材料表面工程技術(shù)基本理論

材料表面工程技術(shù)基本理論第1頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.1表面晶體學(xué)表面的范圍：金屬為1-3個(gè)原子層；半導(dǎo)體4-6層；絕緣體為十至幾十層。表面的分類：1理想表面2清潔表面3實(shí)際表面第2頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五一、理想表面一種理論上的結(jié)構(gòu)完整的二維點(diǎn)陣平面。表面原子排列與晶體內(nèi)部相同。理想表面實(shí)際上是不存在的。第3頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五、清潔表面經(jīng)過(guò)徹底清洗、烘干、濺射，并進(jìn)行熱處理后，保存在超高真空（10-12Torr)下的不存在任何污染的化學(xué)純表面，稱為清潔表面。

第4頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五清潔表面結(jié)構(gòu)：

由于表面能的作用，在原子清潔的表面上可以發(fā)生多種與體內(nèi)不同的結(jié)構(gòu)和成分變化。如：表面弛豫，表面重構(gòu)，表面偏析，表面吸附，表面化合物，表面臺(tái)階（TLK模型）。第5頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第6頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

三、實(shí)際表面

有一定的粗糙度、貝爾比層、殘余應(yīng)力、表面吸附及沾污等。第7頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五原子力顯微鏡（AFM）圖象第8頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五輪廓儀得到的表面形貌第9頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五固體表面形貌的表征

第10頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

實(shí)際表面示意圖第11頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.2材料表面現(xiàn)象一、材料表面缺陷1、點(diǎn)缺陷2、線缺陷3、面缺陷第12頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

由于表面特殊的結(jié)構(gòu)和表面能，使得表面有許多與晶體內(nèi)部不同的性質(zhì)。例如，表面吸附、表面潤(rùn)濕、原子的表面擴(kuò)散等。第13頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五表面吸附是實(shí)際固體重要的表面現(xiàn)象，它的存在可以顯著降低表面的系統(tǒng)能量。吸附作用是固體表面最重要的特征之一。包括在氣相中的吸附、在液相中的吸附。表面吸附按其作用力的性質(zhì)可分為兩類：物理吸附和化學(xué)吸附。在吸附過(guò)程中，一些能量較高的吸附分子，可能克服吸附勢(shì)的束縛而脫離固體表面，稱為“脫附”或“解吸”。當(dāng)吸附與解吸達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，固體表面保存著一定數(shù)量的相對(duì)穩(wěn)定的吸附分子，這種吸附，稱為平衡吸附。二、表面吸附第14頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五物理吸附的作用力是表面原子與吸附原子之間的范得瓦爾斯力（VanderWaals）?；瘜W(xué)吸附，在吸附劑和吸附物的原子或分子間發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，形成了化學(xué)鍵。如，氧化。第15頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

用于判別化學(xué)吸附和物理吸附的另一個(gè)判據(jù)是活化能。當(dāng)產(chǎn)生化學(xué)吸附時(shí)，需要有一定的活化能。這可能是由于存在一個(gè)溫度界限的緣故，低于此界限就不會(huì)發(fā)生化學(xué)吸附。

物理吸附無(wú)需活化能，在任何溫度下都會(huì)以一定的速率，即以使吸附物布滿固體表面的速率發(fā)生物理吸附。第16頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

物理吸附化學(xué)吸附化學(xué)反應(yīng)表面氧化膜

表面化學(xué)反應(yīng)是指吸附質(zhì)與固體表面相互作用形成了一種新的化合物。金屬表面特別是多晶體金屬表面往往包含有很多缺陷：晶界、位錯(cuò)、臺(tái)階等，這些部位能量高，氧化也就往往從這些高能位置開始，一直到將表面覆蓋。第17頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五固體表面對(duì)液體分子同樣有吸附作用。固體表面之間也會(huì)產(chǎn)生吸附。但表面必須非常光滑且為清潔表面。第18頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五固體表面之間的吸附模型：第19頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五三、表面潤(rùn)濕第20頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第21頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五四、表面擴(kuò)散第22頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五因?yàn)榱慵虍a(chǎn)品久置于大氣中或儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中被空氣、各種油質(zhì)所污染，使材料表面被10-102原子層厚的氧化膜、水蒸氣、油、腐蝕生成物等所覆蓋，從而改變了原有表面特性，給表面處理帶來(lái)嚴(yán)重障礙。預(yù)處理就是恢復(fù)材料表面和內(nèi)部差別的過(guò)程，使表面潔凈并處于活性狀態(tài)，即獲得“清潔表面”甚至“潔凈表面”。

2.3基體表面預(yù)處理第23頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

表面清潔度與表面粗糙度是表面工程技術(shù)預(yù)處理工藝的兩個(gè)最重要指標(biāo)。一方面，表面清潔度過(guò)低，不但會(huì)影響覆蓋層的完整性、附著力、耐蝕性、裝飾性和功能薄膜性能的連續(xù)性，嚴(yán)重時(shí)甚至不能夠?qū)嵤┍砻婀こ碳夹g(shù)；另一方面，不同的表面工程技術(shù)對(duì)零件或制品表面粗糙度的要求也不同。例如，對(duì)涂裝與熱噴涂工藝而言，零件或制品表面需要有一定程度的粗糙度，因?yàn)檫@兩種工藝中材料與基體界面主要依靠機(jī)械結(jié)合與范德華力結(jié)合，一定的表面粗糙度可以增加覆蓋層與基體的接觸面積。

2.3基體表面預(yù)處理第24頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

表面預(yù)處理技術(shù)分類：表面預(yù)處理技術(shù)主要包括機(jī)械性清理、脫脂、除銹等幾個(gè)部分。

一、機(jī)械性清理

機(jī)械性清理主要是去除材料機(jī)加工產(chǎn)生的毛刺、劃痕、鑄造沙眼、焊縫殘留和氧化銹蝕層，以及獲得平整表面的的常用方法。其中包括：2.3基體表面預(yù)處理第25頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

1）機(jī)械磨光和拋光

機(jī)械磨光是用粘有磨料的磨光輪對(duì)金屬表面進(jìn)行磨削的過(guò)程。機(jī)械磨光可以去除零件表面的劃痕、毛刺、砂眼、焊縫殘留物、腐蝕痕跡和氧化皮等，使其具有一定的平整度和粗糙度。零件經(jīng)磨光后表面粗糙度Ra值可達(dá)0.4μm。

機(jī)械拋光工序是在裝有拋光輪的拋光機(jī)上進(jìn)行的。拋光輪上涂有由粒度很細(xì)小的磨料組成的拋光膏。拋光可以去掉金屬表面的細(xì)微劃痕。依據(jù)拋光后表面質(zhì)量的不同，拋光可分為粗拋、中拋和精拋三類，經(jīng)過(guò)精拋后零件表面可獲得鏡面光澤。2.3基體表面預(yù)處理第26頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2）滾光和刷光

滾光是將零件放入盛有磨料和化學(xué)溶液的滾桶中，借滾桶的旋轉(zhuǎn)使零件與磨料、零件與零件表面相互摩擦，以達(dá)到清理零件表面的過(guò)程。滾光可以起到除去零件表面少量的油和銹、整平金屬表面的作用，使零件獲得一定的表面光澤。該方法只適于大批量生產(chǎn)的小零件。

刷光是用金屬絲輪或金屬絲刷，在刷光機(jī)上或用手工進(jìn)行刷光的表面清理過(guò)程。其目的是為了去掉制件表面上的毛刺、氧化物、殘存的油污以及侵蝕后的黑膜等。一般用于小批量零件的表面預(yù)處理。

2.3基體表面預(yù)處理第27頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五表面預(yù)處理技術(shù)分類：二、表面清潔（脫脂、除銹）

零件或制件表面上通常都存在加工油污或沉積污垢，多為各種礦物油，如機(jī)油、柴油和凡士林等，還可能有少量的動(dòng)植物油脂。必須去除這些表面油污，才能保證表面工程技術(shù)的順利實(shí)施。

脫脂在不同行業(yè)有時(shí)也稱除油、清洗、電凈等等。一般采用以下方法之一完成，個(gè)別情況下可能用到兩種以上的方法。

2.3基體表面預(yù)處理第28頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1）有機(jī)溶劑脫脂

有機(jī)溶劑，例如汽油、煤油、丙酮、酒精、苯、甲苯、二甲苯、二氯乙烯、三氯乙烯和三氯乙烷、四氯化碳等，都可用來(lái)脫脂。脫脂可以采用噴、浸、刷或擦拭等方法。有機(jī)溶劑脫脂對(duì)金屬表面無(wú)腐蝕、不需要加溫、脫脂速度快、效果好，特別是適合那些用堿液難以除凈的高黏度、高熔點(diǎn)的礦物油，因此適合幾乎所有表面工程技術(shù)的預(yù)處理工藝，尤其是油污嚴(yán)重的零件或易被堿性脫脂液腐蝕的金屬零件初步脫脂。

但該方法脫脂不夠徹底，工件表面往往剩余一層油膜，需要用化學(xué)或電化學(xué)方法進(jìn)行補(bǔ)充脫脂。而且有機(jī)溶液多數(shù)有毒，使用時(shí)要注意安全。一般來(lái)說(shuō)這種脫脂方法的成本較高。2.3基體表面預(yù)處理第29頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2）化學(xué)脫脂

化學(xué)脫脂是利用堿與油脂起化學(xué)反應(yīng)來(lái)去除材料表面的油污。化學(xué)脫脂操作簡(jiǎn)便、脫脂能力強(qiáng)、安全可靠、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化?；瘜W(xué)脫脂液一般由含一定數(shù)量氫氧化鈉（燒堿）、碳酸鈉（純堿）、磷酸鈉等藥劑的水溶液，再加入一定數(shù)量的硅酸鈉（水玻璃）、OP乳化劑等組成。脫脂液溫度一般為60℃~80℃。將金屬零件浸入脫脂液中，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，金屬表面的油污即可除掉。

根據(jù)基體金屬和油污污染程度的不同，化學(xué)脫脂液的組成和含量各有不同。2.3基體表面預(yù)處理第30頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

3）水劑脫脂

有機(jī)溶劑易燃易爆，有一定毒性，揮發(fā)性強(qiáng)，材料消耗多，生產(chǎn)成本高，近年來(lái)逐漸被水劑清洗所代替。水劑清洗是以水溶劑（堿溶液除外）作為清洗液去除待處理表面油污的清洗方法，如乳化液、表面活性劑溶液、清洗劑或金屬清洗劑等，水劑清洗液不燃燒、不揮發(fā)、不污染空氣、生產(chǎn)安全，而脫脂效果好、用量少、價(jià)格低，因此在工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。

水劑清洗液的主要成分包括表面活性劑、緩蝕劑和金屬螯合劑等成分。表面活性劑加入水中后，首先使油污滲透、潤(rùn)濕，并與固體表面剝離，然后被乳化、增溶并分散在水中，從而去除油污。表面活性劑分為離子型和非離子型兩類?？梢圆捎脟?、浸、刷等方法除去工件表面的油污。2.3基體表面預(yù)處理第31頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五4）電化學(xué)脫脂

電化學(xué)脫脂液的組成大體上與化學(xué)脫脂液相同，但氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸鈉和硅酸鈉等的含量一般要低些。在脫脂時(shí)，將零件掛在陰極或陽(yáng)極上，由于電極的極化作用，使油和零件界面的表面張力降低，在電解時(shí)，電極上析出的氫氣泡或氧氣泡對(duì)油膜具有強(qiáng)烈的撕裂作用，使油膜變?yōu)榧?xì)小的油珠，氣泡上升時(shí)的機(jī)械攪拌作用又可以進(jìn)一步強(qiáng)化脫脂過(guò)程。因此，電化學(xué)脫脂比一般的化學(xué)脫脂效果好、速度快。2.3基體表面預(yù)處理第32頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期五除銹

主要采用化學(xué)浸蝕，即采用酸與