2、表面工程技术的基础理论1.ppt

第二章 表面工程技术的基础理论 2.1 固体材料的表面特性 固体的表面能 固体的表面结构 固体表面的吸附现象 固体材料 固体材料还可以分为晶体和非晶体两类。晶体中的原子在三维空间内呈周期性规则重复排列，而非晶体内部原子的排列是无序的。 最轻固体材料 美国宇航局科学家研制出的一种气凝胶，作为世界最轻的固体，已正式入选吉尼斯世界纪录。这种新材料密度仅为３ｍｇ／ｃｍ３，是玻璃的千分之一。 美宇航局喷气推进实验室发布的新闻公报说，该实验室琼斯博士研制出的新型气凝胶，主要由纯二氧化硅等组成。在制作过程中，液态硅化合物首先与能快速蒸发的液体溶剂混合，形成凝胶，然后将凝胶放在一种类似加压蒸煮器的仪器中干燥，并经过加热和降压，形成多孔海绵状结构。琼斯博士最终获得的气凝胶中空气比例占到了９９.８％。 气凝胶因其半透明的色彩和超轻重量，有时也被称为“固态烟”。这种新材料看似脆弱不堪，其实非常坚固耐用，最高能承受１４００℃的高温。气凝胶的这些特性在航天探测上有多种用途。俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探路者”探测器上，都用到了气凝胶材料。新入选吉尼斯世界纪录的气凝胶材料，特性比以往有所改进。此前，世界最轻固体的纪录由另一种气凝胶保持，它的密度为５ｍｇ／ｃｍ３ 2.1.1固体的表面能 固体的表面能是其表面原子受到不平衡力场的影响而产生的附加的能量。 表面产生表面能级(表面态)的原因是塔姆(Tamm)首先提出的，他认为晶体的周期性势场在表面处发生中断引起了附加能级。因此，这种表面能级称为塔姆表面能级或塔姆能级(Tamm Level)。 2.1.2 固体的表面结构 1.理想表面结构 理想表面是一种理论上结构完整的二维点阵平面。 理想表面是指表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同,且表面上不附着任何原子或分子的半无限晶体表面(即晶体的自由表面)。 理想表面 这种理想表面在自然界中是不存在的。 清洁表面是指经过特殊处理后，保持在超真空条件下，使外来污染少到不能用一般表面分析方法探测的表面。获得清洁界面的方法诸如离子轰击、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。清洁界面是客观存在的。但实际上，即使在10－6Pa－10－9Pa超高真空下，清洁表面仍会吸附外来原子薄层。 表面晶体结构模型 描述晶体结构的物理模型著名的是单晶表面的TLK模型，所示的台阶是从原子级水平看，出现的比较规律的非完全平面结构的现象，又称TLK结构（其中T指平台：Terrace，L指台阶：Ledge，K指扭折：Kink）。 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。 与清洁表面相比，实际表面具有以下重要特点： 表面粗糙度 贝尔比层 残余应力 1．表面粗糙度 从宏观看，经过切削、研磨、抛光的固体表面似乎很平整，然而从微观角度观察会发现表面有明显的起伏、同时还可能有裂缝、空洞等。 （1）??? 轮廓算术平均偏差：Ra （2）??? 微观不平度+点高度：Rz （3）??? 轮廓最大高度：Ry 机械加工后的表面，表面粗糙度取决于加工方法 用镶嵌在珩磨头上的油石对工件表面施加一定压力，珩磨工具或工件同时作相对旋转和轴向直线往复运动，切除工件上极小余量的精加工方法。 2．贝尔比层 固体材料经过切削加工后，在几个微米或者十几个微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，既造成一定程度的晶格畸变。 这种晶格的畸变随深度变化，而在最外的，约5nm-10nm厚度可能会形成一种非晶态层。这层非晶态称为贝尔比层。 其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内明显不同。 贝尔比层具有效高的耐磨性和耐蚀性。但是在其他许多场合，贝尔比层是有害的。 3、残余应力 固体材料在加工变形中外力所做的功，除大部分转化为热能外，还有大约小于10%的功以畸变能的形式储存在变形材料的内部。储存能在变形材料中的具体表现即为残余应力，它是一种内应力。 残余应力对材料的许多性能和各种反应过程会产生很大的影响。 残余应力按其作用范围分为： 宏观内应力和微观内应力两类。 2.1.3 固体表面的吸附现象 由于固体表面上的原子或分子力场不饱和，就有吸引周围其它物质(主要是气体、液体)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，这种现象成为吸附。 吸附是固体表面最重要的性质之一。 1、固体对气体的吸附 固体表面对气体的吸附可以分为物理吸附和化学吸附两类。 物理吸附是固体与气体原子之间靠范德华力作用而结合的吸附。 化学吸附是固体与气体原子之间是靠化学键作用而结合的吸附。 物理吸附与化学吸附的区别 2、固体表面对液体的吸附 固体表面对液体分子同样有吸附作用。一般是通过液体对固体表