02-现代表面工程学导论--表面基本理论.ppt

表面技术概论第二章 表面工程技术基本理论 山东科技大学材料科学与工程学院 2.1 表面晶体学 工程材料中，大部分为晶体材料。晶粒尺寸小到微米级以下的晶粒，称为微晶；当晶粒尺寸小到1nm数量级时，则晶体 结构的远程有序消失，物质呈非晶态。 3．洁净表面与清洁表面 尽管材料表层原子结构的周期性不同于体内，但如果其化学成分仍与体内相 同，这种表面就称为洁净表面。 它是相对于理想表面和受环境气氛污染的实际表 面而言的。洁净表面允许有吸附物。 清洁表面：一般指零件经过清洗(脱 脂、浸蚀等)以后的表面． 工业上，清洁表面易于实现，只要经过常规的清洗过程即可。 清洁表面 4.实际表面结构 实际表面： 早在1936年西迈尔兹就把实际表面区分为两个范围：一是所谓“内表面层”，它包括基体材料和加工硬化层；另一部分是所谓“外表面层”，它包括吸附层、氧化层等。 外表面层 ---------- 吸附层、氧化层 内表面层 ---------- 基体材料、加工硬化层 表面原子的能量处于非平衡状态－－－－在固体表面吸附一层外来原 子。 一般的零件经过机械加工以后，表面上有各种氧化物覆盖。 大部分表面覆层技 术在工艺实施之前，都要求对表面进行预处理．清除掉表面氧化皮－－－提高 与基材结合强度。 这些预处理工艺往往是表面工程技术能否成功实施的关 键，必须引起充分重视。 ①．表面粗糙度： ②．贝尔比层： 固体材料经切削加工后，在几个微米或十几个微米的表层中可能发生组织结构的晶格畸变。 该种晶格畸变随深度变化，而在最外边，约5nm～100nm厚度可能会形成一种非晶态层，称为贝尔比（Beilby）层。 贝尔比层具有较高的耐磨耐蚀性，但也会感生出位错、层错等缺陷而影响器件的性能。 ③．残余应力：材料经加工，就会存在着各种残余应力，对性能发生影响。压应力是有利的。 ④．表面氧化、吸附和沾污：当固体表面暴露在一般的空气中就会吸附氧或水蒸气，还可能有CO2、SO2、NO2等各种污染气体，甚至在一定的条件下发生化学反应而形成氧化物、有机物、盐或氢氧化物。 ⑶基于固相宏观成分差异形成的界面 ①冶金结合界面 当覆层与基体材料之间的界面结合是通过处于熔融状态的覆层材料沿处于半熔化状态下的固体基材表面向外凝固结晶而形成时，覆层与基材的结合就称为“冶金结合”。 冶金结合的实质是金属键结合。 能获得冶金结合的表面技术：激光熔覆技术、等离子熔覆、各种堆焊与喷焊技术等。 ②扩散结合界面 两个固相直接接触，通过抽真空、加热、加压、界面分散和反应等途径所形成的结合界面即为扩散结合界面。 其特点是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。－－－－热扩渗工艺、离子注入 ③外延生长界面 在工艺条件合适时，在单晶衬底表面沿原来的结晶轴向生成一层完整的新单晶层的工艺过程，就称为外延生长，形成的界面称为外延生长界面。 主要有两类： 一种是气相外延，如化学气相沉积技术；另一种是液相外延，如电镀技术等。 厚度：0.1~400nm 结合强度高低决定于结合键的类型。 ④化学键结合界面 当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，两种材料的界面就称为化学键结合界面。 例如， 气相沉积：TiN和TiC薄膜． 可获得化学键结合的表面技术主要有：物理和化学气相沉积技术、离子注入技术、热扩渗技术、化学转化膜技术、阳极氧化和化学氧化技术等。 化学键结合的优点是结合强度较高；缺点是界面的韧性较差。 ⑤分子键结合界面 分子键结合界面是指涂(镀)层与基材表面以范德华力结合的界面。 这种界面的特征是覆层与基材(或衬底)之间未发生扩散或化学作用。 部分物理气相沉积层、涂装技术中有机粘结涂层与基材的结合界面等均属于典型的分子键结合界面。 ⑥机械结合界面 机械结合主要指覆层与基材的结合界面主要通过两种材 料相互镶嵌的机械连接作用而形成。－－－－－热喷涂 2.2 材料表面现象 点缺陷：三维方向上尺寸都很小的缺陷， 如空位、间隙原子和置换原子等； 线缺陷：在一个方向上尺寸较大，另外两个方向上尺寸较小的缺陷；如位错等； 面缺陷：主要沿二维方向伸展，另一维方向上的尺寸相对比较小，则称为面缺陷。如界面就是一种面缺陷。 2、表面扩散 表面扩散所需要的激活能很低。 表面原子扩散比原子在晶界和体内都要容易得多，原子在表面所需要克服的能垒要低得多，因此表面扩散在表面技术中的薄膜成核长大过程中起了很重要的作用。 3、表面热力学 4、固体表面的吸附： 在固体表面上的原子或分子的力场不饱和，清洁的固体表面处于不稳定的高能状态。如某种物质能与表面作用，降低其表面能，则这种物质