表面工程学重点.docx

第二章 表面工程技术的物理、化学基础 一、固体的表面：理想表面、清洁表面、机械加工面、一般表面。 1、表面：固体材料与气相接触的面 （1）理想表面：将晶体切开后形成的表面； （2）洁净表面：在特殊条件下获得的固体表面，表面有极少量的吸附物。 （3）清洁表面：零件经过去油、除锈等预处理后的表面。 （4）机加工表面：机械加工后的表面，表面粗糙度取决于加工方法。 （5）一般表面（实际表面）：放置在大气中的材料表面。 二、固体的界面及其结合方式：冶金结合、扩散结合、外延生长、化学键结合、分子键结合、机械结合。 1、界面：固相之间的分界面； （1）冶金结合：覆层与基材之间是通过熔化或熔融后重新凝固结晶而成，如堆焊。 冶金结合属于金属键结合，结合强度最高。 （2）扩散结合：两个固相平面在加热、加压等条件下，固相原子在界面处相互扩散并连接在一起，如扩散焊。 扩散结合属于原子级的冶金结合。 （3）外延生长：沿单晶衬底的晶轴向外延伸，生成与原晶格相同的新单晶涂层。 外延生长界面结合强度取决于结合键的类型，如分子键、共价键、离子键和金属键（依次增强）。 （4）化学键结合：涂层与基材之间发生化学反应形成化合物。化学键的结合强度高，但界面韧性差。 （5）分子键结合：以范德华力结合的界面，界面上没有发生扩散或化学反应，如物理气相沉积。 虽然分子键的结合力稍差，但可以满足某些要求。 （6）机械结合：涂层与基体之间靠相互镶嵌连接结合在一起，如喷涂。 机械结合的结合强度较差。 三、表面张力及表面能 1、表面张力 （1） 液体表面张力：使液体表面向最小表面积趋向的力。 （2） 固体表面张力 2 、表面能 因物质表面原子和内部原子排列差别引起的一种物理表现。其物理意义是指产生1cm2新表面需消耗的等温可逆功。 液态表面能与表面张力在数学上是相等的。 3、表面能及表面张力的关系 （1）缩小表面积的过程是自发过程。结晶时，固相中的小晶粒合并长大成大晶粒等。 （2）表面张力减小的过程是自发过程。如固体或液体物质表面发生的吸附现象，就是因为该吸附物质可以减小表面张力。 （3）若表面张力和表面积都发生变化，则总的效果是引起自由能减小，则为自发过程这种现象称为润湿现象。 四、固体表面的吸附 1、吸附的基本特性 由于物质表面原子或分子力场不饱和，所以有吸引周围其它物质(主要是气体、液体)分子的能力。 吸附可以减少物质表面某些过剩的自由能，物质表面因吸附物的存在而稳定，所以吸附是自发进行。 2、固体表面的吸附有物理吸附和化学吸附： （1）物理吸附：固体表面与被吸附分子之间不发生电子的转移，它们之间靠范德华力结合。 物理吸附对温度很敏感，提高温度容易解吸，所以物理吸附是可逆的。 （2）化学吸附：吸附原子与固体表面原子之间有电子的转移，二者靠化学键力结合。 从热力学角度讲，化学吸附的自由能减小要比物理吸附大得多，状态更稳定，而且是不可逆的过程。 （3）化学吸附往往是先形成物理吸附膜，然后在界面发生化学反应转化成化学吸附，结合牢固并不可逆。 3、固体对气体的吸附 任何气体在其临界温度以下都会被吸附于固体表面，可能是物理吸附，也可能是化学吸附。吸附强度排列顺序为： O2 C2H2 C2H4 CO H2 CO2 N2 4、固体对液体的吸附 （1） 电解质的吸附：固体和溶液之间发生离子交换，如化学镀； （2） 非电解质的吸附：液体在固体表面为单分子层吸附。 溶液吸附的吸附热很小，说明液体在固体表面的结合不牢。 五、固体表面的润湿：润湿角θ、亲水物质和疏水物质。 1、润湿现象：液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿 （1） 亲水物质：能被水润湿的材料，如玻璃、石英等； （2） 疏水材料：不能被水润湿的物质，如石蜡、石墨等 2、润湿角θ： 或 （1） 当σS-GσS-L时，cosθ为正值，θ90°，润湿状态； （2） 当σS-GσS-L时，cosθ为负值，θ90°，不润湿状态; (3) 当θ=0°和180°时，则相应地称为完全润湿和完全不润湿。 六、摩擦与润滑：干摩擦、边界润滑摩擦、流体润滑摩擦、滚动摩擦、固体润滑。 1 、摩擦的定义和分类 两个相互接触物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触面间产生切向的运动阻力，这一阻力称为摩擦力，这种现象称为摩擦。 （1） 按摩擦副的运动状态分类： 1） 静摩擦：一个物体沿另一个物体表面有相对运动趋势时产生的摩擦称为静摩擦，这种摩擦力称为静摩擦力。静摩擦力随作用于物体上的外力变化而变化。 2） 动摩擦：一个物体沿另