《表面工程》PPT課件.ppt

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1、材料表面工程 （第二章）,Email: ,李輝 材料學(xué)院 328 室 010-6739 6168,2. 表面、表面狀態(tài)及表面特性,現(xiàn)代表面工程技術(shù)的基礎(chǔ)是表面科學(xué)： 表面分析技術(shù)：表面的原子排列結(jié)構(gòu)、原子類型和電子能態(tài)結(jié)構(gòu)等，是揭示表面現(xiàn)象的微觀實(shí)質(zhì)和各種動(dòng)力學(xué)過程的必要手段。 表面、界面物理: 研究任何兩“相”之間的界面上發(fā)生的物理過程的科學(xué) 。 表面、界面化學(xué): 研究任何兩“相”之間的界面上發(fā)生的化學(xué)過程的科學(xué) 。,2. 表面、表面狀態(tài)及表面特性,The real surface is totally different from the body,2. 表面、表面狀態(tài)及表面特性,The

2、real surface is totally different from the body,2. 表面、表面狀態(tài)及表面特性,The real surface is totally different from the body,2. 表面、表面狀態(tài)及表面特性,Solid surface,Geometrical Concept Mechanical Concept Physico-chemical Concept,2.1 固體表面,Geometrical Concept:,The surface is a two-dimensional geometrical figure,拋光的鋼帶表面,

3、Mechanical Concept:,The surface is as the edge of material bodies, depending on the scale of the effect considered.,不同尺度下的針尖,Physico-chemical Concept:,A boundary between two (or more) phases, or a physical inter-phase zone, with very small thickness.,Gibbs proposition:,2.1 固體表面,1. 表面固體材料與氣體或液體的分界面。

4、2. 晶界（或亞晶界）多晶材料內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)相同而取向不同晶粒（或亞晶）之間的界面。 3. 相界固體材料中成分、結(jié)構(gòu)不同的兩相之間的界面。,表面、晶界、相界：,Surface,Grain boundary,Phase boundary,一般來說，固體表面是指 “固氣” 界面或 “固液” 界面。 前者實(shí)際上是由凝聚態(tài)物質(zhì)靠近氣體或真空的一個(gè)或幾個(gè)原子層（0.510 nm）組成，是凝聚態(tài)對(duì)氣體或真空的一種過渡 。 正是這樣的原因造成了固體材料表面有著與固體材料體內(nèi)不同： 1原子排列不同， 2組分不同。,2.1 固體表面,GaAs (110)面，實(shí)線-晶體內(nèi) 虛線-表面,2.2 固體表

5、面結(jié)構(gòu),1. 理想表面 理想表面結(jié)構(gòu)是一種理論上的結(jié)構(gòu)完整的二維點(diǎn)陣平面。 這里：忽略了晶體內(nèi)部周期性熱場(chǎng)在晶體中斷的影響； 忽略了表面上原子的熱運(yùn)動(dòng)以及出現(xiàn)的缺陷和擴(kuò)散現(xiàn)象； 忽略了表面外界環(huán)境的作用等。 2. 清潔表面 經(jīng)過諸如離子轟擊、高溫脫附、超高真空中解理、蒸發(fā)薄膜、場(chǎng)效應(yīng)蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)、分子束外延等特殊處理后，保持在106 Pa109 Pa超高真空下，外來沾污非常少的表面。 3. 實(shí)際表面 暴露在未加控制的大氣環(huán)境中的固體表面，或者經(jīng)過一定加工處理（如切割、研磨、拋光、清洗等），保持在常溫和常壓（也可能在低真空或高溫）下的表面。,三種表面：,2.2.1 清潔表面結(jié)構(gòu) 按照熱力學(xué)的觀

6、點(diǎn)，表面附近的原子排列總是趨于能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)： 自行調(diào)整； 原子排列情況與材料內(nèi)部明顯不同 依靠表面成分偏析，表面對(duì)外來原子或分子的吸附，以及兩者的相互作用而趨向穩(wěn)定態(tài)， 表面組分與材料內(nèi)部不同。,2.2 表面結(jié)構(gòu),2.2.1 清潔表面結(jié)構(gòu),relaxation,reconstruction,,2.2.1 清潔表面結(jié)構(gòu),segregation,chemisorption,chemical compounds,2.2.1 清潔表面結(jié)構(gòu),單晶表面的TLK模型已被低能電子衍射（LEED）等表面分析結(jié)果所證實(shí),Terrace Ledge Kink,臺(tái)階、扭折是催化和固相反應(yīng)的活化中心

7、。,晶體表面的成分和結(jié)構(gòu)都不同于晶體內(nèi)部，一般大約要經(jīng)過46個(gè)原子層之后才與體內(nèi)基本相似，所以晶體表面實(shí)際上只有幾個(gè)原層子范圍。 晶體表面的缺陷： 點(diǎn)缺陷：空位對(duì)，空位團(tuán)簇，吸附（偏析）的雜質(zhì)原子等 線缺陷：位錯(cuò)在表面的露頭 刃位錯(cuò)：直徑為原子尺寸的一根管道 螺位錯(cuò)：表面形成臺(tái)階,2.2.1 清潔表面結(jié)構(gòu),各種材料表面上的點(diǎn)缺陷類型和濃度都依一定條件而定，最為普遍的是吸附（或偏析）的外來雜質(zhì)原子。,實(shí)際表面的形態(tài) 實(shí)際表面就是我們通常接觸到的表面,2.2.2 實(shí)際表面結(jié)構(gòu),拋光后的金屬表面,表面粗糙度 表面組織 表面化學(xué)成分,where Rpi Rvi are the ith hi

8、ghest peak, and lowest valley respectively.,2.2.2 實(shí)際表面結(jié)構(gòu),表面粗糙度（surface roughness）,( ISO 25178),2.2.2 實(shí)際表面結(jié)構(gòu),表面粗糙度（surface roughness）,,,,2.2.2 實(shí)際表面結(jié)構(gòu),表面粗糙度（surface roughness）,2.2.2 實(shí)際表面結(jié)構(gòu),表面粗糙度（surface roughness）,2.2.2 實(shí)際表面結(jié)構(gòu),表面粗糙度（surface roughness）,表面粗糙系數(shù)（roughness factor）:,Ar： 真實(shí)表面面積 Aq：幾何表面面積,2.2

9、.2 實(shí)際表面結(jié)構(gòu),表面粗糙度（surface roughness）,Ar： 實(shí)際表面面積 Aq：幾何表觀面積,2.2.2 實(shí)際表面結(jié)構(gòu),表面組織（surface microstructure）,拋光金屬表面附近,貝爾比層 （Beilby layer） 殘余應(yīng)力 表面形變和組織畸變區(qū),2.2.2 實(shí)際表面結(jié)構(gòu),表面成分（surface composition）,二元合金表面富集元素,由A,B兩種原子組成的固體表面情況,FeO,2.2.2 實(shí)際表面結(jié)構(gòu),表面成分（surface composition）,金屬的氧化 : 氣相/高價(jià)氧化物/低價(jià)氧化物/金屬,空氣,,,,<1000,1000,Cu

10、,Cu,Cu2O,CuO,Cu2O,空氣,空氣,,,,<570,570,Fe,Fe3O4,空氣,,,Fe2O3,,,,,Fe,Fe3O4,Fe2O3,,實(shí)例：金屬材料在工業(yè)環(huán)境中的實(shí)際表面,,,,2.3 固體表面的物理吸附和化學(xué)吸附,由于固體表面上原子或分子的力場(chǎng)是不飽和的，就有吸引其它分子的能力，從而使環(huán)境介質(zhì)在固體表面上的濃度大于體相中的濃度，這種現(xiàn)象稱為吸附。 幾個(gè)概念： sorption (吸著) vs. segregration （偏析） sorption（吸著）vs. desorption （解吸） adsorption （吸附）vs. absorption（吸收） adsorba

11、nt（吸附劑）vs. adsorbate（吸附物）,2.3.1 固體對(duì)氣體的吸附,一個(gè)氣體分子被表面吸附主要分成物理和化學(xué)兩類 ： 物理吸附 （Physical adsorption）： 任何氣體在其臨界溫度以下，都會(huì)在其和固體表面之間的范德華力(Van der Waals)作用下，被固體吸附，但兩者之間沒有電子轉(zhuǎn)移。 化學(xué)吸附 (Chemical adsorption)： 氣體和固體之間發(fā)生了電子的轉(zhuǎn)移，二者產(chǎn)生了化學(xué)鍵力，其作用力和化合物中原子之間形成化學(xué)鍵的力相似，較范德華力大的多。 但并不是任何氣體在任何表面上都可以發(fā)生化學(xué)吸附。,2.3.1 固體對(duì)氣體的吸附,Lei Xu. et a

12、l. Phys. Rev. Letter.,物理吸附與化學(xué)吸附的區(qū)別,,2.3.2 固體對(duì)液體的吸附與潤(rùn)濕,固體表面對(duì)液體分子同樣有吸附作用。但這種吸附與對(duì)氣體的吸附又有不同，主要表現(xiàn)為： 包括對(duì)電解質(zhì)吸附和非電解質(zhì)吸附： 電解質(zhì)吸附----固體表面帶電或雙電層中的組分發(fā)生 變化，也可能是溶液中的某些離子被吸附到固體表面，而固體表面的離子則進(jìn)入溶液之中，產(chǎn)生離子交換作用。 非電解質(zhì)吸附--表現(xiàn)為單分子層吸附 ，吸附層以外就是本體相溶液。 溶液有溶質(zhì)和溶劑，都可能被固體吸附，但被吸附的程度不同。 正吸附：吸附層內(nèi)溶質(zhì)的濃度比本體相大。 負(fù)吸附：吸附層內(nèi)溶質(zhì)的濃度比本體相小。,影響

13、固體對(duì)液體吸附力的因素： 固體表面的粗糙度 固體表面的污染程度 液體表面的表面張力,2.3.2 固體對(duì)液體的吸附與潤(rùn)濕,2.3.2 固體對(duì)液體的吸附與潤(rùn)濕,不同表面處理時(shí)鋼和環(huán)氧樹脂接觸角與相對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度,2.3.2 固體對(duì)液體的吸附與潤(rùn)濕,熱力學(xué)定義：固體與液體接觸后能使體系的吉布斯自由能降低，稱為潤(rùn)濕。,機(jī)械潤(rùn)滑、注水采油、油漆涂布、金屬焊接、搪瓷坯釉、陶瓷/金屬的封接等工藝和理論都與潤(rùn)濕過程有關(guān)。,設(shè)定液/固，氣/固，氣/液的比表面吉布斯自由能分別為 、 、 ，則過程吉布斯自由能變化： 逆過程： 相當(dāng)于外界所做的功W：

14、 W 稱為附著功或粘附功。此值越大固液界面結(jié)合越牢，即附著潤(rùn)濕越強(qiáng)。,,,,,,,附著功示意圖,2.3.2 固體對(duì)液體的吸附與潤(rùn)濕,附著潤(rùn)濕：液體和固體接觸，變液/氣和固/氣為固/液界面,,,,,,,,2.3.2 固體對(duì)液體的吸附與潤(rùn)濕,浸漬潤(rùn)濕：固體插入液體中，固/液替代固/氣界面,,若 ，則 90，固體浸于液體必須做功。,,,,,,,,2.3.2 固體對(duì)液體的吸附與潤(rùn)濕,鋪展?jié)櫇瘢阂旱温湓诠腆w表面的過程,三種鋪展?jié)櫇?忽略液體重力和粘度影響，則鋪展是由固/氣(SV)、固/液(SL)和液/氣(LV)三個(gè)界面張力所決定,式中是潤(rùn)濕角； F 稱潤(rùn)濕張力。

15、90不潤(rùn)濕； < 90潤(rùn)濕； = 0 完全潤(rùn)濕。,鋪展是潤(rùn)濕的最高標(biāo)準(zhǔn)，能鋪展則必能附著和浸漬。,2.3.3 固體對(duì)固體的吸附,固體和固體表面之間同樣有吸附作用，但兩個(gè)固體表面必須非?？拷拷奖砻媪ψ饔玫姆秶鷥?nèi)（即原子間距范圍內(nèi)）才行。表明其粘附程度的大小用粘附功WAB來表示 固體對(duì)固體的特點(diǎn)： 兩個(gè)不同物質(zhì)間的粘附功往往超過其中較弱一物質(zhì)的內(nèi)聚力。 表面的污染會(huì)使粘附功大大減小，而這種污染往往是非常迅速的。 如：鐵片在水銀中斷裂，兩裂開面可以再粘結(jié)起來；而在空氣中斷裂，鐵迅速吸附氧氣，形成化學(xué)吸附層，兩裂開面 就粘結(jié)不起來。 固體的吸附作用只有當(dāng)固體斷面很小，并且很清潔時(shí)才能表現(xiàn)出來.,2.3.4 萊賓杰爾效應(yīng),由于環(huán)境介質(zhì)的 可逆 物理（或者物理/化學(xué)）過程致使固體表面能降低，使得材料本身力學(xué)性能顯著改變的效應(yīng)。,單晶錫在混脂凡士林油溶液中的拉伸圖,1. 純凡士林,4. 0.2 % 混脂酸,3. 0.5 % 混脂酸,2. 0.1 % 混脂酸,思考題,萊賓杰爾效應(yīng)的本質(zhì)是什么？ 當(dāng)兩個(gè)工件接觸時(shí)，真實(shí)接觸面積與幾何表觀面積、實(shí)際表面面積有什么關(guān)系？它主要由什么決定？ 物理吸附與化學(xué)吸附可以同時(shí)存在么？ 表面粗糙度對(duì)潤(rùn)濕如何影響？為什么？ 切削、磨削時(shí)加入少量切削液能大幅度提高效率，為什么？,