表面改性第2章-表面工程技术的物理化学基础.pptx

2.1固体的表面与界面固体的表面与界面n固体的固体的表面表面固相与气相固相与气相的分界面。的分界面。n固体的固体的界面界面固相之间的固相之间的分界面。分界面。相界面相界面：不同凝聚相之间：不同凝聚相之间的分界面；的分界面；晶界晶界：同一相中晶粒之间：同一相中晶粒之间的分界面。的分界面。2.1.1典型固体表面典型固体表面p理想表面理想表面p洁净表面洁净表面p清洁表面清洁表面p机加工表面机加工表面p一般表面一般表面2.1.1典型固体表面典型固体表面n理想表面理想表面 理论上结构完整的二维点阵平面，理论上结构完整的二维点阵平面，原子位原子位置和电子密度都和晶体内部一样置和电子密度都和晶体内部一样。d图图2-2理想表面结构理想表面结构图图2-1 理想表面形成示意图理想表面形成示意图n理想表面的前提条件：理想表面的前提条件：忽略了晶体内部忽略了晶体内部周期性势场周期性势场在晶体表面中断的影在晶体表面中断的影响；响；忽略了表面原子的忽略了表面原子的热运动、热扩散和热缺陷热运动、热扩散和热缺陷等；等；忽略了忽略了外界外界对表面的物理化学作用等。对表面的物理化学作用等。固体表面的固体表面的结构和性质结构和性质在很多方面都与体内不同。在很多方面都与体内不同。表层原子的表层原子的能量能量比内部的要高很多。比内部的要高很多。表面原子的近邻原子数减表面原子的近邻原子数减少，使得其拥有的能量大少，使得其拥有的能量大于晶体内部原子的能量，于晶体内部原子的能量，将表面超出内部的这部分将表面超出内部的这部分能量称为能量称为表面能表面能。n洁净表面洁净表面 指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面，没有表面污染的实际等物理化学效应的表面，没有表面污染的实际表面。表面。严格地说，洁净表面原子结构的严格地说，洁净表面原子结构的周期性不周期性不同于体内同于体内，但其，但其化学成分仍然与体内相同化学成分仍然与体内相同。n洁净表面形成的原因：为了洁净表面形成的原因：为了减小表面能减小表面能，表面，表面原子的排列趋于原子的排列趋于能量最低能量最低的稳定状态。的稳定状态。达到这种稳定态的方式有两种：达到这种稳定态的方式有两种：自行调整自行调整，原子，原子排列情况排列情况与材料内部明显不同；与材料内部明显不同；依靠表面依靠表面成分偏析成分偏析和表面对外来原子或分子的和表面对外来原子或分子的吸吸附附以及以及两者的相互作用两者的相互作用而趋向稳定态，因而使表面而趋向稳定态，因而使表面组分组分与材料内部不同。与材料内部不同。弛豫弛豫重构重构台阶台阶化学吸附化学吸附偏析偏析化合物化合物在高洁净度的表面上，可以发生多种与体内不在高洁净度的表面上，可以发生多种与体内不同的结构和成分变化同的结构和成分变化:表面弛豫：表面表面弛豫：表面原子原子的的上下位移上下位移。dd0原因：原因：晶体的三维周期性在晶体的三维周期性在表面处突然中断，表面处突然中断，引起表面引起表面原子的配位情况、附近的电原子的配位情况、附近的电荷分布、所处的力场等均与荷分布、所处的力场等均与体内原子有所不同体内原子有所不同，因此使，因此使表面上的原子会发生相对于表面上的原子会发生相对于正常位置的上、下位移，以正常位置的上、下位移，以降低表面能量。降低表面能量。特点：表面最外层原子与第二层原子之间的距特点：表面最外层原子与第二层原子之间的距离不同于体内原子间距。离不同于体内原子间距。层间距缩短层间距缩短负弛豫负弛豫层间距伸长层间距伸长正弛豫正弛豫原因：表面原因：表面原子键合性质原子键合性质的改变。的改变。I.断键电子向未断键的转移断键电子向未断键的转移使键合增强而带来使键合增强而带来负弛豫；负弛豫；II.表面键合相对减弱使表面键合相对减弱使热振荡频率降低振幅热振荡频率降低振幅增加增加而带来正弛豫。而带来正弛豫。对离子晶体，正负离对离子晶体，正负离子分别产生负弛豫和子分别产生负弛豫和正弛豫后，在表面附正弛豫后，在表面附加形成加形成双电层结构双电层结构。离子极化性能越大，离子极化性能越大，双电层越厚双电层越厚，从而，从而表表面能越低面能越低。表面重构：在平行基底的表面重构：在平行基底的表面上，原子的表面上，原子的平移对称平移对称性与体内显著不同性与体内显著不同，原子，原子位置作了较大幅度的调整。位置作了较大幅度的调整。特点：表面上的特点：表面上的原子间距原子间距与晶体内原子间距不同。与晶体内原子间距不同。图图2-3密排六方重构表面密排六方重构表面示意图示意图asa表面台阶结构表面台阶结构 ：指实际晶体的外表面由许多：指实际晶体的外表面由许多密排面的台阶构成。密排面的台阶构成。Pt（557）有序原子台阶表面示意图）有序原子台阶表面示意图表面晶体结构的物理模型：表面晶体结构的物理模型：平台（平台（Terrace）台台阶（阶（Ledge）扭折（扭折（Kink）模型）模型，简称，简称TLK模型。模型。当温度高于当温度高于0K时，时，由于原子的热运由于原子的热运动，晶体表面将动，晶体表面将产生产生平台平台、台阶、台阶、扭折、吸附原子扭折、吸附原子及空位及空位等。等。台阶、扭折是催化和固相反应的活化中心。台阶、扭折是催化和固相反应的活化中心。几种洁净表面的结构和特点几种洁净表面的结构和特点n清洁表面清洁表面 指经过清洗（脱脂，浸湿）以指经过清洗（脱脂，浸湿）以 后的表面。后的表面。洁净表面与清洁表面的区别：洁净表面与清洁表面的区别：“清洁程度清洁程度”不同。不同。洁净表面比清洁表面的洁净表面比清洁表面的“清洁程度清洁程度”更高。更高。几种获得洁净表面的方法几种获得洁净表面的方法:在在超超高高真真空空的的环环境境下下用用简简单单的的晶晶面面劈劈开开法法获获得得清清洁洁表面，如表面，如NaCl的（的（100）面；）面；高高温温热热处处理理：在在真真空空中中加加热热，使使温温度度高高到到足足以以蒸蒸发发掉掉表面的污染物；表面的污染物；在真空中用惰性气体在真空中用惰性气体离子轰击离子轰击溅射表面溅射表面。洁净表面与清洁表面在表面工程技术中非常重要。洁净表面与清洁表面在表面工程技术中非常重要。I.在获得的各种在获得的各种涂层或镀膜涂层或镀膜之前，常需采用各种之前，常需采用各种预预处理工艺处理工艺获得获得清洁表面清洁表面；II.微电子工业中微电子工业中气相沉积气相沉积和和微细加工微细加工则需要则需要洁净表洁净表面或超洁净表面面或超洁净表面。n机加工表面机加工表面实际零件表面不可能绝对平滑光整，微观上由实际零件表面不可能绝对平滑光整，微观上由不规则的起伏不平的峰谷组成。不规则的起伏不平的峰谷组成。波纹度：波纹度：一段较长距离内出现一个峰和谷的周期。一段较长距离内出现一个峰和谷的周期。粗糙度：粗糙度：在较短距离（在较短距离（2800m）内出现的凹凸不）内出现的凹凸不平（平（0.03400m）。）。轮廓算术平均偏差轮廓算术平均偏差Ra：在取样长度内，轮廓偏距：在取样长度内，轮廓偏距(Y方向上轮廓线上点与基准线之间的距离方向上轮廓线上点与基准线之间的距离)绝对值绝对值的算术平均值，用的算术平均值，用Ra表示，如下图所示。表示，如下图所示。图图2-6 表面粗糙度轮廓示意图表面粗糙度轮廓示意图yi为峰和谷的绝对为峰和谷的绝对值，值，n为测量个数。为测量个数。机械加工面的表面粗糙度机械加工面的表面粗糙度加工方法加工方法Ra（m）珩磨珩磨0.010.05研磨研磨0.080.63磨削磨削0.322.5铣削铣削1.255车削车削0.635钻削钻削1.2510材料的表面粗糙度是表面工程技术中最重要的材料的表面粗糙度是表面工程技术中最重要的概念之一。它与概念之一。它与表面工程技术的特征及实施前表面工程技术的特征及实施前的预备工艺的预备工艺紧密联系，并严重影响材料的紧密联系，并严重影响材料的摩擦摩擦磨损、腐蚀性能、表面磁性能和电性能磨损、腐蚀性能、表面磁性能和电性能等。等。I.气相沉积气相沉积前，要求材料表面有前，要求材料表面有很低的表面粗糙很低的表面粗糙度度，以提高膜的连续性和致密性；，以提高膜的连续性和致密性；II.热喷涂热喷涂之前要求表面有之前要求表面有一定的粗糙度一定的粗糙度，以提高，以提高涂层与基体的结合强度。涂层与基体的结合强度。比尔比层（比尔比层（Bilby层）：因机层）：因机械加工力引起的晶格点阵强烈械加工力引起的晶格点阵强烈畸变而形成的畸变而形成的非晶态非晶态层，具有层，具有粘性液体膜似的非晶态外观，粘性液体膜似的非晶态外观，厚约厚约510nm。Bilby层层优点：耐磨性和耐蚀性。优点：耐磨性和耐蚀性。缺点：感生出位错、层错等缺点：感生出位错、层错等缺陷而严重影响器件性能。缺陷而严重影响器件性能。残余内应力残余内应力机加工后，表面存在各种残余应力。机加工后，表面存在各种残余应力。宏观内应力：宏观内应力：由于材料各部分变形不均匀而造成的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宏观范围内的内应力；微观内应力：微观内应力：物体的各晶粒或亚晶粒之间不均匀的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。变形而产生的晶粒或亚晶粒间的内应力。利用表面改性技术在表面产生有利的利用表面改性技术在表面产生有利的残余压应残余压应力力，以显著提高零件的疲劳强度。，以显著提高零件的疲劳强度。n一般表面一般表面 暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经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。持在常温和常压（也可能在低真空或高温）下的表面。金属表面的实际构成示意图金属表面的实际构成示意图金属材料在工业环境中被污染金属材料在工业环境中被污染的实际表面示意图的实际表面示意图2.1.2典型固体界面典型固体界面p表面改性处理后，新生成的表面层与基材之间表面改性处理后，新生成的表面层与基材之间结合的结合的界面界面，按其结合状态可分为：，按其结合状态可分为：冶金结合界面冶金结合界面扩散结合界面扩散结合界面外延生长界面外延生长界面化学键结合界面化学键结合界面分子键结合界面分子键结合界面机械结合界面机械结合界面n冶金结合界面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熔融状态的覆层材料沿处于沿处于半熔化状态下的固体基半熔化状态下的固体基材表面材表面向外凝固结晶而形成时，覆层与基材的结合向外凝固结晶而形成时，覆层与基材的结合就称为就称为“冶金结合冶金结合”。特点：特点：金属键结合金属键结合，结合强度很高，可以承受较大，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。的外力或载荷，不易在服役过程中发生剥落。激光熔覆技术、各种激光熔覆技术、各种堆焊堆焊与喷焊技术等。与喷焊技术等。n扩散结合界面扩散结合界面两个固相直接接触，通过两个固相直接接触，通过抽真空、加热、加压、抽真空、加热、加压、界面扩散和反应界面扩散和反应等途径所形成的结合界面。等途径所形成的结合界面。特点：覆层与基材之间的特点：覆层与基材之间的成分梯度变化成分梯度变化，并形成了，并形成了原子级别的混合或合金化。原子级别的混合或合金化。热扩渗、离子注入等。热扩渗、离子注入等。n外延生长界面外延生长界面当工艺条件合适时，在单晶衬底表面当工艺条件合适时，在单晶衬底表面沿原来的沿原来的结晶轴向生成一层晶格完整的新单晶层结晶轴向生成一层晶格完整的新单晶层的工艺过程，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。就称为外延生长，形成的界面称为外延生长界面。外延生长工艺主要有两类：一种是气相外延，如化外延生长工艺主要有两类：一种是气相外延，如化学气相沉积技术；另一种是液相外延，如电镀技术学气相沉积技术；另一种是液相外延，如电镀技术等。等。n化学键结合界面化学键结合界面当覆层材料与基材之间发生当覆层材料与基材之间发生化学反应化学反应，形成，形成成分固定的成分固定的化合物化合物时，两种材料的界面就称为化时，两种材料的界面就称为化学键结合界面。学键结合界面。特点：特点：结合强度较高结合强度较高；界面韧性较差。；界面韧性较差。物理和化学气相沉积、离子注入、热扩渗、化学物理和化学气相沉积、离子注入、热扩渗、化学转化膜、氧化等。转化膜、氧化等。n分子键结合界面分子键结合界面 涂涂(镀镀)层与基材表面以层与基材表面以范德华力结合范德华力结合的界面。的界面。特征：覆层与基材特征：覆层与基材(或衬底或衬底)之间未发生扩散或化学之间未发生扩散或化学作用。作用。物理气相沉积、涂装技术。物理气相沉积、涂装技术。n机械结合界面机械结合界面 机械结合界面指覆层与基材的结合界面主机械结合界面指覆层与基材的结合界面主要通过两种材料要通过两种材料相互镶嵌的机械连接相互镶嵌的机械连接作用而形作用而形成。成。表面工程技术中覆层与基体之间以机械结合的表面工程技术中覆层与基体之间以机械结合的主要包括热喷涂与包镀技术等。主要包括热喷涂与包镀技术等。2.2固体的表面现象固体的表面现象n表面现象表面现象一般是指具有确切表面的固体、液体一般是指具有确切表面的固体、液体表面上产生的表面上产生的各种物理化学行为各种物理化学行为。包括：。包括：表面扩散表面扩散 表面吸附表面吸附表面润湿表面润湿表面附着表面附着2.2.1表面表面扩散扩散n表面扩散表面扩散扩散：物质中原子扩散：物质中原子(分子分子)的迁移现象称为扩散。的迁移现象称为扩散。物质的扩散过程遵循菲克物质的扩散过程遵循菲克(Fick)扩散第一定律和扩扩散第一定律和扩散第二定律两个基本定律。散第二定律两个基本定律。n扩散过程中原子扩散平均扩散距离扩散过程中原子扩散平均扩散距离n扩散分为固相扩散、液相扩散和气相扩散。固相扩扩散分为固相扩散、液相扩散和气相扩散。固相扩散分为：散分为：体扩散体扩散表面扩散表面扩散晶界扩散晶界扩散位错扩散位错扩散表界位体；表界位体表界位体；表界位体表面扩散所需的激活能最小，扩散系数最大。表面扩散所需的激活能最小，扩散系数最大。表面扩散的条件：表面扩散的条件：扩散激活能扩散激活能 固体中的缺陷固体中的缺陷 表面扩散的原因：表面扩散的原因：通过扩散降低表面能通过扩散降低表面能。吸附。吸附在低能面上的原子，其结合能低，解吸率高，扩在低能面上的原子，其结合能低，解吸率高，扩散到台阶或扭折处能量降低，结合牢固。散到台阶或扭折处能量降低，结合牢固。2.2.2固体表面的物理吸附和化学吸附固体表面的物理吸附和化学吸附p由于固体表面上原子或分子的力场是不饱和的，由于固体表面上原子或分子的力场是不饱和的，就有吸引其它分子的能力，从而使环境介质在就有吸引其它分子的能力，从而使环境介质在固体表面上的浓度大于体相中的浓度，这种现固体表面上的浓度大于体相中的浓度，这种现象称为象称为吸附吸附。物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附n物理吸附物理吸附：固体表面与被吸附分子之间以范德：固体表面与被吸附分子之间以范德华力结合，没有电子转移。华力结合，没有电子转移。物理吸附对温度很敏感，提高温度容易物理吸附对温度很敏感，提高温度容易解吸，解吸，所以所以物理吸附是物理吸附是可逆的可逆的。物理吸附无需激活能，因此物理吸附无需激活能，因此吸附速度快吸附速度快，且无，且无选择性。选择性。n化学吸附化学吸附：固体表面与吸附原子的结合力是化：固体表面与吸附原子的结合力是化学键，有电子转移。学键，有电子转移。从热力学角度讲，化学吸附的自由能减小要比从热力学角度讲，化学吸附的自由能减小要比物理吸附大得多，状态更物理吸附大得多，状态更稳定稳定，而且是，而且是不可逆不可逆的过程。的过程。化学吸附化学吸附速度比较慢速度比较慢，有选择性。，有选择性。表表2-1物理吸附与化学吸附的区别物理吸附与化学吸附的区别比较项比较项物理吸附物理吸附化学吸附化学吸附吸附热吸附热近于液化热近于液化热近于反应热近于反应热吸附力吸附力范德华力范德华力弱弱化学键力化学键力强强吸附层吸附层单分子层或多分子层单分子层或多分子层仅单分子层仅单分子层吸附选择性吸附选择性无无有有吸附速率吸附速率快快慢慢吸附活化能吸附活化能不需不需需要、且很高需要、且很高吸附温度吸附温度低温低温较高温度较高温度吸附层结构吸附层结构基本同吸附质分子结构基本同吸附质分子结构形成新的化合态形成新的化合态1.固体对气体的吸附固体对气体的吸附任何气体任何气体在其临界下，都会吸附于固体表面，在其临界下，都会吸附于固体表面，即即发生物理吸附发生物理吸附气体发生化学吸附则是有选择性的气体发生化学吸附则是有选择性的.H2可以在可以在Ni的表面发生化学吸附，而在的表面发生化学吸附，而在Al上上则不能。则不能。对大多数金属而言，吸附强度按下列排列：对大多数金属而言，吸附强度按下列排列：O2 C2H2 C2H4 CO H2 CO2 N22.固体对液体的吸附固体对液体的吸附电解质吸附：电解质吸附：使表面带电使表面带电或或带电层的组织发生带电层的组织发生变化，产生变化，产生离子交换离子交换。非电解吸附：非电解吸附：单分子吸附单分子吸附。溶液正吸附溶液正吸附溶液负吸附溶液负吸附3.固体表面之间的吸附固体表面之间的吸附两表面必须靠近到原子间距的范围内，才能产生两表面必须靠近到原子间距的范围内，才能产生固体表面吸附。固体表面吸附。用粘附功描述粘附程度：用粘附功描述粘附程度：表面污染影响很大。表面污染影响很大。4.吸附对材料力学性能的影响吸附对材料力学性能的影响莱宾杰尔效应莱宾杰尔效应由于环境介质的作用，材料的强度、塑性、耐磨性由于环境介质的作用，材料的强度、塑性、耐磨性等力学性能下降的现象。等力学性能下降的现象。例例如：如：玻璃、石膏吸附水蒸气后，强度下降；玻璃、石膏吸附水蒸气后，强度下降；铜表铜表面覆盖熔融薄膜后，使塑性大大下降。面覆盖熔融薄膜后，使塑性大大下降。机理：金属表面机理：金属表面对活性介质的吸附对活性介质的吸附，使表面原子的，使表面原子的不饱和键得到补偿，使不饱和键得到补偿，使表面能降低表面能降低，改变了表面原，改变了表面原子之间的相互作用，使金属的表面强度降低。子之间的相互作用，使金属的表面强度降低。莱宾杰尔效应具有如下显著特征：莱宾杰尔效应具有如下显著特征：环境介质的影响有很明显的化学特征；环境介质的影响有很明显的化学特征；只要很少量的表面活性物质就可以产生莱氏效应；只要很少量的表面活性物质就可以产生莱氏效应；表面活性熔融物的作用十分迅速；表面活性熔融物的作用十分迅速；表面活性物的作用是可逆的；表面活性物的作用是可逆的；莱氏效应的产生需要拉应力与活性物质同时起作用。莱氏效应的产生需要拉应力与活性物质同时起作用。莱宾杰尔效应在生产中的应用及危害莱宾杰尔效应在生产中的应用及危害一一方方面面可可利利用用此此效效应应提提高高金金属属加加工工效效率率，大大量量节节约能源。约能源。另另一一方方面面，应应注注意意避避免免因因此此效效应应所所造造成成的的材材料料早早期期破破坏坏。在在某某些些情情况况下下，金金属属经经过过表表面面处处理理，如如涂涂覆覆结结合合牢牢固固的的氧氧化化物物、碳碳化化物物和和氮氮化化物物层层等等，可可保保证证固固体体金金属属件件不不被被熔熔融融物物浸浸润润，从从而而阻阻止止吸吸附附引起的强度降低。引起的强度降低。n固体表面吸附的作用和影响固体表面吸附的作用和影响气相沉积、热扩渗等表面改性需要通过表面吸气相沉积、热扩渗等表面改性需要通过表面吸附来实现；附来实现；在高新技术如电子工业、高纯材料制备中需要在高新技术如电子工业、高纯材料制备中需要表面的净化和保护处理；表面的净化和保护处理；在镀膜、喷涂等表面处理之前需要进一步清除在镀膜、喷涂等表面处理之前需要进一步清除表面吸附物以提高膜层和基底的结合强度；表面吸附物以提高膜层和基底的结合强度；吸附产生莱宾杰尔效应。吸附产生莱宾杰尔效应。2.2.3固体表面的润湿固体表面的润湿n润湿现象与机理润湿现象与机理液体在固体表面上铺展的现象，称为液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿润湿。亲水物质亲水物质：能被水润湿的材料，如玻璃、石英等；：能被水润湿的材料，如玻璃、石英等；疏水物质疏水物质：不能被水润湿的物质，如石蜡、石墨等。：不能被水润湿的物质，如石蜡、石墨等。采用采用润湿角润湿角来描述来描述润湿程度润湿程度。润湿角润湿角是指固、液、气三相接触达到平衡时，从是指固、液、气三相接触达到平衡时，从三相接触的公共点沿液、气界面所引切线与固、三相接触的公共点沿液、气界面所引切线与固、液界面的夹角。液界面的夹角。润湿角润湿角当当90时称为润湿。时称为润湿。当当90时称为不润湿。时称为不润湿。当当0和和180时，则相应时，则相应地称为完全润湿和完全不地称为完全润湿和完全不润湿。润湿。式式中中，S-G为为固固-气气之之间间的的界界面面张张力力；S-L为为固固-液液之之间间的界面张力；的界面张力；L-G为液为液-气之间的界面张力。气之间的界面张力。Young方程：方程：由由Young方程可以看出，表面能高的固体比表方程可以看出，表面能高的固体比表面能低的固体更易被液体所润湿。面能低的固体更易被液体所润湿。低能表面物质低能表面物质：0.1Nm-1，固体有机物及高，固体有机物及高聚物的表面可视为低能表面。聚物的表面可视为低能表面。高能表面物质高能表面物质：l10Nm-1，金属及其氧化，金属及其氧化物、硫化物、无机盐等的表面可视为高能表面。物、硫化物、无机盐等的表面可视为高能表面。n铺展系数铺展系数铺展：当液体滴到固体表面后，新生的液铺展：当液体滴到固体表面后，新生的液-固固界面在取代气界面在取代气-固界面的同时，气固界面的同时，气-液界面也扩液界面也扩大了同样的面积，这一过程叫做铺展。大了同样的面积，这一过程叫做铺展。铺展系数的大小表示液体铺展的趋势。铺展系数的大小表示液体铺展的趋势。液体在固体表面的液体在固体表面的铺展系数铺展系数定义定义为为当当SL/S0，液体，液体L在固体在固体S表面上会表面上会自动展开自动展开；当当SL/S0时，液体在固体表面上不易铺展，时，液体在固体表面上不易铺展，负值越大越负值越大越难铺展难铺展。当固体表面粗糙度为当固体表面粗糙度为i时，上式可修正为时，上式可修正为粗糙表面的铺展系数远大于光滑表面。粗糙表面的铺展系数远大于光滑表面。n润湿理论的应用润湿理论的应用a.通过改变通过改变 来调整来调整。加入表面活性物质，可使加入表面活性物质，可使减小，润湿程度增大；反之，加入表面惰性减小，润湿程度增大；反之，加入表面惰性物质，可使物质，可使增大，润湿程度降低。增大，润湿程度降低。b.改变铺展系数改变铺展系数。通过表面处理使表面有合适的通过表面处理使表面有合适的粗糙度；对覆层材料表面成分进行优化，使铺粗糙度；对覆层材料表面成分进行优化，使铺展系数尽量大；增加中间过渡层展系数尽量大；增加中间过渡层；c.典型范例典型范例不粘锅不粘锅第第2章小结章小结1.典型固体表面典型固体表面理想表面：定义、特点理想表面：定义、特点洁净表面：定义、几种结构（弛豫、重构、台阶化洁净表面：定义、几种结构（弛豫、重构、台阶化等）、获得方法等）、获得方法清洁表面：与洁净表面的区别清洁表面：与洁净表面的区别机加工表面：粗糙度、比尔比层、内应力机加工表面：粗糙度、比尔比层、内应力一般表面：定义一般表面：定义2.典型固体界面典型固体界面类型、定义、特点。类型、定义、特点。3.表面现象表面现象表面扩散：定义、扩散系数、扩散激活能、扩散表面扩散：定义、扩散系数、扩散激活能、扩散的原因、扩散的条件的原因、扩散的条件表面吸附：定义，吸附的原因、物理吸附、化学表面吸附：定义，吸附的原因、物理吸附、化学吸附、莱宾杰尔效应、吸附对表面改性的影响吸附、莱宾杰尔效应、吸附对表面改性的影响表面润湿：定义、亲水物质、疏水物质、润湿角、表面润湿：定义、亲水物质、疏水物质、润湿角、Young方程、铺展系数、润湿对表面改性的影响方程、铺展系数、润湿对表面改性的影响第第3章章表面工程技术的预处理工艺与作业环境表面工程技术的预处理工艺与作业环境n3.1表面预处理工艺表面预处理工艺n3.2表面工程技术的作业环境表面工程技术的作业环境3.1表面预处理工艺表面预处理工艺n固体表面情况固体表面情况加工层加工层氧化层氧化层锈层锈层污染层污染层.彻底清除彻底清除！n表面预处理：表面预处理：清除材料表面杂质，露出材料本色清除材料表面杂质，露出材料本色并使其处于活化状态，获得并使其处于活化状态，获得“清洁表面清洁表面”甚至甚至“洁净表面洁净表面”，以，以提高表面覆层的质量提高表面覆层的质量以及以及覆层与覆层与基材的结合强度基材的结合强度。n所有表面工程技术在实施前都必须对材料表面进所有表面工程技术在实施前都必须对材料表面进行预处理。预处理是表面工程技术能否成功实施行预处理。预处理是表面工程技术能否成功实施的关键因素之一。的关键因素之一。n表面工程预处理工艺的指标：表面工程预处理工艺的指标：表面清洁度表面清洁度表面粗糙度表面粗糙度n常用的表面预处理方法主要有：常用的表面预处理方法主要有：机械处理法机械处理法脱脂处理法脱脂处理法化学处理法化学处理法定义：定义：借助借助机械力机械力除去材料表面上的腐蚀产物、除去材料表面上的腐蚀产物、油污及其它各种杂物，以获得清洁表面的过程。油污及其它各种杂物，以获得清洁表面的过程。优点：优点：工艺简单，适应性强，清理效果好工艺简单，适应性强，清理效果好适用范围适用范围：除锈、脱脂、除型砂、去泥土和表面：除锈、脱脂、除型砂、去泥土和表面粗化等。粗化等。种类：种类：机械磨光和抛光、滚光和刷光、喷砂或喷机械磨光和抛光、滚光和刷光、喷砂或喷丸丸。一、机械处理法一、机械处理法机械磨光：用粘有机械磨光：用粘有磨料磨料的的磨光轮在磨光轮在高速旋转高速旋转下以下以1030m/s的速度的速度磨削磨削金属表金属表面；面；磨光机及不同形状的磨光轮磨光机及不同形状的磨光轮磨料颗粒越磨料颗粒越大，零件表大，零件表面越粗糙。面越粗糙。多次磨光多次磨光1.机械磨光和抛光机械磨光和抛光机械抛光：用粘有抛光膏机械抛光：用粘有抛光膏或抛光液的或抛光液的抛光轮抛光轮对零件对零件表面进一步表面进一步轻微磨削轻微磨削以去以去掉金属表面的轻微划痕，掉金属表面的轻微划痕，降低粗糙度。降低粗糙度。UNIPOL-810型型精密研磨抛光机精密研磨抛光机抛光是抛光是气相沉积技术、离气相沉积技术、离子注入技术、电镀和化学子注入技术、电镀和化学镀技术镀技术必须进行的表面预必须进行的表面预处理工艺。处理工艺。2.滚光和刷光滚光和刷光滚光：将零件放入盛有滚光：将零件放入盛有磨料磨料和和化学溶液化学溶液的滚筒中，借滚筒旋的滚筒中，借滚筒旋转使零件与磨料、零件与零件转使零件与磨料、零件与零件相互摩擦相互摩擦以达到清理零件表面以达到清理零件表面的过程。的过程。特点：清理效率高，适用于特点：清理效率高，适用于大批量大批量的的小型零件小型零件。滚光磨料有浮石、石英砂、花岗石、皮革角、贝壳、滚光磨料有浮石、石英砂、花岗石、皮革角、贝壳、铁屑、钢砂和陶瓷碎片等铁屑、钢砂和陶瓷碎片等。需要滚光孔壁时，磨料粒子的直径应小于孔径。需要滚光孔壁时，磨料粒子的直径应小于孔径。零件上有螺纹孔时，磨料粒子的直径应大于螺纹孔零件上有螺纹孔时，磨料粒子的直径应大于螺纹孔径。径。不可选用粉状或过大尺寸的磨料。不可选用粉状或过大尺寸的磨料。选择磨料粒子的原则：选择磨料粒子的原则：滚筒装载量：装载量最少不低于滚筒装载量：装载量最少不低于30，最多不高于，最多不高于90。滚光液的选择：滚光液的选择：碱性水溶液：氢氧化钠、碳酸纳、皂角粉等加少量碱性水溶液：氢氧化钠、碳酸纳、皂角粉等加少量乳化液；乳化液；酸性水溶液：盐酸、硫酸、皂角粉等加少量的缓蚀酸性水溶液：盐酸、硫酸、皂角粉等加少量的缓蚀剂。剂。刷光：把刷光：把刷光轮刷光轮装在抛光机上，用刷光轮上的装在抛光机上，用刷光轮上的金属丝（钢丝、黄铜丝等）金属丝（钢丝、黄铜丝等）刷刷，同时用水或含，同时用水或含某种盐类、表面活性剂的水溶液连续某种盐类、表面活性剂的水溶液连续冲洗冲洗去除去除零件表面锈斑、毛刺、氧化皮等污物。零件表面锈斑、毛刺、氧化皮等污物。3.喷砂或喷丸喷砂或喷丸n定义：以压缩空气或机械离心力为动力，定义：以压缩空气或机械离心力为动力，将石英砂、将石英砂、铁砂、钢珠或其它硬质材料喷射或抛射到材料表面铁砂、钢珠或其它硬质材料喷射或抛射到材料表面，利用冲击力和摩擦力来清理材料表面的方法。利用冲击力和摩擦力来清理材料表面的方法。n适用范围：适用范围：不会因机械喷不会因机械喷砂而影响装配尺寸和光洁砂而影响装配尺寸和光洁度的工件度的工件，以及在使用中，以及在使用中耐磨蚀性要求不高的工件耐磨蚀性要求不高的工件。n喷砂的用途：喷砂的用途：除掉零件表面的锈蚀、焊渣、积碳、旧油漆层和其除掉零件表面的锈蚀、焊渣、积碳、旧油漆层和其它干燥了的油污；它干燥了的油污；除去铸件、锻件或热处理后零件表面的型砂及氧化除去铸件、锻件或热处理后零件表面的型砂及氧化皮；皮；除去零件表面的毛刺或方向性磨痕；除去零件表面的毛刺或方向性磨痕；降低零件表面的粗糙度，以提高油漆和其它涂层的降低零件表面的粗糙度，以提高油漆和其它涂层的附着力；附着力；强化金属表面，提高金属材料的耐疲劳性能。强化金属表面，提高金属材料的耐疲劳性能。喷砂喷砂干喷砂加工的表面比较粗糙；干喷砂加工的表面比较粗糙；湿喷砂主要用于较精密的加工，优点是污染小。湿喷砂主要用于较精密的加工，优点是污染小。喷砂分喷砂分干喷干喷和和湿喷湿喷两种。两种。吸入式喷砂机外形吸入式喷砂机外形压力式喷砂机外形压力式喷砂机外形吸入式喷砂枪吸入式喷砂枪干喷砂干喷砂吸入式吸入式设备简单，但效率低，适用于小零件；设备简单，但效率低，适用于小零件；压力式压力式主要用于大、中型零件的大批量生产，适用性主要用于大、中型零件的大批量生产，适用性广，效率高。广，效率高。干喷砂常用的砂料是干喷砂常用的砂料是氧化铝砂氧化铝砂（含天然和人造两种）、（含天然和人造两种）、石英砂石英砂（二氧化硅）、（二氧化硅）、碳化硅碳化硅（人造金钢砂）等。（人造金钢砂）等。零件类型零件类型石英砂粒尺寸石英砂粒尺寸/mm压缩空气压力压缩空气压力/kPa厚度厚度3mm的大型钢铁件的大型钢铁件2.53.5250400厚度厚度3mm的中型钢铁件的中型钢铁件1.02.0150250小型、薄壁零件、黄铜件小型、薄壁零件、黄铜件0.51.0100150厚厚1mm以下的钢铁钣金件以下的钢铁钣金件0.5以下以下50100铝及铝合金零件铝及铝合金零件0.5以下以下50100表表1 零件、砂粒与压缩空气压力的关系零件、砂粒与压缩空气压力的关系在砂料中加入在砂料中加入定量的水定量的水，使之成为砂水混合物，以，使之成为砂水混合物，以减少砂料对零件表面的冲击作用减少砂料对零件表面的冲击作用，从而减少金属材，从而减少金属材料的去除量，使零件表面更光洁。料的去除量，使零件表面更光洁。湿喷砂湿喷砂种类：种类：雾化喷砂雾化喷砂水水-气喷砂气喷砂水喷砂水喷砂种类种类工作原理工作原理特点特点雾化喷砂：低雾化喷砂：低压喷砂压喷砂砂料从装有文氏管的压缩空气系统送至喷头，以雾化水砂料从装有文氏管的压缩空气系统送至喷头，以雾化水-砂流冲击零件表面砂流冲击零件表面只有通过改变砂料粒度才能只有通过改变砂料粒度才能改变被喷砂表面的粗糙度值改变被喷砂表面的粗糙度值水水-气喷砂气喷砂由泥砂泵以高压将水由泥砂泵以高压将水-砂料经软管输送到喷头，并在喷头砂料经软管输送到喷头，并在喷头通入压缩空气，以喷出的高速水砂流冲击零件表面通入压缩空气，以喷出的高速水砂流冲击零件表面改变压缩空气压力，就能改改变压缩空气压力，就能改变喷砂表面粗糙度值变喷砂表面粗糙度值水喷砂，不使水喷砂，不使用压缩空气的用压缩空气的水砂流喷砂水砂流喷砂水、砂分装，在流向喷嘴前混合后喷向零件表面水、砂分装，在流向喷嘴前混合后喷向零件表面只能通过改变水压，才能改只能通过改变水压，才能改变喷砂表面的粗糙度值变喷砂表面的粗糙度值表表2各种湿喷砂机工作原理和特点各种湿喷砂机工作原理和特点不宜采用湿喷砂的地方：不宜采用湿喷砂的地方：双层壁的钣金焊接件，因双层壁的钣金焊接件，因难防腐蚀难防腐蚀，不宜采用湿喷，不宜采用湿喷砂。砂。薄截面零件，因湿喷砂工作压力比干喷砂大，薄截面零件，因湿喷砂工作压力比干喷砂大，水的水的冲击易使其变形冲击易使其变形，故也不宜采用湿喷砂。，故也不宜采用湿喷砂。喷丸喷丸喷丸的原理和设备与喷砂相似，只是采用的磨喷丸的原理和设备与喷砂相似，只是采用的磨料不同。它是用料不同。它是用钢铁丸、玻璃或陶瓷钢铁丸、玻璃或陶瓷取代砂子。取代砂子。丸的种类及性质丸的种类及性质铸铁丸铸铁丸：质脆而易碎，其硬度为质脆而易碎，其硬度为HRC5865。使用。使用寿命短，用途不广，主要用于喷丸强度高的场合。寿命短，用途不广，主要用于喷丸强度高的场合。铸钢丸铸钢丸：韧性较好，其硬度一般为韧性较好，其硬度一般为HRC4050，加，加工硬金属时，可把硬度提高到工硬金属时，可把硬度提高到HRC5762。这种丸使。这种丸使用广泛，使用寿命为铸铁丸的几倍。用广泛，使用寿命为铸铁丸的几倍。玻璃丸、陶瓷丸玻璃丸、陶瓷丸：硬度较前两种都低，主要用于不硬度较前两种都低，主要用于不锈钢、钛、铝、镁及其它不允许铁杂质污染的材料。锈钢、钛、铝、镁及其它不允许铁杂质污染的材料。也可用于钢铁丸喷丸后的二次加工，以除去铁质污染也可用于钢铁丸喷丸后的二次加工，以除去铁质污染和降低零件的表面粗糙度。和降低零件的表面粗糙度。二、脱脂处理法二、脱脂处理法脱脂处理：去除被处理零件表面的脱脂处理：去除被处理零件表面的油污油污。p化学脱脂化学脱脂 p有机溶剂脱脂有机溶剂脱脂p超声波脱脂超声波脱脂p水剂脱脂水剂脱脂p电化学脱脂电化学脱脂油污的性质和组成油污的性质和组成油污的组成油污的组成矿物油、凡士林矿物油、凡士林：防锈油、防锈脂、润滑油、润滑：防锈油、防锈脂、润滑油、润滑脂及乳化液的主要成分。脂及乳化液的主要成分。皂类动植物油脂、脂肪酸等皂类动植物油脂、脂肪酸等：拉延油的主要成分。：拉延油的主要成分。防锈添加剂防锈添加剂：防锈油和防锈脂的主要成分。：防锈油和防锈脂的主要成分。油污的性质油污的性质化学性质化学性质根据油污能否与脱脂剂发生化学反应而分为根据油污能否与脱脂剂发生化学反应而分为可皂化油污：可皂化油污：可以依靠皂化、乳化和溶解的作用可以依靠皂化、乳化和溶解的作用脱除，如植物油脂和动物油脂。脱除，如植物油脂和动物油脂。不可皂化油污：不可皂化油污：只能依靠乳化或溶解的作用来脱只能依靠乳化或溶解的作用来脱除，如矿物油和凡士林。除，如矿物油和凡士林。物理性质物理性质根据油污黏度或滴落点的不同，其形态有根据油污黏度或滴落点的不同，其形态有液体和半液体和半固体固体。黏度越大或滴落点越高，清洗越困难。黏度越大或滴落点越高，清洗越困难。根据油污对基体金属的吸附作用，可分为根据油污对基体金属的吸附作用，可分为极性油污极性油污和非极性油污和非极性油污。极性油污，如含有脂肪酸和极性添。极性油污，如含有脂肪酸和极性添加剂的油污，有强烈的吸附在基体金属上的倾向，加剂的油污，有强烈的吸附在基体金属上的倾向，清洗较困难，要靠化学作用或较强的机械作用力来清洗较困难，要靠化学作用或较强的机械作用力来脱除。脱除。1.化学脱脂：利用化学脱脂：利用碱与油脂起化学反应碱与油脂起化学反应来去除材料表来去除材料表面的油污。面的油污。氢氧化钠氢氧化钠：有很强的：有很强的皂化皂化能力，但含量过高会形成肥能力，但含量过高会形成肥皂难以清除，一般含量皂难以清除，一般含量100克克/升。升。碳酸钠碳酸钠：呈弱碱性，有一定的皂化能力和对溶液：呈弱碱性，有一定的皂化能力和对溶液pH值值起缓冲作用起缓冲作用(pH10.2则则肥皂发生水解肥皂发生水解)。磷酸三钠磷酸三钠：呈弱碱性，有一定的皂化能力和缓冲：呈弱碱性，有一定的皂化能力和缓冲pH值的作用，