表面工程-10表面分析技术
表面工程领域科学技术发展分析
近年来，绿色环保型产品受到了人们广泛的欢迎，这也为表面工程在制造行业中的应用创造了条件。举个简单的例子，传统的电镀技术会产生较大的污染，比如一些灯具表面的镀层，当灯具损坏丢弃后，表面的镀层难以分解，会对环境造成二次污染。为了改善这种情况，表面工程中应用了绿色镀膜技术，这种技术能够简化镀膜的过程，并且把握镀膜的力度，保证表面薄膜的均匀[1]。另外，在汽车轮毂的表面以及精密仪器的表面，这种技术也得到了很好的应用，能够起到润滑的作用，并且隔离灰尘，同时不会产生噪音，极大了提高了设备的运行效率。一方面，绿色镀膜技术能够减少环境的污染，另一方面，绿色镀膜技术可以达到节能的效果。因为这种镀膜技术，会在金属器件的表面形成致密的薄膜，比如在发动机表面涂覆薄膜后，可以保证发动机散热均匀，提高运行效率。
5.生物医学方面
正常情况下，如果将生物材料植入人体之后，会产生一定免疫反应，比如材料通过表面与体液、血红蛋白以及细胞发生反应，所以探索生物材料表面涂层相关的改进方法，是亟待解决的问题。近年来，通过分析生物响应机制，而研究出的生物材料微纳米有序结构，以及生物活性物质，在生物组织修复和再生的过程中发挥着重要的作用。在减少宿主免疫反应的前提下，在生物材料涂层添加一些具有生物活性的物质，比如碳酸钙、磷灰石等，可以延长材料的使用周期。另外，在一些人工关节表面制备一层类金刚石膜，可以预防细菌感染。
4.能源再生方面
能源再生主要涉及的是新能源，比如风能、太阳能、潮汐能等。近年来，太阳能光伏发电受到了人们广泛的关注，而其中关键技术就是薄膜太阳能电池技术。一般而言，太阳能薄膜的制备分为真空镀膜和非真空镀膜两种，由于真空镀膜成本较高，并且需要使用稀有元素，所以目前广泛使用的还是非真空镀膜的方法，这种方法需要解决如何实现大面积制备的问题。利用平板集热器，能够提高薄膜的透光率，并在太阳能真空集热管上涂覆具有选择吸收功能的玻璃外管，可以避免热量的损失。这里提一下燃料电池的交换膜，通过PVD技术，可以提高金属双极板的耐腐蚀性能，并且在双极板的表面形成了不同的结构。另外，应用湿法改性技术，比如利用酸性混合溶液的化学性质，对不锈钢或者是铝合金材料的表面进行改性，可以提高电池的耐腐蚀性[2]。
表面分析技术
表面分析技术表面分析技术是一项涉及材料和表面特性研究的重要技术手段。
通过对材料表面的分析和测试，可以了解材料的化学成分、结构形态以及物理性质等重要信息。
这些信息对于材料科学、化学工程以及各种工业领域的研究和应用具有重要的指导意义。
本文将介绍常见的表面分析技术及其应用，并探讨其在材料研究领域中的重要性。
一、X射线衍射（XRD）X射线衍射技术是一种分析晶体结构和晶体取向的重要手段。
通过照射材料表面的X射线，利用倒转的原理，可以得到材料中晶体的信息，如晶体晶胞参数、晶面取向和结晶度等。
X射线衍射技术广泛应用于金属材料、无机晶体、聚合物材料以及生物材料等领域的研究中。
二、扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种通过扫描材料表面的电子束来获取表面形貌和成分信息的技术。
通过SEM技术可以观察到材料的微观形貌、表面粗糙度以及颗粒分布情况。
此外，SEM还可以结合能谱分析，获取材料的元素成分信息，对于材料表面的成分分析具有重要意义。
扫描电子显微镜的高分辨率、高灵敏度和高成像质量使其成为材料科学研究中不可或缺的工具。
三、原子力显微镜（AFM）原子力显微镜是一种通过探针在材料表面扫描获取高分辨率表面形貌和力学性质的技术。
与扫描电子显微镜类似，原子力显微镜可以获得纳米级别的表面形貌信息。
此外，通过原子力显微镜还可以研究材料的力学性质，如力曲线、硬度和弹性模量等。
原子力显微镜在纳米材料研究、表面重构以及生物医学领域的研究具有重要应用价值。
四、拉曼光谱（Raman）拉曼光谱是一种通过激光照射材料表面，并测量散射光强度的技术。
拉曼光谱的原理是根据材料分子振动产生的震动频率差异来获取材料的化学成分和物理性质信息。
通过拉曼光谱可以研究材料的晶体结构、官能团成分以及分子结构的变化等。
应用于纳米材料、生物医学和化学合成等领域的研究中。
五、表面增强拉曼光谱（SERS）表面增强拉曼光谱是一种通过将材料置于金属纳米颗粒表面，使得拉曼信号得到大幅增强的技术。
表面工程技术及其应用
2) 德国大众从1941年开始再制造，到2004年已再制造发动机 748万台，变速器240万台。
3) 以色列将一台价值200万美元废旧波音747客机再制造成货机 后，售价达到8000万美元。
表面工程技术的发展
1. 传统的表面工程技术：表面热处理、表面渗碳及油漆技术。
1) 秦兵马俑宝剑表面是采用铬盐氧化工艺处理；“唐三彩”及 “景泰蓝”的处理工艺。
2) 高分子涂装技术：50年代油性涂料、天然树脂涂料→合成树 脂→水系涂料。
3) 传统的表面淬火：火焰加热→高频加热→激光束、电子束淬 火。
广州电视塔
.
56
表面工程技术的应用—铁路交通
和谐号高速列车
.
57
表面工程技术的应用—钻井平台
深水半潜式钻井平台COSLINNOVATOR(2011.10)
.
58
表面工程技术的应用—舰船
辽宁舰航母
.
59
表面工程技术的应用—舰船
辽宁舰航母
.
60
表面工程技术在船舶机械零件中的应用
表面工程技术在柴油机气阀中的应用。 表面工程技术在曲轴等轴类零件中的应用。 表面工程技术在柴油机气缸盖阀座中的应用。 表面工程技术在尾轴耐磨衬套中的应用。 表面工程技术在柴油机燃烧室中的应用。 表面工程技术在船舶钢构件防腐中的应用。 表面工程技术在巴氏合金薄壁轴瓦中的应用。 表面工程技术在船舶其它机械零件中的应用。
2. 表面工程的学科体内容： 表面工程基础理论； 表面工程技术及复合表面技术； 表面加工技术； 表面质量检测与控制； 表面工程技术设计等。 3. 表面工程基础理论：表面失效分析、表面摩擦与磨损、表面腐蚀与
表面技术
1.3 表面技术的分类材料表面工程是一门新兴学科，或者说是正在形成的一门学科，是一门多学科的边缘学科。
该学科中应该包括哪些内容，如何分类，国内外都无公认的说法。
从不同的角度进行归纳，就会有不同的分类。
如：按作用原理可分为：<1>原子沉积：沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上形成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。
<2>颗粒沉积：沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂覆等。
<3>整体覆盖：它是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面，如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。
<4>表面改性：用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成、结构发生变化，从而改变性能，如表面处理、化学热处理、电子束表面处理、离子注入等。
按表面强化层材料可分为：<1>金属材料层；<2>陶瓷材料层；<3>高分子材料层。
按工艺特点可分为：<1>电镀，<2>化学镀，<3>热渗镀，<4>热喷涂，<5>堆焊，<6>化学转化膜，<7>涂装，<8>表面彩色，<9>气相沉积，<10>“三束”改性，<11>表面热处理，<12>形变强化，<13>衬里等，每一类又可分为一些更细的工艺项目。
图1-1 材料表面工程技术的分类该分类方法比较清晰地体现了工程技术的特点，而且与工程技术上的名称基本一致，容易记忆。
但缺乏学术上的逻辑性，因为有些技术尽管工艺不一样，但基本的改质机理是相同或相似的。
按工艺特点分类方法示意图如图1-1所示。
按表面改质的目的或性质可分为：<1>表面耐磨和减磨技术，<2>表面耐蚀抗氧化技术，<3>表面强化（提高疲劳强度）技术，<4>表面装饰技术，<5>功能表面技术，<6>表面修复技术。
(无水印)《飞机维修表面工程学》辅导提纲解析
《飞机维修表面工程学》课程辅导提纲军区空军自考办第一章航空装备零部件失效分析概述一、内容提要：（一）、航空装备零部件失效的类型1. 航空装备或系统的失效类型分为:运动或动力故障型：空中停车、失速、乏力、失控等失效结果模式型：撞坏、坠毁、爆炸、起伏、泄露等2. 航空装备零部件失效类型分为：为了便于诊断和处理失效事件，可按以下三个方面：1、按失效机理模式的失效类型见《航空维修表面工程学》P1表1-1（下同）2、按产品质量控制状态的失效类型P2表1-2。
3、按因果关系划分的失效类型P2表1-3。
3. 航空装备零部件失效的基本影响因素无论是航空装备或其零部件，影响其失效的基本因素总可以归结为设计制造过程因素（原始因素）和运转维修过程因素（工况使用因素）两大方面。
主要有：设计因素、制造（工艺）因素、装配调试因素、材质因素、运转维修因素。
（二）、航空装备零部件失效分析的基本内容与基本思路1失效分析的对象与作用：对象：针对一个航空机械系统、一台航空机械设备中零部件的失效。
目的：提高军事、经济和社会效益。
作用：1、可反馈到设计与制造部门。
以便能提高今后的质量。
2、是修复与强化的依据。
3、提供事故仲裁、案件侦破。
失效保险等的技术依据。
4、有助于防止事故重复发生。
2. 失效分析的基本思路及步骤通常，对于某一失效或故障的本质影响因素较为简单的情况，可以通过具体失效模式的分析，由现象到本质，顺藤摸瓜，不难抓住要害。
复杂的情形应根据定位工程的方法找出根源。
思路： g σ ( 广义应力)>〔g σ〕(许用应力) （可能发生失效）航空装备零部件失效分析的一般过程与步骤：1、失效分析对象现场调查。
现场调查的一般内容有：P62、现场初步分析。
3、检测试验，查清失效原因4、提出结论与报告二、基本要求理解航空装备零部件失效的类型。
了解失效分析的基本内容和影响失效的基本因素。
了解失效分析的基本思路及步骤。
重点内容：理解航空装备零部件失效的类型。
固体表面结构和常用表面分析技术
固体表面结构和常用表面分析技术朱月香;段连运;钱民协【摘要】对在结构化学基础课中增加表面结构知识的内容进行了探讨,提出将"表面原子排布和表面电子态"、"表面化学组成"和"表面分析技术"等作为固体表面结构和性质教学的基本内容,同时将"单层分散原理"这一科技新发现作为从理论研究到实际应用的例子吸纳到教材中.介绍了单层分散的实验现象、原理及有关应用.【期刊名称】《大学化学》【年(卷),期】2000(015)006【总页数】5页(P21-25)【关键词】结构化学教学;固体表面结构;表面分析技术【作者】朱月香;段连运;钱民协【作者单位】北京大学化学与分子工程学院,北京,100871;北京大学化学与分子工程学院,北京,100871;北京大学化学与分子工程学院,北京,100871【正文语种】中文【中图分类】O6段连运、谢有畅[1]1991年在《大学化学》发表文章，建议在结构化学基础课教学中增添表面结构化学内容。
近10年来，许多院校就表面结构化学讲授内容的组合、教材建设、授课方法等进行了广泛探索，取得了颇具推广价值的经验。
北京大学结构化学基础课教学组也对几种教学方法进行了尝试。
在修改和完善已数度讲授过的“分子轨道理论与电子能谱”、“固体的表面结构和表面性质”的基础上，还就增添“表面分析技术”、“盐类、氧化物及一些有机化合物在固体表面的分散”等内容进行了研究和尝试。
兹予发表，以期与同行交流。
1 关于固体表面结构和性质的教学表面科学是一个新兴的边缘学科，涉及的内容非常广泛，包括复杂的理论模型(经典力学和量子力学的)、各种表面分析技术及在各个领域中的应用等。
有关的资料浩如烟海。
在结构化学基础课中增加表面结构化学内容的必要性是不言而喻的，但作为本科生基础课，应当增加哪些内容呢？根据既要“新”又要“精”的原则，我们认为，“表面原子排布和表面电子态”、“表面化学组成”和“表面分析技术”应当是首先要增加的最基本的内容。
现代材料分析方法第八章_表面分析技术
• 目前，测量几KeV以下光电子动能的主要手段是 利用静电场。
• 其中同心半球型能量分析器（(CHA）同时装有入 射电磁透镜和孔径选择板，可以进行超高能量分 解光电子测定，高分解能角度分解测定。
24
Monochromator 25
半球型光电子能量分析器
只有能量在选定的很窄范围内的电子可能循着一定的轨道 达到出口孔，改变电势，可以扫描光电子的能量范围。
41
化合态识别
➢ 在XPS的应用中，化合态的识别是最主要的用 途之一。识别化合态的主要方法就是测量X射 线光电子谱的峰位位移。
➢ 对于半导体、绝缘体，在测量化学位移前应首 先决定荷电效应对峰位位移的影响。
42
化合态识别-光电子峰
➢ 由于元素所处的化学环境不同，它们的内层电子 的轨道结合能也不同，即存在所谓的化学位移。
• 随着科技发展，XPS在不断完善。目前，已开 发出的小面积X射线光电子能谱，大大提高了 XPS的空间分辨能力。
5
1. 光电效应
二、XPS原理
在光的照射下，
LIII
电子从金属表面逸
LII
出的现象，称为光
LI
电效应。
h
K
Photoelektron (1s) 2p3/2 2p1/2 2s
1s
6
2、光电子的能量
• 根据Einstein的能量关系式有： h = EB + EK
其中 —— 光子的频率，h ——入射光子能量
EB ——内层电子的轨道结合能或电离能； EK ——被入射光子所激发出的光电子的动能。
7
实际的X射线光电子能谱仪中的能量关系为
h EB EK s A
其中ФS——谱仪的功函数，光电子逸出表面所
表面技术
1.3 表面技术的分类材料表面工程是一门新兴学科，或者说是正在形成的一门学科，是一门多学科的边缘学科。
该学科中应该包括哪些内容，如何分类，国内外都无公认的说法。
从不同的角度进行归纳，就会有不同的分类。
如：按作用原理可分为：<1>原子沉积：沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上形成覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。
<2>颗粒沉积：沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂覆等。
<3>整体覆盖：它是将涂覆材料于同一时间施加于材料表面，如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、堆焊等。
<4>表面改性：用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成、结构发生变化，从而改变性能，如表面处理、化学热处理、电子束表面处理、离子注入等。
按表面强化层材料可分为：<1>金属材料层；<2>陶瓷材料层；<3>高分子材料层。
按工艺特点可分为：<1>电镀，<2>化学镀，<3>热渗镀，<4>热喷涂，<5>堆焊，<6>化学转化膜，<7>涂装，<8>表面彩色，<9>气相沉积，<10>“三束”改性，<11>表面热处理，<12>形变强化，<13>衬里等，每一类又可分为一些更细的工艺项目。
图1-1 材料表面工程技术的分类该分类方法比较清晰地体现了工程技术的特点，而且与工程技术上的名称基本一致，容易记忆。
但缺乏学术上的逻辑性，因为有些技术尽管工艺不一样，但基本的改质机理是相同或相似的。
按工艺特点分类方法示意图如图1-1所示。
按表面改质的目的或性质可分为：<1>表面耐磨和减磨技术，<2>表面耐蚀抗氧化技术，<3>表面强化（提高疲劳强度）技术，<4>表面装饰技术，<5>功能表面技术，<6>表面修复技术。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
XPS图谱
➢ 如图以Mg 为激发源得到 的Ag片的XPS 谱图。图中有 Ag3d3/2和Ag 3d5/2光电子两 个强特征峰。 用于鉴别银。
表面工程-10表面分析技术
材料表面分析技术
➢外观检测 ➢成分及组织结构分析 ➢物理及力学性能检测 ➢耐蚀性检测 ➢耐磨性检测
一、外观检测（visual examination ）
含义：肉眼、样板或放大镜 涂层外观检测要求：
➢ 涂层表面保持干净； ➢ 检测要全面、细致； ➢ 依据相关标准（QJ 990.2-1986 ）或技术要求。
成分深度分析
▪ AES的深度分析功能是AES最有用的分析功能,主要分析元素 及含量随样品表面深度的变化。
镀铜钢深度分析曲线
微区分析
▪ 微区分析也是俄歇电子能谱分析的一个重要功能， 可以分为选点分析，线扫描分析和面扫描分析三个 方面。
X射线光电子能谱(XPS, X-ray Photoelectron Spectrum)
➢表面形貌观察
光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等
X射线衍射（XRD, X-ray Diffraction）
各相物质均具有其独具的晶体结构。 在给定波长的X射线照射下，每种晶体物质都形成自己特
定的衍射花样。 对于复相物质，其衍射花样是各相物质衍射花样的机械叠
加。
将被测试样的衍射花样与一组标准单相物质的衍射花样
利用扫描电子束从样品表面激发出各种物理信号来调制成象的。 ➢ 物理信号：二次电子、背散射电子、俄歇电子、特征X射线等 ➢ SEM的特点
分辨本领高、放大倍率可连续变化、景深长、视野大、成像富 有立体感、试样制备简单
扫描电镜的构造
➢ 电子光学系统 ➢ 信号的收集和图像显示系
统 ➢ 真空系统
SEM试样的制备
涂层表面缺陷（surface defects ）检测
表面缺陷的种类及特点： 不平整、针孔、氧化、脱皮、飞溅、表面裂纹、 剥落、麻点、鼓泡、缩孔、疏松、斑点、毛刺、擦 伤等
二、表面结构的表征
➢表面成分分析
X射线光电子能谱、俄歇电子能谱、低能离子衍射谱仪
➢表面结构测定
X射线衍射、电子衍射、中子衍射等
➢一般固体材料的试样制备都比较简单 ➢对于导电材料，只有几何尺寸和重量的要
求，具体大小因扫描电镜的型号不同而有 所差异 ➢对于导电性差的材料或绝缘材料，通常要 蒸镀一层薄的导电材料，如金、银、碳等
SEM的应用 ➢二次电子形貌衬度应用—断口形貌分析
➢背散射电子原子序数衬度应用
➢背散射电子的信号即可以用来进行成分分 析，也可以用于形貌分析，但是他进行形 貌分析的分辨率远比二次电子低
宏观形貌：体视显微镜、（数码）照相机
显微组织结构分析
➢ 手段：光学显微镜、电子显微镜（SEM、TEM） ➢ 目的：涂层微观组织结构 ➢ 过程：取样→镶嵌→磨制→抛光→腐蚀→金相试样→
观察（OM、SEM或TEM）
SEM（Scanning electron microscope ）
➢ SEM成像原理：
▪ 主要组成部分：电子枪、能量分析器、二次电 子探测器、（样品）分析室、溅射离子枪和信 号处理与记录系统等。
俄歇谱仪示意图
直接谱与微分谱
▪ 直接谱：俄歇电子强度 [密度(电子数)]N(E)对其 能量E的分布[N(E)~E]。
▪ 微分谱：由直接谱微分 而来，是dN(E)/dE对E 的分布[dN(E)/dE~E]。
俄歇电子能谱示例(银原子的 俄歇能谱)
AES定性分析 ▪ 实际分析的俄歇电子谱图是样品中各种元素俄歇电子
谱的组合，定性分析的方法是将测得的俄歇电子谱与 纯元素的标准谱图比较，通过对比峰的位置和形状来 识别元素的种类。 AES定量分析 ▪ 俄歇电子强度与样品中对应原子的浓度有线性关系， 据此可以进行元素的半定量分析。
逐一对比，从而判断其相组成。
X射线衍射分析的应用
➢物相定性分析 ➢物相定量分析 ➢点阵常数测定 ➢应力测定 ➢晶体取向测定
XRD物相定性分析的过程
➢获得衍射花样 ➢计算面间距d 值和测定相对强度Ⅰ/Ⅰ1 ➢检索PDF卡片和核对PDF卡片 ➢分析判定
XRD定量分析
常用的物相定量分析分析方法有三种： 1 外标法（单线条法）
它是用分析相的纯样品的某一衍射线为标准 2 内标法
用掺入试样内的某已知物相的衍射线为标准 3 直接对比法
用试样中另一相的衍射线为标准
TiC涂层的XRD的谱线
俄歇电子能谱分析（AES, Auger Electron Spectrum）
▪ 俄歇电子能谱（AES）是用具有一定能量 的电子束(或X射线)激发样品俄歇效应，通 过检测俄歇电子的能量和强度，从而获得 有关材料表面化学成分和结构的信息的方 法。
俄歇分析的选择
Z＜15的轻元素的K系俄 歇电子以及所有元素的L 系和M系俄歇电子产额都 很高。由此可见，俄歇电 子能谱对轻元素的检测特 别敏感和有效。
俄歇跃迁几率及荧光几率与原子序数的关系
▪ 对于Z≤14的元素，采用KLL俄歇电子分析； ▪ 14<Z<42的元素，采用LMM俄歇电子较合适； ▪ Z>42时，以采用MNN和MNO俄歇电子为佳。
硅晶体表面薄膜的物相分析
对薄膜全扫描分析得下图，含有Zn和S元素但 化学态未知。
为得知Zn和S的存在形态，对Zn的最强峰进行窄扫描，其峰位 1022eV比纯Zn峰1021.4eV更高，说明Zn内层电子的结合能 增加了，即Zn的价态变正，根据含有S元素并查文献中Zn的 标准谱图，确定薄膜中Zn是以ZnS的形式存在的。
X射线光电子能谱仪
XPS仪由X射线激发源、样品台、电子能量分析器、 检测器系统、超高真空系统等部分组成。
X射线光电子能谱仪
X射线光电子能谱定性、定量分析 ➢ 定性分析
不同元素的原子，其电子结合能不同，电子结合能是特征性 的。因此，我们可以根据电子的结合能对物质的元素种类进 行定性分析。 ➢ 半定量分析 经X射线照射后，从样品表面某原子出射的光电子的强度是 与样品中该原子的浓度有线性关系，因此，可以利用它进行 元素的半定量分析。