02-教案-表面技术概论-表面基本理论

授课学时：2学时章节名称第二章表面工程技术的基础理论备注

教学目的和要求通过本章学习了解固体材料的表面特性；掌握典型固体界面结构特点；了解材料表面热力学的基础知识

重点难点（1）材料表面、界面的基本概念（2）典型固态的界面结构特点

教学方法教学手段1、教学方法：课堂讲授法为主；用精讲的方法突出重点，

用分析证明、分类举例（特别要分清“复合层次”，以免漏层）的方法突破难点。

2、教学手段：以传统的口述，现代的多媒体，再加黑板为辅助的手段进行教学。

教学进程设计（含教学内容、教学设计、时间分配等）2.1 固体材料的表面特性

2.1.1 固体表面

界面与表面——几个有关的重要概念：界面、表面相：物质存在的某种状态或结构，通常称为某一相

界面：各相并存必然存在一个交界区，我们称之为界面

界面是由一个相到另一个相的过渡区域，界面处的结构、能量、组成等都呈连续的梯度的变化。

界面包括固-固、液-液、固-液、气-液、气-固界面。

⑴表面--固-液、固-气的分界面

⑵晶界（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。

⑶相界--固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。

2.1.2 理想晶体表面：是理论

的结构完整的二维点阵平面。

忽略周期性势场的中断

忽略缺陷、扩散、热运动

忽略外界环境影响

理想表面是难以获得的，只不过是把它作为研究其他类型表面的一个基础。

原子排列主要有两种变化方式：

一是自行调整（清洁表面）

二是依靠表面的成分偏析、化合和吸附（覆盖表面）

2.1.3 洁净表面与清洁表面

（1）洁净表面

尽管材料表层原子结构的周期性不同于体内，但如果其化学成分仍与体内相同，这种表面就称为洁净表面。它是相对于理想表面和受环境气氛污染的实际表面而言的。

台阶：表面原子形成台阶结构。

表面弛豫：由于固相的三维周期性在表面处突然中断，

表面上原子产生的相对于正常位置的上下位移。

表面重构：表面原子层在水平方向上的周期性不同于体

内，垂直方向的层间距与体内相同。

化合物：外来原子进入表面，并与表面原子形成化合物。

Compound

（2）清洁表面

一般指零件经过清洗(脱脂、浸蚀等)以后的表面。

2.1.4实际表面结构

（1）表面粗造度：

是指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。

粗糙表面对表面特性的影响

粗糙表面的原子比正常的原子具有更高的表面能！

粗糙表面影响实际表面的接触面积和接触性质！

实际比表面积大于表观比表面积！

粗糙的表面具有与内部不同的成分和组织！

（2）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。

实际零件的加工表面不可能绝对平整光滑，而是由许多微观不规则的峰谷组成。

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发生组织结构的晶格畸变。

该种晶格畸变随深度变化，而在最外边，约5nm～100nm 厚度可能会形成一种非晶态层，称为贝尔比（Beilby）层。

残余应力：

材料经加工，就会存在着各种残余应力，对性能发生影响。

压应力是有利的。

表面氧化、吸附和沾污：

当固体表面暴露在一般的空气中就会吸附氧或水蒸气，还可能有CO2、SO2、NO2等各种污染气体，甚至在一定的条件下发生化学反应而形成氧化物、有机物、盐或氢氧化物。

实际表面可分为两个范围：一是所谓“内表面层”，包括基体材料和加工硬化层；另一部分是所谓“外表面层”，包括吸附层、氧化层等。

外表面层---------- 吸附层、氧化层

内表面层---------- 基体材料、加工硬化层

2.2 典型固体界面结构特点

按照界面的形成过程与特点，最常见的界面类型为如下几种：

2.2.1 基于固相晶粒尺寸和微观结构差异形成的界面

在离表面约5nm的区域内，点阵发生强烈畸变，形成厚度约1-100nm的晶粒极微小的微晶层，亦称为贝尔比层(Bilby层)，

在比尔比层的下面为塑性流变(简称塑变)层，塑变程度与工艺有关。例如用600号SiC砂纸研磨黄铜时，其塑变层一般可达1-10μm。

2.2.3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”。

冶金结合的实质是金属键结合。

（2）扩散结合界面

两个固相直接接触，通过抽真空、加热、加压、界面分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，并形成了原子级别的混合或合金化。－－－－热扩渗工艺、离子注入

（3）外延生长界面

在工艺条件合适时，在单晶衬底表面沿原来的结晶轴向生成一层完整的新单晶层的工艺过程，就称为外延生长，形成的界面称为外延生长界面。

主要有两类：—种是气相外延，如化学气相沉积技术；另一种是液相外延，如电镀技术等。