1、1表表 面面 工工 程程讲讲 稿稿第二章第二章 表面工程技术理论基础表面工程技术理论基础v序序v2.1表面晶体学基础表面晶体学基础 v2.2表面能与表面张力表面能与表面张力 v2.3表面力表面力 v2.4表面吸附与偏析表面吸附与偏析v2.5固体表面的吸附理论固体表面的吸附理论v2.6固体表面的润湿固体表面的润湿 v2.7表面动力学表面动力学v2.8表面电子学表面电子学 2.1表面晶体学基础表面晶体学基础 v2.1.1理想表面结构理想表面结构v2.1.2清洁表面结构清洁表面结构 v2.1.3实际表面结构实际表面结构 v2.1.4典型固体表面和界面典型固体表面和界面 v2.1.5几种重要材料的表面
2、晶体结构几种重要材料的表面晶体结构 表面表面v表面：一种凝聚态物质与另外的物质（状态）或表面：一种凝聚态物质与另外的物质（状态）或者真空之间的过渡区域，一般由一个或者几个原者真空之间的过渡区域，一般由一个或者几个原子层组成（子层组成（0.510nm）.v对于晶体，表面所包括的所有原子层不具备体相对于晶体，表面所包括的所有原子层不具备体相晶体结构的三维周期性。晶体结构的三维周期性。v表面分为理想表面、清洁表面（含洁净表面）、表面分为理想表面、清洁表面（含洁净表面）、实际表面等。实际表面等。常见的界面常见的界面气-液界面气-固界面 液-液界面 固-固界面固体的表面固体的表面 材料均具有表面，材料的
3、制备及使用过程发生的材料均具有表面，材料的制备及使用过程发生的各种物理化学变化，都是从材料的表面向材料内部各种物理化学变化，都是从材料的表面向材料内部逐渐进行的，这些过程的进行都依赖于材料的表面逐渐进行的，这些过程的进行都依赖于材料的表面结构与性质。结构与性质。 固体表面相与其体相内部的组成和结构有所不同，固体表面相与其体相内部的组成和结构有所不同，同时还存在各种类型的缺陷以及弹性形变等，这些同时还存在各种类型的缺陷以及弹性形变等，这些都将对固体表面的性质产生很大影响都将对固体表面的性质产生很大影响 。固体表面与界面的区别：固体表面与界面的区别： 表面：表面：一个相和它本身蒸汽或真空接触的分界
4、面。界面：一相与另一相一相与另一相( (结构不同结构不同) )接触的分界面。接触的分界面。相界面：相邻相之间的交界面。一般有三类：固相邻相之间的交界面。一般有三类：固- -固、固固、固- -液、固液、固- -气。气。v固气界面：实际上由固态物质靠近气体或真空的固气界面：实际上由固态物质靠近气体或真空的一个或几个原子层一个或几个原子层（0.50.51010nmnm）组成，是固体凝组成，是固体凝聚态对气体或真空的一种过渡区域。聚态对气体或真空的一种过渡区域。v固液界面：是一种凝聚态物质向另一种凝聚态物固液界面：是一种凝聚态物质向另一种凝聚态物质的过渡区域。质的过渡区域。v表面所包括的所有原子层不具
5、备体相的三维周期表面所包括的所有原子层不具备体相的三维周期性，但晶面上的大部分原子的排列还是有序的，性，但晶面上的大部分原子的排列还是有序的，具备二维周期性。具备二维周期性。 2.1.1 理想表面结构理想表面结构v二维晶格的周期性与对称性二维晶格的周期性与对称性v理想表面：理想化的表面。理想表面：理想化的表面。v想象为无限晶体被分成两个表面，且表面上的原想象为无限晶体被分成两个表面，且表面上的原子位置和电子密度都和原来的一样。子位置和电子密度都和原来的一样。v获得：难！获得：难！固体表面种类固体表面种类理想表面清洁、洁净表面吸附表面理想表面理想表面定义：理论上近似地假设除了固定义：理论上近似地
6、假设除了固-气界面的几何限制气界面的几何限制 外，而系统不发生任何变化的表面。外，而系统不发生任何变化的表面。 d内部内部表面表面理想表面示意图理想表面示意图理想表面理想表面 理想表面是忽略了晶体内部周期性势场在晶体表理想表面是忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断、表面原子的热运动、热扩散、热缺陷及面中断、表面原子的热运动、热扩散、热缺陷及外界对表面的物理化学作用等的影响的表面。外界对表面的物理化学作用等的影响的表面。其周期性与理想晶体完全一样。其周期性与理想晶体完全一样。 从晶态物质基础看，固体材料的理想表面就是一从晶态物质基础看，固体材料的理想表面就是一种理论上认为的结构完整的二维点阵平
7、面。种理论上认为的结构完整的二维点阵平面。 二维点阵是点在平面上按某一规则的周期排列，二维点阵是点在平面上按某一规则的周期排列，围绕每一个点的环境和围绕每一个其它点的环境围绕每一个点的环境和围绕每一个其它点的环境是相同的。是相同的。v理想表面：理想表面：表面上的原子仍保持解理前的三维周表面上的原子仍保持解理前的三维周期结构期结构。忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响；忽略了表面原子的热运动、热扩散和热缺陷等；忽略了外界对表面的物理化学作用等。 从晶态物质基础看，固体材料的理想表面就是一从晶态物质基础看，固体材料的理想表面就是一种种理论上认为的结构完整的二维点阵平面理论上认为的结构完整的
8、二维点阵平面。二维点阵二维点阵是点在平面上按某一规则的周期排列，围绕每一个点是点在平面上按某一规则的周期排列，围绕每一个点的环境和围绕每一个其它点的环境是相同的的环境和围绕每一个其它点的环境是相同的。 这种表面可用二维晶格结构来描述，它存在这种表面可用二维晶格结构来描述，它存在5种布喇菲格子，种布喇菲格子，9种点群和种点群和17种二维空间群。种二维空间群。 如下图示。如下图示。表表1 1 二维布喇菲格子二维布喇菲格子二维点阵点群及空间群二维点阵点群及空间群点阵符号点群符号 空间群符号 序号 全称 简称斜方P12P1P211P1P212正交PC1mP1m1P1g1C1m1PmPgCm3452mm
9、P2mmP2mgP2ggC2mmPmmPmgPggCmm6789正方 P4P4P410正方 P4mmP4mmP4gmP4mP4g1112六角 P33m66mmP3P3m1P3m1P6P6mmP3P3m1P3m1P6P6m13141516172.1.2 洁净表面和清洁表面洁净表面和清洁表面v清洁表面结构也可以细分为洁净度较高，接近于理清洁表面结构也可以细分为洁净度较高，接近于理想表面的洁净表面结构，以及洁净度较低的工业清想表面的洁净表面结构，以及洁净度较低的工业清洁表面结构。洁表面结构。v很多时候二个概念通用。很多时候二个概念通用。v洁净表面：表层原子结构的周期性不同于体内，但洁净表面：表层原子
10、结构的周期性不同于体内，但成分和体内相同；无污染但允许有吸附物。成分和体内相同；无污染但允许有吸附物。 获得：较难！获得：较难！v清洁表面：零件经过清洗（脱脂、浸蚀等）以后的清洁表面：零件经过清洗（脱脂、浸蚀等）以后的表面。表面。 获得：较容易！获得：较容易！洁净表面结构洁净表面结构v洁净表面：指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩洁净表面：指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。散等物理化学效应的表面。v相对于受污染表面而言，一般地，当表面吸附物的相对于受污染表面而言，一般地，当表面吸附物的摩尔分数在单分子覆盖层上为摩尔分数在单分子覆盖层上为1%量级时，称为洁量级时，称为洁净表
11、面。净表面。v通常，必须在大约通常，必须在大约 Pa及以下的超真空室内采及以下的超真空室内采用高温热处理、离子轰击退火、真空解理、场效应用高温热处理、离子轰击退火、真空解理、场效应蒸发等方法才能实现。蒸发等方法才能实现。v这种洁净表面也是很难获得的。这种洁净表面也是很难获得的。1010洁净表面表层原子结构的周期性不同于体内，但成分和体内相同；无污染但允许有吸附物。只有用特殊的方法，如高温热处理、离子轰击加退火、真空解理、真空沉积、场致蒸发等才能得到清洁表面，同时还必须保持在1.3310-10Pa的超高真空中。表面层 弛豫弛豫 重构重构 偏析偏析洁净表面上可能的结构：洁净表面上可能的结构： 化学
12、吸附化学吸附 化合物化合物 台阶台阶 迭层迭层洁净表面的结构洁净表面的结构台阶弛豫偏析重构化合物化学吸附v洁净表面的典型结构：洁净表面的典型结构：v表面弛豫：点阵常数在垂直方向发生明显变化。表面弛豫：点阵常数在垂直方向发生明显变化。包括正弛豫和负弛豫。包括正弛豫和负弛豫。v表面重构：水平方向的周期性不同与内部原子。表面重构：水平方向的周期性不同与内部原子。v表面台阶结构：表面台阶结构：TLK模型（教材图模型（教材图22）vT（平台，（平台，Terrace）L（台阶，（台阶，Ledge）K（扭折，（扭折，Kink）模型）模型v迭层：由于其他原子进入晶体表面，而出现体内迭层：由于其他原子进入晶体表
13、面，而出现体内不存在的表面结构层。不存在的表面结构层。表面弛豫表面弛豫定义：当晶体的三维周期性定义：当晶体的三维周期性在表面处突然中断，在表在表面处突然中断，在表面上原子的配位情况发主面上原子的配位情况发主了变化，并且在表面原子了变化，并且在表面原子附近的电荷分布也有改附近的电荷分布也有改变使表面原子所处的力变使表面原子所处的力场与体内原子不同，因场与体内原子不同，因此表面上的原子会发生此表面上的原子会发生相对位置的上下位移，以相对位置的上下位移，以降低体系的能量。降低体系的能量。表面上原子的这种位移（压表面上原子的这种位移（压缩或膨胀）称为表面弛豫缩或膨胀）称为表面弛豫。 ds内部内部表面表
14、面d0v弛豫表面：由于固相的三维周期性在固体表面处弛豫表面：由于固相的三维周期性在固体表面处突然中断，表面上原子产生的相对于正常位置的突然中断，表面上原子产生的相对于正常位置的上、下位移。上、下位移。例如：镍的（例如：镍的（100100）面的体相晶面间距是）面的体相晶面间距是0.2220.222nmnm，而表面层和而表面层和下层原子面间距是下层原子面间距是0.1780.178nmnm，收缩收缩19.8%19.8%，（，（负负弛豫弛豫）；）； 铝（铝（111111）面的体相晶面间距是）面的体相晶面间距是0.2330.233nmnm，而面间距是而面间距是0.2410.241nmnm，膨胀膨胀3.4
15、%3.4%，（，（正正弛豫弛豫）。）。表面弛豫表面弛豫 表面弛豫现象表现在晶体结构基本相同，但点阵表面弛豫现象表现在晶体结构基本相同，但点阵参数略有差异，特别是在表面及其下少数几个原子参数略有差异，特别是在表面及其下少数几个原子层间距的变化上。层间距的变化上。 因此：表面弛豫的最明显处是表面第一层原子与因此：表面弛豫的最明显处是表面第一层原子与第二层之间距离的变化；越深入体相，弛豫效应越第二层之间距离的变化；越深入体相，弛豫效应越弱，并且是迅速消失。弱，并且是迅速消失。表面重构表面重构定义：在平行基底的表面上，原子的平移对称性与体定义：在平行基底的表面上，原子的平移对称性与体 内显著不同，原子
16、位置做了较大幅度的调整。内显著不同，原子位置做了较大幅度的调整。特点：表面原子间距与晶体内原子间距不同特点：表面原子间距与晶体内原子间距不同 如图示：如图示： 表面水平方向原子间距表面水平方向原子间距a as s与晶体内部原子间距与晶体内部原子间距a a0 0不相同，但在垂直方向的层间距不相同，但在垂直方向的层间距d ds s与体内相同晶面与体内相同晶面的间距的间距d d0 0是相同的。是相同的。 表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间间距但在垂直方向上的层间间距d d0 0与体内相同。与体内相同。d0内部内部表面表面d0表面重
17、构表面重构v重构表面：重构是指表面原子层重新排列，形成重构表面：重构是指表面原子层重新排列，形成不同于体内的晶面。在平行基底的表面上，原子不同于体内的晶面。在平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整。大幅度的调整。最常见的表面重构有缺列型重构和重组型重构。最常见的表面重构有缺列型重构和重组型重构。缺列型重构缺列型重构: : 表面周期性地缺失原子列造成的超结构。表面周期性地缺失原子列造成的超结构。 重组型重构：并不减少表面的原子数，但却显著地改重组型重构：并不减少表面的原子数，但却显著地改 变表面的原子排列方式。变表面
18、的原子排列方式。 表面重构能使表面结构发生质的变化，在许多表面重构能使表面结构发生质的变化，在许多情况下，重构在降低表面能方面比表面弛豫要有效情况下，重构在降低表面能方面比表面弛豫要有效的多。的多。重构表面示意图重构表面示意图台阶表面（表面台阶结构）台阶表面（表面台阶结构）定义：表面不是平面，由规则或不规则的台阶组成。如图示：定义：表面不是平面，由规则或不规则的台阶组成。如图示： 其中：其中：T表示低晶面指数平台（表示低晶面指数平台（Terrace）；）； L表示单分子或单原子高度的台阶（表示单分子或单原子高度的台阶（Ledge）；）； K表示单分子或单原子尺度的扭折（表示单分子或单原子尺度的
19、扭折（Kink）。）。v台阶表面：台阶表面不是一个平面，它是由有规台阶表面：台阶表面不是一个平面，它是由有规则的或不规则的台阶的表面所组成。则的或不规则的台阶的表面所组成。112111110(001)周周期期有序的台阶表面示意图TLK模型模型vTLK表面形貌模型是根据小面化理论及对金属表表面形貌模型是根据小面化理论及对金属表面的实际观察后提出的。模型认为当表面与点阵面的实际观察后提出的。模型认为当表面与点阵致密面之间的位相差不太大的时候，表面将由平致密面之间的位相差不太大的时候，表面将由平台（台（Terrace）、台阶（）、台阶（Ledge）和曲折）和曲折（Kink）所构成，称为）所构成，称为
20、TLK模型。模型。 根据表面自由能最小的原则，台面和台阶面一般根据表面自由能最小的原则，台面和台阶面一般都为低指数面，如都为低指数面，如（111）、（）、（110）、（）、（100）等。等。 台面上的原子配位数比体内少，台阶上原子的配台面上的原子配位数比体内少，台阶上原子的配位数比台面少，扭折处原子的配位数更少，这些位数比台面少，扭折处原子的配位数更少，这些特殊位置的原子的价键具有不同程度的不饱和性特殊位置的原子的价键具有不同程度的不饱和性。 所以，台阶和扭折处容易成为晶体的生长点、优所以，台阶和扭折处容易成为晶体的生长点、优先吸附位置、催化反应活性中心、腐蚀反应起点先吸附位置、催化反应活性中
21、心、腐蚀反应起点。晶 面晶 面1（平（平面）面）晶 面晶 面 3 （连接面）（连接面）晶 面晶 面 2 （立面）（立面）台阶表面台阶表面台阶表面实例台阶表面实例吸附表面吸附表面v 定义：在清洁表面上有来自体内扩散到表面的定义：在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和杂质和/或来自表面周围空间吸附在表面上的质或来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。点所构成的表面。v 吸附表面可分为四种吸附位置：吸附表面可分为四种吸附位置：v 顶吸附、桥吸附顶吸附、桥吸附 、填充吸附、中心吸附、填充吸附、中心吸附吸附表面类型吸附表面类型顶吸附桥吸附俯视图剖面图填充吸附中心吸附v吸附和偏析：化学组分在表面
22、区的变化，前者指气相中的原子或分子在气-固或液-固界面上的聚集，后者指溶液或溶质在相界、晶界或缺陷上的聚集。化学吸附化学吸附偏析表面化合物 清洁（洁净）表面的化学组成与体内相同，但清洁（洁净）表面的化学组成与体内相同，但结构可以不同于体内。结构可以不同于体内。 表面组分与材料内部不同的原因：表面组分与材料内部不同的原因： 原子表面的原子表面的自行调整自行调整，原子排列情况与材料内部，原子排列情况与材料内部明显不同；明显不同； 依靠表面的依靠表面的成分偏析成分偏析和表面对外来原子或分子的和表面对外来原子或分子的吸附吸附，以及，以及 这两者相互作用而趋向稳定态。这两者相互作用而趋向稳定态。表面的成
23、分表面的成分v金属的表面成分金属的表面成分v合金表面的成分合金表面的成分v化合物的表面成分化合物的表面成分v（1）化合物半导体）化合物半导体v（2）氧化物）氧化物v（3）玻璃）玻璃二元合金表面的富集元素二元合金表面的富集元素合金Au-AgCu-NiAg-PdIn-PbAl-CuNi-PdAu-CuFe-CrAu-InPt-SnAu-Ni富集元素 Ag Cu Ag Pb Al Pd Au Cr In Sn AuSi/NaSi/CaSi/KSi/Al“老”的表面280900223刚制成的表面14045055晶体的平衡形状晶体的平衡形状v固体分子的活动性较小，每个晶面的表面自由能固体分子的活动性较小
24、，每个晶面的表面自由能大小与该晶面上分子的排列有关。大小与该晶面上分子的排列有关。v而较密实堆积的晶面表面自由能较低，晶体的外而较密实堆积的晶面表面自由能较低，晶体的外表面倾向于取此种类型的晶面数目多一些，而其表面倾向于取此种类型的晶面数目多一些，而其它表面自由能较高的晶面相对少些。它表面自由能较高的晶面相对少些。v一个多面体的外表面总是由若干种原子排列不同一个多面体的外表面总是由若干种原子排列不同的晶面组成的。的晶面组成的。v因此，对固体而言，最致密的晶面有最低的表面因此，对固体而言，最致密的晶面有最低的表面能，以断裂等方式制造新的表面的时候，这些晶能，以断裂等方式制造新的表面的时候，这些晶
25、面也最容易出现在表面上。面也最容易出现在表面上。 表面结构的小面化表面结构的小面化vChalmers,Moore,Mullins以及以及Mykura等人等人提出了小面化理论以阐明晶体实际表面的结构。提出了小面化理论以阐明晶体实际表面的结构。v小面化是指一个表面被分解成两个与点阵最密面小面化是指一个表面被分解成两个与点阵最密面平行的小面和一个连接面。平行的小面和一个连接面。v小面化是否能进行，取决于小面化后表面能的总小面化是否能进行，取决于小面化后表面能的总和是否有所降低。和是否有所降低。实际的表面缺陷实际的表面缺陷v小面化的表面主要是由平台、台阶、曲折所组成，小面化的表面主要是由平台、台阶、曲
26、折所组成，但是晶体中的点缺陷以及吸附的异物原子会使平但是晶体中的点缺陷以及吸附的异物原子会使平台变得凹凸不平，这是表面上最容易出现的最简台变得凹凸不平，这是表面上最容易出现的最简单缺陷。单缺陷。v表面上可能出现最多的显微缺陷是位错的露头。表面上可能出现最多的显微缺陷是位错的露头。位错是晶体中存在的重要缺陷，密度一般是位错是晶体中存在的重要缺陷，密度一般是108/cm2，经过冷加工的金属位错可达，经过冷加工的金属位错可达1012/cm2。v晶粒间界晶粒间界1）堆垛层错）堆垛层错 2）孪晶界面）孪晶界面 3）小角度晶界）小角度晶界 4）大）大角度晶界角度晶界v相界相界1）共格相界）共格相界 2）半
27、共格相界）半共格相界 3）非共格相界）非共格相界问题思考：问题思考：v假定武林中一位武功盖世假定武林中一位武功盖世的绝顶高手，手持一把削的绝顶高手，手持一把削铁如泥的宝刀，猛力一刀铁如泥的宝刀，猛力一刀将一块铁劈为两半，新出将一块铁劈为两半，新出现的两个表面最可能是由现的两个表面最可能是由铁的哪个晶面组成？铁的哪个晶面组成？v如果被劈的是铜，新出现如果被劈的是铜，新出现的两个表面又最可能是铜的两个表面又最可能是铜的哪个晶面？的哪个晶面？2.1.3实际表面结构实际表面结构v表面的外形和表面粗糙度表面的外形和表面粗糙度v表面的组织表面的组织v表面的成分表面的成分常见表面的特点常见表面的特点v1）理
28、想表面）理想表面 ：是指清洁的单晶表面，或是说由：是指清洁的单晶表面，或是说由前述的平台、台阶、曲折及各种缺陷构成的表面。前述的平台、台阶、曲折及各种缺陷构成的表面。v2）一般表面：一般是多晶体，在空气中易与氧）一般表面：一般是多晶体，在空气中易与氧发生作用生成氧化膜，而且也难免因油脂之类的发生作用生成氧化膜，而且也难免因油脂之类的物质吸附而造成污染。物质吸附而造成污染。v3）机械加工过的表面：机械加工过的表面都有）机械加工过的表面：机械加工过的表面都有一定的显微粗糙度，且表面的位错密度特别高。一定的显微粗糙度，且表面的位错密度特别高。晶体表面结构晶体表面结构表面力的存在使固体表面处于较高能量
29、状态表面力的存在使固体表面处于较高能量状态系统总会通过各种途径来降低这部分过剩的能量系统总会通过各种途径来降低这部分过剩的能量，这就导致表面质点的极化、变形、重排并引起，这就导致表面质点的极化、变形、重排并引起原来晶格的畸变。原来晶格的畸变。对于不同结构的物质，其表面力的大小和影响不对于不同结构的物质，其表面力的大小和影响不同，因而表面结构状态也会不同。同，因而表面结构状态也会不同。威尔（威尔（WeylWeyl）等人基于结晶化学原理，研究了晶）等人基于结晶化学原理，研究了晶体表面结构，认为晶体质点间的相互作用，键强体表面结构，认为晶体质点间的相互作用，键强是影响表面结构的重要因素，提出了晶体的
30、表面是影响表面结构的重要因素，提出了晶体的表面双电层模型。双电层模型。固体表面的几何结构固体表面的几何结构 实验观测固体实际表面是不规则而粗糙的，存在实验观测固体实际表面是不规则而粗糙的，存在着无数台阶、裂缝和凹凸不平的峰谷。这些不同着无数台阶、裂缝和凹凸不平的峰谷。这些不同的几何状态同样会对表面性质产生影响，其中最的几何状态同样会对表面性质产生影响，其中最重要的是表面粗糙度和微裂纹。重要的是表面粗糙度和微裂纹。 表面粗糙度会引起表面力场变化，进而影响其表表面粗糙度会引起表面力场变化，进而影响其表面性质面性质。 表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生。表面微裂纹是由于晶体缺陷或外力作用而产生
31、。微裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材微裂纹同样会强烈地影响表面性质，对于脆性材料的强度这种影响尤为重要。料的强度这种影响尤为重要。晶体表面结构实例晶体表面结构实例表面离子受内部离子作用电子云变形离子重排表面能减少离子晶体表面的电子云变形和离子重排NaCl 晶体 晶体内部晶体表面0.281nm0.266nm0.020nmNaCl表面层中Na+向里；Cl-向外移动并形成双电层粉体表面结构粉体表面结构 粉体在制备过程中，由于反复地破碎，不断形成粉体在制备过程中，由于反复地破碎，不断形成新的表面。新的表面。 表面层离子的极化变形和重排使表面晶格畸变，表面层离子的极化变形和重排使表面晶格畸变，有
32、序性降低。有序性降低。 因此，随着粒子的微细化，比表面增大，表面结因此，随着粒子的微细化，比表面增大，表面结构的有序程度受到愈来愈强烈的扰乱并不断向颗构的有序程度受到愈来愈强烈的扰乱并不断向颗粒深部扩展，最后使粉体表面结构趋于无定形化粒深部扩展，最后使粉体表面结构趋于无定形化或粒度极小的微晶结构。或粒度极小的微晶结构。粉体性质粉体性质v组成粉体最小单位是初次组成粉体最小单位是初次(一次一次)颗粒。颗粒尺寸颗粒。颗粒尺寸、颗粒形状、颗粒晶型、颗粒表面缺陷等都对整、颗粒形状、颗粒晶型、颗粒表面缺陷等都对整体性质有影响。体性质有影响。v颗粒常以团聚体形式发挥作用。团聚程度颗粒常以团聚体形式发挥作用。
33、团聚程度(尺寸及尺寸及分布分布)、团聚体内颗粒结合强度等会影响粉体性质、团聚体内颗粒结合强度等会影响粉体性质v加工过程中，宏观尺度粉末集合体性质。比表面加工过程中，宏观尺度粉末集合体性质。比表面、包装密度、粉体堆积角度等影响粉体性质。、包装密度、粉体堆积角度等影响粉体性质。表面效应随微粒尺寸减小，表面原子数比例增加。随微粒尺寸减小，表面能也迅速增加。超微粒子与纳米材料超微粒子与纳米材料玻璃表面结构玻璃表面结构 表面张力的存在，使玻璃表面组成与内部显著不表面张力的存在，使玻璃表面组成与内部显著不同。同。 在熔体转变为玻璃体的过程中，为了保持最小表在熔体转变为玻璃体的过程中，为了保持最小表面能，各
34、成分将按其对表面自由能的贡献能力自面能，各成分将按其对表面自由能的贡献能力自发地转移和扩散。发地转移和扩散。 在玻璃成型和退火过程中，碱、氟等易挥发组分在玻璃成型和退火过程中，碱、氟等易挥发组分自表面挥发损失。自表面挥发损失。 因此，即使是新鲜的玻璃表面，其化学成分、结因此，即使是新鲜的玻璃表面，其化学成分、结构也会不同于内部。构也会不同于内部。 玻璃中的极化离子会对表面结构和性质产生影响玻璃中的极化离子会对表面结构和性质产生影响。实际表面实际表面v实际表面：实际的表面情况。由于表面原子的能实际表面：实际的表面情况。由于表面原子的能量较高，一般会在表面吸附一层外来原子以降低量较高，一般会在表面
35、吸附一层外来原子以降低表面的能量。表面的能量。v除了吸附，为了降低体系的能量还可能发生驰豫、除了吸附，为了降低体系的能量还可能发生驰豫、表面化学组成变化以及表面相转变。表面化学组成变化以及表面相转变。v一般零件在机加工后，表面都会覆盖一层氧化物，一般零件在机加工后，表面都会覆盖一层氧化物，清洁表面时需除去这层氧化物。清洁表面时需除去这层氧化物。实际表面实际表面定义：指暴露于大定义：指暴露于大气环境中的固体表气环境中的固体表面，或经过一定加面，或经过一定加工处理（诸如清工处理（诸如清洗、抛光、研磨、洗、抛光、研磨、切割等）保持在常切割等）保持在常温常压或低真空或温常压或低真空或高温下的表面。高温
36、下的表面。与清洁表面相比，实际表面有以下几个特点：与清洁表面相比，实际表面有以下几个特点： 表面粗糙度表面粗糙度 贝尔比层和残余应力贝尔比层和残余应力 表面氧化、吸附和沾污表面氧化、吸附和沾污 典型固体界面典型固体界面v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。例如，在外力作用下加工形成的表面。例如，在外力作用下加工形成的表面。v基于固相组织或晶体结构差异形成的界面：微观基于固相组织或晶体结构差异形成的界面：微观组织差异，宏观成分无区别。如珠光体。组织差异，宏观成分无区别。如珠光体。v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： 1
37、)冶金结合界面：激光融覆、焊接；冶金结合界面：激光融覆、焊接； 2）扩散结合界面：热扩散；）扩散结合界面：热扩散； 3）外延生长界面：）外延生长界面：CVD、电镀；、电镀； 还有化学键结合、分子键结合、机械结合界还有化学键结合、分子键结合、机械结合界面等。面等。表面氧化、吸附和沾污表面氧化、吸附和沾污 贝尔比层和残余应力贝尔比层和残余应力 贝尔比（贝尔比（Beilby）层是一种在固体材料层是一种在固体材料表层表层510nm厚度形厚度形成的一层因晶格畸变成的一层因晶格畸变等原因而产生的一种等原因而产生的一种非晶态层，其成分为非晶态层，其成分为金属和它的氧化物，金属和它的氧化物，其性能与体内明显不
38、其性能与体内明显不同。同。 由于贝尔比层是非晶态层，因此具有较高的由于贝尔比层是非晶态层，因此具有较高的耐磨性和耐蚀性，这一点在机械工程上可以利用，耐磨性和耐蚀性，这一点在机械工程上可以利用，但是在其它情况下，贝尔比层又是有害的。例如：但是在其它情况下，贝尔比层又是有害的。例如：在硅的外延生长上，在氧化、扩散前，必须用腐蚀在硅的外延生长上，在氧化、扩散前，必须用腐蚀法把贝尔比层去除，否则，会感生出位错、层错等法把贝尔比层去除，否则，会感生出位错、层错等缺陷，这会对器件性能产生极其有害的影响。缺陷，这会对器件性能产生极其有害的影响。 残余应力是材料加工、处理后普遍存在的，它残余应力是材料加工、处
39、理后普遍存在的，它同样影响着材料的各种性能。同样影响着材料的各种性能。表面粗糙度表面粗糙度 表面粗糙度是指零件加工表面具有的较小间距和峰谷所形成的微观几何形状误差。其两波峰和波谷之间的距离（波距）很小（在1mm以下）。v 表面粗糙度，是指加工表面具有的较小间距和表面粗糙度，是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。其两波峰或两波谷之间的距离微小峰谷不平度。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在（波距）很小（在1mm1mm以下），用肉眼是难以区别以下），用肉眼是难以区别的，因此它属于微观几何形状误差。的，因此它属于微观几何形状误差。v表面粗糙度不包括由机床几何精度力面的误差等所引表面粗糙度
40、不包括由机床几何精度力面的误差等所引起的表面宏观几何形状误差起的表面宏观几何形状误差( (如直线度、平面度和圆如直线度、平面度和圆柱度等柱度等) )，也不包括加工过程中由机床、刀具、工具，也不包括加工过程中由机床、刀具、工具系统的松弛振动等所引起的介于宏观和微观几何形状系统的松弛振动等所引起的介于宏观和微观几何形状之间的波度。之间的波度。v形状误差、表面波度和表面粗糙度三者之间只有分级形状误差、表面波度和表面粗糙度三者之间只有分级的不同，而没有原则上的区别。的不同，而没有原则上的区别。v三者经常是按两波峰与两波谷之间的距离三者经常是按两波峰与两波谷之间的距离( (即波距即波距) )的的大小来区
41、分的。大小来区分的。v波距小于波距小于1 1mmmm并呈周期性变化的，属于并呈周期性变化的，属于表面粗糙表面粗糙度度范围；范围；v波距在波距在1 1-10-10mmmm之间并呈周期性变化的，属于之间并呈周期性变化的，属于表面表面波度波度范围；范围；v波距在波距在10 mm10 mm以上，不呈周期性变化的，属于以上，不呈周期性变化的，属于表表面形状误差面形状误差的范围。的范围。表面粗糙度形成的原因表面粗糙度形成的原因 主要有：主要有：v1 1）加工过程中的刀痕；）加工过程中的刀痕；v2 2）切削分离时的塑性变形；）切削分离时的塑性变形；v3 3）刀具与已加工表面间的摩）刀具与已加工表面间的摩擦；
42、擦；v4 4）工艺系统的高频振动。）工艺系统的高频振动。表面粗糙度产生的原因表面粗糙度产生的原因1加工过程中加工过程中的刀痕的刀痕2切削分离时切削分离时的塑性变形的塑性变形3刀具与已加刀具与已加工表面间的工表面间的摩擦摩擦4工艺系统的工艺系统的高频振动高频振动表面的外形和表面粗糙度表面的外形和表面粗糙度l 1）表面粗糙度的主要参数）表面粗糙度的主要参数v（1）轮廓算术平均偏差）轮廓算术平均偏差Ra v（2）微观不平整十点高度）微观不平整十点高度Rz v（3）轮廓最大高度）轮廓最大高度Ry l 2）表面粗糙系数）表面粗糙系数R在机械加工过程中，工件表面粗糙度的大小，是衡量工件表面质量的重要标志，
43、对机械零件的使用性能具有很大的影响。工件表面粗糙度越小，表面越光滑。但并不是表面越光滑越好。表面粗糙度的符号表面粗糙度的符号表面粗糙度的代号表面粗糙度的代号表面粗糙度的标注示例和意义表面粗糙度的标注示例和意义 评定参数评定参数 国家规定表面粗糙度的参数由高度参数、间距参国家规定表面粗糙度的参数由高度参数、间距参数和综合参数组成。数和综合参数组成。v表面粗糙度高度参数共有三个：表面粗糙度高度参数共有三个： （1 1）轮廓算术平均偏差）轮廓算术平均偏差RaRa 在取样长度在取样长度L L内，轮廓偏距绝对值的算术平均内，轮廓偏距绝对值的算术平均值。值。 （2 2）微观不平度十点高度）微观不平度十点高
44、度RzRz 在取样长度在取样长度L L内五个最大的轮廓峰高的平均内五个最大的轮廓峰高的平均值与五个最大的轮廓谷深的平均值之和。值与五个最大的轮廓谷深的平均值之和。 （3 3）轮廓最大高度）轮廓最大高度RyRy 在取样长度内，轮廓峰顶线和轮廓谷底线之在取样长度内，轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离。间的距离。v表面粗糙度间距参数共有两个：表面粗糙度间距参数共有两个： （4 4）轮廓单峰平均间距）轮廓单峰平均间距S S 两相邻轮廓单峰的最高点在中线上的投影两相邻轮廓单峰的最高点在中线上的投影长度长度SiSi，称为轮廓单峰间距，在取样长度，称为轮廓单峰间距，在取样长度L L内，轮内，轮廓单峰间距的平均
45、值，就是轮廓单峰平均间距。廓单峰间距的平均值，就是轮廓单峰平均间距。 （5 5）轮廓微观不平度的平均间距）轮廓微观不平度的平均间距SmSm 含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段中线长含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段中线长度度SmiSmi，称轮廓微观不平间距。，称轮廓微观不平间距。v表面粗糙度综合参数：表面粗糙度综合参数： （6 6）轮廓支承长度率）轮廓支承长度率tptp 轮廓支承长度率就是轮廓支承长度轮廓支承长度率就是轮廓支承长度npnp与取与取样长度样长度L L之比。之比。1）轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差RaRa：是指在取样长度l内，轮廓偏距绝对值的算术平均值，如下图所示。其值为：或近似为：
46、表面粗糙度的评定参数表面粗糙度的评定参数1：高度特征参数：高度特征参数2）轮廓的最大高度）轮廓的最大高度Rz：在取样长度l内轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离，一般为五个最大的轮廓峰高的平均值与五个最大的轮廓谷深的平均值之和。如下图所示。表面粗糙度的评定参数表面粗糙度的评定参数2：间距特征参数间距特征参数 反映零件表面加工的细密程度，有密封功能要反映零件表面加工的细密程度，有密封功能要求的表面要使用这两个参数。求的表面要使用这两个参数。 1）轮廓的单峰平均间距）轮廓的单峰平均间距S：取样长度：取样长度l内轮廓内轮廓的单峰间距的单峰间距Si平均值。平均值。 单峰间距单峰间距Si：两相邻轮廓单峰最高
47、点在基准上的两相邻轮廓单峰最高点在基准上的投影间距。投影间距。 2）轮廓微观不平度的平均间距）轮廓微观不平度的平均间距Sm：取样长：取样长度度l内轮廓微观不平度的间距内轮廓微观不平度的间距Smi的平均值：的平均值： Sm=（1/n）Smi 微观不平度的间距微观不平度的间距Smi：含有一个轮廓峰和：含有一个轮廓峰和相邻轮廓谷的一段基准线长度。相邻轮廓谷的一段基准线长度。表面粗糙度的评定参数表面粗糙度的评定参数3：形状特征参数形状特征参数反映零件表面耐磨性的指标。反映零件表面耐磨性的指标。轮廓支承长度率轮廓支承长度率tp：支撑长度（取样长度内：支撑长度（取样长度内bi之和之和）与取样长度的比值。）
48、与取样长度的比值。tp=p/l bi：一平行于基准线的线与轮廓相截得到的截：一平行于基准线的线与轮廓相截得到的截线长度。线长度。表面粗糙度参数的选择表面粗糙度参数的选择v1）如无特殊要求，一般仅选用高度参数。推荐）如无特殊要求，一般仅选用高度参数。推荐优先选用优先选用Ra值，因为值，因为Ra能充分反映零件表面轮能充分反映零件表面轮廓的特征；廓的特征；v2）对某些不可以出现较大加工痕迹和受交变应）对某些不可以出现较大加工痕迹和受交变应力的表面，应选用力的表面，应选用Ra和和Rz联用；联用；v3）当测量面积很小时，如顶尖、刀具的刃部、）当测量面积很小时，如顶尖、刀具的刃部、仪表的小元件的表面，可选
49、用仪表的小元件的表面，可选用Rz值。值。表面粗糙度的评定基准表面粗糙度的评定基准 1）取样长度：用于判别具有表面粗糙度特征的一段）取样长度：用于判别具有表面粗糙度特征的一段基准线长度基准线长度 。 取样长度应根据零件实际表面的形成情况及纹取样长度应根据零件实际表面的形成情况及纹理特征，选取能反映表面粗糙度特征的那一段长度理特征，选取能反映表面粗糙度特征的那一段长度，量取取样长度时应根据实际表面轮廓的总的走向，量取取样长度时应根据实际表面轮廓的总的走向进行。进行。 轮廓线存在表面波纹度和形状误差，当选取的轮廓线存在表面波纹度和形状误差，当选取的取样长度不同时得到的高度值是不同的。取样长度不同时得
50、到的高度值是不同的。 规定和选择取样长度是为了限制和减弱表面波规定和选择取样长度是为了限制和减弱表面波纹度对表面粗糙度的测量结果的影响。纹度对表面粗糙度的测量结果的影响。2）评定长度：）评定长度：Gp 评定轮廓所必须的一段长度，评定轮廓所必须的一段长度，它可包括一个或几个取样长度。它可包括一个或几个取样长度。 由于零件表面各部分的表面粗糙度不一定很由于零件表面各部分的表面粗糙度不一定很均匀，在一个取样长度上往往不能合理地反映某均匀，在一个取样长度上往往不能合理地反映某一表面粗糙度特征，故需在表面上取几个取样长一表面粗糙度特征，故需在表面上取几个取样长度来评定表面粗糙度。度来评定表面粗糙度。不同
