表面技术概论复习思考题及答案-08级

表面技术概论复习思考题及答案-08级
《表面技术概论》思考题
第二章表面科学基本概念及理论
基本概念：
表面:固体表面一个或数个原子层的区域。

由于表面粒子没有邻居粒子，其物理性质和化学性质与固体内部明显不同。

界面:一般指两相交界处，严格讲固固、液夜、气液、固液交界处皆为界面。

晶界：结构相同而取向不同的晶体之间的界面。

相界：由结构不同或结构相同而点阵参数不同的两块晶体相交接而形成的界面。

理想表面：是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。

清洁表面：指没有被其他任何物质污染，也没有吸附任何不是表面组分的其他院子或分子的表面，是我们在预处理中想要得到的表面。

实际表面：存在缺陷、杂质等现象的表面。

机械加工表面：在磨削、研磨、抛光等机械作用下，金属表面能形成特殊结构的表面层。

表面驰豫：表面的原子周期性突然破坏，表面上的原子会发生相对于正常位置的上下位移以降低体系能量，表面上的这种原子的位移称为表面弛豫。

表面重构：平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整。

表面台阶结构：由于原子的热运动，晶体表面产生一定密度的单分子或原子高度的台阶。

表面粗糙度：加工表面上具有的较小间距的峰和谷所组成的微观几何形状误差，也称微观粗糙度。

贝尔比层：固体材料经切削加工后，在几个微米或十几个微米的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，使得在表面约10nm的深度内，形成晶格畸变薄层。

物理吸附：靠范德华力作用，对温度比较敏感，低温下的单层有序结构，吸附分子结构无变化。

化学吸附：形成化学键结合，存在电子转移，结合强度比物理吸附大许多。

固体的表面张力：是由于原子间的作用力以及在表面和内部的排列状态的差别而引起的。

表面自由能：表层原子的能量远大于内部原子，将高出的能量叠加后，平均在单位面积上的超额能量称之为比表面能，简称为表面能。

常用表面自由能来描述材料表面能的变化，其物理意义是指产生1平方厘米新表面需消耗的等温可逆功。

表面扩散：原子或分子沿表面的二维迁移。

包括单个原子跳跃几个晶格后越过一个平台；吸附原子沿边缘的长度方向扩散；空位被表面原子填充形成扩散。

表面缺陷：金属表面局部物理或化学性质不均匀的区域，包括：非金属夹杂物及其他第二相颗粒、位错或晶界露头、吸附杂质原子、表面空位或台阶等。

基本理论：
1.解释清洁表面的结构
化学成分与体内原子相同，但原子结构的周期性不同于体内，发生多种与体内不同的结构变化，如表面弛豫、重构、台阶化、偏析和吸附等。

2.分析材料表面吸附方式的影响因素
固体表面的粗糙度及污染程度对吸附有很大影响，液体表面张力和润湿条件的影响也很重要。

3.分析金属铁的表面氧化方式
4.金属材料在工业环境中被污染的实际表面是怎样的
存在杂质、缺陷等现象，具有一定的粗糙度，表面有各种氧化物覆盖。

5.分析影响表面能的因素
晶体原子间的结合能、表面原子的晶面取向和温度。

6.黏着固体与固体接触时有何表面现象。

消耗一定的能量（粘附功），产生两个新的表面。

7.分析最常见的几种界面类型。

1.基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面
在外力作用于金属表面时，金属表面形成贝尔比层，具有粘性液体膜似的非晶态外观，不仅能将便面覆盖得很平滑，而且能流入裂缝或划痕等表面不规则处。

在贝尔比层的下面为塑性流变层，塑变程度与深度有关。

2.基于固相组织或晶粒结构差异形成的界面
特征是两相之间的微观成分与组织存在很大差异，但无宏观成分上的明显区别。

3.基于固相宏观成分差异形成的界面
（1）冶金结合界面
当覆层与基体材料之间的界面结合是通过处于熔融状态的覆层材料沿处于半熔化状态下的固体基材表面向外凝固结晶而形成时，覆层与基材的结合就称为冶金结合。

实质是金属键结合，结合强度很高，可以承受较大的外力或载荷，不易在服役过程中发生剥落。

（2）扩散结合界面
两个固相直接接触，通过抽真空、加热、加压、界面扩散和反应等途径所形成的结合界面，其特点是覆层与基材之间的成分梯度变化，形成了原子级别的混合或合金化。

（3）外延生长界面
在单晶衬底表面沿原来的结晶轴向生成一层晶格完整的新单晶层的工艺过程就称为外延生长，形成的界面即外延生长界面，包括气相外延和液相外延。

（4）化学键结合界面
当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的界面。

（5）分子键结合界面
涂（镀）层与基材表面与范德华力结合的界面。

特征是覆层与基
材之间未发生扩散或化学作用。

（6）机械结合界面
覆层与基材的结合界面主要通过两种材料相互镶嵌的机械连接作用而形成。

第二章有关腐蚀与磨损的基本概念及理论
基本概念：
材料表面失效的主要形式：磨损和腐蚀
化学腐蚀：金属在干燥的气体介质中或不导电的液体介质中发生的腐蚀，腐蚀过程中无电流产生。

电化学腐蚀：金属在导电的液态介质中因电化学作用导致的腐蚀，在腐蚀过程中有电流产生。

金属材料氧化膜的生长方式：依照表面反应速度及氧化膜的致密程度不同，金属氧化的动力学过程有三种典型情况：直线生长规律、抛物线生长规律、对数生长规律。

金属的电极电位：金属材料与电解质接触，将发生电化学反应，在界面处形成双电层并建立相应的电位。

这种金属电极与溶液界面之间存在的电位差就叫做金属的电极电位。

金属表面的钝化与活化：由于金属表面状态的改变引起金属表面活性的突然变化，使表面反应速度急剧降低的现象，就称为钝化。

活化过程是钝化的相反过程，是进行表面预处理，使金属表面处于活化状态，即获得清洁表面。

材料的磨损：材料三大主要失效形式之一。

材料的耐磨性高低用什么来表征：不属于材料的固有特性，受到摩擦学系统中接触条件、工况、环境、介质等多方面因素的影响，是一个系统性质。

材料的磨损始于表面，表面性能是决定材料耐磨性的关键。

摩擦与磨损的分类：按照实际工作条件的差别，可以将摩擦分为四类:干摩擦、边界润滑摩擦、流体润滑摩擦、流动摩擦。

按照磨损机理的不同，可将磨损分为七大类：粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损、冲蚀磨损、高温磨损。

粘着磨损：摩擦面相对滑动时，固相焊合点撕裂、断裂导致材料迁移。

磨粒磨损：一个凸起硬面和另一表面接触，或者在两个摩擦面之间存在或嵌有硬粒，在相对运动中导致材料转移。

疲劳磨损：在滚动接触过程中，由于交变接触应力的作用而使材料表面出现麻点或脱落的现象。

腐蚀磨损：磨损与腐蚀交互或者共同作用，导致材料去除的过程。

表面预处理的种类：表面平整（包括机械磨光或抛光、滚光和刷光）、表面清洗、磷化、钝化、喷砂喷丸。

基本理论：
1.解释腐蚀原电池的原理。

如果把两种电极电位不同的金属同时放在同一种电解液中，并把它们用导线连接起来，或者在电解液中的两种金属直接接触，就组成了一个腐蚀原电池。

其中，电极电位较负的金属为阳极，发生氧化反应；电极电位较正的金属为阴极，在阴极处发生还原反应，溶液中氢离子与从阳极流过来的电子相结合放出氢气。

2.分析金属材料腐蚀控制及防护方法。

1.产品合理设计与正确选材
2.电化学保护
阴极保护法：用电化学方法使被保护工件在工作条件下的电位移至平衡可逆电位以下，从而停止腐蚀的方法。

两种途径：1.以被保护工件为阴极，施以外加电流；2.以工件为阴极，以电位更负的金属与工件相连，成为原电池的阳极，被腐蚀溶解以保护工件。

阳极保护法：使腐蚀件的电位正移，使表面形成稳定的钝态而受到保护。

两种方法：1.施加外电流，被保护工件为阳极；2.在被保护的工件或合金中加入可钝化的元素，使表面形成稳定的钝化膜。

当介质中含有浓度较高的活性阴离子时，不能采用阳极保护法。

3.表面覆层及表面处理
1.阳极型表面覆层，除了自身有一定耐蚀性外，还可以作为阳极对基体金属起保护作用。

2.阴极型金属及非金属覆层，自身耐蚀性、稳定性良好，通过机
械屏蔽作用，把金属和腐蚀环境介质隔离开。

4.加入缓蚀剂，即通过添加特殊的活性物质吸附到金属表面，使其表面钝化，从而达到减缓抑制腐蚀过程的目的。

3.耐磨性属于材料的固有特性吗？与什么因素有关？
不属于材料的固有特性，受到摩擦学系统中接触条件、工况、环境、介质等多方面因素的影响，是一个系统性质。

材料的磨损始于表面，表面性能是决定材料耐磨性的关键。

4.分析提高零件耐磨性的途径。

1.工程结构的合理设计
2.零件磨损机理预测、分析和耐磨材料的选择
3.材料表面耐磨与减磨处理
5.在施用表面技术之前为何要进行表面预处理？
产品或零件在实施表面工程技术之前，表面上不可避免地存在有氧化膜、氧化皮、锈蚀、油污、灰尘等，这些物质必须彻底清除，获得有一定粗糙度或平整光滑的处于活化状态的清洁表面，才能提高表面覆层的质量以及覆层与基材的结合强度。

6.表面平整、清洗、表面磷化处理、表面钝化、喷砂有何作用？
表面平整可以去除零件表面的划痕、毛刺、砂眼、焊缝残留物、腐蚀痕迹和氧化皮等，提高金属表面的平滑程度。

表面清洗可以去除工件表面的灰尘、油污、水垢，锈蚀藻类、细菌等。

表面磷化处理配合其他处理时，防护性可大大提高。

表面钝化可大大降低金属的腐蚀速度，增加金属的耐蚀性。

喷砂可除去工件表面的毛刺和磨痕，清除表面的锈蚀、积碳、焊渣与飞溅、漆层，并可形成一定的粗糙度。

7.分析表面工程技术预处理的作业环境？
一般无特殊要求，只要通风、清洁即可。

涂装技术中，为了在涂装过程中防止飞漆扩散污染环境，损害工人健康，防止火灾等的发生，保证涂装环境的洁净、温度等，涂装一般应在喷漆室中进行。

喷漆室内设有空气净化装置，强力排风装置，
飞漆捕集装置、自动灭火装置。

气相沉积技术和微细加工技术，对环境要求非常苛刻。

必须净化空气，洁净加工工具和传输系统，加工过程采用超纯试剂或气体，实现低温热处理以减少来自加工人员的污染。

第三章电镀和化学镀
基本概念：
电镀：指在直流电的作用下，电解液中的金属离子还原，并沉积到零件表面形成具有一定性能的金属镀层的过程。

普通电镀：指常规单金属电镀，如镀锌、镀铜等。

合金电镀：在一种溶液中，两种或两种以上金属离子在阴极上共沉积，
形成均匀细致镀层的过程叫做合金电镀。

复合电镀：用电镀方法使固体微粒与金属共沉积，从而在基体上获得基质金属上弥散分布微粒结构的复合镀层。

化学镀：指在无外加电流的状态下，借助合适的还原剂，使镀液中的金属离子还原成金属，并并沉积到零件表面的一种镀覆方法。

基本理论：
1.解释电镀工艺过程及金属的电沉积过程。

电镀的工艺过程包括镀前处理、电镀、镀后处理。

镀前处理包括抛光或打磨、脱脂、除锈、活化等多道工序。

镀后处理包括钝化和浸膜。

钝化是在镀层表面人为地形成一层致密的氧化物膜，使镀层金属与空气隔绝，浸膜是在镀后的零件表面浸涂一层有机或无机高分子膜，以提高镀层的防护性和装饰性。

金属电沉积过程包括以下几个步骤：
1.液相传质步骤在金属电沉积时，阴极表面附近的金属离子参与阴极反应并迅速消耗，形成了从阴极到阳极金属离子浓度逐渐增大的浓度梯度。

金属水合离子或络合离子在溶液内部以电迁移、扩散和对流的方式向阴极表面转移。

2.电化学还原步骤它包括前置转移：在进行电化学还原前，金属离子在阴极附近或表面发生化学转化，转变为参与电极反应的形式；
电
荷转移：金属离子再以此形式在阴极表面得到电子，还原为金属原子。

3.电结晶步骤金属原子在阴极表面形成新相，包括晶核的形成和生长。

2.电镀液的主要组成是什么？
电镀液由下列组份构成：主盐——析出金属的易溶于水的盐类；能与析出的金属离子形成络盐的成分；提高镀液导电性的盐类；能保持溶液的pH值在要求范围内的缓冲剂；有利于阳极溶解的助溶阴离子；影响金属离子在阴极上析出的成分——添加剂。

3.铬、镍、锌、铜镀层的作用是什么？
镀铬层：防护装饰性镀铬目的是防止基体金属生锈和美化产品的外观。

耐磨镀铬目的是提高机械零件的硬度、耐磨、耐蚀和耐温等性能，还可以修复磨损零件和切削过度的零件，使这些零件重复使用。

镀镍一般作为镀铬的底层使用，仅提供机械保护。

镀锌可提供机械保护和电化学保护。

镀铜仅能做中间层，防腐、耐磨中不太常用。

4.合金电镀与热冶金及普通电镀（单金属电镀）相比有何特点？
合金电镀与热冶金相比的特点：1.容易获得高熔点与低熔点金属组成的合金；2.可获得热熔相图没有的合金；3.容容易获得组织致密、性
能优异的非晶态合金；4.电镀合金与热熔合金相比，硬度高，延展性差。

与单金属电镀相比的特点：1.能获得单一金属没有的特殊性能，如导磁性、减磨性；2.合金镀层结晶更细致，镀层更平整光亮；3.可以获得非晶结构镀层；4.合金镀层可具备比组成它们的单金属层更耐磨、耐蚀、耐高温，并有更高硬度和强度，但延展性和韧性通常有所降低。

5.不能从水溶液单独电镀的金属可与铁族元素共沉积形成合金；
6.独特外观。

通过成分设计和工艺控制，可得到不同色调的合金镀层，具有更好的装饰效果。

5.影响电镀质量的因素有哪些？简单分析各因素的影响作用。

1.镀液的影响
简单盐镀液阴极极化作用不大，镀层的结晶较粗，镀液的分散能力较差；络合物镀液阴极极化作用较大，所得镀层结晶细致紧密，镀液的分散能力也较好。

镀液中主盐浓度高时，电沉积过程中的浓差极化小，晶核形成速度降低，所得镀层晶粒较粗。

主盐浓度过低时，对提高镀液的分散能力有利，但镀液允许的电流密度小。

渡液中的导电盐可提高其导电性，增加阴极极化，对获得结晶细致的镀层有利。

添加剂可使阴极极化作用显著增大，从而改善镀层的结晶状况和理化性能。

2.电镀规范的影响
升高镀液温度有利于提高离子的扩散速度，加快向放电形式的转化因而将使晶粒变粗。

提高电流密度，必然增大阴极极化作用，使镀层致密，沉积速度加快，但过高的浓差极化会导致边角部位镀层变粗乃至烧焦。

对某些镀液，使用的电流波形对镀层的质量有显著的影响。

周期性地改变直流电流的方向，可去除镀层上的毛刺等，使镀层平整、均匀、光亮，但它仅适用于对杂质不太敏感的镀液。

搅拌可使电解液产生流动，有利于提高阴极的允许电流密度，提高生产效率，但将使镀层结晶变粗。

3.析氢的影响
在任何一种电解液中，在金属电沉积的同时，都存在有氢离子的放电并析出氢气。

氢气在阴极析出时，经常呈气泡状粘附在阴极的表面，从而阻止金属在这些地方的沉积，产生针孔；析出的氢有时会进入镀层或基体金属体内，使金属的晶格歪扭，内应力增大，从而导致镀层脱落或使镀件脆裂。

4.基体金属的影响
基体金属的化学性质与其和镀层之间的结合力密切相关。

铸造件和粉末冶金件的表面往往是凹凸不平且多孔的，零件内孔易积留预处理的溶液，镀件表面经过一段时间会出现黑色的斑点。

零件在电镀前的脱脂、除锈是否彻底，也将严重影响镀层的性能。

6.非金属电镀的工艺过程。

必须经过前处理，包括：
粗化：目的是通过扩大镀层与基体间的接触面积来提高结合强度。

包括机械粗化：采用喷砂、滚磨、金相砂纸打磨等方法对受镀表面进行加工；化学粗化：采用化学制剂，在一定的条件下使工件表面变得微观粗糙，并使高分子材料表面的物理化学性能发生变化，包括氧化和溶胀。

氧化：采用强氧化剂使工件表面的微观结构发生变化。

溶胀：用溶剂使工件表面或表面的填料溶解。

机械粗化提高结合力的程度有限，要进一步提高镀层与基体材料的结合力时，必须使用化学粗化。

脱脂：非金属制品表面附着有脱模剂和各种污垢，为了保证镀层质量，必须经过适当的脱脂处理，可以采用有机溶剂和碱性脱脂溶液。

敏化：将已经过粗化、脱脂等处理的非金属制品浸入一定浓度的易被氧化的化合物溶液中，使其表面吸附一些还原剂。

活化：然后将其浸入含有氧化剂的溶液中，使其表面形成胶体
状微粒沉积层。

还原处理：用一定浓度的化学镀时所用的还原剂溶液将制品表面残留的催渗剂还原干净，以免影响后面的化学镀溶液。

预处理完后的非金属制品就可以进行化学镀，在形成一定厚度的金属镀层以后，再进行电镀，使获得的镀层加厚，即可完成非金属的电镀。

第四章金属的化学处理（化学转化膜）
转化膜形成方法：将金属工件浸渍于处理溶液中，通过化学或电化学反应，使被处理金属表面发生溶解并与处理溶液发生反应，在金属表面上形成一层难溶的化合物膜层。

与电镀层、化学镀层或有机涂层等其它表面处理层相比的区别：转化膜：1.基体金属发生溶解、参与反应。

2.形成的是难溶的化合物膜层。

3.不改变金属外观。

磷化膜的性质：具有较好的防护性。

磷化膜一般只有配合其他处理时，防护性才大大提高，特别是作为有机涂层基底非常有利。

这种配合处理，其防护性有时大于金属镀层。

铝的电化学（阳极）氧化机理及其氧化膜的生成过程：机理：将铝制件作为阳极，其它材料作为阴极置于电解池中，通上直流电，阳极析出氧气，阴极析出氢气。

阳极上析出的氧大部分与铝作用生成了氧
化膜。

氧化膜的生成是两个不同过程同时进行的结果：一个是电化学过程，它产生氧气并与铝作用生成氧化膜；另一个是化学过程，生成的氧化膜被电解液溶解成为多孔层。

没有溶解过程，氧化膜就不能导电，反应不能继续。

其次，氧化膜的生成速度必须大于溶解速度，膜层才能增厚。

铝的阳极氧化膜吸附着色法：将生成了转化膜层的工件浸入加有无机盐或有机染料的溶液中，无机盐或有机染料首先被多孔膜吸附在表面上，然后向微孔内部扩散、渗透，最后堆积在微孔中，使膜层染上颜色。

第五章表面涂敷技术
基本概念：
涂装定义：用有机涂料通过一定的方法涂覆于材料或制件表面，形成涂膜的全部工艺过程。

涂料的主要功能及其组成：主要功用：1.装饰作用涂装可使物体具有色彩、光泽、平滑和立体性等，给人们美的、舒适的感觉。

2.保护作用将物体表面覆盖一层具有一定耐水性、耐污性、耐油性、耐化学腐蚀等性能的涂膜，可以大幅度延长物体的使用寿命。

3.标志作用道路上各种标志牌、工厂中用不同颜色的涂料来区分设备的作用或容器所装物的性质。

4.特种功能涂装能使物体获得调节热、电传导性，防止
生物附着，示温，声波、雷达波的反射和吸收，夜光等作用。

构成：1.成膜物质组成涂料的基础，具有粘结涂料中其他组分形式涂膜的功能，并对涂料和涂膜性质起决定性作用。

2.颜料一般为微细的粉
末状有色物质，是有色涂料的主要组分，它使涂膜呈现色彩，并具有一定遮盖被涂物件表观的能力，以发挥其装饰和保护作用。

3.助剂即辅助材料组分，不能单独成膜，只可作为一个组分存在于涂膜中，以对涂料或涂膜某一特定方面的性能起改进作用。

4.溶剂将涂料的成膜物质溶解或分散为液态，以便易于施工，施工后又能从薄膜中挥发至大气中，从而使液态薄膜形成固态的涂膜。

涂料种类：1.溶剂挥发类涂料在成膜过程中不发生化学反应，只是溶剂挥发使涂料干燥成膜。

2.成膜物质一般是相对分子质量较低的线性聚合物，可溶解于特定的溶剂中，经涂装、溶剂挥发后，就可通过化学反应交联固化成膜。

涂料产品如何命名：涂料名由颜色或颜料名称+成膜物质名称+基本名称组成。

对于某些有专业用途及特性的产品，必要时在成膜物质后面加以说明。

涂装工艺过程：1.涂装预处理：清除污垢、化学处理（磷化、钝化）、消除缺陷、合适粗糙度。

2.涂装：有各种类型涂布方法。

3.干燥固化：自然干燥、人工干燥（加热、照射）。

静电喷涂：用静电喷枪使油漆雾化并带负电荷，与接地的工件间形成高压静电场，静电引力使漆雾均匀沉积在工件表面。

电泳涂装：将电泳漆用水稀释到固体分为10-15%左右，加入电泳槽内，将工件浸入作为电极，通入直流电时电泳漆中的树脂和颜料移向工件，沉积在工件表面，烘干后形成均匀的漆层。

粉末涂装：以粉末形态进行涂装，经熔融或交联固化形成涂膜。

热喷涂：采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光等作为热源，将粉末状或丝状的金属或非金属喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，并用热源自身的动力或外加高速气流雾化，使喷涂材料的熔滴以一定的速度喷向经过预处理的工件表面，依靠喷涂材料的物理变化和化学反应，形成附着牢固的表面层的加工方法。

热喷涂涂层结构：由大小不一的扁平颗粒、不完全熔融粒子、熔滴发生氧化而形成的氧化膜、气孔和粒子间互相熔融区组成。

热喷涂涂层结合力的特点：以机械结合为主，也存在扩散冶金结。