2、表面工程技术的基础理论1

2.1.3 固体表面的吸附现象
由于固体表面上的原子或分子力场不饱和， 由于固体表面上的原子或分子力场不饱和，就 有吸引周围其它物质(主要是气体 液体)分子 主要是气体、 有吸引周围其它物质 主要是气体、液体 分子 的能力， 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，这种现象成为吸附。 大于体相中的浓度，这种现象成为吸附。 吸附是固体表面最重要的性质之一。 吸附是固体表面最重要的性质之一。
表示产生单位面积新表面使体系自由能的增加。 表示产生单位面积新表面使体系自由能的增加。 若不考虑重力，一定体积的液体平衡时总取圆球状， 若不考虑重力，一定体积的液体平衡时总取圆球状， 因为这样表面积最小，表面能最低。 因为这样表面积最小，表面能最低。 固体的外表面总是由若干种原子排列不同的晶面组成 的，一定体积的固体必然要构成总的表面自由能最低 的形状。 的形状。
1．表面粗糙度 ．
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。 （1） 轮廓算术平均偏差：Ra （2） 微观不平度+点高度：Rz （3） 轮廓最大高度：Ry
粗糙度的表示方法：轮廓的算术平均偏差Ra： 粗糙度的表示方法：轮廓的算术平均偏差Ra：
1）弛豫表面 ） 是指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间 和体内原子层间距d 相比有所膨胀和压缩的现象。 距d1和体内原子层间距 0相比有所膨胀和压缩的现象。
2）重构（reconstruction）表面 ）重构（ ） 重构是指表面原子层在水平方同上的周期性不同于体内， 重构是指表面原子层在水平方同上的周期性不同于体内，但垂直方向的层间 间距d。与体内相同。表面原子重新排列。形成不同于体内的晶面。 间距 。与体内相同。表面原子重新排列。形成不同于体内的晶面。至于偏 则是指化学组分在表面区的变化。 折，则是指化学组分在表面区的变化。
第二章 表面工程技术的基础理论
2.1 固体材料的表面特性
固体的表面能 固体的表面结构 固体表面的吸附现象
固体材料
固体是一种重要的物质结构状态，其表面和内 部具有不同的性能。固体材料是工程技术中最 普遍使用的材料。它的分类方法很多。例如按 照材料特性，可将它分为金属材料、无机非金 属材料和有机高分子材料三类。
比较项 吸附热 吸附力 吸附层 吸附选择性 吸附速率 吸附活化能 吸附温度 吸附层结构 物理吸附
接近液化热1-40kJ.mol-1
化学吸附
接近反应热40-400kJ.mol-1
范德华力，弱
单分子层或多分子层
化学键，强 仅单分子层 有 慢 需要，且较高 较高温度 形成新的化合态
无 快 不需 低温
基本等同吸附分子结构
3）吸附表面 ）
①外来原子在固体表面上形成吸附层。 外来原子在固体表面上形成吸附层。 ②如果吸附作用由范德瓦尔斯键引起．则此吸附称为物 如果吸附作用由范德瓦尔斯键引起． 理吸附。 理吸附。 ③如果吸附作用由表面化学键引起，则该吸附称为化学 如果吸附作用由表面化学键引起， 吸附。 吸附。 ④吸附原子可以形成无序的或有序的覆盖层。 吸附原子可以形成无序的或有序的覆盖层。 覆盖层可以具有和基底相同的结构， 覆盖层可以具有和基底相同的结构，也可以形成重构表 面层。 面层。
不同加工方法形成的材料表面轮廓曲线
Ra（µm） 0.01 ~ 0.05 0.08 ~ 0.63 0.32 ~ 2.5 1.25 ~ 5 0.63 ~ 5 1.25 ~ 10
钻削
珩磨
用镶嵌在珩磨头 上的油石对工件 表面施加一定压 力，珩磨工具或 工件同时作相对 旋转和轴向直线 往复运动，切除 工件上极小余量 的精加工方法。
1、固体对气体的吸附 、
固体表面对气体的吸附可以分为物理吸附和化学 吸附两类。 物理吸附是固体与气体原子之间靠范德华力作用 物理吸附是固体与气体原子之间靠范德华力作用 而结合的吸附。 化学吸附是固体与气体原子之间是靠化学键作用 化学吸附是固体与气体原子之间是靠化学键作用 而结合的吸附。
物理吸附与化学吸附的区别
1 R = ∑y a n i=1 i
yi为峰和谷的绝对值，n为测量个数。 yi为峰和谷的绝对值，n
n
i=A/A i l
Ai为真实面积，Al为Ai的投影面积。 Ai为真实面积，Al为Ai的投影面积。
机械加工后的表面， 机械加工后的表面，表面粗糙度取决于加 工方法
机械加工面的表面粗糙度 加工方法 珩磨 研磨 磨削 铣削 车削
润湿角θ是指固、 润湿角 是指固、液、气三相接触达到平衡时，从三相接触的 是指固 气三相接触达到平衡时， 公共点沿液、气界面所引切线与固、液界面的夹角。 公共点沿液、气界面所引切线与固、液界面的夹角。 角越小， 当θ≤90°时称为润湿。 θ角越小，润湿性越好，液体越容易 °时称为润湿。 角越小 润湿性越好， 在固体表面展开。 在固体表面展开。 角越大， 当θ＞90°时称为不润湿。θ角越大，润湿性越不好，液体越 ＞ °时称为不润湿。 角越大 润湿性越不好， 不容易在固体表面上铺展开，并越容易收缩至接近呈圆球状。 不容易在固体表面上铺展开，并越容易收缩至接近呈圆球状。 则相应地称为完全润湿和完全不润湿。 当θ＝0°和180°时，则相应地称为完全润湿和完全不润湿。 ＝ ° °
固体材料的界面有三种： 固体材料的界面有三种：
（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。同相中晶粒之间的分界面。 同相中晶粒之间的分界面。 （3）相界——固体材料中成分、结构不同的两 相之间的界面。不同凝聚相之间的分界面。 不同凝聚相之间的分界面。
表面物理中， 表面物理中，严格意义上的表面能应该是 指材料表面的内能， 指材料表面的内能，它包括
这种意义上的表面内能无法测量其绝对值， 这种意义上的表面内能无法测量其绝对值， 常用表面自由能来描述材料表面能量的变化， 常用表面自由能来描述材料表面能量的变化，
表面自由能
产生1cm 产生1cm2新表面需消耗的等温可逆功
固体材料按所起的作用可分为 结构材料和功能材料两大类。 结构材料 是以力学性能为主的工程材料，主要用来制造工 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 功能材料是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（有时也包括具有特殊力学性能的 材料）。 这类材料常用来制造各种装备中具有独特功能的 核心部件。
表面晶体结构模型
描述晶体结构的物理模型著名的是单晶表面的TLK模型，所 示的台阶是从原子级水平看，出现的比较规律的非完全平面 结构的现象，又称TLK结构（其中T指平台：Terrace，L指 台阶：Ledge，K指扭折：Kink）。
实际表面结构
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。 与清洁表面相比，实际表面具有以下重要特点： 表面粗糙度 贝尔比层 残余应力
珩磨示意图
2．贝尔比层 ．
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，既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。这 层非晶态称为贝尔比层。 其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内明 显不同。
理想表面 这种理想表面在自然界 中是不存在的。
清洁表面结构
清洁表面是指经过特殊处理后，保持在超真空 条件下，使外来污染少到不能用一般表面分析 方法探测的表面。获得清洁界面的方法诸如离 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。 清洁界面是客观存在的。但实际上，即使在10 －6Pa－10 －9Pa超高真空下，清洁表面仍会吸 附外来原子薄层。
比尔比层 (Bilby层) 层
贝尔比层具有效高的 耐磨性和耐蚀性。但 是在其他许多场合， 贝尔比层是有害的。
3、残余应力 、
固体材料在加工变形中外力所做的功，除大部分转化 为热能外，还有大约小于10%的功以畸变能的形式储 存在变形材料的内部。储存能在变形材料中的具体表 现即为残余应力，会产生很 大的影响。 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。
固体材料还可以分为晶体和非晶体两类。晶体 中的原子在三维空间内呈周期性规则重复排列， 而非晶体内部原子的排列是无序的。
最轻固体材料
美国宇航局科学家研制出的一种气凝胶，作为世界最轻的固体，已正 式入选吉尼斯世界纪录。这种新材料密度仅为３ｍｇ／ｃｍ３，是玻 璃的千分之一。 美宇航局喷气推进实验室发布的新闻公报说，该实验室琼斯博士研制 出的新型气凝胶，主要由纯二氧化硅等组成。在制作过程中，液态硅 化合物首先与能快速蒸发的液体溶剂混合，形成凝胶，然后将凝胶放 在一种类似加压蒸煮器的仪器中干燥，并经过加热和降压，形成多孔 海绵状结构。琼斯博士最终获得的气凝胶中空气比例占到了９９.８％。 气凝胶因其半透明的色彩和超轻重量，有时也被称为“固态烟”。这 种新材料看似脆弱不堪，其实非常坚固耐用，最高能承受１４００℃ 的高温。气凝胶的这些特性在航天探测上有多种用途。俄罗斯“和平” 号空间站和美国“火星探路者”探测器上，都用到了气凝胶材料。新 入选吉尼斯世界纪录的气凝胶材料，特性比以往有所改进。此前，世 界最轻固体的纪录由另一种气凝胶保持，它的密度为５ｍｇ／ｃｍ３
⑤当吸附原子和基底原子之间相互作用很强时，则能 当吸附原子和基底原子之间相互作用很强时， 形成表面合金或表面化合物。 形成表面合金或表面化合物。 ⑥覆盖层结构中也存在缺陷，如空位、杂质原子为点 覆盖层结构中也存在缺陷，如空位、 缺陷，原子台阶或畴边界为线缺陷， 缺陷，原子台阶或畴边界为线缺陷，覆盖层的结构也 随温度发生变化。 随温度发生变化。