表面工程 第2章 表面物理化学基础说课讲解
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
面心立方
密排六方
体心立方
4
§2.1 固体表面的结构
（三）表面能：断键不同，表面能不同，表面能各向异性
配位数(最近邻数): 12
➢ FCC (111)：3断键，表面能低 ➢ FCC (100)：4断键，表面能高
§2.1 固体表面的结构
（四）界面
界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，若其中 一相为气体，这种界面通常称为表面（surface）。
只有几个原子层范围。
13
§2.1 固体表面的结构
—2.1.2 固体的实际表面
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、清洗等），保持在常温和常 压（也可能在低真空或高温）下的表面（也称吸附表面）
内表层 基体材料层 加工硬化层
吸附层 外表层
氧化层
5am 0.5nm Βιβλιοθήκη Baidu表面层 10am
内表面层 ＞5um
污染层 吸附气体层 氧化层
加工硬化层
基体金属
金属表面的实际构成示意图
14
§2.1 固体表面的结构
—2.1.2 固体的实际表面
（一）表面粗糙度
从宏观看，经过切削、研磨、抛光的固体表面似乎很平 整，然而从微观角度观察会发现表面有明显的起伏，同时还可 能有裂缝、空洞等。
固体表面是不均匀的，即 使从宏观上似乎很光滑，但从原 子水平上是凹凸不平的。
—2.1.2 固体的实际表面
（二）贝尔比层和残余应力
固体材料经过切削加工后，在几个微米或者十几个微米 的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，造成一定程度的晶格 畸变。这种晶格的畸变随深度变化，而在最外的约5nm-10nm 厚度可能会形成一种非晶态层，称为贝尔比层。
贝尔比层成分为金属 及其氧化物，而性质与体 内明显不同，具有较高的 耐磨性和耐蚀性。
理想表面的前提条件：
➢ 忽略晶体内部周期性势场 表 面
在晶体表面中断的影响；
➢ 忽略表面原子的热运动、
内 部
热扩散和热缺陷等；
➢ 忽略外界对表面的物理化 学作用等。
理想表面结构示意图
§2.1 固体表面的结构
—2.1.1 理想表面和清洁表面
（二）清洁表面
清洁表面指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物理、化学效应的表面。
6
§2.1 固体表面的结构
固体材料的界面有三种：
表面
固体材料与气体或液体的分界面。
晶界（或亚晶界）
多晶体内部成分、结构相同而取 向不同晶粒（或亚晶）间的界面。
相界
固体材料中成分、结构不同的两 相之间的界面。
7
§2.1 固体表面的结构
—2.1.1 理想表面和清洁表面
（一）理想表面
理想表面是一种理论上认为的结构完整的二维点阵平面，表面 原子位置和电子密度都和体内一样。
自行调整，使表面原子排列情况与材料内部明显不同； 依靠表面成分偏析、表面对外来原子（或分子）的吸附
以及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。
10
§2.1 固体表面的结构
—2.1.1 理想表面和清洁表面
序号 名称 1 弛豫
几种清洁表面的结构和特点
结构示意图
特点
表面最外层原子与第二层 原子间的距离不同于体内原子 间距（增大或缩小；也可是有 些原子间距增大，有些减小）
只有用特殊方法如高温热处理、离子轰击加退火、真空 解离、真空沉积、场致蒸发等才能得到清洁表面，同时还必 须保持在1.33×10-10Pa的超高真空中。
9
§2.1 固体表面的结构
—2.1.1 理想表面和清洁表面
晶体表面是原子排列面，有一侧无固体原子键合，形成了 附加的表面能。从热力学的观点，表面附近的原子排列总是趋 于能量最低的稳定状态，达到这种稳定态的方式有两种：
聚四氟乙烯表面结构图
15
§2.1 固体表面的结构
—2.1.2 固体的实际表面
表面粗糙度指加工表面上具有的较小间距的波峰和波谷所 组成的微观几何形状误差，也称微观粗糙度。
表面粗糙度通常要严格控制和评定。GB1031、GB3505、 GB7220等。工业制品规定用中线制评定表面粗糙度。
16
§2.1 固体表面的结构
12
§2.1 固体表面的结构
—2.1.1 理想表面和清洁表面
序号 名称
几种清洁表面的结构和特点 结构示意图
特点
化合 5物
外来原子进入表面，并与表 面原子键合形成化合物。
6 台阶
表面不是原子级的平坦，表 面原子可以形成台阶结构。
➢ 晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部，一般大约要经过
4~6个原子层之后才与体内基本相似，所以晶体表面实际上
2 重构
在平行基底的表面上，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。
11
§2.1 固体表面的结构
—2.1.1 理想表面和清洁表面
几种清洁表面的结构和特点
序号 名称
结构示意图
特点
3 偏析
表面原子是从体内通过分离、 扩散而聚集的外来原子。
化学 4 吸附
外来原子（超高真空条件下主 要是气体）吸附于表面，并以化学 键合。
17
§2.1 固体表面的结构
—2.1.2 固体的实际表面
材料经各种加工、处理后普遍存在残余应力。残余应力 按其作用范围分为：宏观内应力和微观内应力两类。
宏观内应力： 由于材料各部分变
形不均匀而造成的宏观 范围内的内应力。
微观内应力： 物体的各晶粒或亚晶粒
之间不均匀的变形而产生的 晶粒或亚晶粒间的内应力。
Surface Engineering
表面工程
1
第一专题：基础篇
第2章 固体表面的物理化学特征
§2.1 固体表面的结构 §2.2 固体表面的吸附 §2.3 固体表面原子的扩散
2
§2.1 固体表面的结构
概述
（一）晶体、非晶体与结合键
晶体：原子、离子或分子在三维空间呈周期性规则排列，即
存在长程有序的排列。
固 非晶体：内部原子、离子或分子在三维空间排列短程有序，
体
但由于化学键的作用，在1~2nm范围内原子分布仍有
一定配位关系，原子间距和成键键角都有一定特征，
然而没有晶体那样严格。
硼酸：氢键
氯化钠固体：离子键
甲烷分子间的结合：分子键
硅：共价键 铜：金属键
3
§2.1 固体表面的结构
（二）晶体结构 常见的晶体结构：面心立方、密排六方和体心立方。
18
§2.2 固体表面的吸附
吸附剂（adsorbent）：表面上发生吸附作用的固体（硅 胶、分子筛、活性炭等）。
吸附质（adsorbate）：被吸附的气体等物质。 吸附：剩余的力场，气体或液体分子被吸引到固体表面
密排六方
体心立方
4
§2.1 固体表面的结构
（三）表面能：断键不同，表面能不同，表面能各向异性
配位数(最近邻数): 12
➢ FCC (111)：3断键，表面能低 ➢ FCC (100)：4断键，表面能高
§2.1 固体表面的结构
（四）界面
界面是指两相接触的约几个分子厚度的过渡区，若其中 一相为气体，这种界面通常称为表面（surface）。
只有几个原子层范围。
13
§2.1 固体表面的结构
—2.1.2 固体的实际表面
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、清洗等），保持在常温和常 压（也可能在低真空或高温）下的表面（也称吸附表面）
内表层 基体材料层 加工硬化层
吸附层 外表层
氧化层
5am 0.5nm Βιβλιοθήκη Baidu表面层 10am
内表面层 ＞5um
污染层 吸附气体层 氧化层
加工硬化层
基体金属
金属表面的实际构成示意图
14
§2.1 固体表面的结构
—2.1.2 固体的实际表面
（一）表面粗糙度
从宏观看，经过切削、研磨、抛光的固体表面似乎很平 整，然而从微观角度观察会发现表面有明显的起伏，同时还可 能有裂缝、空洞等。
固体表面是不均匀的，即 使从宏观上似乎很光滑，但从原 子水平上是凹凸不平的。
—2.1.2 固体的实际表面
（二）贝尔比层和残余应力
固体材料经过切削加工后，在几个微米或者十几个微米 的表层中可能发生组织结构的剧烈变化，造成一定程度的晶格 畸变。这种晶格的畸变随深度变化，而在最外的约5nm-10nm 厚度可能会形成一种非晶态层，称为贝尔比层。
贝尔比层成分为金属 及其氧化物，而性质与体 内明显不同，具有较高的 耐磨性和耐蚀性。
理想表面的前提条件：
➢ 忽略晶体内部周期性势场 表 面
在晶体表面中断的影响；
➢ 忽略表面原子的热运动、
内 部
热扩散和热缺陷等；
➢ 忽略外界对表面的物理化 学作用等。
理想表面结构示意图
§2.1 固体表面的结构
—2.1.1 理想表面和清洁表面
（二）清洁表面
清洁表面指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物理、化学效应的表面。
6
§2.1 固体表面的结构
固体材料的界面有三种：
表面
固体材料与气体或液体的分界面。
晶界（或亚晶界）
多晶体内部成分、结构相同而取 向不同晶粒（或亚晶）间的界面。
相界
固体材料中成分、结构不同的两 相之间的界面。
7
§2.1 固体表面的结构
—2.1.1 理想表面和清洁表面
（一）理想表面
理想表面是一种理论上认为的结构完整的二维点阵平面，表面 原子位置和电子密度都和体内一样。
自行调整，使表面原子排列情况与材料内部明显不同； 依靠表面成分偏析、表面对外来原子（或分子）的吸附
以及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。
10
§2.1 固体表面的结构
—2.1.1 理想表面和清洁表面
序号 名称 1 弛豫
几种清洁表面的结构和特点
结构示意图
特点
表面最外层原子与第二层 原子间的距离不同于体内原子 间距（增大或缩小；也可是有 些原子间距增大，有些减小）
只有用特殊方法如高温热处理、离子轰击加退火、真空 解离、真空沉积、场致蒸发等才能得到清洁表面，同时还必 须保持在1.33×10-10Pa的超高真空中。
9
§2.1 固体表面的结构
—2.1.1 理想表面和清洁表面
晶体表面是原子排列面，有一侧无固体原子键合，形成了 附加的表面能。从热力学的观点，表面附近的原子排列总是趋 于能量最低的稳定状态，达到这种稳定态的方式有两种：
聚四氟乙烯表面结构图
15
§2.1 固体表面的结构
—2.1.2 固体的实际表面
表面粗糙度指加工表面上具有的较小间距的波峰和波谷所 组成的微观几何形状误差，也称微观粗糙度。
表面粗糙度通常要严格控制和评定。GB1031、GB3505、 GB7220等。工业制品规定用中线制评定表面粗糙度。
16
§2.1 固体表面的结构
12
§2.1 固体表面的结构
—2.1.1 理想表面和清洁表面
序号 名称
几种清洁表面的结构和特点 结构示意图
特点
化合 5物
外来原子进入表面，并与表 面原子键合形成化合物。
6 台阶
表面不是原子级的平坦，表 面原子可以形成台阶结构。
➢ 晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部，一般大约要经过
4~6个原子层之后才与体内基本相似，所以晶体表面实际上
2 重构
在平行基底的表面上，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。
11
§2.1 固体表面的结构
—2.1.1 理想表面和清洁表面
几种清洁表面的结构和特点
序号 名称
结构示意图
特点
3 偏析
表面原子是从体内通过分离、 扩散而聚集的外来原子。
化学 4 吸附
外来原子（超高真空条件下主 要是气体）吸附于表面，并以化学 键合。
17
§2.1 固体表面的结构
—2.1.2 固体的实际表面
材料经各种加工、处理后普遍存在残余应力。残余应力 按其作用范围分为：宏观内应力和微观内应力两类。
宏观内应力： 由于材料各部分变
形不均匀而造成的宏观 范围内的内应力。
微观内应力： 物体的各晶粒或亚晶粒
之间不均匀的变形而产生的 晶粒或亚晶粒间的内应力。
Surface Engineering
表面工程
1
第一专题：基础篇
第2章 固体表面的物理化学特征
§2.1 固体表面的结构 §2.2 固体表面的吸附 §2.3 固体表面原子的扩散
2
§2.1 固体表面的结构
概述
（一）晶体、非晶体与结合键
晶体：原子、离子或分子在三维空间呈周期性规则排列，即
存在长程有序的排列。
固 非晶体：内部原子、离子或分子在三维空间排列短程有序，
体
但由于化学键的作用，在1~2nm范围内原子分布仍有
一定配位关系，原子间距和成键键角都有一定特征，
然而没有晶体那样严格。
硼酸：氢键
氯化钠固体：离子键
甲烷分子间的结合：分子键
硅：共价键 铜：金属键
3
§2.1 固体表面的结构
（二）晶体结构 常见的晶体结构：面心立方、密排六方和体心立方。
18
§2.2 固体表面的吸附
吸附剂（adsorbent）：表面上发生吸附作用的固体（硅 胶、分子筛、活性炭等）。
吸附质（adsorbate）：被吸附的气体等物质。 吸附：剩余的力场，气体或液体分子被吸引到固体表面