表面科學(xué)工程無機(jī)非金屬表面

1、無機(jī)非金屬材料的表界面 表面結(jié)構(gòu) 表面特征與行為 表界面對(duì)陶瓷性能的影響 玻璃表界面 表界面結(jié)構(gòu) 玻璃表、界面的化學(xué)組成與化學(xué)反應(yīng) 玻璃表界面的性能及其改進(jìn) 玻璃表界面的表征1非金屬元素在周期表中的位置2非金屬元素特征由于非金屬元素的原子最外層中可以成鍵的價(jià)電子數(shù)多，具有多種氧化態(tài)。非金屬元素的成鍵特征是：一方面能形成離子鍵；另一方面(也是主要的一方面)能形成共價(jià)鍵。這是由非金屬元素原于的外層電子構(gòu)型、原子半徑和元素的電負(fù)性所決定的。3一、陶瓷表面表界面結(jié)構(gòu)表面特征與行為表界面對(duì)陶瓷性能的影響 4表界面結(jié)構(gòu)表面弛豫表面重構(gòu)晶界相界5表界面結(jié)構(gòu)（a）弛豫 （b） 重構(gòu) （c）偏析 （d）臺(tái)階6晶

2、 界大、小角度晶界7相 界非共格相界共格相界準(zhǔn)共格相界8金屬與NaCl小角度晶界刃型位錯(cuò)比較910晶界構(gòu)形（1）固-固-氣（2）固-固-液熱蝕角固-液-固平衡角11 （3）固-固-固雜質(zhì)在陶瓷晶界的分布12不同兩面角下第二相分布 =0 =13513陶瓷是一種多晶或微晶體系。陶瓷的晶界要比金屬和合金的晶界寬，結(jié)構(gòu)和成分都非常復(fù)雜：陶瓷主要由帶電單元，以離子鍵為主體構(gòu)成，帶電單元影響晶界的穩(wěn)定性。陶瓷中的少量雜質(zhì)對(duì)晶粒尺寸和晶界性質(zhì)起確定性影響。14陶瓷表面特征與行為晶界應(yīng)力晶界電位及空間電荷15晶界應(yīng)力16表界面對(duì)陶瓷性能的影響PTC熱敏電阻陶瓷 電阻率隨溫度變化的材料，分為四大類： 負(fù)溫度系數(shù)

3、，正溫度系數(shù)，臨界熱敏，線性熱敏；主要通過摻雜實(shí)現(xiàn)；用于定溫加熱器，延時(shí)開關(guān)，馬達(dá)啟動(dòng)器等。氣敏陶瓷 分為半導(dǎo)體式，固體電解質(zhì)式 利用表面氣體吸附導(dǎo)致電導(dǎo)率變化；壓敏陶瓷 通過電壓變化導(dǎo)致電阻率的變化。主要有：ZnO壓敏，SiC壓敏，硅壓敏，鍺壓敏；用于電力系統(tǒng)，電器過壓保護(hù)及高壓穩(wěn)壓等。17氣敏陶瓷系列18ZnO壓敏陶瓷顯微結(jié)構(gòu) 添加了Bi、Mn、Co、Ba、Pb、Sb、Cr等氧化物 晶界19ZnO晶界能帶圖 耗盡層厚度富Bi 能壘電壓變化20二、玻璃表界面表界面結(jié)構(gòu)玻璃表、界面的化學(xué)組成與化學(xué)反應(yīng)玻璃表界面的性能及其改進(jìn)玻璃表界面的表征 21玻璃表界面結(jié)構(gòu)玻璃新表面上存在不飽和鍵，能吸附大

4、氣中的水；并和水反應(yīng)形成各種羧基團(tuán)。SiO2和石英斷裂表面形成等量的 E（過剩氧）單元， D （不足氧單元）單元。22（a）石英晶體斷裂表面結(jié)構(gòu)（b）石英玻璃斷裂表面結(jié)構(gòu)23表界面結(jié)構(gòu)亞表面層（10-410-5 cm）特點(diǎn)： （1）幾何表面熵值梯度變化； （2）亞表面缺陷多，具有微多孔性； （3）亞表面不對(duì)稱，造成熱振動(dòng)非諧性。據(jù)此可解釋表層流變、裂紋、離子交換等現(xiàn)象。24陶瓷的亞表面層結(jié)構(gòu)25玻璃表、界面的化學(xué)組成與化學(xué)反應(yīng)玻璃表面的化學(xué)組成 由于揮發(fā)、富集等因素，使成分隨深度而變化。玻璃表、界面的化學(xué)反應(yīng) 包括：玻璃表面與水、酸、堿以及氣體的反應(yīng)。 硅酸鹽玻璃表面受浸蝕后有五種類型狀態(tài)：2

5、6玻璃表面化學(xué)反應(yīng)：五種類型不溶型可溶型27 玻璃表面與水反應(yīng)例如：100300與水蒸氣作用：與水結(jié)合：氫氧根離子與硅氧鍵作用：形成多孔高硅膜脫堿反應(yīng)28 玻璃表面與酸反應(yīng)： 例如：鈉鈣硅鹽玻璃受酸浸蝕時(shí)：實(shí)質(zhì)是酸中H+與玻璃中Na+，Ca+發(fā)生互相擴(kuò)散。 玻璃表面與堿反應(yīng)：鍵斷裂，結(jié)構(gòu)破壞，SiO2溶出。29 玻璃表面的風(fēng)化玻璃與大氣的作用稱風(fēng)化，出現(xiàn)霧狀薄膜或點(diǎn)線狀模糊物，甚至彩虹，白霜，粘片現(xiàn)象；玻璃風(fēng)化又稱霉變。風(fēng)化過程： 吸附大氣中的水與水反應(yīng)對(duì)玻璃浸蝕隨時(shí)間浸蝕加重30玻璃表界面的性能及其改進(jìn)玻璃表界面的性能（1）光學(xué)特性 平整度與光波長度關(guān)系（2）電學(xué)性質(zhì) 堿離子進(jìn)入水膜，使玻璃

6、表面導(dǎo)電率升高。影響因素： 環(huán)境溫度與濕度 玻璃化學(xué)穩(wěn)定性 玻璃表面狀態(tài)（3）力學(xué)性能31 玻璃表面的改性玻璃表面涂膜改性 減反膜，導(dǎo)電膜，玻璃表面強(qiáng)化離子注入玻璃表面改性 離子注入對(duì)折射率，硬度造成影響。32陶瓷層涂敷工藝補(bǔ)充內(nèi)容33 涂裝方法刷涂、滾涂、刮涂、浸涂、淋涂、空氣噴涂等；34 搪瓷用瓷釉是化學(xué)成分較復(fù)雜的硅酸鹽玻璃，化學(xué)成分不同其性能有較大差異。一般瓷釉主要由四類氧化物組成：35搪瓷涂層搪瓷是將玻璃質(zhì)瓷釉涂敷在金屬底材表面，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)而成在整體上有金屬的力學(xué)強(qiáng)度，表面有玻璃的各種特性。36搪瓷的分類按金屬底材分類有鋼板搪瓷、鑄鐵搪瓷、鋁搪瓷和耐熱合金搪瓷等，按瓷釉組成結(jié)構(gòu)和性

7、能分類有：銻白搪瓷、鈦白搪瓷、微晶搪瓷、耐酸搪瓷和高溫搪瓷等；按用途分類，有日用品搪瓷、藝術(shù)品搪瓷、建筑搪瓷、電子搪瓷、醫(yī)用搪瓷等。37 在飛機(jī)、汽車、船舶等的發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管、某些耐熱器具和部件上應(yīng)用。38 高溫合金搪瓷抗高溫燃?xì)饬鞲g和沖刷的性能好，熱導(dǎo)率比合金低；在有液膜或氣膜冷卻部件時(shí)搪瓷可降低合金底材的使用溫度，特別適合作為高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的村套、導(dǎo)向葉片、燃燒室和尾噴管等高溫合金部件的保護(hù)涂層，提高這些部件的設(shè)計(jì)和使用溫度或延長其使用壽命。39渦輪轉(zhuǎn)子高溫搪瓷涂層40渦輪球殼搪瓷涂層41練習(xí)題（一）何謂材料表面？表面與界面有何區(qū)別？固體的表面特性是什么？如何理解固體的表面能與表面張力

8、？什么是接觸角？如何根據(jù)Young方程來判定潤濕性好壞？比較說明三種類型的固體潤濕過程。如何理解動(dòng)潤濕與動(dòng)接觸角？寫出描述液體表面的Laplace方程，Kelvin方程與Gibbs方程，并說明其意義。繪圖簡要述說金屬的真實(shí)表面。什么是金屬表面的吸附粒子超點(diǎn)陣？如何用Wood標(biāo)注法表明超點(diǎn)陣與金屬表面點(diǎn)陣的相互關(guān)系？比較固體表面與液體表面的特性。42練 習(xí) 題（二）什么叫PVD？它包括哪些方法？什么叫化學(xué)氣相沉積？其沉積反應(yīng)有哪幾種？簡要說明PVD與CVD的主要不同點(diǎn)。表面預(yù)處理的目的是什麼？它包括哪些內(nèi)容？什麼叫電鍍？簡要說明電鍍液的基本組成與作用什麼叫合金電鍍，合金電鍍的基本條件是什么？什么叫滲鍍？滲鍍層的特點(diǎn)是什么？什么叫化學(xué)轉(zhuǎn)化膜？舉例說明它的用途?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化膜為什么要進(jìn)行后處理？常用的方法有哪幾種？簡要說明鋁及鋁合金陽極氧化膜的性能。43練 習(xí) 題（三）什么是表面弛豫？繪出NaCl晶體的表面弛豫示意圖。陶瓷脆性的原因？如何改善陶瓷材料的脆性？玻