩散、形核等）（表面吸附、表面扩散、形
37、核等）TLK模型：平台模型：平台(Terrace)一台阶一台阶(Ledge)一扭折一扭折(Kink)模型模型（补充）表面现象（补充）表面现象n定义：固体表面上产生的各种物理及化学现象称为表面现象。定义：固体表面上产生的各种物理及化学现象称为表面现象。n种类：表面扩散、吸附、润湿、粘着和毛细现象等。种类：表面扩散、吸附、润湿、粘着和毛细现象等。n意义：工农业生产上广泛利用金属的各种表面现象。意义：工农业生产上广泛利用金属的各种表面现象。 在铸造、焊接、金属表面技术及防护、表面涂覆等均会涉及到。在铸造、焊接、金属表面技术及防护、表面涂覆等均会涉及到。n关系：金属的各种表面现象与表面自由能密切相关并
38、普遍存在于多相体系内。关系：金属的各种表面现象与表面自由能密切相关并普遍存在于多相体系内。实际表面存在表面能。实际表面存在表面能。四、表面扩散四、表面扩散n物质中原子或分子的迁移现象称为扩散。物质中原子或分子的迁移现象称为扩散。n可由可由Fick第第和第和第定律来描述，扩散过程中原子平均扩散距离定律来描述，扩散过程中原子平均扩散距离X为为: c 其中：其中：t为扩散时间；为扩散时间；c为受几何因素影响的常数；为受几何因素影响的常数；D为扩散系数，为扩散系数，决定扩散决定扩散速率大小速率大小。 D=D0exp( - Q/RT) Q为扩散激活能，受材料的晶格结构，固溶体的类型，合金元素的为扩散激活
39、能，受材料的晶格结构，固溶体的类型，合金元素的浓度及含量和浓度及含量和扩散路径扩散路径等因素的影响。等因素的影响。Dt 扩散系数：扩散系数：D=D0exp( - Q/RT)n原子的扩散途径除了最基本的体扩散过程外，还有原子的扩散途径除了最基本的体扩散过程外，还有表面扩散表面扩散、晶界扩散、晶界扩散和位错扩散和位错扩散(短路扩散短路扩散)。Q表表 Q界界 Q位位 Q体体D表表 D界界 D位位 D体体n表面原子受到的束缚较晶界和晶内低得多，原子在表面迁移所需能量也表面原子受到的束缚较晶界和晶内低得多，原子在表面迁移所需能量也小得多。小得多。 表面扩散在表面工程技术中的薄膜形核及长大过程中起十分重要
40、的作用。表面扩散在表面工程技术中的薄膜形核及长大过程中起十分重要的作用。五、五、 表面（自由）能与表面张力表面（自由）能与表面张力 固体和液体的表面均处于空间三向不对称状态，故存在固体和液体的表面均处于空间三向不对称状态，故存在表面自由能表面自由能和和表表面张力面张力。 液体的表面自由能液体的表面自由能n产生原因：产生原因： 液体（熔体金属）的表面原子受到向内的吸引力的作用。欲使其内部原子转变为液体（熔体金属）的表面原子受到向内的吸引力的作用。欲使其内部原子转变为表面原子，即增大表面积，需要环境对体系作功，从而形成表面能。表面原子，即增大表面积，需要环境对体系作功，从而形成表面能。n定义：定义
41、： 增大增大(液体液体)表面积所需要的功表面积所需要的功(能量能量)就是就是(液体液体)表面自由能。表面自由能。液体的表面张力液体的表面张力n产生原因：产生原因： 处于表面的原子在向内的吸引力作用下，有进入液体内部的趋势，即缩小表面积处于表面的原子在向内的吸引力作用下，有进入液体内部的趋势，即缩小表面积的趋势，从而产生表面张力。的趋势，从而产生表面张力。n定义：定义： 液体表面切线方向上存在的使其表面积缩小的力称为表面张力。液体表面切线方向上存在的使其表面积缩小的力称为表面张力。 n实验：实验： 如上图，在无摩擦的活动边如上图，在无摩擦的活动边AB的铁丝框上涂满肥皂沫，为使膜不收缩，应在的铁丝
42、框上涂满肥皂沫，为使膜不收缩，应在活动边上加外力活动边上加外力F。n试验证明：试验证明： 施加的外力施加的外力F与活动边边长与活动边边长L成正比，即成正比，即 F=2 L =F/2L 式中：式中：“2”是因为液膜有两个表面；是因为液膜有两个表面； 即为表面张力即为表面张力(或张力系数或张力系数)； 表面张力的方向与液面相切，且力图使表面积缩小，其单位为：表面张力的方向与液面相切，且力图使表面积缩小，其单位为：N/m。 xLFAB肥皂膜肥皂膜增大增大(液体液体)表面积所需要的功表面积所需要的功(能量能量)就是就是(液体液体)表面自由能。表面自由能。n表面自由能：表面自由能：若使上图活动边若使上图
43、活动边AB移动移动dx的距离，根据表面自由能的定义，表面自由能与液膜面的距离，根据表面自由能的定义，表面自由能与液膜面积的变化关系为：积的变化关系为： G=Fdx=2Ldx 称单位面积的表面自由能为称单位面积的表面自由能为比表面自由能比表面自由能(Fs)，即：，即： Fs=G/S=2Ldx/2Ldx = 由此可知，液体的由此可知，液体的比表面自由能比表面自由能Fs与表面张力与表面张力在数值上是相等的在数值上是相等的，其单位为：，其单位为：J/m2 （实际上，（实际上，1J/ m2=1Nm/m2=1N/m，故二者是有联系的。但一个是单位面积的能，故二者是有联系的。但一个是单位面积的能，而另一个则
44、为单位长度的力。而另一个则为单位长度的力。 ）液体表面自由能和表面张力在数值上是相等的，容易测定。液体表面自由能和表面张力在数值上是相等的，容易测定。xLFAB肥皂膜肥皂膜1.（固体）表面（自由）能（固体）表面（自由）能n严格意义上的表面能是指材料表面的内能，无法测量其绝对值。严格意义上的表面能是指材料表面的内能，无法测量其绝对值。n常用常用表面自由能表面自由能来描述材料表面能量的来描述材料表面能量的变化变化，其物理意义是指产生，其物理意义是指产生1cm2新表面需新表面需消耗的等温可逆功。消耗的等温可逆功。n若不考虑重力，一定体积的液体平衡时总取圆球状，因为这样表面积最小，表面若不考虑重力，一
45、定体积的液体平衡时总取圆球状，因为这样表面积最小，表面能最低。能最低。n固体的外表面总是由若干种原子排列不同的晶面组成的，一定体积的固体必然要固体的外表面总是由若干种原子排列不同的晶面组成的，一定体积的固体必然要构成总的表面自由能最低的形状。（粉末团聚）构成总的表面自由能最低的形状。（粉末团聚）2（固体）表面张力（固体）表面张力n表面张力是表面能的一种物理表现，是由于原子间的作用力以及表面张力是表面能的一种物理表现，是由于原子间的作用力以及原子原子在表面和内在表面和内部的排列状态的差别而引起的。部的排列状态的差别而引起的。n表面张力和表面自由能的关系密切。表面张力和表面自由能的关系密切。n液体
46、表面自由能和表面张力在数学上是相等的，容易测定。液体表面自由能和表面张力在数学上是相等的，容易测定。n固体的表面张力很难准确测定。固体的表面张力很难准确测定。表面自由能和表面张力对其表面性能影响极大，应充分重视。表面自由能和表面张力对其表面性能影响极大，应充分重视。六、固体表面的物理吸附和化学吸附六、固体表面的物理吸附和化学吸附1吸附的基本特性吸附的基本特性n吸附作用：物体表面上的原子或分子力场不饱和，有吸引周围其它物质吸附作用：物体表面上的原子或分子力场不饱和，有吸引周围其它物质(主要是气主要是气体、液体体、液体)分子的能力。分子的能力。n定义：当气体和液体与固体表面接触时，在固体表面的气体
47、或液体增加或减少的定义：当气体和液体与固体表面接触时，在固体表面的气体或液体增加或减少的现象称为吸附现象现象称为吸附现象n吸附是固体表面最重要的性质之一。吸附是固体表面最重要的性质之一。n固体表面的吸附可分为物理吸附和化学吸附两类。（表固体表面的吸附可分为物理吸附和化学吸附两类。（表2-1）n化学吸附中，吸附原子与固体表面之间的结合力比物理吸附中的范德华力大得多。化学吸附中，吸附原子与固体表面之间的结合力比物理吸附中的范德华力大得多。n物理吸附中吸附剂和固体表面之间不发生电子的转移；化学吸附中有电子的转移。物理吸附中吸附剂和固体表面之间不发生电子的转移；化学吸附中有电子的转移。n物理吸附往往很
48、容易解吸，为可逆过程；而化学吸附很难解吸，为不可逆过程。物理吸附往往很容易解吸，为可逆过程；而化学吸附很难解吸，为不可逆过程。n有时会出现化学吸附和物理吸附同时存在的现象。有时会出现化学吸附和物理吸附同时存在的现象。2.固体对气体的吸咐固体对气体的吸咐n任何气体在其任何气体在其临界温度临界温度以上，都会被吸附于固体表面，即发生物理吸附。以上，都会被吸附于固体表面，即发生物理吸附。n常见气体对大多数金属而言，其吸附强度大致可以按下列顺序排列：常见气体对大多数金属而言，其吸附强度大致可以按下列顺序排列： 02 C2H2 C2H4 CO H2 C02 N2n固体表面对气体的吸附在表面工程技术中的作用
49、非常重要。固体表面对气体的吸附在表面工程技术中的作用非常重要。 气相沉积中薄膜的形核，气体渗碳、渗氮等工艺气相沉积中薄膜的形核，气体渗碳、渗氮等工艺使物质由气态转变为液态的最高温度。使物质由气态转变为液态的最高温度。3.固体对液体的吸咐固体对液体的吸咐n固体对液体的吸附：物理吸附和化学吸附。固体对液体的吸附：物理吸附和化学吸附。n物理吸附膜一般对温度很敏感：温度提高后会引起吸附膜的解吸、重新排列甚至物理吸附膜一般对温度很敏感：温度提高后会引起吸附膜的解吸、重新排列甚至熔化。熔化。n化学吸附膜往往是先形成物理吸附膜，然后在界面发生化学反应转化成化学吸附。化学吸附膜往往是先形成物理吸附膜，然后在界
50、面发生化学反应转化成化学吸附。n固体表面的粗糙度、污染程度、液体表面张力和润湿条件等对吸附有很大的影响。固体表面的粗糙度、污染程度、液体表面张力和润湿条件等对吸附有很大的影响。n固体表面对液体分子有吸附作用：固体表面对液体分子有吸附作用：对电解质的吸附，对非电解质的吸附。对电解质的吸附，对非电解质的吸附。n对电解质的吸附将使固体表面带电或者双电层中的组分发生变化，产生对电解质的吸附将使固体表面带电或者双电层中的组分发生变化，产生离子交换离子交换作用。（电化学腐蚀、电镀）作用。（电化学腐蚀、电镀）n对非电解质溶液的吸附，一般表现为单分子层吸附，吸附层以外就是本体相溶液。对非电解质溶液的吸附，一般
