表面工程-02

北京工业大学材料科学与工程学院CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT材料表面工程（第二章）Email:[e-mail]李辉材料学院328室010-67396168CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.表面、表面状态及表面特性现代表面工程技术的基础是表面科学：表面分析技术：表面的原子排列结构、原子类型和电子能态结构等，是揭示表面现象的微观实质和各种动力学过程的必要手段。表面、界面物理:研究任何两“相”之间的界面上发生的物理过程的科学。表面、界面化学:研究任何两“相”之间的界面上发生的化学过程的科学。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.表面、表面状态及表面特性TherealsurfaceistotallydifferentfromthebodyCollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.表面、表面状态及表面特性TherealsurfaceistotallydifferentfromthebodyCollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.表面、表面状态及表面特性TherealsurfaceistotallydifferentfromthebodyCollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.表面、表面状态及表面特性SolidsurfaceGeometricalConceptMechanicalConceptPhysico-chemicalConcept2.1固体表面CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUTGeometricalConcept:Thesurfaceisatwo-dimensionalgeometricalfigure抛光的钢带表面CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUTMechanicalConcept:Thesurfaceisastheedgeofmaterialbodies,dependingonthescaleoftheeffectconsidered.不同尺度下的针尖CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUTPhysico-chemicalConcept:Aboundarybetweentwo(ormore)‘phases’,oraphysicalinter-phasezone,withverysmallthickness.Gibbs’proposition:CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.1固体表面1.表面——固体材料与气体或液体的分界面。2.晶界（或亚晶界）——多晶材料内部成分、结构相同而取向不同晶粒（或亚晶）之间的界面。3.相界——固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。表面、晶界、相界：‘Surface’‘Grainboundary’‘Phaseboundary’CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT一般来说，固体表面是指“固气”界面或“固液”界面。前者实际上是由凝聚态物质靠近气体或真空的一个或几个原子层（0.5—10nm）组成，是凝聚态对气体或真空的一种过渡。正是这样的原因造成了固体材料表面有着与固体材料体内不同：1．原子排列不同，2．组分不同。2.1固体表面GaAs(110)面，实线-晶体内虚线-表面CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.2固体表面结构1.理想表面理想表面结构是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。这里：忽略了晶体内部周期性热场在晶体中断的影响；忽略了表面上原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象；忽略了表面外界环境的作用等。2.清洁表面经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空中解理、蒸发薄膜、场效应蒸发、化学反应、分子束外延等特殊处理后，保持在10－6Pa－10－9Pa超高真空下，外来沾污非常少的表面。3.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。三种表面：CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.2.1清洁表面结构按照热力学的观点，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态：自行调整；→原子排列情况与材料内部明显不同依靠表面成分偏析，表面对外来原子或分子的吸附，以及两者的相互作用而趋向稳定态，→表面组分与材料内部不同。2.2表面结构CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.2.1清洁表面结构relaxationreconstructionCollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.2.1清洁表面结构segregationchemisorptionchemicalcompoundsCollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.2.1清洁表面结构单晶表面的TLK模型已被低能电子衍射（LEED）等表面分析结果所证实TerraceLedgeKink台阶、扭折是催化和固相反应的活化中心。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部，一般大约要经过4～6个原子层之后才与体内基本相似，所以晶体表面实际上只有几个原层子范围。晶体表面的缺陷：点缺陷：空位对，空位团簇，吸附（偏析）的杂质原子等线缺陷：位错在表面的露头刃位错：直径为原子尺寸的一根管道螺位错：表面形成台阶2.2.1清洁表面结构各种材料表面上的点缺陷类型和浓度都依一定条件而定，最为普遍的是吸附（或偏析）的外来杂质原子。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT实际表面的形态实际表面就是我们通常接触到的表面2.2.2实际表面结构抛光后的金属表面表面粗糙度表面组织表面化学成分CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUTwhereRpiRviaretheithhighestpeak,andlowestvalleyrespectively.2.2.2实际表面结构表面粗糙度（surfaceroughness）(ISO25178)CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.2.2实际表面结构表面粗糙度（surfaceroughness）CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.2.2实际表面结构表面粗糙度（surfaceroughness）CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.2.2实际表面结构表面粗糙度（surfaceroughness）CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.2.2实际表面结构表面粗糙度（surfaceroughness）表面粗糙系数（roughnessfactor）:qrAARAr：真实表面面积Aq：几何表面面积CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.2.2实际表面结构表面粗糙度（surfaceroughness）qrAARAr：实际表面面积Aq：几何表观面积CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.2.2实际表面结构表面组织（surfacemicrostructure）抛光金属表面附近贝尔比层（Beilbylayer）残余应力表面形变和组织畸变区CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.2.2实际表面结构表面成分（surfacecomposition）二元合金表面富集元素由A,B两种原子组成的固体表面情况CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUTFeO2.2.2实际表面结构表面成分（surfacecomposition）金属的氧化:气相/高价氧化物/低价氧化物/金属空气1000℃1000℃CuCuCu2OCuOCu2O空气空气570℃570℃FeFe3O4空气Fe2O3FeFe3O4Fe2O3CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT实例：金属材料在工业环境中的实际表面微晶层(1100nm)塑性变形层(110m)其它变质层(双晶、相变等)机械加工后的金属表层组织结构示意CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.3固体表面的物理吸附和化学吸附由于固体表面上原子或分子的力场是不饱和的，就有吸引其它分子的能力，从而使环境介质在固体表面上的浓度大于体相中的浓度，这种现象称为吸附。几个概念：sorption(吸着)vs.segregration（偏析）sorption（吸着）vs.desorption（解吸）adsorption（吸附）vs.absorption（吸收）adsorbant（吸附剂）vs.adsorbate（吸附物）CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.3.1固体对气体的吸附一个气体分子被表面吸附主要分成物理和化学两类：物理吸附（Physicaladsorption）：任何气体在其临界温度以下，都会在其和固体表面之间的范德华力(VanderWaals)作用下，被固体吸附，但两者之间没有电子转移。化学吸附(Chemicaladsorption)：气体和固体之间发生了电子的转移，二者产生了化学键力，其作用力和化合物中原子之间形成化学键的力相似，较范德华力大的多。但并不是任何气体在任何表面上都可以发生化学吸附。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.3.1固体对气体的吸附LeiXu.etal.Phys.Rev.Letter.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT物理吸附与化学吸附的区别物理吸附化学吸附吸附热近于液化热（1～10KJ·MOL-1）近于反应热（40KJ·MOL-1）吸附力范德华力弱化学键力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、且很高吸附温度低温较高温度吸附层结构基本同吸附质分子结构形成新的化合态CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT2.3.2固体对液体的吸附与润湿固体表面对液体分子同样有吸附作用。但这种吸附与对气体的吸附又有不同，主要表现为：包括对电解质吸附和非电解质吸附：电解质吸附----固体表面带电或双电层中的组分发生变化，也可能是溶液中的某些离子被吸附到固体表面，而固体表面的离子则进入溶液之中，产生离子交换作用。非电解质吸附--表现为单分子层吸附，吸附层以外就是本体相溶液。溶液有溶质和溶剂，都可能被固体吸附，但被吸附的程度不同。正吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相大。负吸附：吸附层内溶质的浓度比本体相小。CollegeofMaterialsScienceandEngineering,BJUT影响固体对液体吸附力的因素：固