表面工程 第2章 表面物理化学基础
表
面
工
程
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第一专题：基础篇
第2章 固体表面的物理化学特征
§2.1 固体表面的结构
§2.2 固体表面的吸附
§2.3 固体表面原子的扩散
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§2.1 固体表面的结构
概述
（一）晶体、非晶体与结合键
晶体：原子、离子或分子在三维空间呈周期性规则排列，即
存在长程有序的排列。
几种清洁表面的结构和特点 特点 表面原子是从体内通过分离、 3 偏析
扩散而聚集的外来原子。
外来原子（超高真空条件下主 化学
4
要是气体）吸附于表面，并以化学 键合。
吸附
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§2.1 固体表面的结构
序号 名称 化合 物 结构示意图
—2.1.1 理想表面和清洁表面
几种清洁表面的结构和特点 特点 外来原子进入表面，并与表 5 面原子键合形成化合物。
固 体
非晶体：内部原子、离子或分子在三维空间排列短程有序，
但由于化学键的作用，在1~2nm范围内原子分布仍有 一定配位关系，原子间距和成键键角都有一定特征，
然而没有晶体那样严格。
硼酸：氢键
甲烷分子间的结合：分子键
氯化钠固体：离子键
硅：共价键
铜：金属键
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§2.1 固体表面的结构
（二）晶体结构 常见的晶体结构：面心立方、密排六方和体心立方。
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§2.2 固体表面的吸附
（三）固体表面之间的吸附
—2.2.1 吸附现象
当两固体表面之间接近到表面作用力的范围内时，固体表
面之间产生吸附作用。
粘附功表示了粘附程度的大小。 WAB＝ γ A+ γ B - γ AB 固体的粘附作用只有当固体断面很小并且很清洁时才能表 现出来。
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§2.2 固体表面的吸附
理想表面的前提条件：
忽略晶体内部周期性势场
在晶体表面中断的影响；
忽略表面原子的热运动、
表 面 内 部
理想表面结构示意图
热扩散和热缺陷等；
忽略外界对表面的物理化
学作用等。
§2.1 固体表面的结构
（二）清洁表面
—2.1.1 理想表面和清洁表面
清洁表面指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸 附、催化反应或杂质扩散等物理、化学效应的表面。
（一）物理吸附力 ---物理吸附在所有的吸附剂与吸附质之间都
存在，相当于液体内部分子间的内聚力。
色散力（存在于所有分子中）
瞬时偶极——核振动、电子运动引起的核、电子云的瞬 时位移所产生的偶极（时刻存在、始终变动） ＋ － 或
+ -
非极性分子＋非极性分子 瞬时偶极——异极相吸——色散力
§2.2 固体表面的吸附
—2.2.3 表面吸附力
吸附键---吸附质与吸附剂之间发生了电子的转移或共有，形 成的化学键。 吸附键的特点： 吸附质粒子仅与一个或少数几个 吸附剂表面原子相键合； 吸附键的强度依赖于表面的结构， 在一定程度上与底物整体电子性质 也有关系。
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§2.2 固体表面的吸附
(三)表面吸附力的影响因素
（1）吸附键性质会随温度的变化而变化
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§2.1 固体表面的结构
（二）贝尔比层和残余应力
—2.1.2 固体的实际表面
固体材料经过切削加工后，在几个微米或者十几个微米 的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，造成一定程度的晶格 畸变。这种晶格的畸变随深度变化，而在最外的约5nm-10nm
厚度可能会形成一种非晶态层，称为贝尔比层。
贝尔比层成分为金属 及其氧化物，而性质与体 内明显不同，具有较高的 耐磨性和耐蚀性。
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§2.1 固体表面的结构
—2.1.2 固体的实际表面
材料经各种加工、处理后普遍存在残余应力。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。 宏观内应力： 由于材料各部分变 形不均匀而造成的宏观 范围内的内应力。 微观内应力： 物体的各晶粒或亚晶粒 之间不均匀的变形而产生的 晶粒或亚晶粒间的内应力。
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§2.2 固体表面的吸附
吸附剂（ adsorbent ）：表面上发生吸附作用的固体（硅 胶、分子筛、活性炭等）。 吸附质（adsorbate）：被吸附的气体等物质。 吸附：剩余的力场，气体或液体分子被吸引到固体表面 （包括固体空隙的内表面）。 吸收：被吸附物质深入到固体体相中。 吸附量：达吸附平衡时，单位质量的吸附剂所吸附的吸附 质的数量（标准状况下的体积）。 吸附平衡
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§2.2 固体表面的吸附
（2）吸附键断裂与压力变化的关系
—2.2.3 表面吸附力
固体表面加热到相同温度时，被吸附物压力的变化， 脱附物发生变化。 （3）表面不均匀性对表面键合力的影响 表面有阶梯和折皱等不均匀性存在，对表面化学键 有明显的影响。 （4）其他吸附物对吸附质键合的影响 吸附物质的相互作用而引起。
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§2.1 固体表面的结构
固体材料的界面有三种：
表面
固体材料与气体或液体的分界面。
晶界（或亚晶界）
多晶体内部成分、结构相同而取 向不同晶粒（或亚晶）间的界面。
相界
固体材料中成分、结构不同的两 相之间的界面。
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§2.1 固体表面的结构
（一）理想表面
—2.1.1 理想表面和清洁表面
理想表面是一种理论上认为的结构完整的二维点阵平面，表面 原子位置和电子密度都和体内一样。
—2.2.2 表面吸附热力学
从热力学的观点来看，吸附是一个自发过程: ΔG = -ΓRT lnp
根据热力学原理，吸附热力学基本方程为：
dUi = TdSi－pdVi＋Φ dA＋μidni 无论物理吸附还是化学吸附，都是放热过程。系统对外 放热，该热称为吸附热。
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§2.2 固体表面的吸附
—2.2.3 表面吸附力
—2.2.1 吸附现象
固体表面对液体吸附的规律性和影响因素
1）使固体表面自由能降低得越多的物质，越容易被吸附。
2）与固体表面极性相近的物质较易被吸附。
3）与固体表面有相同性质或与固体表面晶格大小适当的离 子较易被吸附。
4）溶解度小或吸附后生成化合物的物质，较易被吸附。
5）固体表面带电时，较易吸附反电性离子或易被极化的离 子。
诱导力
＋
—2.2.3 表面吸附力
极性分子＋非极性分子
－ ＋ － ＋ －
诱导偶极——异极相吸——诱导力 （与极性、变形性成正比）
取向力
极性分子＋极性分子
＋ －
固有偶极—— 异极相吸—— 取向力
§2.2 固体表面的吸附
—2.2.3 表面吸附力
范德华力！ 色散力！
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§2.2 固体表面的吸附
（二）化学吸附力
6）固体表面污染程度对吸附有很大影响。
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§2.2 固体表面的吸附
7）液体表面张力对吸附有重要的影响。
—2.2.1 吸附现象
F固液=λ（1+cosθ）
F固液---固-液吸附粘结力， λ液体的表面张力,θ为 液-固接触角。 8）被吸附物质的浓度对吸附的影响。 9）温度对吸附的影响。 吸附是放热过程，故温度升高，吸附量应减少。但 有时，吸附量反而随温度升高而增加。
—2.2.3 表面吸附力
物理吸附只发生在接近或低于被吸附物质所在压力下 的沸点温度,化学吸附发生的温度远高于沸点温度。 随温度的增加，被吸附分子中的键还会陆续断裂以不同 形式吸附在表面上。
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§2.2 固体表面的吸附
—2.2.3 表面吸附力
例如：乙烯 (C2H4) 在金属钨 (W) 表面 (110) 发生的 吸附: A、200K左右时，乙烯以完整分子形式吸附在金 属钨的表面 B 、 300K 时，乙烯分子中的两个 C － H 键发生断 裂，以乙炔(C2H2)的形式吸附在金属钨表面 C 、在 500K 时，剩下的两个 C － H 键也断裂，以 C2单元的形式吸附在金属钨表面 D、在1100K以上时，C2单元发生分解，以C原子 的形式吸附在金属钨表面
只有用特殊方法如高温热处理、离子轰击加退火、真空
解离、真空沉积、场致蒸发等才能得到清洁表面，同时还必 须保持在1.33×10-10Pa的超高真空中。
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§2.1 固体表面的结构
—2.1.1 理想表面和清洁表面
晶体表面是原子排列面，有一侧无固体原子键合，形成了
附加的表面能。从热力学的观点，表面附近的原子排列总是趋
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1
1
§2.2 固体表面的吸附
—2.2.4 吸附理论
设表示固体表面吸附的覆盖度，P为吸附质气体的压力， 则吸附速率与压力 P( 表征相应气体分子在单位表面积上的碰 撞几率)成正比，也与1－ (未发生吸附的表面部分)成正比
吸附速率＝K1.P (1－) 解吸速率＝K2. 指定温度下吸附达平衡时：
内表层
基体材料层
加工硬化层
5am 0.5nm 外表面层 10am
污染层 吸附气体层 氧化层
加工硬化层 基体金属
外表层
吸附层 氧化层
内表面层
＞5um
金属表面的实际构成示意图
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§2.1 固体表面的结构
（一）表面粗糙度
—2.1.2 固体的实际表面
从宏观看，经过切削、研磨、抛光的固体表面似乎很平 整，然而从微观角度观察会发现表面有明显的起伏，同时还可 能有裂缝、空洞等。
固体表面是不均匀的，即 使从宏观上似乎很光滑，但从原 子水平上是凹凸不平的。
聚四氟乙烯表面结构图
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§2.1 固体表面的结构
—2.1.2 固体的实际表面
表面粗糙度指加工表面上具有的较小间距的波峰和波谷所 组成的微观几何形状误差，也称微观粗糙度。 表面粗糙度通常要严格控制和评定。GB1031、GB3505、 GB7220等。工业制品规定用中线制评定表面粗糙度。
第二章表面工程技术的物理化学基础
第一节 固体的表面和界面 表面：气相和固相之间分界面。 界面：固相之间分界面。 一、表面 1.理想表面：无限晶体中插入一个平面，分成两部分后形成
的表面。特点：表面原子近邻原子数少，表面原子能量升 高，表面能，引起吸附。 2.洁净表面与清洁表面 洁净表面：表面化学成分和体内相同。表面吸附物的覆盖几 率很低。得到方法：离子轰击、场致蒸发、真空沉积。
3.润湿理论的应用 表面重熔、表面合金化、涂装技术中，都希望得到 大的铺展系数。可以通过改变三个相界面上的σ值 来调整润湿角。加入使σS-L和σL-G减小的元素或 合金。可以得到均匀、平滑的表面。通常低熔点的 合金润湿性好。 自熔合金，就是在常规合金成分基础上加入，硼、硅元素使
熔点降低，提高流动性。
Ar=nπr2 n为接触点的数量。 Ar=W/σ, n=W/(σπr2)
对直径2r的接触点来说，运动2r就可以把n接触点分离，这样的 话，滑动单位距离分离的接触点为：
Nu=n*1/2r=w/(2σπr3) 因为并不是每个接触点都可以得到一个磨屑，因此，给出了几 率为K, 滑动距离S,所产生总的磨损量（磨屑体积）V, V/S=K* Nu*Vf
所以在粘着磨损过程中，摩擦阻力就是使粘着点破 坏的剪切力。
摩擦力 Fr=Aτb ， A是剪切的微凸体的总面积, τb是材料的剪切强度。
正压力 FN=A σsb ， σsb是压缩屈服强度。
μ=Fr/ FN=τb/σsb， 就是说摩擦系数取决于τb/σsb的比值。
1953年Archard提出了一个普遍接受的定律，这篇文章发表在 J. Applied physics上，给出了磨损量与载荷、硬度和滑动距离之 间的关系。 他认为磨损碎块（磨屑）是半球状的，直径为2r。
物理化学知识点
物理化学知识点物理化学知识点概述1. 热力学定律- 第零定律：如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡状态，那么这两个系统之间也处于热平衡状态。
- 第一定律：能量守恒，系统内能量的变化等于热量与功的和。
- 第二定律：熵增原理，自然过程中熵总是倾向于增加。
- 第三定律：当温度趋近于绝对零度时，所有纯净物质的熵趋近于一个常数。
2. 状态方程- 理想气体状态方程：PV = nRT，其中P是压强，V是体积，n是摩尔数，R是理想气体常数，T是温度。
- 范德瓦尔斯方程：(P + a(n/V)^2)(V - nb) = nRT，修正了理想气体状态方程在高压和低温下的不足。
3. 相平衡与相图- 相律：描述不同相态之间平衡关系的数学表达。
- 相图：例如，水的相图展示了水在不同温度和压强下的固态、液态和气态的平衡关系。
4. 化学平衡- 反应速率：化学反应进行的速度，受温度、浓度、催化剂等因素影响。
- 化学平衡常数：在一定温度下，反应物和生成物浓度之比达到平衡时的常数值。
5. 电化学- 电解质：在溶液中能够产生带电粒子（离子）的物质。
- 电池：将化学能转换为电能的装置。
- 电化学系列：金属的还原性或氧化性排序。
6. 表面与胶体化学- 表面张力：液体表面分子间的相互吸引力。
- 胶体：粒子大小在1到1000纳米之间的混合物，具有特殊的表面性质。
7. 量子化学- 量子力学基础：描述微观粒子如原子、分子的行为。
- 分子轨道理论：通过分子轨道来描述分子的结构和性质。
- 电子能级：原子和分子中电子的能量状态。
8. 光谱学- 吸收光谱：分子吸收特定波长的光能，导致电子能级跃迁。
- 发射线谱：原子或分子在电子能级跃迁时发出特定波长的光。
- 核磁共振（NMR）：利用核磁共振现象来研究分子结构。
9. 统计热力学- 微观状态与宏观状态：通过系统可能的微观状态数来解释宏观热力学性质。
- 玻尔兹曼分布：描述在给定温度下，粒子在不同能量状态上的分布。
822物理化学基础
822物理化学基础物理化学是物质本质及其性质与变化的研究。
它主要涉及纯物质的结构性质、各种物质的相互作用、物质的能量转换、物质变化的速率、物质状态变化的动力学机制等方面。
下面是一些可以参考的物理化学基础知识。
1. 热力学基础热力学是物理化学的基础，它研究物质和能量之间的关系。
热力学的基本概念包括：系统、热力学状态、态函数、定态与平衡、等温过程、绝热过程等。
热力学的基本定律包括：热力学第一定律（能量守恒定律）、热力学第二定律（熵增原理）以及热力学第三定律（绝对零度不可达到定律）。
2. 动力学基础动力学研究物质的变化速率以及变化过程的机理。
动力学的基本概念包括：反应速率、活化能、反应机理、反应平衡等。
其中，反应速率可以由速率方程来描述，而速率方程的形式与反应机理密切相关。
动力学的研究方法包括：观察法、实验法和理论计算方法。
3. 量子化学基础量子化学是物理化学的重要分支，它研究微观领域的分子和原子的行为。
量子化学的基本概念包括：量子力学、波粒二象性、波函数、算符、能级、轨道等。
量子化学主要应用于计算化学、分子结构预测、分子光谱学等方面。
4. 界面化学基础界面化学研究物质的界面以及在界面上发生的物理化学过程。
界面化学的基本概念包括：表面张力、表面活性剂、界面吸附、电化学界面等。
界面化学在材料科学、电化学、纳米科学等领域有广泛的应用。
5. 电化学基础电化学研究电与化学的相互作用以及电化学过程。
电化学的基本概念包括：电极、电解质、电势、电流、电解等。
电化学应用于电池、电解产氢、金属腐蚀、电化学分析等领域。
6. 光谱学基础光谱学研究物质与电磁波的相互作用。
光谱学的基本概念包括：吸收光谱、发射光谱、紫外可见光谱、红外光谱、核磁共振光谱等。
光谱学应用于分析化学、生物化学、化学工程等领域。
7. 结构化学基础结构化学研究物质的结构及其与性质的相互关系。
结构化学的基本概念包括：分子结构、晶体结构、络合物、配位化学等。
结构化学在合成化学、材料科学、生物化学等方面有重要应用。
《表面工程》教学大纲
00107752《表面工程》教学大纲课程名称：表面工程英文名称：Surface Engineering课程编号：00107752课程学时：32课程学分：2课程性质：选修课适用专业：材料科学与工程预修课程：物理、化学、材料科学基础、热处理原理与工艺、材料力学性能大纲执笔人：赵秀娟一、课程目的与要求向学生全面阐述表面技术的一些基本概念和理论，围绕金属材料表面强化，集中论述一些主要表面处理技术，给学生一个向导作用，以此让学生遨游几乎整个材料表面工程的世界，为学生将来从事这方面的工作或研究奠定一个较为扎实的基础。
通过本课程学习，学生应达到以下基本要求：1、掌握电镀、化学镀、热喷涂、表面纳米化、物理气相沉积和化学气相沉积表面处理技术的基本原理、基本工艺；2、理解材料成分、处理工艺、组织结构和性能的关系；3、了解不同工艺技术的优缺点、选用原则以及最新进展；4、能够运用所学表面处理技术解决实际问题。
二、教学内容及学时安排第一章表面技术概论 2 学时一、表面工程的涵义二、表面技术的分类、主要内容及目的意义三、表面技术的应用和发展动态概述第二章表面科学中某些基本概念和理论 2 学时一、固体材料及其表面二、表面晶体学三、表面热力学与动力学第三章电镀与化学镀 4 学时一、电镀二、电刷镀三、化学镀第四章表面涂覆技术 4 学时一、堆焊二、热喷涂三、陶瓷涂层熔结第五章表面改性技术 10 学时一、表面形变强化二、表面纳米化三、表面化学热处理四、等离子体表面处理五、激光表面处理六、电子束表面处理七、离子注入表面改性第六章气相沉积技术 6 学时一、薄膜及其制备方法二、真空蒸镀三、溅射镀膜四、离子镀五、化学气相沉积第七章复合表面处理技术简介 2 学时课堂讨论 2 学时三、教材及主要参考书1、钱苗根、姚寿山编著，《现代表面技术》,机械工业出版社，1999年，第1版2、郦振声等主编，《现代表面工程技术》，机械工业出版社，2007年，第1版3、赵文轸主编，《材料表面工程导论》, 西安交通大学出版社，1998年，第1版4、胡赓详等主编，《金属学》，上海科学技术出版社，1980年，第1版5、吴承建等主编，《金属材料学》，冶金工业出版社，2000年，第1版6、付献彩主编, 《物理化学》，高等教育出版社，2006第，1版7、束德林主编，《金属力学性能》，机械工业出版社，1987年，第1版。
材料表面物理化学特性分析
材料表面物理化学特性分析材料表面是物质最外层的一层，对于材料的性质和应用起着至关重要的作用。
物理化学特性是表面性质的一个重要方面。
本文将从表面能、吸附、溶液物理化学等多个方面分析材料表面的物理化学特性。
一、表面能表面能是材料表面的一种重要物理化学特性，它表征了材料表面与外界相互作用的能力。
表面能既与化学性质有关，也与物理性质有关。
例如，表面能可以影响材料表面的润湿性、附着力、粘接强度等。
常见的表面能测定方法有接触角法、切割法、动态光学法等。
在表面工程领域中，表面能起到重要的作用。
通过表面能的调控，可以实现材料表面的润湿性控制、抗菌性增强、生物相容性提高等多种功能的实现。
表面能的控制可通过表面修饰、表面净化、表面合成等方式实现。
二、吸附材料表面除了能够发生亲水性、疏水性等表面能相关现象外，还能够吸附其他物质。
吸附是指一种物质在固体表面上的吸附现象。
常见的吸附类型包括物理吸附和化学吸附。
物理吸附，也被称为物理吸附，是指由于相互作用力的吸引，在固体表面和气体、液体界面上吸附的现象。
物理吸附的发生通常需要在低温下、高压下、大表面积下等条件下发生。
化学吸附则是指化学键的形成或断裂，使某些分子聚集在固体表面的表面现象。
相对于物理吸附而言，化学吸附需要较高的表面能和活化能，通常发生在高温、高压条件下发生。
吸附对于材料表面的化学反应、催化、纯化、分离等方面都有着较大的影响。
例如，吸附剂的添加可以提高材料表面的催化活性；通过吸附作用，可以将污染物从溶液中分离出来，具有对环境保护的积极作用。
三、溶液物理化学溶液物理化学是涉及材料表面的另一方面物理化学特性。
溶液在材料表面的吸附、扩散、转化等过程，直接影响着材料的吸水性、耐久性、化学反应性等性质。
例如，以纳米表面为例，由于其表面积的增大，使得在材料表面与外界衔接的数量和面积更多，因此与溶液的相互作用也更强。
这就使得材料表面的电荷、呈现出明显的电化学特性，可以作为电极、传感器和燃料电池等电化学设备的材料。
材料界面和表面化学的基础问题
材料界面和表面化学的基础问题材料表面和界面是材料科学和工程中重要的研究领域。
表面和界面的性质对材料的各种机械、物理、化学性质和应用性能起着重要的调节作用。
表面化学是材料科学中重要的分支。
理解材料表面和界面化学的基础问题，对材料科学和工程中许多研究领域至关重要。
一、介绍材料表面和界面的基础概念表面是材料和周围环境之间的接触处。
表面性质直接决定了材料与周围环境的相互作用，并且决定了材料的化学、物理和电子性质。
表面化学是一门集物理、化学、材料科学等多学科之长的学科体系，包括物理吸附、化学吸附、表面活性剂、胶体悬浮液、表面物理化学、表面扩散等学科。
界面是指相互接触的两种材料或两种相的分界面。
界面化学是表面化学的自然延伸，主要是研究相邻两个材料之间的相互作用，如液体-固体，气体-固体等界面并不明确，有时液态材料之间也可存在界面。
二、表面和界面物理化学的基础问题表面化学涉及的问题较多，例如表面能、表面张力、表面活性剂、界面张力等等。
表面能是表面自由能。
它是表面所能存储的能量总和，当表面相互接触时，表面能就起到了很重要的作用。
表面能包含两部分：势能和剪切能。
表面能大小决定了材料对于其他材料的黏附性和润湿性。
表面张力是一种液体表面张力的概念，它是一种表面分子间的相互作用力，并且作用于沿表面的任何闭合轮廓的分子上。
表面活性剂是一种分子化合物，它在界面上活跃，并且能够改善界面物理性质，如润湿性、界面张力、表面扩散性等。
三、表面化学反应的基础问题表面较稳定的材料，如金属和氧化物，能够吸附气体和流体形成原子层。
这些表面吸附剂进入金属表面并与表面原子进行反应，结果是形成化学键合并难以反应的物种，称为表面配位物。
表面配位物的形成和性质是表面化学研究中的主要问题。
表面化学反应还包括化学氧化机制、电子转移反应等。
表面电荷的分布和电子势能以及与材料分子的相互作用等因素都是影响反应的重要因素。
四、表面和界面工程的基础问题表面工程是一种材料制备和加工技术，包括增强表面耐磨性、防腐防蚀性、增加表面反应活性等。
材料表面的物理化学特征
（2）晶界 —多晶材料内部成分、结构相同而取向 （或亚晶界）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。
2.1 固体表面相组织
2.1 固体表面的结构
要用来制造工程建筑中的构件，机 械装备中的零件以及工具、模具等。
功能材料—利用物质的各种物理和化学特性
及其对外界环境敏感的反应，实现 各种信息处理和能量转换的材料。
2.1 固体表面的结构
按原子、 离子或 分子排 列情况
键分类
晶体：长程有序、布拉菲点阵
非晶体：短程有序，1～2nm内原子分布仍
有一定的配位关系，原子间距和 成键健角等都有一定特征
复相系——在一定温度和压力下，含有多个 相的系统为复相系。
2.1 固体表面的结构
固体材料的界面
我们熟知的表面包括固体和空气(气体)的界面 或固体和液体的界面等，这些表面在工程上是最
有意义的。但是真正的表面是指晶体的三维周期 结构和真空之间的过渡区域，它所包括的所有原
子层不具备体相的三维周期性。
表面晶面不同：断键数不同，表面能不同，表面能呈现
各向异性 ➢ FCC (100)：4断键，表面能高
➢ FCC (111)：3断键，表面能低
2.1 固体表面的结构
什么是相？
• 物质存在的某种状态或结构，通常称为 某一相。严格地说，相是系统中均匀的、 与其他部分有界面分开的部分。
指这部分的成分和性质从给定范围或宏 观来说是相同的，或是以一种连续的方 式变化，也就是没有突然的变化。
➢例如，当氧吸附在Pt(100)面上时，将生成（5×1）的 表面结构，把体相的面心立方结构转变为密排六方结 构。
材料表面工程概述
概述
第1章 绪 论
2
材料表面工程的定义
表面工程是将材料的表面与基体一起作为一 个系统进行设计，利用各种表面技术，使材料的 表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系 统工程。
3
1.1 表面工程技术的意义、目的、途径和应用
1.1.1 表面工程技术的意义
⑴ 避免和减少经济损失 ⑵ 赋予材料表面功能特性
的结果。 2. 抗磨材料的选择：选择材料前要首先查清影响产品寿命的
基本因素和磨损过程是否始终以同样的磨损机理进行等情 况，然后进行选材。 3. 耐磨表面处理：表面处理，提高耐磨性。
25
第4章 表面腐蚀基本理论
26
4.1 腐蚀的定义与分类
金属腐蚀：金属与环境组分发生化学反应而引起的表面破 坏称为金属腐蚀.
④表面改性
7
第2章 固体表面的物理化学特征
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2.1.1固体的理想表面和清洁表面
清洁表面
☆ 指在特殊环境中经过特殊处理后获得的表面，是不存在任 何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散 等物理、化学效应的表面。
☆ 清洁表面是相对于受环境污染的表面而言的。只有用特殊 的方法，如高温热处理、离子轰击加退火、真空解理、真空 沉积、场致蒸发等才能得到清洁表面。
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4.1 腐蚀的定义与分类
④丝状腐蚀：涂有透明清漆或油漆膜的金属暴露在潮湿的大 气中时，金属表面由于漆膜能渗透水分和空气而发生腐蚀. 腐蚀产物呈丝状纤维网样，这种腐蚀称丝状腐蚀。其产生 原因是潮湿大气的作用，其机理为氧的浓差电池作用.
⑤应力腐蚀开裂：金属和合金在腐蚀与拉应力的同时作用下 产生的破裂，称为应力腐蚀开裂。 一般认为纯金属不会发生应力腐蚀的，含有杂质的金 属或是合金才会发生应力腐蚀.
表面工程-第2章-表面工程技术的物理、化学基础
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重构—表面原子在水平方向的周期性不同于体内的晶面，表面重构能使表面结构发生质的变化。 台阶化—指实际晶体的外表面由许多密排面的台阶构成。 偏析—指化学组分在表面区的变化。
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2.1 固体表面外层四个原子层 的重构示意图（b）
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(4)吸附对材料力学性能的影响 －莱宾杰尔效应
莱宾杰尔效应是指因环境介质的影响及表面自由能减少导致固体表面强度降低的现象。 莱宾杰尔效应的本质：是金属表面对活性介质的吸附，使表面原子的不饱和键得到补偿，表面能降低，改变了表面原子间的相互作用，使金属的表面强度降低。
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TLK模型的物理意义：
当温度从0K升到TK时，由于原子的热运动，在晶体表面将产生低晶面指数的平台、一定密度的单分子或原子高度的台阶、单分子或原子尺度的扭折以及表面吸附的单原子和表面空位。
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2.1.4 表面扩散
平行表面的运动—得到均质的、理想的表面强化层； 垂直表面向内部的运动—得到一定厚度的合金强化层。
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晶体表面是原子排列面，有一侧无固体原子的键合，形成了附加的表面能。从热力学来看，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定态。达到这个稳定态的方式有两种： 一是自行调整，使表面原子排列情况与材料内部明显不同； 二是依靠表面的成分偏析、表面对外来原子（或分子）的吸附以及这两者的相互作用而趋于稳定态，因而使表面组分与材料内部不同。
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化学键结合界面－是指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，两种材料之间的界面。 特点：结合强度较高，缺点是界面的韧性较差，在冲击载荷或热冲击下，容易发生脆断或剥落。 处理方法：物理和化学气相沉积、离子注入、热扩渗、化学转化膜、阳极氧化和化学氧化技术等
物理化学之表面化学
3 物理吸附与化学吸附的区别和联系 • ⑴ 比较
• 单分子层与多分子层
• 气体分子的吸附和脱附
• 单分子层吸附
多分子层吸附
• ⑵区别 • 根本区别在与吸附作用力不同. • ⑶联系 • a.无严格分明的界限 • b.并非不相容; • c.一定条件下相互 • 转化.一般,低温下 • 为物理吸附,高温 • 下为化学吸附.
小气泡 0.9999 0.9989 0.9897 0.8977 0.3405
不同液面蒸汽压的相互比较
二、微小晶体的溶解度
• 颗粒越小，溶解度越大。沉淀时成化就是利用 这个道理，在一定温度下，小颗粒溶解度大， 大颗粒溶解度小，所以随着时间的延长，小颗 粒溶解而大颗粒长大
三、亚稳定状态和新相的生成
• 1 亚稳定状态 • 热力学不稳定但一定时间内动力学稳定
§3-6 等温吸附
• 一、吸附量Γ与吸附等温线 • 1. 吸附量
• 2. 吸附方程
• 3. 吸附等温线 • 吸附等温线的五种类型
三．等温吸附的经验公式
• 1.Frendlich方程 • 方程的形式 • 适用范围: • a.中等压力; • b. 化学吸附或单分子层物理吸附 • 方程也可适用于固体吸附剂从溶液中的
• 由公式：
• 计算出大小可以表示物质的表面活性，其值越 大，则表示溶质对溶液的表面张力影响越大。
• 在表面活性剂浓度很小时，σ与浓度c成直线关 系
二、Gibbs吸附等温式
• 1、 表面过剩Γ • 定义：在单位面积的表面层中，所含溶
质的物质的量与同量溶剂在溶液本体中 所含溶质的物质的量之差值。
• 2、 Gibbs吸附等温式
• 1.2 讨论
• 当dσ/dc >0，即C↑，σ↑时，Γ<0，溶质在 溶液表面层发生负吸附。