现代表面技术复习题..

现代表面技术复习题答案
第一章
1课程的性质、特点
“古老T实用T广泛T发展”。

2,课程的地位、重要性“重点发展的学科”。

1按照膜层形成方式及其作用原理，表面技术可以分为哪些类型?
（1）原子沉积⑵ 颗粒沉积⑶ 整体覆盖⑷ 表面改性2、固体材料界面有哪三种？
（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、结构相同的界面。

而取向不同的晶粒（或亚晶）之间（3）相界--固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。

3、何谓清洁表面？何谓实际表面？
清洁表面：经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空解理、蒸发薄膜、场效应蒸发、化学反
应、分子束外延等特殊处理后，保持在10-6 Pa—10-9Pa超高真空下外来沾污少到不能用一
般表面分析方法探测的表面。

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、清洁等），保持在常温和常压（也可能在低真空或者高温）下的表面。

4、清洁表面为何存在各种类型的表面缺陷？
从热力学来看，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态。

达到该稳定状态的方式有两种：
一是自行调整，表面原子排列情况与材料内部明显不同；
二是依靠表面的成分偏析和表面对外来原子或分子的吸附以及这两者的相互作用而趋向稳定态，因而使表面组分与材料内部不同。

所以清洁表面必然存在各种类型的表面缺陷。

5、简述表面驰豫和表面重构并画出结构示意图。

表面弛豫：表面原子的上、下位移（压缩或膨胀）称为表面驰豫。

表面重构：在平行于基底的表面上，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，这种表面结构称为重构（或再构）。

缺列型重构：是表面周期性地缺失原子列
造成的超结构。

重组型重构：并不减少表面的原子数，但却显著地改变表面的原子排列方
式。

6、什么是贝尔比层？它有什么特点？
贝尔比（Beilby）层：
金属在切割、研磨和抛光时，表面原子来不及回到平衡位置，造成一定程度的晶格畸变，
深度可达几十微米。

这种晶格畸变是随深度变化的，而在最外层约5nm-10 nm厚度可能会形
成一种非晶态层，该膜层就称为贝尔比（Beilby）层。

其成分为金属和它的氧化物，而性质与体内明显不同。

贝尔比层具有较高的耐磨性和耐蚀性，这在机械制造时可以利用。

但是，在其它许多场合，贝尔比层是有害的，例如，在硅片上进行外延、氧化和扩散之前要用腐蚀法除掉贝尔比层，因为它会感生出位错、层错等缺陷而严重影响器件的性能。

第三章电镀和化学镀
1、何谓电化学位？写出其数学表达式并说明其用途。

位于真空的孤立相的电位
（一）、外电位®
仿照化学位卩的定义，将 称为电化学位。

位。

定义了电化学位后，就可以象化学反应式的平衡条件一样, 1
平衡的条件：
H 2（101325P a ） H a H 1 e 2
2、什么是绝对电位？ 写出数学表达式；简要说明为什么绝对电位无法测量？
称为该电极系统的绝对电位。

① e 表示电极反应处于平衡时该电极系统的绝对电位。

为了测量Cu 电极与水溶液之间的内电位之差，就要用一个高灵敏度的高阻测量仪器，例如 电位差计或电阻输入很高的半导体电压表。

任何这种测量电位差的仪器都有两个输入端。

个输入端用良电子导体材料做成的导线如
Cu 导线同Cu 电极相连接。

测量仪器的另一个输入
端就应当同另一个相，即水溶液相连接。

现在的问题是怎样才能做到使测量仪器的一个输入 端同水溶液相连接？唯一的办法是用某一块金属 M —端插入水溶液中，而在水溶液上面的另
一端则与一根导线，例如也是用
Cu 导线连接，然后这根导线接测量仪器的另一个输入端。

这个电位差E 实际上是表示 Cu/水溶液和M/水溶液两个电极系统所组成的原电池的电动势。

3、何谓参比电极？何谓标准电极?
F
_
选择一个电极系统来同被测电极系统组成原电池。

n
所选择的电极系统中， 电极反应必须保持 平衡，而且
与该电极反应有关的反应物质的化学位应保持恒定。

这样的电极系统叫做参比电 极。

以氢电极为标准电极，并规定它在任何温度下电极电位为零。

把单位正电荷从无穷远处的真空中移至带电物体表面
10-4〜10-5 cm 处所作的电功
称为该点的外电位。

j j v
外电位是紧靠带电物体表面处的电位，又称伏打（ （二） 、表面电位X
任一表面层中，由于界面上的短程力场 化并定向排
列，使表面层成为一层偶极子层。

X 。

①
（电极材料厂 7 sol ） e
（三） 、内电位
内电位一指物体内部某一点的电位。

体内时反抗电
场力所作的功。

Volta ）电位，它是可以测量的。

（范德华力， 共价键力等）引起原子或分子偶极
单位正电荷穿越该层所做的电功称为表面电位 币 _币 j j e
（电极材料）
①（电极材料厂①（sol ） e
nF
在数值 上等于单位正电荷由无穷远处移到带电物
1mol 的Mn+共携Mn ■带nF 库仑的电量，相应的电功为 +nF ①（P ）。

因此，将1mol 的正离子
Mn+移入相P 时，相P 的吉布斯自由能的变化为:
E
[ (Cu)
(sol) ]
e
(sol) M ]
e
(M)
(Cu) ]
e
就是离子Mn+在相P 中的电化学
用下式来表达一个电极反应达到
电极反应为：
标准电极电位一在水溶液中,
M
?98K 时，电极物质活度均为
1时的电极电位，称为标准电极
电位。

它表示电极物质在进行电极反应时，相对于标准电极的得失电子的能力。

4、何谓电池电动势？何谓电极电位？
电极电位一是指一待测电极与标准电极组成的电池的电动势。

5、何谓过电位△$?何谓阳极极化？何谓阴极极化？
过电位△$:在一定电流密度下的电极电位$与平衡电位$平的差值， 称为过电位△$,即,
△ © = © — ©平
(2) 阳极极化和阴极极化一由于电极上有净电流通过，电极电位显著地偏离未通净电流时 的起始电位的变化的现象称为极化。

对于阳极电极电位和阴极电极电位偏离其平衡值 (未通净电流)的现象，分别称为阳极极化
和阴极极化。

6、简要说明产生阳极极化
斤阴极极化的原因。

ne)
(i) 阳极活化极化。

阳极过程是金属离子从基体转移到溶液中并形成水化离子的过程
金属离子进入到溶液里的速度小于电子从阳极迁移到阴极的速度， 则阳极上就会有过多的带 正电的荷的金属离子的积累，由此引起电极双电层上负电荷减少， 于是阳极电位就向正方向 移动，产生阳极极化。

这种极化称为活化极化或电化学极化。

(2 )阳极浓差极化。

在阳极过程中产生的金属离子首先进入阳极表面附近的 溶液
中，如果进入到溶液中的金属离子向远离阳极表面的溶液扩散缓慢时， 阳极附近的金属离子
浓度增加，阻碍金属继续溶解， 必然使阳极电位往正方向移动，产生阳极极化。

这种极化称 为浓差极化。

浓差极化的过电位用n
(3) 阳极电阻极化。

在阳极过程中， 受到了阻碍，使得金属的溶解速度显著降低，
(1) 阴极活化极化
阴极过程是接受电子的过程，即
如果由阳极迁移过来的电子过多， 由于某种原因阴极接受电子的物质与电子结合的速度
进行得很慢，使阴极积累了剩余电子，电子密度增高，结果使阴极电位向负方向移动,
阴极极化。

这种由于阴极过程或电化学过程进行得缓慢引起的极化称作阴极活化极化或电化
学极化，其过电位用n
a 表示。

(2) 阴极浓差极化。

阴极附近参与反应的物质或反应物扩散较慢引起的阴极过程受阻，造 成阴极电M 堆
积，使阴极电位向负片方向移动，由此引起的极化为浓差o 化，ne 电位用n
此时阳极电位剧烈地向正方向移动, ;膜，阳极过程
由此引起
的极化称为电阻极化。

其过电位用n
r 表示。

产生
表示。

7、 试简述阴极极化对金属电沉积过程的有益和有害影响。

阴极极化对镀层起的良好作用可分为两方面： 第一、有利于得到结晶细致、光亮的镀层；.......常数（电量） 第二、有利于改善镀液的分散能力，使镀层分布均匀
阴极的浓差极化：往往降低沉积速度，造成镀层粗糙、烧焦等毛病，阴极极化太大时， 会
造成严重析氢、电流效率降低，影响镀层结合力，严重时，甚至造成起泡、起皮等缺陷。

8、 法拉第电解第一定律？ 法拉第电解第二定律？
法拉第常数F ?
1法拉第电解第一定律 电极上所形成产电解物的质量
W 与电流I 和通电时间t 成正比 W klt=kQ 式中k 为比例常数。

2.
法拉第电解第二定律 （三种表述法）
当通过各电解液的总电量
Q 相同时，在电极上析出（或溶解）的物质的质量 W 同各物
质的化学当量 C （即原子量 A 与原子价Z 之比值，C=A/Z ）成正比。

W= kIt=kQ = k ' G
电解第二定律也可表述为：物质的电化学当量 k 同其化学当量 C 成正比，即：
如通过的电量 Q 相同，则析出或溶解的不同物质的化学“克当量”数相等，即每一物质 的数量变化除以化学当量 C 为一常数。

9、简述采用次亚磷酸钠作为还原剂化学镀 Ni-P 的反应机理？
化学镀镍是用还原剂把溶液中的镍离子还原沉积在具有催化活性的表面上。

其反应式为：
NiCm2+ 十R 宀Ni 十 mC 十0
C 为络合剂、m 为络合剂配位体数目， R 、O 分别为还原剂的还原态和氧化态。

上式分解为: 以次亚磷酸钠为还
原剂反应机理： 阴极反应： Ni 2+十 HPO 「十 HaO^HPO 「+ Ni 十 2b4 阳极反应： R T O 十 2e -
10、什么是电偶腐蚀？
由于腐蚀电位不同，造成同一介质中异种金属接触处的局部腐蚀， 就是电偶腐蚀（galva nic
11、简要说明能斯特方程。

法拉第常数（F ）：每摩尔电子所携带的电荷。

=96485.3383 ± 0.0083C/mol
F=(6.02214 X 1023) X (1.602176 X 10-19)
A
corrosion ）,亦称接触腐蚀或双金属腐蚀。

k C —
第四章金属的氧化、磷化及着色
-化学转化膜
1钢铁的表面发蓝（黑）处理的基本原理？钢铁的表面磷化处理的基本原理？
钢铁的氧化，亦称发蓝。

其实质是通过化学或电化学等方法，在其表面生成一层薄的氧化膜,
膜层厚度为0.5~1.5卩m,膜的主要成分为（Fe3O4）（即磁性氧化铁）。

钢铁在磷化液（某些酸式醋酸盐为主的溶液）中处理，在表面沉积形成一层不溶于水的结晶
型磷酸盐转化膜的过程，称之为钢铁的磷化。

2、铝合金的化学氧化与电化学氧化的区别？
3、画出铝合金阳极氧化的原理示意图.
4、根据铝（镁、钛、钽等）合金阳极氧化的原理图以及氧化处理所用的电解质溶液成分、电流密度、电流波形、溶液温度、膜层性能特点、工件表面是否产生火花等，分别说明什么是：
（1）阳极氧化？
（2）硬质氧化？
（3）瓷质氧化？
（4 ）等离子体电解液（或者微弧）氧化？
（5）哪种处理方法的氧化膜硬度最高？
普通阳极氧化（硫酸、草酸、铬酸等阳极氧化）
硬质阳极氧化
1）溶液：获得硬质氧化膜溶液很多，如：硫酸、多种有机酸（如草酸、苹果酸、柠檬酸、丙二酸、磺基水杨酸）混合液。

2）电源：电源则有交流电、直流电、交直流叠加、脉冲电流等。

3）氧化条件：硬质阳极氧化处理条件为：高电流密度、低温、搅拌。

电流密度为普通阳极氧化的2—3倍。

低温是为了抑制溶液对膜的溶解、通过搅拌降温。

4）硬质氧化膜性质
硬度
铝合金上可达HV400〜600,在纯铝上可达HVI500以上。

在铝合金中丄C4合金最易获得硬质氧化膜。

耐磨件
硬质阳极氧化膜，硬度高，耐磨性好。

疲劳性能
工件经硬质阳极氧化后、疲劳性能要下降。

耐热件
硬质阳极氧化膜熔点达2050 C,导热系数低至67kw/（m • K）,耐热性极好。

在短时间内经受1500〜2000C高温没问题。

电绝缘性
硬质阳极氧化膜电阻率大，经封闭处理（浸绝缘漆或石腊），击穿电压可达2000V。

耐蚀性耐大气腐蚀。

结合强度膜与基体结合强度高。

瓷质阳极氧化：以钛盐（或铬酐）为基础的溶液，可使抛光后的硬铝工件上获得均匀、光滑、外观类似塑料或瓷釉的氧化膜，称之为瓷质阳极氧化。

瓷质氧化膜特点：
①膜层致密，硬度较高，耐磨性、绝热性、绝缘性较好，耐蚀性优于硫酸阳极氧化膜；
②膜层与基体结合强度高，可经受冲压加工；
③膜层不透明，可遮盖加工中缺陷，装饰效果好，对工件表面要求低；
④膜层吸附力好，可染成各种较深颜色。

6、铝合金氧化膜的封孔方法有哪些？分别简要说明。

封闭处理方法有多种：如沸水（80 —100C ）封孔、蒸气封扎、金属盐封孔、有机物封孔，涂漆封孔和常温封孔等多种方法。

第五章表面涂覆技术
1何谓热喷涂？
涂层的形成机理？
涂层的结合机理？
热喷涂涂层的应力状态？
热喷涂技术：是使用某种方式的热源，使喷涂材料加热至熔融或半熔融状态，用高压气流将
其雾化，并以一定速度喷射到经过预处理的零件表面，从而形成涂层的表面加工技术。

喷涂材料从进入热源到形成涂层可以划分为以下四个阶段: （1）喷涂材料的熔化：
粉末喷涂材料进入热源高温区域，被加热到熔化态或软化态；线
材喷涂材料的端部在热源高温区加热熔化，熔化的材料以熔滴形式存在于线材端部
（2）熔化的喷涂材料的雾化：
对于线材喷涂时，端部的熔滴在外加压缩气流或热源自身
射流的作用下脱离线材端部，并雾化成细小熔滴向前喷射；在粉末喷涂时，不存在粉末的细 化和雾化过程，直接在压缩气流或热源射流推动下发生喷射。

（3） 粒子的飞行阶段： 熔化或软化的微细颗粒首先被气流或射流加速。

（4） 粒子的喷涂阶段：
具有一定速度和温度的粒子到达基材表面，
与基材发生强烈的碰
撞。

粒子在碰撞的瞬间撞击基体表面或撞击已经形成的涂层， 把动能转化为热能后传给基体，
同时粒子在凹凸不平的表面发生变形， 形成扁平状粒子，并且迅速凝固成涂层。

喷涂的粒子
产生碰撞-变形-冷I 凝的过程,— 口粒子之间相
涂层形成过程如下图所示。

碰撞 涂层的结合机理
涂层的结合包括涂层和基材的结合及涂层之间的结合。

前者的结合强度称为结合力，后
者的结合强度称为内聚力。

1） 机械结合（主要结合方式）
熔融态的粒子撞击到基材表面，铺展成扁平状的液态薄层，嵌合在起伏不平的表面 形成机械结合，又
称为抛锚效应。

2） 物理结合
当高速运动的熔融粒子撞击基体表面后，若界面两侧紧密接触的距离达到原子晶格 常数范围内时，产
生范德华力，提高基体和涂层间的结合强度。

3） 扩散结合
当熔融的喷涂粒子高速撞击基体表面形成紧密接触时，由于变形和高温作用，基体 表面的原子得到足
够的能量，使涂层与基体之间产生原子扩散，形成扩散结合。

4） 冶金结合
当基体预热，或喷涂粒子有高的熔化潜热，或喷涂粒子本身发生放热化学反应（如
Ni/AI ）时，熔融态的粒子和局部熔化的基体之间发生“焊合”现象，产生“焊点” ，形成微
区冶金结合。

=r 云。

不断飞向基材表面,
冲
凝固-收缩
变形
精品资料
1）热应力和2）淬火应力
2、 举两个实例说明等离子体喷涂陶瓷涂层的应用。

石油管道建设、航空航天工业、汽车制造、工程机械及船舶
3. 涂料的四个组成部分是什么？
「天抵树脂
'成脱物质J 天然汕脂
［合成材脱
涂料颜料（着爾料、肪第顔料等〉
涪剂（有机希剂或水）
助刑（固化刑*催T 剂竽）
5. 热喷涂涂层的应用通常有哪几类?
在航空航天工业上的应用 在机械工业中的应用 在钢铁行业中应用
在铁路行业中应用 在生物医学工程上的应用
6. 热喷涂方法
1 ）火焰喷涂？
2 ）电弧喷涂？
3 ）等离子体喷涂？
4 ）超音速火焰喷涂?
5
）爆炸喷涂？ 6 ）冷喷涂？ 第六章表面改性技术
1、 简要说明形变强化的原理和机理。

基本原理是：
通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变
硬化层，此形变硬化层的深度可达 （0.5~1.5）mm 。

在此形变硬化层中产生两种变化: ① 是在组织结构上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大；
② 是形成了高的宏观残余压应力。

机理：滚压，内挤压，喷丸
2、 何谓表面热处理？
是指仅对零部件表层加热、 冷却，从而改变表层组织和性能而不改变成分的一种工艺， 基本、应用最广泛的材料表面改性技术之一。

1） 2
） 3）。