材料表面工程2008-lecture_b_.ppt

第二章 表面工程技术基础 表面工程实施对象：材料表面 改性层与基材：界面 磨损、腐蚀、疲劳均源于表面 有必要了解固体表面与界面的性能 §2.1 固体的表面和界面 表面：固相和气相之间的分界面 界面：固相与固相之间的分界面 相界面：不同凝聚相之间的界面 晶界：同一相中晶粒之间的界面 微晶：晶粒尺寸小到微米级以下的晶粒 非晶：晶粒尺寸小到nm数量级，晶体结构的远程有序特征消失 一、典型固体表面 1.理想表面： 想象为无限晶体中插入一个平面，该平面将无限晶体分成两部，认为半无限晶体中原子位置和电子密度和原来的无限晶体一样。 2.洁净表面与清洁表面 洁净表面：表层原子结构的周期性不同于内部，化学成分与内部相同，其特点为： （1）较难获得：高温处理，离子轰击，加热退火等 （2）在洁净表面上，可发生多种与内部不同的结构和成分变化，如驰豫，重构，台阶化，偏析，吸附等 清洁表面： 经过清洗（除油、除锈）后得到的表面 洁净表面与清洁表面的应用场合： ◇保证各种涂镀层与基材结合良好，前处理→清洁表面 ◇PVD，CVD及微细加工领域→洁净表面 3. 机械加工表面 不同表面处理工艺，要求不同粗糙度 4. 一般表面 二、典型固体界面 两个块体相之间的过渡区 1.基于固相晶粒尺寸 和微观结构差异形成 的界面－抛光面 2.基于固相组织或晶体结构差异形成的界面 例如： 钢表面淬火，表层M，芯部P，表层与芯部存在过渡区M＋F＋P，相界面在微观尺度的晶体结构上有明显突变－界面。 3. 基于固相宏观成分差异形成的界面 （1）冶金结合界面 涂层与基体材料之间的界面结合是通过熔融状态的涂层材料沿处于半熔化状态的基体表面向外凝固结晶形成，此类涂层与基材的结合称“冶金结合”。 获得途径：熔敷，堆焊 （2）扩散结合界面 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形成。 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。 获得： 热扩渗，离子注入 （3）外延生长界面 在合适的工艺条件下，在单晶衬底表面沿原来的结晶轴方向生长一层晶格完整的新单晶层的工艺，称外延生长，形成的界面称外延生长界面。 获得：气相外延－CVD，液相外延－电镀 （4）化学键结合界面 覆层材料与基材之间发生化学反应，形成成分固定的化合物时，两种材料的界面称为化学键结合界面。 例如： Ti基上PVD沉积TiC薄膜，TiC中的C将部分与基体中的Ti形成Ti－C化学键 获得： PVD，CVD，离子注入，热扩渗，化学转化膜，阳极氧化等 特点： 结合强度高；界面韧性差，耐冲击载荷及热冲击性能差 （5）分子键结合界面 涂镀层与基材表面以范德华力结合的界面 特征： 涂镀层与基材之间未发生扩散或化学作用 获得： 部分PVD层，涂装技术中有机粘结涂层 （6）机械结合表面 覆层与基材主要通过两种材料相互镶嵌的机械连接作用而形成 获得：热喷涂 三、表面晶体结构（略） 四、扩散（略） 五、表面能及表面张力 1. 表面能 严格意义上： 指材料表面的内能，包括原子的动能、原子间的势能以及原子中原子核和电子的动能和势能。 实际： 产生1cm2新表面需消耗的等温可逆功 2. 表面张力 表面张力： 作用在液体表面上引起表面收缩的单位长度上的力γ，单位N.m-1。 表面张力是表面能的一种物理表现，是由原子间的作用力以及在表面和内部的排列状态的差别而引起的。 3. 表面张力和表面能的关系： 液体的表面能等于表面张力与表面积的乘积。 Gibbs指出：表面张力是形成单位面积的表面时所消耗的功，即表面自由能。 六、固体表面的物理吸附和化学吸附 1. 吸附的基本特性 吸附作用： 物体表面上原子或分子力场不饱和，有吸引周围其它物质（主要是气体、液体）分子的能力。 吸附 2. 固体对气体的吸附 物理吸附： 不发生电子转移，电子云中心位置变动，为可逆过程，易解吸。 化学吸附： 吸附物和固体表面之间有电子转移，二者产生化学键力，为不可逆过程。 常见气体吸附强度： O2＞C2H2＞C2H4＞CO＞H2＞CO2＞N2 吸附对表面工程非常重要，如PVD、CVD薄膜的形核首先是通过固体表面对气体分子或原子吸附来进行 3. 固体对液体的吸附 固体对液体分子吸附 对电解质吸附： 使固体表面带电或双电层中的组分发生变化，使溶液中的某些离子被吸附到固体表面，固体表面的离子进入溶液中，产生离子交换作用。（电镀基础） 对非电解质吸附： 一