固体材料的表面特点及表面清洗

清洁表面时，只有加工层和扩散层可以 予以保留,其它的几层物质,都要尽可能的 清洗干净。
方法一般有： • 除油:除去表面油脂等污物。 • 浸酸:一般称除去薄氧化膜的化学处理方法。 • 除磷:一般称除去氧化皮的化学处理方法。 • 酸洗:一般称除去氧化皮、锈及表面生成物的
化学处理方法。
• 浸蚀:为了去除变质层（加工层、扩散层），
4. 表面氧化，吸附和粘污：表面氧化可形成
一层或多层的一种或多种氧化物（包括一些不稳定 的氧化物和易挥发的氧化物）。
第四节 固体表面清洗
一、 概述
金属表面的断面模型图：
• 加工层:紧靠基体，是由于机加工而造成的与材料内部的组
织、结构不同的表面层。
• 扩散层:加工层组织和基体材料组织呈掺杂状态的层带。
• 氧化层:金属材料暴露在空气中时表面生成的膜层（氧化膜 和氧化皮）。
• 锈 层:表面因腐蚀而生成的化学产物，表面疏松，与基体
结合不牢，对基体无保护作用甚至还可能促进基体的进一步 腐蚀。
• 污物层: 一般指附着在表面的微细的碳黑状粉末，其粒度
一般小于0.01um(导电型或非导电型，有机污物或无机污物 )
阴极和阳极除油
阴极和阳极除油相比，相同电流下阴极除油产 生的氢比阳极除油产生的氧多一倍，且气泡小而 密，乳化能力强，所以阴极除油效果更好。
3.4 超声波除油
• 在碱溶液化学除油和电化学除油过程中引入超 声波场，可以强化除油过程，缩短除油时间，提 高工艺质量，还可以使细孔、盲孔中的油污彻底 清除。并且引入超声波后，对除油溶液的浓度和 温度要比相应的化学除油和电化学除油为低，可 减少工件表面金属的腐蚀。
• Young方程式。凡能引起任一界面张力变化的因
素都能影响固体表面的接触角（即润湿性）。
• 当γS >γSL时，则cosθ> 0 → θ< 90°，此时为润 湿；而且γS 和γSL相差越大， θ角越小，润湿性越 好。
• 当γS <γSL时，则cosθ< 0 → θ> 90°，此时不润 湿；当γSL 越大和γL 越小时，θ越大,不润湿程度越 严重。
• 碱液电解：为克服酸液电解表面粗糙，有酸雾和 氢脆现象发生的现象。
三、 除 油
• 油脂有两类: 皂化性油脂：能与碱发生皂化反应生成 可溶于水的肥皂，如动植 物油。
非皂化性油脂：不能发生皂化反应，如 矿物油。
• 除油方法有： <1>有机溶剂 <2>化学方法 <3>电化学方法 <4>超声波法
3.1 有机溶剂除油
• 表面吸附外来的一些原 子或分子。
2．原子排列不同: • 表面重构：是指表面最外层原子的排列周
期与体内不一样.
• 表面驰豫：表面原子发生相对于正常位置
(三维结构)的上、下位移以降低体系能量. 表面上原子的这种位移（压缩或膨胀）称 为表面驰豫.其表现为表面最外层原子间距 离与体内原子间距离不一样，或者增长， 或者减少.
或阳极处理除去锈层。 阳极除锈是由于化学溶解、电化学溶解和
电极反应析出的氢气泡的机械剥落作用； 阴极除锈则是由于化学溶解和阴极析出氢
气的机械剥离作用。
2.1 化学法除锈
• 对于钢铁,一般使用H2SO4去除氧化皮的原理是: • 氧化皮
Fe2O3 + 3H2SO4 ==== Fe2(SO4)3 + 3H20 Fe3O4 + 4H2SO4 ==== FeSO4 + Fe2(SO4)3 + 4H20 FeO + H2SO4 ==== FeSO4 + H20 • 基体
• 三相稳定接触情况下，三个界面张力之间必须满足 下列不等式：
γS ≥ γL + γSL 而 γSL＝γL+γS－2(γSd γLd)1/2-ISL’
其中： γSd 、γLd 分别为固体和液体表面的范德华力； ISL’是由范德华力之外的力引起的界面相互作用的势能
∴ 上述条件可以表述为：
γ γ γ 2
(2)表面活性物质对非皂化性油脂的乳化作用 。
常用的如水玻璃、乳化剂OP-10、6501、6503 洗净剂、三乙醇胺油酸皂等
3.3 电化学除油
在碱性电解液中，金属工件受直流电的作用发 生极化作用①使金属～溶液界面张力降低，溶液 易于润湿并渗入油膜下的工件表面,使油膜易于 剥落；②析出大量氢或氧对油膜猛烈地撞击和撕 裂,并对溶液产生强烈搅拌，加强油膜表面溶液 的更新，使油膜被分散成细小油珠，脱离工件表 面而进入溶液中形成乳浊液。
Fe + H2SO4 ==== FeSO4 + H2↑ • 产物
Fe2(SO4)3 + H2 ==== 2 FeSO4 + H2SO4 Fe2(SO4)3 + Fe ==== 3 FeSO4
• H2SO4浓度,温度对浸蚀时间的关系
• 温度越高,浓度越大,则氧化皮溶解越快,
• 一般采用10%～20%的H2SO4浓度和40℃ 的浸蚀温度为酸洗的工艺条件。
L ≤ 2(
d S
Ld)1/2 ＋ ISL’
•
对于碳氢化合物，
ISL’
＝
0
，
γd S
＝γLd
则完全润湿的必要条件：
γL
≤
γd S
• 液体和固体之间的吸附粘结力ISL可表示为：
ISL＝γL +γS – γSL ＝ γL（1＋cosθ）
• 接触即角固θ液相之关间的的。粘结力大小是与液体表面张力γL及
• 从Young方程可以知道：对同一种固体和液体界 面组合，表面能高的固体比表面能低的固体更容易被 液体润湿。
不可逆
<8>电子转移：
无
有
<9>吸附活化能： 不需
需，且较高
<10>吸附温度：
Байду номын сангаас
低
较高
二、 固体对液体的吸附
固体表面对液体吸附的特点： 1．电解质吸附： 非电解质吸附： 2．正吸附：吸附层内溶质的浓度比本 体相大。 负吸附：吸附层内溶质的浓度比本 体相小。 3．固体表面的粗糙度及污染程度对吸 附有很大的影响，液体表面张力的 影响也很重要
• 联合处理法：采用浸洗——蒸汽洗联合处理或浸洗
——喷淋——蒸汽洗联合处理，除油效果更好。
注意：用有机溶剂进行除油时，一定要注意安全，保
持良好的通风环境，做好各种各样的防火措施，以 免中毒，失火。
3.2 化学除油
• 化学方法除油的原理： (1)碱溶液对皂化性油脂的皂化作用。
常用的如氢氧化钠、碳酸钠、磷酸三钠等
第三节 固体表面结构
一．理想表面结构 理想表面是一种理论上的结构完整的二维 点阵平面，忽略了：
①晶体内部周期性热场在表面中断的影响 ②表面原子的热运动及扩散现象 ③表面出现的缺陷 ④表面外界环境的作用
二．清洁表面结构
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一系列物理、 化学效应的表面。
物理吸附
化学吸附
<1>吸附热： 小（约1～40KJ/mol） 大（40～400KJ/mol）
<2>吸附力： 弱（范德华力） 强（化学键力）
<3>选择性：
无
有
<4>>吸附速度：
快
慢
<5>吸附层： 多分子层或单分子层 单分子层
<6>吸附结构： 基本同吸附质分子结构 形成新的化合态
<7>可逆性： 可逆（易解吸）
第二章
固体材料的表面特点及表面清洗
第一节 固体材料表面与内部不同
• 固体表面：指固～气界面或固～液界面，它实 际上是由凝聚态物质靠近气体或真 空的一个或几个原子层(0.5～10nm) 组成，是凝聚态对气体或真空的一 种过渡。
• 稳定状态：能量最小
固体表面的特点：
1．组分不同: • 成分偏析:很多合金在 表面上会富集某种合金 元素，如 不锈钢表面的 Cr可达内部的7倍。
• 表面缺陷：台阶、弯折、空位等
第二节 固体表面的吸附
一、 固体对气体的吸附
• 固体表面对气体吸附的两种形式：
<1>物理吸附：固体表面与被吸附分子 之间的力是范德华力。
<2>化学吸附：二者之间的力和化合物 中原子之间形成化学键 的力相似，较范德华力 大的多。
• 物理吸附和化学吸附有着不同的特点:
• 超声波振荡可使溶液内产生许多真空的空穴。 这些空穴在形成和闭合时产生强烈的振荡,对工 件表面的油污产生强大的冲击作用，有助于油污 脱离，加强皂化和乳化作用，从而加速除油过程 并使除油更彻底。
• 在阴极电化学除油时，超声波一方面使 金属表面活化而促进渗氢，另一方面其产 生的真空空穴对吸附的氢有排除作用，可 防止渗氢。所以使用时要合理地选择超声 波场参数（频率、强度等），达到抑制渗 氢，防止氢脆的目的。 一般形状较复杂的小制品可用高频低振 幅的超声波，表面较大的制品则使用频率 较低的超声波。
• 故可以通过改变三个相界面上的γ值来调整接触角 ，亦即可以通过一些表面活性物质来改变润湿角θ大 小，从而改变固液表面之间的粘结力。
三、固体对固体的吸附
• 固体对固体表面之间同样有吸附作用，其粘附力WAB表 示粘附程度： WAB=γA+γB-γAB。
• 固体对固体的吸附也有它的特点： <1>两个不同物质间的粘附功往往超过其中较弱一物质 的内聚力。 <2>表面的污染会使粘附功大大减小，而这种污染是非 常迅速的。 <3>固体的吸附作用只有当固体断面很小，并且很清洁 时才能表现出来。
清洁表面与理想表面不同在于：它存在表 面驰豫、表面重构及表面台阶等缺陷。
三、实际表面结构