《表面工程》PPT课件.ppt

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1、材料表面工程 （第二章）,Email: ,李辉 材料学院 328 室 010-6739 6168,2. 表面、表面状态及表面特性,现代表面工程技术的基础是表面科学： 表面分析技术：表面的原子排列结构、原子类型和电子能态结构等，是揭示表面现象的微观实质和各种动力学过程的必要手段。 表面、界面物理: 研究任何两“相”之间的界面上发生的物理过程的科学 。 表面、界面化学: 研究任何两“相”之间的界面上发生的化学过程的科学 。,2. 表面、表面状态及表面特性,The real surface is totally different from the body,2. 表面、表面状态及表面特性,The

2、real surface is totally different from the body,2. 表面、表面状态及表面特性,The real surface is totally different from the body,2. 表面、表面状态及表面特性,Solid surface,Geometrical Concept Mechanical Concept Physico-chemical Concept,2.1 固体表面,Geometrical Concept:,The surface is a two-dimensional geometrical figure,抛光的钢带表面,

3、Mechanical Concept:,The surface is as the edge of material bodies, depending on the scale of the effect considered.,不同尺度下的针尖,Physico-chemical Concept:,A boundary between two (or more) phases, or a physical inter-phase zone, with very small thickness.,Gibbs proposition:,2.1 固体表面,1. 表面固体材料与气体或液体的分界面。

4、2. 晶界（或亚晶界）多晶材料内部成分、结构相同而取向不同晶粒（或亚晶）之间的界面。 3. 相界固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。,表面、晶界、相界：,Surface,Grain boundary,Phase boundary,一般来说，固体表面是指 “固气” 界面或 “固液” 界面。 前者实际上是由凝聚态物质靠近气体或真空的一个或几个原子层（0.510 nm）组成，是凝聚态对气体或真空的一种过渡 。 正是这样的原因造成了固体材料表面有着与固体材料体内不同： 1原子排列不同， 2组分不同。,2.1 固体表面,GaAs (110)面，实线-晶体内 虚线-表面,2.2 固体表面结构,1.

5、理想表面 理想表面结构是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。 这里：忽略了晶体内部周期性热场在晶体中断的影响； 忽略了表面上原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象； 忽略了表面外界环境的作用等。 2. 清洁表面 经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空中解理、蒸发薄膜、场效应蒸发、化学反应、分子束外延等特殊处理后，保持在106 Pa109 Pa超高真空下，外来沾污非常少的表面。 3. 实际表面 暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经过一定加工处理（如切割、研磨、抛光、清洗等），保持在常温和常压（也可能在低真空或高温）下的表面。,三种表面：,2.2.1 清洁表面结构 按照热力学的观点，表面附近的

6、原子排列总是趋于能量最低的稳定状态： 自行调整； 原子排列情况与材料内部明显不同 依靠表面成分偏析，表面对外来原子或分子的吸附，以及两者的相互作用而趋向稳定态， 表面组分与材料内部不同。,2.2 表面结构,2.2.1 清洁表面结构,relaxation,reconstruction,2.2.1 清洁表面结构,segregation,chemisorption,chemical compounds,2.2.1 清洁表面结构,单晶表面的TLK模型已被低能电子衍射（LEED）等表面分析结果所证实,Terrace Ledge Kink,台阶、扭折是催化和固相反应的活化中心。,晶体表面的成分和结构都不同

7、于晶体内部，一般大约要经过46个原子层之后才与体内基本相似，所以晶体表面实际上只有几个原层子范围。 晶体表面的缺陷： 点缺陷：空位对，空位团簇，吸附（偏析）的杂质原子等 线缺陷：位错在表面的露头 刃位错：直径为原子尺寸的一根管道 螺位错：表面形成台阶,2.2.1 清洁表面结构,各种材料表面上的点缺陷类型和浓度都依一定条件而定，最为普遍的是吸附（或偏析）的外来杂质原子。,实际表面的形态 实际表面就是我们通常接触到的表面,2.2.2 实际表面结构,抛光后的金属表面,表面粗糙度 表面组织 表面化学成分,where Rpi Rvi are the ith highest peak, and lowes

8、t valley respectively.,2.2.2 实际表面结构,表面粗糙度（surface roughness）,( ISO 25178),2.2.2 实际表面结构,表面粗糙度（surface roughness）,2.2.2 实际表面结构,表面粗糙度（surface roughness）,2.2.2 实际表面结构,表面粗糙度（surface roughness）,2.2.2 实际表面结构,表面粗糙度（surface roughness）,表面粗糙系数（roughness factor）:,Ar： 真实表面面积 Aq：几何表面面积,2.2.2 实际表面结构,表面粗糙度（surface

9、roughness）,Ar： 实际表面面积 Aq：几何表观面积,2.2.2 实际表面结构,表面组织（surface microstructure）,抛光金属表面附近,贝尔比层 （Beilby layer） 残余应力 表面形变和组织畸变区,2.2.2 实际表面结构,表面成分（surface composition）,二元合金表面富集元素,由A,B两种原子组成的固体表面情况,FeO,2.2.2 实际表面结构,表面成分（surface composition）,金属的氧化 : 气相/高价氧化物/低价氧化物/金属,空气,1000,1000,Cu,Cu,Cu2O,CuO,Cu2O,空气,空气,570,5

10、70,Fe,Fe3O4,空气,Fe2O3,Fe,Fe3O4,Fe2O3,实例：金属材料在工业环境中的实际表面,2.3 固体表面的物理吸附和化学吸附,由于固体表面上原子或分子的力场是不饱和的，就有吸引其它分子的能力，从而使环境介质在固体表面上的浓度大于体相中的浓度，这种现象称为吸附。 几个概念： sorption (吸着) vs. segregration （偏析） sorption（吸着）vs. desorption （解吸） adsorption （吸附）vs. absorption（吸收） adsorbant（吸附剂）vs. adsorbate（吸附物）,2.3.1 固体对气体的吸附,一个

11、气体分子被表面吸附主要分成物理和化学两类 ： 物理吸附 （Physical adsorption）： 任何气体在其临界温度以下，都会在其和固体表面之间的范德华力(Van der Waals)作用下，被固体吸附，但两者之间没有电子转移。 化学吸附 (Chemical adsorption)： 气体和固体之间发生了电子的转移，二者产生了化学键力，其作用力和化合物中原子之间形成化学键的力相似，较范德华力大的多。 但并不是任何气体在任何表面上都可以发生化学吸附。,2.3.1 固体对气体的吸附,Lei Xu. et al. Phys. Rev. Letter.,物理吸附与化学吸附的区别,2.3.2 固体

12、对液体的吸附与润湿,固体表面对液体分子同样有吸附作用。但这种吸附与对气体的吸附又有不同，主要表现为： 包括对电解质吸附和非电解质吸附： 电解质吸附-固体表面带电或双电层中的组分发生 变化，也可能是溶液中的某些离子被吸附到固体表面，而固体表面的离子则进入溶液之中，产生离子交换作用。 非电解质吸附-表现为单分子层吸附 ，吸附层以外就是本体相溶液。 溶液有溶质和溶剂，都可能被固体吸附，但被吸附的程度不同。 正吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相大。 负吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相小。,影响固体对液体吸附力的因素： 固体表面的粗糙度 固体表面的污染程度 液体表面的表面张力,2.3.2 固体对液体的吸附

13、与润湿,2.3.2 固体对液体的吸附与润湿,不同表面处理时钢和环氧树脂接触角与相对粘结强度,2.3.2 固体对液体的吸附与润湿,热力学定义：固体与液体接触后能使体系的吉布斯自由能降低，称为润湿。,机械润滑、注水采油、油漆涂布、金属焊接、搪瓷坯釉、陶瓷/金属的封接等工艺和理论都与润湿过程有关。,设定液/固，气/固，气/液的比表面吉布斯自由能分别为 、 、 ，则过程吉布斯自由能变化： 逆过程： 相当于外界所做的功W： W 称为附着功或粘附功。此值越大固液界面结合越牢，即附着润湿越强。,附着功示意图,2.3.2 固体对液体的吸附与润湿,附着润湿：液体和固体接触，变液/气和固/气为固/液界面,2.3.

14、2 固体对液体的吸附与润湿,浸渍润湿：固体插入液体中，固/液替代固/气界面,若 ，则 90，固体浸于液体必须做功。,2.3.2 固体对液体的吸附与润湿,铺展润湿：液滴落在固体表面的过程,三种铺展润湿,忽略液体重力和粘度影响，则铺展是由固/气(SV)、固/液(SL)和液/气(LV)三个界面张力所决定,式中是润湿角； F 称润湿张力。 90不润湿； 90润湿； = 0 完全润湿。,铺展是润湿的最高标准，能铺展则必能附着和浸渍。,2.3.3 固体对固体的吸附,固体和固体表面之间同样有吸附作用，但两个固体表面必须非常靠近，靠近到表面力作用的范围内（即原子间距范围内）才行。表明其粘附程度的大小用粘附功W

15、AB来表示 固体对固体的特点： 两个不同物质间的粘附功往往超过其中较弱一物质的内聚力。 表面的污染会使粘附功大大减小，而这种污染往往是非常迅速的。 如：铁片在水银中断裂，两裂开面可以再粘结起来；而在空气中断裂，铁迅速吸附氧气，形成化学吸附层，两裂开面 就粘结不起来。 固体的吸附作用只有当固体断面很小，并且很清洁时才能表现出来.,2.3.4 莱宾杰尔效应,由于环境介质的 可逆 物理（或者物理/化学）过程致使固体表面能降低，使得材料本身力学性能显著改变的效应。,单晶锡在混脂凡士林油溶液中的拉伸图,1. 纯凡士林,4. 0.2 % 混脂酸,3. 0.5 % 混脂酸,2. 0.1 % 混脂酸,思考题,莱宾杰尔效应的本质是什么？ 当两个工件接触时，真实接触面积与几何表观面积、实际表面面积有什么关系？它主要由什么决定？ 物理吸附与化学吸附可以同时存在么？ 表面粗糙度对润湿如何影响？为什么？ 切削、磨削时加入少量切削液能大幅度提高效率，为什么？,