現(xiàn)代表面技術(shù)復(fù)習(xí)題..

1、現(xiàn)代表面技術(shù)復(fù)習(xí)題答案第一章1,課程的性質(zhì)、特點(diǎn)：“古老-實(shí)用-廣泛-發(fā)展”。2,課程的地位、重要性“重點(diǎn)發(fā)展的學(xué)科”。第二章表面科學(xué)的基本概念和理論1、按照膜層形成方式及其作用原理，表面技術(shù)可以分為哪些類型？（1）原子沉積（2）顆粒沉積（3）整體覆蓋（4）表面改性2、固體材料界面有哪三種？（1）表面-固體材料與氣體或液體的分界面；（2）晶界（或亞晶界）-多晶材料內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)相同而取向不同的晶粒（或亞晶）之間的界面。（3）相界-固體材料中成分、結(jié)構(gòu)不同的兩相之間的界面。3、何謂清潔表面？何謂實(shí)際表面？清潔表面：經(jīng)過諸如離子轟擊、高溫脫附、超高真空解理、蒸發(fā)薄膜、場(chǎng)效應(yīng)蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)、分子束外

2、延等特殊處理后，保持在10-6 Pa10-9Pa超高真空下外來沾污少到不能用一般表面分析方法探測(cè)的表面。實(shí)際表面：暴露在未加控制的大氣環(huán)境中的固體表面，或者經(jīng)過一定加工處理（如切割、研 磨、拋光、清潔等），保持在常溫和常壓（也可能在低真空或者高溫）下的表面。4、清潔表面為何存在各種類型的表面缺陷？從熱力學(xué)來看，表面附近的原子排列總是趨于能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)。達(dá)到該穩(wěn)定狀態(tài)的方式有兩種：一是自行調(diào)整，表面原子排列情況與材料內(nèi)部明顯不同；二是依靠表面的成分偏析和表面對(duì)外來原子或分子的吸附以及這兩者的相互作用而趨向穩(wěn)定態(tài)，因而使表面組分與材料內(nèi)部不同。所以清潔表面必然存在各種類型的表面缺陷。5、簡(jiǎn)述表

3、面馳豫和表面重構(gòu)并畫出結(jié)構(gòu)示意圖。表面弛豫：表面原子的上、下位移（壓縮或膨脹）稱為表面馳豫。表面重構(gòu)：在平行于基底的表面上，原子的平移對(duì)稱性與體內(nèi)顯著不同，原子位置作了較大幅度的調(diào)整，這種表面結(jié)構(gòu)稱為重構(gòu)（或再構(gòu)）。缺列型重構(gòu)：是表面周期性地缺失原子列造成的超結(jié)構(gòu)。重組型重構(gòu)：并不減少表面的原子數(shù)，但卻顯著地改變表面的原子排列方臺(tái)眥凸沿吸附原于吸附原子苴凸沿事耳 嶄仁1 再期售量利*珂/平日空位0和上看 *6、什么是貝爾比層？它有什么特點(diǎn)？貝爾比（Beilby）層：金屬在切割、研磨和拋光時(shí)，表面原子來不及回到平衡位置，造成一定程度的晶格畸變，深度可達(dá)幾十微米。 這種晶格畸變是隨深度變化的，而在

4、最外層約5nm-10nm厚度可能會(huì)形成一種非晶態(tài)層，該膜層就稱為貝爾比（Beilby）層。其成分為金屬和它的氧化物，而性質(zhì)與體內(nèi)明顯不同。貝爾比層具有較高的耐磨性和耐蝕性，這在機(jī)械制造時(shí)可以利用。但是，在其它許多場(chǎng)合，貝爾比層是有害的，例如，在硅片上進(jìn)行外延、氧化和擴(kuò)散之前要用腐蝕法除掉貝爾比層，因?yàn)樗鼤?huì)感生出位錯(cuò)、層錯(cuò)等缺陷而嚴(yán)重影響器件的性能。第三章電鍍和化學(xué)鍍1、何謂電化學(xué)位？寫出其數(shù)學(xué)表達(dá)式并說明其用途。位于真空的孤立相的電位（一）、外電位4把單位正電荷從無窮遠(yuǎn)處的真空中移至帶電物體表面 為該點(diǎn)的外電位。外電位是緊靠帶電物體表面處的電位，又稱伏打（二/表面電位X任一表面層中，由于界面上

5、的短程力場(chǎng)（范德華力，10-410-5 cm處所作白電功，稱Volta）電位，它是可以測(cè)量的。共價(jià)鍵力等）引起原子或分子偶極化并定向排列，使表面層成為一層偶極子層。單位正電荷穿越該層所做的電功稱為表面電位X。（三卜 內(nèi)電位內(nèi)電位一指物體內(nèi)部某一點(diǎn)的電位。在數(shù)值 上等于單位正電荷由無窮遠(yuǎn)處移到帶電物體內(nèi)時(shí)反抗電場(chǎng)力所作的功。1mol的Mn+共攜Mn+帶nF庫侖的電量，相應(yīng)的電功為 子Mn+移入相P時(shí)，相P的吉布斯自由能的變化為：+nF（P）。因此，將1mol的正離'mMn"mjTp ,(P)M（np）仿照化學(xué)位科的定義，將 N Mn+稱為電化學(xué)位。（P）就是離子Mn+在相P中的

6、電化學(xué)定義了電化學(xué)位后，就可以象化學(xué)反應(yīng)式的平衡條件一樣，用下式來表達(dá)一個(gè)電極反應(yīng)達(dá)到平衡的條件：, j J j = 02、什么是絕對(duì)電位？寫出數(shù)學(xué)表達(dá)式；簡(jiǎn)要說明為什么絕對(duì)電位無法測(cè)量？稱為該電極系統(tǒng)的絕對(duì)電位。e表示電極反應(yīng)處于平衡時(shí)該電極系統(tǒng)的絕對(duì)電位。（電極材料）一（sol）L工 -爾-z-1 ，vj"j" e（電極材料）e =-（電極材料 , 一。=T-為了測(cè)量Cu電極與水溶液之間的內(nèi)電位之差，就要用一個(gè)高靈敏度的高阻測(cè)量?jī)x器，例如 電位差計(jì)或電阻輸入很高的半導(dǎo)體電壓表。任何這種測(cè)量電位差的儀器都有兩個(gè)輸入端。-個(gè)輸入端用良電子導(dǎo)體材料做成的導(dǎo)線如Cu導(dǎo)線同Cu電

7、極相連接。測(cè)量?jī)x器的另一個(gè)輸入端就應(yīng)當(dāng)同另一個(gè)相，即水溶液相連接?，F(xiàn)在的問題是怎樣才能做到使測(cè)量?jī)x器的一個(gè)輸 入端同水溶液相連接？唯一白辦法是用某一塊金屬M(fèi) 一端插入水溶液中，而在水溶液上面的另一端則與一根導(dǎo)線，例如也是用Cu導(dǎo)線連接，然后這根導(dǎo)線接測(cè)量?jī)x器的另一個(gè)輸入端。這個(gè)電位差E實(shí)際上是表示Cu/水溶?和M/水溶液兩個(gè)電極系統(tǒng)所組成的原電池的電動(dòng)勢(shì)。E = D - ,I、小、（Cu）（sol） e （sol） M e （M ）（Cu）e3、何謂參比電極？何謂標(biāo)準(zhǔn)電極？選擇一個(gè)電極系統(tǒng)來同被測(cè)電極系統(tǒng)組成原電池。所選擇的電極系統(tǒng)中， 電極反應(yīng)必須保持平衡，而且與該電極反應(yīng)有關(guān)的反應(yīng)物質(zhì)的化

8、學(xué)位應(yīng)保持恒定。這樣的電極系統(tǒng)叫做參比電極。以氫電極為標(biāo)準(zhǔn)電極，并規(guī)定它在任何溫度下電極電位為零。1電極反應(yīng)為：H2（101325Pa）= H 3h =1 e2 一標(biāo)準(zhǔn)電極電位一在水溶披中，298K時(shí)，電極物質(zhì)活度均為1時(shí)的電極電位，稱為標(biāo)準(zhǔn)電極電位。它表示電極物質(zhì)在進(jìn)行電極反應(yīng)時(shí)，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電極的得失電子的能力。4、何謂電池電動(dòng)勢(shì)？何謂電極電位？定義：電池電動(dòng)勢(shì)E是在通過電池的電流趨于零的條件下，兩極間的電位差。數(shù)值上等于構(gòu)成電池的各相界面上所產(chǎn)生的電位差出的代數(shù) 和口電極電位一是指一待測(cè)電極與標(biāo)準(zhǔn)電極組成的電池的電動(dòng)勢(shì)。5、何謂過電位A（）?何謂陽極極化？何謂陰極極化？過電位A（）:在一定

9、電流密度下的電極電位 （）與平衡電位（）平的差值，稱為過電位A（）,即, A j j j 平（2）陽極極化和陰極極化一由于電極上有凈電流通過，電極電位顯著地偏離未通凈電流時(shí) 的起始電位的變化的現(xiàn)象稱為極化。對(duì)于陽極電極電位和陰極電極電位偏離其平衡值（未通凈電流）的現(xiàn)象，分別稱為陽極極化和陰極極化。6、簡(jiǎn)要說明產(chǎn)生陽極極化和陰極極化的原因。（1）陽極活化極化。陽極過程是金屬離子從基體轉(zhuǎn)移到溶液中并形成水化離子的過程Me ne mH2O，M：mH20ne金屬離子進(jìn)入到溶液里的速度小于電子從陽極遷移到陰極的速度，則陽極上就會(huì)有過多的帶正電的荷的金屬離子的積累， 由此引起電極雙電層上負(fù)電荷減少， 于是

10、陽極電位就向正方向 移動(dòng)，產(chǎn)生陽極極化。這種極化稱為活化極化或電化學(xué)極化。(2)陽極濃差極化。在陽極過程中產(chǎn)生的金屬離子首先進(jìn)入陽極表面附近的溶液中，如果進(jìn)入到溶液中的金屬離子向遠(yuǎn)離陽極表面的溶液擴(kuò)散緩慢時(shí)，陽極附近的金屬離子濃度增加，阻礙金屬繼續(xù)溶解， 必然使陽極電位往正方向移動(dòng)，產(chǎn)生陽極極化。這種極化稱 為濃差極化。濃差極化的過電位用刀c表示。(3)陽極電阻極化。在陽極過程中，由于某種機(jī)制在金屬表面上形成了鈍化膜，陽極過程 受到了阻礙，使得金屬的溶解速度顯著降低，此時(shí)陽極電位劇烈地向正方向移動(dòng)，由此引起的極化稱為電阻極化。其過電位用刀r表示。(1)陰極活化極化陰極過程是接受電子的過程，即D

11、 ne , (D ne)如果由陽極遷移過來的電子過多，由于某種原因陰極接受電子的物質(zhì)與電子結(jié)合的速度 進(jìn)行得很慢，使陰極積累了剩余電子，電子密度增高，結(jié)果使陰極電位向負(fù)方向移動(dòng)，產(chǎn)生陰極極化。這種由于陰極過程或電化學(xué)過程進(jìn)行得緩慢引起的極化稱作陰極活化極化或電化 學(xué)極化，其過電位用 a表示。(2)陰極濃差極化。陰極附近參與反應(yīng)的物質(zhì)或反應(yīng)物擴(kuò)散較慢引起的陰極過程受阻，造成陰極電子堆積，使陰極電位向負(fù)方向移動(dòng)，由此引起的極化為濃差極化，其過電位用YC表不。7、試簡(jiǎn)述陰極極化對(duì)金屬電沉積過程的有益和有害影響。 陰極極化對(duì)鍍層起的良好作用可分為兩方面：第一、有利于得到結(jié)晶細(xì)致、光亮的鍍層；第二、有利

12、于改善鍍液的分散能力，使鍍層分布均勻陰極的濃差極化：往往降低沉積速度，造成鍍層粗糙、燒焦等毛病，陰極極化太大時(shí)，會(huì)造成嚴(yán)重析氫、電流效率降低，影響鍍層結(jié)合力，嚴(yán)重時(shí)，甚至造成起泡、起皮等缺陷。8、法拉第電解第一定律？法拉第電解第二定律？法拉第常數(shù)F?1 .法拉第電解第一定律電極上所形成產(chǎn)電解物的質(zhì)量 W與電流I和通電時(shí)間t成正比W=kIt=kQ式中k為比例常數(shù)。2 .法拉第電解第二定律(三種表述法)當(dāng)通過各電解液的總電量 Q相同時(shí)，在電極上析出(或溶解)的物質(zhì)的質(zhì)量W同各物質(zhì)的化學(xué)當(dāng)量 C (即原子量 A與原子價(jià)Z之比值，C=A/Z)成正比。W= kIt=kQ =k'C。A電解第二定律

13、也可表述為：物質(zhì)的電化學(xué)當(dāng)量 k同其化學(xué)當(dāng)量C成正比，即：k =«CA如通過的電量 Q相同，則析出或溶解的不同物質(zhì)的化學(xué)“克當(dāng)量”數(shù)相等，即每一物質(zhì)的數(shù)量變化除以化學(xué)當(dāng)量 C為一常數(shù)。法拉第常數(shù)(F):每摩爾電子所攜帶的電荷。F=(6.02214X 1023) X (1.602176 X 10-19)=96485.3383 ± 0.0083C/mol,W1, W2 , W3 , W4 _"CT ="CT ="CT ="cT =.=常數(shù)（電量）9、簡(jiǎn)述采用次亞磷酸鈉作為還原劑化學(xué)鍍Ni-P的反應(yīng)機(jī)理？化學(xué)鍍饃是用還原劑把溶液中的饃離子還

14、原沉積在具有催化活性的表面上。其反應(yīng)式為:NiCm2+ 十 R - Ni 十 mC 十 OC為絡(luò)合劑、m為絡(luò)合劑配位體數(shù)目，R、O分別為還原劑的還原態(tài)和氧化態(tài)。上式分解為:以次亞磷酸鈉為還原劑反應(yīng)機(jī)理：陰極反應(yīng)：Ni/十 H2PO2 十 H2O-H2PO3 + Ni 十 2H+陽極反應(yīng)：R一 O十2e10、什么是電偶腐蝕？由于腐蝕電位不同，造成同一介質(zhì)中異種金屬接觸處的局部腐蝕，就是電偶腐蝕（galvaniccorrosion ）,亦稱接觸腐蝕或雙金屬腐蝕。11、簡(jiǎn)要說明能斯特方程。對(duì)于任一電池反應(yīng)taA+bB=cC+dDE=E"一祟 a£飛標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)R :氣體常數(shù)&am

15、p; 31441J/ （K*mol）T:溫度R :電極反應(yīng)中電尸轉(zhuǎn)移數(shù)F :法拉第常數(shù) 96,487kJ/（V=hnol）第四章 金屬的氧化、磷化及著色-化學(xué)轉(zhuǎn)化膜1、鋼鐵的表面發(fā)藍(lán)（黑）處理的基本原理？鋼鐵的表面磷化處理的基本原理？鋼鐵的氧化，亦稱發(fā)藍(lán)。其實(shí)質(zhì)是通過化學(xué)或電化學(xué)等方法，在其表面生成一層薄的氧化膜,膜層厚度為0.51.5m,膜的主要成分為（Fe3O4）（即磁性氧化鐵）。鋼鐵在磷化液（某些酸式醋酸鹽為主的溶液）中處理，在表面沉積形成一層不溶于水的結(jié)晶型磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜的過程，稱之為鋼鐵的磷化。2、鋁合金的化學(xué)氧化與電化學(xué)氧化的區(qū)別3、畫出鋁合金陽極氧化的原理示意圖4、根據(jù)鋁（鎂、鈦、

16、鋰等）合金陽極氧化的原理圖以及氧化處理所用的電解質(zhì)溶液成分、 電流密度、電流波形、溶液溫度、膜層性能特點(diǎn)、工件表面是否產(chǎn)生火花等，分別說明什么 是：（1）陽極氧化？（2）硬質(zhì)氧化？（3）瓷質(zhì)氧化？（4）等離子體電解液（或者微?。┭趸?？（5）哪種處理方法的氧化膜硬度最高？普通陽極氧化（硫酸、草酸、銘酸等陽極氧化）硬質(zhì)陽極氧化1）溶液：獲得硬質(zhì)氧化膜溶液很多，如：硫酸、多種有機(jī)酸（如草酸、蘋果酸、檸檬酸、丙二酸、磺基水楊酸）混合液。2）電源：電源則有交流電、直流電、交直流疊加、脈沖電流等。3）氧化條件：硬質(zhì)陽極氧化處理?xiàng)l件為：高電流密度、低溫、攪拌。電流密度為普通陽極氧化的23倍。低溫是為了抑制溶

17、液對(duì)膜的溶解、通過攪拌降溫。4）硬質(zhì)氧化膜性質(zhì)硬度鋁合金上可達(dá) HV 400600,在純鋁上可達(dá) HV1500以上。在鋁合金 中,LC4合金最 易獲得硬質(zhì)氧化膜。耐磨件硬質(zhì)陽極氧化膜，硬度高，耐磨性好。疲勞性能工件經(jīng)硬質(zhì)陽極氧化后、疲勞性能要下降。耐熱件硬質(zhì)陽極氧化膜熔點(diǎn)達(dá) 2050C,導(dǎo)熱系數(shù)低至 67kw/（m K）,耐熱性極好。在短時(shí) 間內(nèi)經(jīng)受15002000 c高溫沒問題。電絕緣性硬質(zhì)陽極氧化膜電阻率大，經(jīng)封閉處理（浸絕緣漆或石臘），擊穿電壓可達(dá)2000V。耐蝕性耐大氣腐蝕。結(jié)合強(qiáng)度膜與基體結(jié)合強(qiáng)度高。瓷質(zhì)陽極氧化：以鈦鹽（或銘酎）為基礎(chǔ)的溶液，可使拋光后的硬鋁工件上獲得均勻、光滑、

18、外觀類似塑料或瓷釉的氧化膜，稱之為瓷質(zhì)陽極氧化。瓷質(zhì)氧化膜特點(diǎn)：膜層致密，硬度較高，耐磨性、絕熱性、絕緣性較好，耐蝕性優(yōu)于硫酸陽極氧化膜;膜層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，可經(jīng)受沖壓加工；膜層不透明，可遮蓋加工中缺陷，裝飾效果好，對(duì)工件表面要求低；膜層吸附力好，可染成各種較深顏色。等離子微弧氧化硬度最高，氧化膜硬度最高HV120020005、鋁合金陽極氧化膜的著(染)色方法通常有哪幾種？分別說明其優(yōu)缺點(diǎn)。6、鋁合金氧化膜的封孔方法有哪些？分別簡(jiǎn)要說明。封閉處理方法有多種：如沸水 (80 100C)封孔、蒸氣封扎、金屬鹽封孔、有機(jī)物封孔，涂 漆封孔和常溫封孔等多種方法。第五章表面涂覆技術(shù)1、何謂熱噴涂？涂層

19、的形成機(jī)理？涂層的結(jié)合機(jī)理？熱噴涂涂層的應(yīng)力狀態(tài)？熱噴涂技術(shù)：是使用某種方式的熱源， 使噴涂材料加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，用高壓氣流將其霧化，并以一定速度噴射到經(jīng)過預(yù)處理的零件表面，從而形成涂層的表面加工技術(shù)。噴涂材料從進(jìn)入熱源到形成涂層可以劃分為以下四個(gè)階段：(1)噴涂材料的熔化：粉末噴涂材料進(jìn)入熱源高溫區(qū)域，被加熱到熔化態(tài)或軟化態(tài)；線材噴涂材料的端部在熱源高溫區(qū)加熱熔化，熔化的材料以熔滴形式存在于線材端部(2)熔化的噴涂材料的霧化：對(duì)于線材噴涂時(shí)，端部的熔滴在外加壓縮氣流或熱源自身 射流的作用下脫離線材端部，并霧化成細(xì)小熔滴向前噴射；在粉末噴涂時(shí)，不存在粉末的細(xì) 化和霧化過程，直接在壓縮氣流

20、或熱源射流推動(dòng)下發(fā)生噴射。（3）粒子的飛行階段：熔化或軟化的微細(xì)顆粒首先被氣流或射流加速。（4）粒子的噴涂階段：具有一定速度和溫度的粒子到達(dá)基材表面，與基材發(fā)生強(qiáng)烈的碰撞。粒子在碰撞的瞬間撞擊基體表面或撞擊已經(jīng)形成的涂層，把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能后傳給基體，同時(shí)粒子在凹凸不平的表面發(fā)生變形，形成扁平狀粒子，并且迅速凝固成涂層。噴涂的粒子不斷飛向基材表面，產(chǎn)生碰撞 -變形-冷凝的過程，變形粒子和基材之間及粒子和粒子之間相 互交疊在一起，形成涂層。涂層形成過程如下圖所示。沖擊碰撞變形凝固-收縮 熱噴涂涂層形成過程示意圖涂層的結(jié)合機(jī)理涂層的結(jié)合包括涂層和基材的結(jié)合及涂層之間的結(jié)合。前者的結(jié)合強(qiáng)度稱為結(jié)合力，

21、后者的結(jié)合強(qiáng)度稱為內(nèi)聚力。1）機(jī)械結(jié)合（主要結(jié)合方式）熔融態(tài)的粒子撞擊到基材表面，鋪展成扁平狀的液態(tài)薄層，嵌合在起伏不平的表面 形成機(jī)械結(jié)合，又稱為拋錨效應(yīng)。2）物理結(jié)合當(dāng)高速運(yùn)動(dòng)的熔融粒子撞擊基體表面后，若界面兩側(cè)緊密接觸的距離達(dá)到原子晶格 常數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，產(chǎn)生范德華力，提高基體和涂層間的結(jié)合強(qiáng)度。3）擴(kuò)散結(jié)合當(dāng)熔融的噴涂粒子高速撞擊基體表面形成緊密接觸時(shí)，由于變形和高溫作用，基體 表面的原子得到足夠的能量，使涂層與基體之間產(chǎn)生原子擴(kuò)散，形成擴(kuò)散結(jié)合。4）冶金結(jié)合當(dāng)基體預(yù)熱，或噴涂粒子有高的熔化潛熱，或噴涂粒子本身發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)（如Ni/Al ）時(shí)，熔融態(tài)的粒子和局部熔化的基體之間發(fā)生“焊合

22、”現(xiàn)象，產(chǎn)生“焊點(diǎn)”，形成微區(qū)冶金結(jié)合。1）熱應(yīng)力和2）淬火應(yīng)力2、舉兩個(gè)實(shí)例說明等離子體噴涂陶瓷涂層的應(yīng)用。石油管道建設(shè)、航空航天工業(yè)、汽車制造、工程機(jī)械及船舶3 .涂料的四個(gè)組成部分是什么？r天物樹脂成膜物質(zhì)、天然油脂合成樹脂涂料X 顏料（著色顏料、防銹顏料等）溶劑（有機(jī)溶劑或水）助劑（固化劑、催干劑等）5 .熱噴涂涂層的應(yīng)用通常有哪幾類？6 ）在航空航天工業(yè)上的應(yīng)用7 ）在機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)用8 ）在鋼鐵行業(yè)中應(yīng)用9 ）在鐵路行業(yè)中應(yīng)用10 在生物醫(yī)學(xué)工程上的應(yīng)用6.熱噴涂方法 ）火焰噴涂？ ）電弧噴涂？ ）等離子體噴涂？ ）超音速火焰噴涂？ ）爆炸噴涂？ ）冷噴涂？第六章表面改性技術(shù)1、簡(jiǎn)

23、要說明形變強(qiáng)化的原理和機(jī)理。基本原理是：通過機(jī)械手段（滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等）在金屬表面產(chǎn)生壓縮變形，使表面形成形變硬化層，此形變硬化層的深度可達(dá)（0.51.5）mm。在此形變硬化層中產(chǎn)生兩種變化：是在組織結(jié)構(gòu)上，亞晶粒極大地細(xì)化，位錯(cuò)密度增加，晶格畸變度增大；是形成了高的宏觀殘余壓應(yīng)力。機(jī)理：滾壓，內(nèi)擠壓，噴丸2、何謂表面熱處理？是指僅對(duì)零部件表層加熱、冷卻，從而改變表層組織和性能而不改變成分的一種工藝，是最基本、應(yīng)用最廣泛的材料表面改性技術(shù)之一。3、說明表面熱處理的常用加熱方法和冷卻方法？一，感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)線圈通以交流電后，感應(yīng)線圈內(nèi)即形成交流磁場(chǎng)。置于感應(yīng)線圈內(nèi)的被加熱零件引起感應(yīng)電

24、動(dòng)勢(shì)，所以零件內(nèi)將產(chǎn)生閉合電流即渦流。由于被加熱的金屬零件的電阻很小，所以渦電流很大，從而可迅速將零件加熱。普通高頻淬火、超高頻沖擊淬火和大功率高頻脈沖淬火技術(shù)特性 雙頻感應(yīng)加熱淬火和超音頻感應(yīng)加熱淬火 二，火焰加熱表面淬火是應(yīng)用氧-乙快或其他可燃?xì)怏w對(duì)零件表面加熱，隨后淬火冷卻的工藝。三，接觸電阻加熱表面淬火接觸電阻加熱表面淬火是利用觸頭(銅滾輪或碳棒)和工件間的接觸電阻使工件表面加熱，并依靠自身熱傳導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)冷卻淬火。四，浴爐加熱表面淬火將工件浸入高溫鹽浴(或金屬浴)中，短時(shí)加熱，使表層達(dá)到規(guī)定淬火溫度，然后激冷的方 法稱為浴爐加熱表面淬火。4、說明感應(yīng)加熱表明處理時(shí)的電流透入深度與硬化層深

25、度的關(guān)系？:=56 .386: f ff為電流頻率(Hz)：為材料的磁導(dǎo)率(H/m):為材料的電阻率(姆.cm)5、何謂表面化學(xué)熱處理？對(duì)某一工件進(jìn)行滲C、N、(C, N)、B等與滲金屬 W、Mo、Cr、V、Al等的考慮依據(jù)是什么？區(qū)別何在？金屬表面化學(xué)熱處理是利用元素?cái)U(kuò)散性能，使合金元素滲入金屬表層的一種熱處理工藝。金屬表面化學(xué)熱處理的目的(1)提高金屬表面的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。如滲氮可使金屬表面硬度達(dá)到(9501200)HV ;滲硼可使金屬表面硬度達(dá)到 (14002000)HV等，因而工件表面具有極高的耐磨性。(2)提高材料疲勞強(qiáng)度。如滲碳、滲氮、滲銘等滲層中由于相變使體積發(fā)生變化，導(dǎo)致表

26、層產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力，從而提高疲勞強(qiáng)度。(3)使金屬表面具有良好的抗粘著、抗咬合的能力和降低摩擦系數(shù)，如滲硫等。(4)提高金屬表面的耐蝕性，如滲氮、滲鋁等。6、離子滲氮比普通氣體滲氮速度快的原因是什么？離子滲氮速度快的三個(gè)原因： 表面活化是加速滲氮的主要原因。粒子轟擊將金屬原子從試樣表面轟擊出來，使其成為活性原子，并且，由于高溫活化，C、N、。這類非金屬元素也會(huì)從金屬表面分離出來，使金屬表面氧化物和碳化物還原，同 時(shí)也對(duì)表面產(chǎn)生了清洗作用； 提高表面氮濃度，加快氮向試樣內(nèi)部擴(kuò)散。試樣表面對(duì)轟擊出來的 Fe和N結(jié)合形成的FeN吸附，提高試樣表面氮濃度，F(xiàn)e還有對(duì)NH3分解出氮的催化作用，也提高

27、氮濃度； 陰極濺射產(chǎn)生表面脫碳，增加位錯(cuò)密度等，加速了氮向內(nèi)部擴(kuò)散的速度。7、簡(jiǎn)述離子注入表面改性的機(jī)理和特征？離子注入的原理：離子束和電子束基本類似，也是在真空條件下將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速、聚焦、使之作用在材料表面。 所不同的是，除離子與負(fù)電子的電荷相反帶正電荷外，主要是離子的質(zhì)量比電子要大千萬倍。例如，氫離子的質(zhì)量是電子的7.2萬倍。由于質(zhì)量較大，故在同樣的電場(chǎng)中加速較慢，速度較低。但一旦加速到較高速度時(shí)， 離子束比電子束具有更大的能量，高速電子在撞擊材料時(shí)，質(zhì)量小速度大，動(dòng)能幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱能， 使材料局部熔化、氣化。它主要通過熱效應(yīng)完成。 而離子本身質(zhì)量較大，慣性大，撞擊材料時(shí)產(chǎn)

28、生了濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)，引起變形、分離、 破壞等機(jī)械作用和向基體材料擴(kuò)散，形成化合物產(chǎn)生復(fù)合、激活的化學(xué)作用。離子注入的特征：離子注入提供的新技術(shù)與現(xiàn)有的電子束和激光束等表面處強(qiáng)工藝不同，其突出的特點(diǎn)是：(i)離子注入法不同于任何熱擴(kuò)散方法，注入元素的種類、能量和劑量均可選擇，可注入任 何元素，且不受固溶度和擴(kuò)散系數(shù)的影響。(2)離子注入一般在常溫或低溫下進(jìn)行，但離子注入溫度和注入后的溫度可以任意控制，且 在真空中進(jìn)行，不氧化，不變形，不發(fā)生退火軟化，表面粗糙度一般無變化，可作為最終工 藝。(3)可控性和重復(fù)性好。(4)可獲得兩層或兩層以上性能不同的復(fù)合材料，復(fù)合層不易脫落。注入層薄，工件尺寸

29、基 本不變。(5)離子注入在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，可提高工件的疲勞性能。(6)通常離子注入層的厚度不大于1 m,離子只能直線行進(jìn)，不能繞行，對(duì)于復(fù)雜的和有內(nèi)孔的零件不能進(jìn)行離子注入，設(shè)備造價(jià)高，所以應(yīng)用還不廣泛。8 .形變強(qiáng)化時(shí)形變硬化層中產(chǎn)生的兩種變化？是在組織結(jié)構(gòu)上，亞晶粒極大地細(xì)化，位錯(cuò)密度增加，晶格畸變度增大;是形成了高的宏觀殘余壓應(yīng)力。9 .The rate of strain hardening at a given stress and strain:+ 浜；10.表面熱處理與表面化學(xué)熱處理的區(qū)別？表面熱處理是指僅對(duì)零部件表層加熱、冷卻, 一種工藝金屬表面化學(xué)熱處理是利用元素?cái)U(kuò)散性能，

30、do o從而改變表層組織和性能而不改變成分的使合金元素滲入金屬表層的一種熱處理工藝。11 .根據(jù)含滲入元素的介質(zhì)所處狀態(tài)不同，化學(xué)熱處理可分哪幾類？(1)固體法： 包括粉末填充法、膏劑涂覆法、電熱旋流法、覆蓋層(電鍍層、噴鍍層等)擴(kuò)散法等。(2)液體法：包括鹽浴法、電解鹽浴法、水溶液電解法等。(3)氣體法：包括固體氣體法、間接氣體法、流動(dòng)粒子爐法等。(4)等離子法：離子束擴(kuò)滲是利用低真空中氣體輝光放電產(chǎn)生的離子轟擊工件表面，使表面成分、組織結(jié)構(gòu)及性能發(fā)生改變的處理方法。12 .化學(xué)熱處理常用的非金屬和金屬滲入元素有哪幾種？碳，氮，硫，硼，硅， Al, W、Mo、Ta、V、Nb、Cr鋁，鴇，電目

31、，鋁，鈕，鋸，銘第七章氣相沉積技術(shù)1、物理氣相沉積（PVD）與化學(xué)氣相沉積（CVD）的異同點(diǎn)；化學(xué)氣相沉積是將含有組成薄膜的一種或幾種化合物氣體導(dǎo)入反應(yīng)室，使其在基體上通過化學(xué)反應(yīng)生成所需要的薄膜的一類薄膜制備方法物理氣相沉積是在真空條件下，采用各種物理方法， 將固態(tài)的鍍料轉(zhuǎn)化為原子、分子或離子態(tài)的氣相物質(zhì)后，再沉積于基體表面從而形成固體薄膜的一類薄膜制備方法。2、三種薄膜生長(zhǎng)方式的內(nèi)在原因？核生長(zhǎng)型，層生長(zhǎng)型，核 -層生長(zhǎng)型薄膜與襯底之間晶格常數(shù)不匹配，因而隨著沉積原子層的增加，應(yīng)變能逐漸增加，為了松弛這部分能量，薄膜以核生長(zhǎng)型。在層狀外延生長(zhǎng)表面是表面能比較高的晶面時(shí)，為了降低表面能，薄膜

32、力圖將暴露的晶面改變?yōu)榈湍苊?，因此薄膜生長(zhǎng)到一定厚度后，有層生長(zhǎng)變?yōu)楹松L(zhǎng)。三種方式初期層生長(zhǎng)自由能較低，后期核生長(zhǎng)自由能較低。3、輝光放電的原理與應(yīng)用？在真空室內(nèi)安置兩個(gè)電極，陰極為冷電極，通入壓強(qiáng)為0.1Pa-10Pa的氣體（通常為 Ar）。當(dāng)外加直流高壓超過著火電壓（起始放電電壓）時(shí)，氣體就被擊穿，由絕緣體變成良好導(dǎo)體， 兩極間電流突然上升，電壓下降，此時(shí)兩極間會(huì)出現(xiàn)明暗相間的光層。這種氣體的放電稱為輝光放電，放電產(chǎn)生等離子體。濺射所需要的轟擊離子通常采用輝光放電獲得。4、能畫出真空蒸鍍、濺射鍍和離子鍍?nèi)N基本的物理氣相沉積方法的原理圖。1-真空罩；2-基片架和加熱器；3-基 片；4-擋

33、板；5-蒸發(fā)源；6-至抽空系 統(tǒng)圖7.1真空蒸發(fā)鍍膜設(shè)備示意圖1-陰極屏蔽；2-高壓線；3-基片 （樣品）；4-鐘罩;5-陰極（靶）;6-陽極；7-基片加熱器；8-僦氣 入口 ； 9-加熱電源；10-至真空 系統(tǒng)；11-高壓電源1-陽極；2-蒸發(fā)源；3-進(jìn)氣口； 4- 輝光放電區(qū)；5-陰極暗區(qū)；6-基板（陰極）；7-絕緣支架；8-直流電源（15kV）; 9-真空室；10-蒸發(fā) 電源；11-真空系統(tǒng)二極直流濺射鍍膜裝置直流二極型離子鍍示意圖5、能根據(jù)原理圖分析討論三種鍍膜方法（工藝）的特點(diǎn)、影響因素、彼此的異同點(diǎn)、改進(jìn) （善）的工藝類型和應(yīng)用實(shí)例等。電阻蒸發(fā)源，電子束蒸發(fā)源，激光束蒸發(fā)源三級(jí)濺射

34、，磁控濺射，射頻濺射1、薄膜有哪些特征？舉例說明薄膜的種類和應(yīng)用？薄膜材料具有如下四個(gè)主要特征：1 .厚度薄膜通常具有亞微米級(jí)至微米級(jí)的厚度。但是隨著制備技術(shù)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的要求，薄膜厚度范圍的內(nèi)涵也在擴(kuò)展，如納米級(jí)厚度的納米薄膜和近毫米的厚金剛石膜也都被稱為薄膜。2 .有基底支撐這里所討論的薄膜是一類依附于固體表面并得到其支撐而存在，并具有與支 撐固體不同結(jié)構(gòu)和性能的二維材料。3 .特殊的結(jié)構(gòu)和性能由于形成方式的不同，薄膜材料與塊體材料具有不同的微結(jié)構(gòu)和性能。例如，塊體金屬 材料，如Au、Al、Ti等，通過特殊的壓力加工可以形成厚度為微米級(jí)甚至更薄的“薄膜” 狀。但我們并不把這種材料稱為“

35、薄膜”而是稱為“箔”，如金箔，鋁箔，鈦箔等。因?yàn)楸M管它們的厚度與薄膜相當(dāng)，但它們的微結(jié)構(gòu)和性能卻更接近塊體材料。4 .特殊的形成方式薄膜是依靠原子尺度的粒子在另一固體表面生長(zhǎng)而成的二維材料，因而通常具有一些特 殊的微結(jié)構(gòu)和性能特征，例如，薄膜內(nèi)部存在空位、孔隙、位錯(cuò)等缺陷，還會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi) 應(yīng)力，以及與基體材料結(jié)合所形成的界面結(jié)合等。1、薄膜的種類薄膜材料種類繁多，按薄膜本身的特征，可以對(duì)其作如下主要分類：以材料種類劃分：有金屬、合金、陶瓷、半導(dǎo)體、化合物、高分子材料薄膜等。以晶體結(jié)構(gòu)劃分：有單晶、多晶、納米晶、非晶以及各種外延生長(zhǎng)薄膜。以厚度劃分：有納米薄膜、微米薄膜和厚膜等以薄膜組成結(jié)構(gòu)劃

36、分：多層膜：有由兩種或兩種以上材料組成的多層薄膜，尤其是以納米量級(jí)交替生長(zhǎng)形成的納米多層膜（也稱超晶格）。納米多層膜有許多物理和力學(xué)性能的特異效應(yīng)而成為目前薄膜研 究的熱點(diǎn)之一。梯度膜：薄膜的化學(xué)成分在厚度方向上逐步變化的梯度薄膜；復(fù)合膜：由多相材料組成的具有不同微結(jié)構(gòu)特征的復(fù)合薄膜等。薄膜的應(yīng)用非常廣泛，按用途大致可分為光學(xué)薄膜、微電子學(xué)薄膜、光電子學(xué)薄膜、集成光學(xué)薄膜、防護(hù)功能薄膜等六大類。2、物理氣相沉積（PVD）按沉積薄膜氣相物質(zhì)的生成方式和特征主要可以分為哪幾種？（1）真空蒸鍍 鍍材以熱蒸發(fā)原子或分子的形式沉積成膜。（2）濺射鍍膜 鍍材以濺射原子或分子的形式沉積成膜。（3）離子鍍膜

37、鍍材以離子和高能量的原子或分子的形式沉積成膜。在三種PVD基本鍍膜方法中，氣相原子、分子和離子所產(chǎn)生的方式和具有的能量各 不相同，由此衍生出種類繁多的薄膜制備技術(shù)。3、畫出示意圖說明真空蒸發(fā)鍍膜的基本原理。真空蒸鍍常用的蒸發(fā)源有哪些？ 電阻蒸發(fā)源，電子束蒸發(fā)源，激光蒸發(fā)源4、畫出示意圖說明濺射鍍膜的基本原理。工件和靶材的極性？靶材：陰極 工件：陽極5、畫出示意圖說明離子鍍膜的基本原理。工件和靶材的極性？離子鍍的兩個(gè)必要條件是什 么？靶材：陽極工件：陰極1 .是要在基片前方形成一個(gè)氣體放電的空間；2.是要將鍍料氣化后的粒子(原子、分子及其團(tuán)簇)引入氣體放電空間并使其部分離化。6、簡(jiǎn)要說明真空蒸鍍

38、的入射原子與基片就可能出現(xiàn)哪幾種相互作用？(1)反射入射原子沒有將其能量釋放，又重新回到空間。(2)物理吸附入射原子將能量轉(zhuǎn)移給基片而停留在基片上，并由范德瓦耳斯力與基片保持較弱的結(jié)合，因而也容易因解吸附而重新返回空間。(3)化學(xué)吸附入射原子由物理吸附可進(jìn)一步轉(zhuǎn)為化學(xué)吸附， 其本質(zhì)是入射原子與基片表面原子形成了 電子共有的化學(xué)鍵?；瘜W(xué)吸附常需要克服能壘，同樣，解化學(xué)吸附也比解物理吸附需要更高 的能量。(4)吸附原子的遷移及與同類原子的締合吸附于基片表面的原子仍具有一定的能量，因而是不穩(wěn)定的，它們可以解吸附，也可以克服能量勢(shì)壘在基片上移動(dòng)，并尋找勢(shì)壘更低的位置。 在基片表面上移動(dòng)的同類原子相遇時(shí)

39、會(huì)締合成原子團(tuán)，這樣有利于體系能量的降低。7、圖示說明薄膜的生長(zhǎng)有幾種類型？分別簡(jiǎn)要說明每種生長(zhǎng)類型的產(chǎn)生機(jī)理。a.核生長(zhǎng)型b.層生長(zhǎng)型c.層核生長(zhǎng)型圖7.5薄膜生長(zhǎng)的三種類型8、什么叫做分子束外延？什么叫做同質(zhì)外延？什么叫做異質(zhì)外延?在超高真空中（氣壓10-6Pa）,通過精確控制各組分元素的分子束流，噴射到一定溫度的基 片表面，并在基片表面實(shí)現(xiàn)薄膜與基片的共格外延生長(zhǎng)。若外延層與基片為同種材料，則稱為同質(zhì)外延，如在單晶硅上的硅外延層等；若外延層與基片為不同材料，則稱為異質(zhì)外延，如藍(lán)寶石上外延硅層等。9、濺射所需要的轟擊離子通常是如何獲得的？濺射所需要的轟擊離子通常采用輝光放電獲得。10、二極

40、直流濺射鍍膜法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是什么？二極直流濺射鍍膜法的優(yōu)點(diǎn)：裝置簡(jiǎn)單，操作方便；可以在大面積的基片上制取均勻的薄膜；可以濺射難熔材料二極直流濺射鍍膜法的缺點(diǎn)：這種方法存在鍍膜沉積速率低，只能濺射金屬等導(dǎo)電材料等缺點(diǎn)；未經(jīng)改進(jìn)的二極直流濺射僅在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用，很少用于生產(chǎn)；不能濺射介質(zhì)材料。其原因在于轟擊于介質(zhì)靶材表面的離子電荷無法中和而造成靶面電位升高。外加電壓幾乎都加在靶上，極間電位降低，離子的加速和電離迅速減小，直至放電停止。11、什么是濺射鍍膜時(shí)的濺射速率？濺射速率通常與哪兩個(gè)因素有關(guān)？濺射速率或?yàn)R射產(chǎn)額： 一個(gè)入射離子所濺射出的原子個(gè)數(shù)稱為濺射速率或?yàn)R射產(chǎn)額。其單位為原子個(gè)數(shù)/離子。（1

41、）入射粒子 （2）靶材12、濺射薄膜的內(nèi)應(yīng)力主要來自哪兩個(gè)方面？影響濺射薄膜的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的因素有哪些？ 本征應(yīng)力。濺射粒子沉積于正在生長(zhǎng)的薄膜表面的同時(shí)，其帶有的能量也對(duì)薄膜的生長(zhǎng)表面帶來沖擊， 造成薄膜表面晶格的畸變。如果基片溫度不夠高，晶格中的熱運(yùn)動(dòng)不能消除這種晶格畸變， 就在薄膜中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。對(duì)于反應(yīng)濺射的化合物薄膜，這種本征應(yīng)力可高達(dá)幾個(gè) GPa,甚至 超過10GPa。熱應(yīng)力。由于薄膜與基片熱膨脹系數(shù)的差異，在較高溫度鍍膜后冷至室溫，也會(huì)使薄膜產(chǎn)生熱應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力的存在會(huì)改變薄膜的硬度、彈性模量等力學(xué)性能，以及薄膜和基片的結(jié)合力。對(duì)于TiN等硬質(zhì)薄膜，由于存在巨大的內(nèi)應(yīng)力，并且這種內(nèi)應(yīng)力會(huì)

42、隨薄膜厚度的增加而增加，因而在厚度增加后（如5 m）,有時(shí)硬質(zhì)薄膜會(huì)自動(dòng)從基片上剝落。T-基片溫度；Tm-薄膜的熔點(diǎn)。結(jié)構(gòu)因素：濺射粒子的能量（1）濺射電壓；真空室氣體的壓強(qiáng)；靶和基片的距離；（2）基片（工件）溫度基片溫度對(duì)濺射粒子的能量釋放和生長(zhǎng)中薄膜的晶格熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，因此也會(huì)影響薄膜的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。13、離子鍍膜的三個(gè)特點(diǎn)是什么？簡(jiǎn)要說明離子轟擊對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和薄膜應(yīng)力的影響。1、離子轟擊對(duì)基片和膜/基界面的作用離子鍍膜前的基片表面首先受到工作氣體離子的轟擊，在轟擊中，基片表面的吸附氣體、氧化物被濺射去除，使基片露出新鮮表面，并在表面上產(chǎn)生晶體學(xué)缺陷，表面的微觀幾何形 貌也會(huì)改變，并且伴隨著基片溫

43、度的升高。對(duì)于合金材料基片，離子轟擊的選擇性濺射會(huì)使基片表面高濺射率相的面積減小，造成基片表面成分變化。2、離子轟擊對(duì)薄膜生長(zhǎng)的作用離子鍍薄膜生長(zhǎng)過程中，薄膜的表面始終受到荷能粒子的轟擊，從而對(duì)薄膜的生長(zhǎng) 方式以及由此得到的微結(jié)構(gòu)和性能都會(huì)帶來重要影響。對(duì)結(jié)構(gòu)的影響：（1）荷能粒子的轟擊會(huì)將沉積于薄膜表面結(jié)合松散的原子去除，從而降低薄膜的針孔缺陷，提高致密度。（2）荷能粒子的轟擊還會(huì)改變薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，減少薄膜的柱狀晶，取而代之的是均勻的顆粒狀晶體。對(duì)性能的影響（壓應(yīng)力）：在薄膜的性能方面，荷能離子的轟擊帶來的最大且最顯而易見的影響之一就是對(duì)薄膜殘余內(nèi)應(yīng)力的影響。一般說來，真空蒸鍍薄膜具有拉應(yīng)

44、力，濺射薄膜具有壓應(yīng)力。3、繞射性與蒸發(fā)鍍膜和濺射鍍膜相比，離子鍍膜還有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是具有較好的繞射性。在離子鍍中，基片或工件處于陰極，電力線的分布將使帶電粒子可到達(dá)一些視線加工時(shí)難以 到達(dá)的位置，薄膜沉積較為均勻。14、列表比較真空蒸鍍、濺射鍍和離子鍍?nèi)N鍍膜方法在：（1）沉積粒子能量；（2）沉積速率；（3）膜層特點(diǎn)；（4）被沉積物質(zhì)的氣化方式；（5）鍍膜的原理及特點(diǎn)等方面的異同點(diǎn)。分類 比較項(xiàng)目真空蒸鍍賽射蒸鍍壺子鍍中性原子0.1-1eV1-10eV0.1-leV （此外還有高能 中性原子）入射離子數(shù)百-數(shù)千電子伏特沉積速率（F1 m/min）0.1-700.01-0.5 （磁控濺射可

45、接近真空蒸鍍）0.1-50密度低溫時(shí)密度較小但表面平滑密度大密度大氣孔低溫時(shí)多氣孔少，但混入濺射氣 體較多無氣孔，但膜層缺陷較多附著性不太好較好很好內(nèi)應(yīng)力拉應(yīng)力壓應(yīng)力依工藝條件而定繞射性差差較好分類 比較項(xiàng)目真空蒸鍍?cè)陨湔翦兩套渝儽怀练e物質(zhì)的 氣化方式電阻加熱 電子束加熱 感應(yīng)加熱 激光加熱等鍍料原子不是靠熱源加 熱蒸發(fā)，而是依靠陰極 濺射由靶材獲得沉積原子蒸發(fā)式：電阻加熱、電子束 加熱、感應(yīng)加熱、激光加熱； 濺射式：進(jìn)入輝光放電空間 的原子是依靠陰極濺射獲得 的化學(xué)式：進(jìn)入輝光放電空 間的原子由氣體提供，反應(yīng) 物沉積在基片上鍍膜的原理及 特點(diǎn)工件不帶電；在 真空條件下，金 屬加熱蒸發(fā)沉積 到工件表面，沉 積粒子的能量和 蒸發(fā)時(shí)的溫度相 對(duì)應(yīng)工件為陽極，靶為陰極, 利用氫離子的濺射作用 把花材原