表面工程的基础理论课程.ppt

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 比较项 物理吸附 化学吸附 吸附热 接近液化热1-40kJ.mol-1 接近反应热40-400kJ.mol-1 吸附力 范德华力，弱 化学键，强 吸附层 单分子层或多分子层 仅单分子层 吸附选择性 无 有 吸附速率 快 慢 吸附活化能 不需 需要，且较高 吸附温度 低温 较高温度 吸附层结构 基本等同吸附分子结构 形成新的化合态 物理吸附的特点 (1)无选择性---只要条件适宜，任何气体都可以吸附在任何固体上 (2)吸附热与冷凝热相似 (～ - 40kJ mol-1) (3)范德华力（色散力，偶极力） (4)低温 应用： 测表面积和孔径分布 物理吸附的位能曲线可近似地用Lennard-Jones势 表示： 排斥力 吸附力 兰纳-琼斯势（Lennard-Jones potential function, 又称L-J势能函数或6-12势能函数）是计算化学中用来模拟两分子间作用势能的一个函数。 ε等于势能阱的深度，σ是互相作用的势能正好为零时的两体距离。在实际应用中，ε、σ参数往往通过拟合已知实验数据或精确量子计算结果而确定。 化学吸附特点 (1)吸附热大(~ - 400kJ mol-1) (2)选择性(不同金属，同一金属的不同晶面） (3)化学键力 (4)吸附层在高温下稳定 应用：测活性表面积，解释动力学 H2在Ni上的吸附位能曲线 物理吸附 过渡态 化学吸附 DH-H：H2键能（分子接力能） qp：物理吸附热 Ea：吸附活化能 Ed：脱附活化能 q：化学吸附热 化学吸附热q= Ed -Ea 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面的润湿与铺展来实现的。 润湿作用 润湿是指液体对固体表面浸润、附着的能力。 能被水润湿的固体叫亲水性固体。 不能被水润湿的固体叫憎水性固体。 润湿角θ是指固、液、气三相接触达到平衡时，从三相接触的公共点沿液、气界面所引切线与固、液界面的夹角。 当θ≤90°时称为润湿。 θ角越小，润湿性越好，液体越容易在固体表面展开。 当θ＞90°时称为不润湿。θ角越大，润湿性越不好，液体越不容易在固体表面上铺展开，并越容易收缩至接近呈圆球状。 当θ＝0°和180°时，则相应地称为完全润湿和完全不润湿。 θ角的大小，与界面张力有关。其关系服从Young方程： 定义为： 铺展系数：表面热力学中，液体在固体表面上的展开能力常用铺展系数S的大小表示。 铺展系数 润湿理论的应用 润湿理论在各种工程技术尤其是表面工程技术中应用很广泛。 在金属炊具表面涂一层憎水的聚四氟乙烯(PTFE)。 加入使σL-G和σS-L 减小的表面活性物质，增加润湿程度，如清洗剂。 加入使σL-G和σS-L 增大的表面惰性物质，降低润湿程度，如防雨布。 钎焊的钎剂可提高钎料在高温液态下对基材的润湿能力。 黏着作用 固体与固体接触市产生黏着但两个平面需非常靠近，靠近到表面力作用的范围内（即原子间距范围内）才行。 黏着功：固体与固体间的吸引强度或黏着强度 黏着作用 影响因素 1）接触状况 2）润湿性 3）固溶性 4）表面活化 金属表面反应 金属表面反应是各种金属表面处理工艺中的一个重要过程，是一种多相反应。 气-固反应，如大气腐蚀、气相沉积等 液-固反应，如金属在溶液中的溶解等 固-固反应，高温下的石墨和钢直接接触反应 离子-固反应，如离子氮化、离子镀渗 多相反应过程： 反应原子扩散到界面上 在界面上发生吸附作用 产生界面反应 反应产物从界面脱落 反应产物向体相内扩放 金属表面反应 表面扩散 原子或分子沿着表面做二维的迁移运动 相对静姐和体扩散，表面扩散所需的激活能最小，扩散速度最快 表面扩散不仅依赖于外界环境（温度、气压等），还取决于晶体面化学组分、晶格结构、电子结构及与之相关的表面势。 2.4 涂层形成机制 广义：经过处理后的不同于基体