表面工程技术的物理化学基础公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx
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1、第二章 表面工程技术物理、化学基础第一节第一节 固体表面和界面固体表面和界面表面表面:气相和固相之间分界面气相和固相之间分界面。界面界面:固相之间分界面固相之间分界面。一、表面一、表面1.1.抱负表面抱负表面:无限晶体中插入一个平面,分成两部分后形成:无限晶体中插入一个平面,分成两部分后形成表面。表面。特点:表面原子近邻原子数少,表面原子能量升高,特点:表面原子近邻原子数少,表面原子能量升高,表面能,引起吸附。表面能,引起吸附。2.2.洁净表面与清洁表面洁净表面与清洁表面洁净表面:洁净表面:表面化学成份和体内相同。表面化学成份和体内相同。表面吸附物覆盖几率表面吸附物覆盖几率很低。很低。得到办法
2、:得到办法:离子轰击、场致蒸发、真空沉积离子轰击、场致蒸发、真空沉积。清洁表面:清洁表面:通过清洗(脱脂、浸蚀)以后得到表面。通过清洗(脱脂、浸蚀)以后得到表面。第1页第1页n n3.3.机械加工表面机械加工表面粗糙度粗糙度:轮廓算术平均偏差(轮廓算术平均偏差(R Ra a)F F1 1+F+F3 3+.+F+.+Fn-n-1 1=F=F2 2+F+F4 4+F+Fn n抛光:抛光:Ra 0.4umRa 0.4um热喷涂:热喷涂:Ra 3.2-Ra 3.2-12.5um.12.5um.第2页第2页第3页第3页第4页第4页4.4.普通表面普通表面普通表面普通表面普通材料表面往往普通材料表面往往普
3、通材料表面往往普通材料表面往往吸附一层外来原子吸附一层外来原子吸附一层外来原子吸附一层外来原子,假如是金属,表面还会,假如是金属,表面还会,假如是金属,表面还会,假如是金属,表面还会存在氧化皮存在氧化皮存在氧化皮存在氧化皮。二界面二界面二界面二界面1.1.冶金结合界面冶金结合界面冶金结合界面冶金结合界面.涂层材料熔化,基体表面半熔化,凝固结晶以后形成界面涂层材料熔化,基体表面半熔化,凝固结晶以后形成界面涂层材料熔化,基体表面半熔化,凝固结晶以后形成界面涂层材料熔化,基体表面半熔化,凝固结晶以后形成界面.实质是金属健结实质是金属健结实质是金属健结实质是金属健结合合合合.激光熔覆、堆焊、喷焊。激光
4、熔覆、堆焊、喷焊。第5页第5页2.2.扩散结合界面扩散结合界面扩散结合界面扩散结合界面.两个固相直接接触时,通过扩散和反应形成结合界面两个固相直接接触时,通过扩散和反应形成结合界面两个固相直接接触时,通过扩散和反应形成结合界面两个固相直接接触时,通过扩散和反应形成结合界面.特点是涂层和基体间特点是涂层和基体间呈现成份梯度改变呈现成份梯度改变.渗碳,氮化渗碳,氮化.3.3.外延生长界面外延生长界面外延生长界面外延生长界面.在单晶体表面沿本来结晶轴向生长成新单晶层工艺过程,就称为外在单晶体表面沿本来结晶轴向生长成新单晶层工艺过程,就称为外在单晶体表面沿本来结晶轴向生长成新单晶层工艺过程,就称为外在
5、单晶体表面沿本来结晶轴向生长成新单晶层工艺过程,就称为外延生长。延生长。延生长。延生长。共格界面共格界面共格界面共格界面。气相外延气相外延气相外延气相外延 、液相外延。液相外延。液相外延。液相外延。4.4.化学健结合界面化学健结合界面化学健结合界面化学健结合界面涂层材料和基体之间涂层材料和基体之间涂层材料和基体之间涂层材料和基体之间发生化学反反应发生化学反反应发生化学反反应发生化学反反应,形成成份固定化合物时形成成份固定化合物时形成成份固定化合物时形成成份固定化合物时,形成,形成,形成,形成界面界面界面界面 。特点是结合强度较高,但是韧性较差。特点是结合强度较高,但是韧性较差。第6页第6页第7
6、页第7页5.5.分子健结合界面分子健结合界面分子健结合界面分子健结合界面涂层和基体间以涂层和基体间以涂层和基体间以涂层和基体间以范德华力结合界面范德华力结合界面范德华力结合界面范德华力结合界面。有机粘结涂层与基体间结合界。有机粘结涂层与基体间结合界。有机粘结涂层与基体间结合界。有机粘结涂层与基体间结合界面。面。面。面。6.6.机械结合界面机械结合界面机械结合界面机械结合界面涂层和基体间结合靠两种材料互相镶嵌在一起机械连接形成。热喷涂层和基体间结合靠两种材料互相镶嵌在一起机械连接形成。热喷涂层和基体间结合靠两种材料互相镶嵌在一起机械连接形成。热喷涂层和基体间结合靠两种材料互相镶嵌在一起机械连接形
7、成。热喷涂属于机械结合界面。涂属于机械结合界面。涂属于机械结合界面。涂属于机械结合界面。第8页第8页三表面晶体结构三表面晶体结构TLKTLK模型:平台模型:平台模型:平台模型:平台(TerraceTerrace)-台阶台阶台阶台阶(LedgeLedge)-扭折扭折扭折扭折(Kink)(Kink)模型。模型。模型。模型。基本思想是基本思想是基本思想是基本思想是:在温度相称于:在温度相称于:在温度相称于:在温度相称于0K0K时,表时,表时,表时,表面原子呈静态。表面原子层可认为是理面原子呈静态。表面原子层可认为是理面原子呈静态。表面原子层可认为是理面原子呈静态。表面原子层可认为是理想平面,其中原子
8、作二维周期排列,并想平面,其中原子作二维周期排列,并想平面,其中原子作二维周期排列,并想平面,其中原子作二维周期排列,并且不存在缺点和杂质。当温度从且不存在缺点和杂质。当温度从且不存在缺点和杂质。当温度从且不存在缺点和杂质。当温度从0K0K升升升升到到到到T T时,由于原子热运动,晶体表面时,由于原子热运动,晶体表面时,由于原子热运动,晶体表面时,由于原子热运动,晶体表面将产生低晶面指数平台、一定密度将产生低晶面指数平台、一定密度将产生低晶面指数平台、一定密度将产生低晶面指数平台、一定密度单分子或原子高度台阶、单分子或原单分子或原子高度台阶、单分子或原单分子或原子高度台阶、单分子或原单分子或原
9、子高度台阶、单分子或原子尺度扭折以及表面吸附单原子及子尺度扭折以及表面吸附单原子及子尺度扭折以及表面吸附单原子及子尺度扭折以及表面吸附单原子及表面空位等。表面空位等。表面空位等。表面空位等。形成原因:形成原因:原子热运动。原子热运动。第9页第9页四表面扩散四表面扩散四表面扩散四表面扩散菲克菲克菲克菲克(Fick)(Fick)扩散第一定律和扩散第二定律扩散第一定律和扩散第二定律扩散第一定律和扩散第二定律扩散第一定律和扩散第二定律t t为扩散时间为扩散时间,c c为几何原因决定常数为几何原因决定常数,DD是扩散系数是扩散系数扩散系数扩散系数DD,其大小与温度和其大小与温度和扩散激活能扩散激活能QQ
10、。激活能顺序为激活能顺序为QQ表表QQ界界QQ位位Q D D界界 D D位位 D D体体TLKTLK模型解释模型解释:由于表面原子受约束程度比界面或体内要低多,原子在:由于表面原子受约束程度比界面或体内要低多,原子在表面迁移所需要克服能垒也就小得多。因此表面扩散在表面工程技术表面迁移所需要克服能垒也就小得多。因此表面扩散在表面工程技术中薄膜形核、长大过程中发挥着十分关键作用。中薄膜形核、长大过程中发挥着十分关键作用。第10页第10页n n五表面能及表面张力n n1.表面能n n表面自由能:物理意义是指产生1cm2新表面需消耗等温n n可逆功。液体:圆球形.固体:不同指数晶面组成。n n2.表面
11、张力n n表面张力是表面能一个物理表现,是因为原子间作用力n n以及在表面和内部排列状态差异引发。表面张力能够n n经过比热法测出来。对于液体,表面自由能和表面张力是相n n等。第11页第11页六固体表面物理吸附和化学吸附六固体表面物理吸附和化学吸附六固体表面物理吸附和化学吸附六固体表面物理吸附和化学吸附1.1.吸附基本特性吸附基本特性吸附基本特性吸附基本特性物体表面上分子或原子力场不饱和,有吸引周围其它物质(气体、液体)物体表面上分子或原子力场不饱和,有吸引周围其它物质(气体、液体)物体表面上分子或原子力场不饱和,有吸引周围其它物质(气体、液体)物体表面上分子或原子力场不饱和,有吸引周围其它
12、物质(气体、液体)分子能力,就是吸附作用。是表面最主要性质之一分子能力,就是吸附作用。是表面最主要性质之一分子能力,就是吸附作用。是表面最主要性质之一分子能力,就是吸附作用。是表面最主要性质之一。2.2.固体表面吸附分为物理吸附和化学吸附,物理固体表面吸附分为物理吸附和化学吸附,物理固体表面吸附分为物理吸附和化学吸附,物理固体表面吸附分为物理吸附和化学吸附,物理吸附力是吸附力是吸附力是吸附力是范德华力范德华力范德华力范德华力。化学吸附中力是。化学吸附中力是。化学吸附中力是。化学吸附中力是化学键化学键化学键化学键。化学吸附结合力比物理吸附大多了。化学吸附结合力比物理吸附大多了。化学吸附结合力比物
13、理吸附大多了。化学吸附结合力比物理吸附大多了。3.3.固体对气体、液体、固体吸附固体对气体、液体、固体吸附固体对气体、液体、固体吸附固体对气体、液体、固体吸附第12页第12页七固体表面润湿七固体表面润湿七固体表面润湿七固体表面润湿1.1.润湿现象和机理润湿现象和机理润湿现象和机理润湿现象和机理能被水润湿物质叫能被水润湿物质叫能被水润湿物质叫能被水润湿物质叫亲水物质亲水物质亲水物质亲水物质。不能被水润湿物质叫。不能被水润湿物质叫。不能被水润湿物质叫。不能被水润湿物质叫疏水物质疏水物质疏水物质疏水物质。表示办法:润湿角表示办法:润湿角表示办法:润湿角表示办法:润湿角 当当9090900 0时称为不
14、润湿时称为不润湿。角越大,润湿性越不好,角越大,润湿性越不好,=180=1800 0时,称为完全不润湿。这时,液滴在固时,称为完全不润湿。这时,液滴在固 体表面呈圆球型。体表面呈圆球型。润湿性高下,与界面张力相关。润湿性高下,与界面张力相关。润湿性高下,与界面张力相关。润湿性高下,与界面张力相关。S-GS-G=S-LS-L+L-GL-G cos cos或或或或 cos=(cos=(S-GS-G-S-LS-L)/)/L-G L-G 称为称为称为称为YoungYoung方程方程方程方程,表示了润湿角大小与界面张力之间关系。,表示了润湿角大小与界面张力之间关系。,表示了润湿角大小与界面张力之间关系。
15、,表示了润湿角大小与界面张力之间关系。第13页第13页从从从从YoungYoung方程能够看出:方程能够看出:方程能够看出:方程能够看出:(1 1)当当当当 S-GS-GS-LS-L时时时时,coscos为正值,为正值,为正值,为正值,90900 0,相应,相应,相应,相应 润润润润湿状态湿状态湿状态湿状态。(2 2)当当当当 S-GS-G90900 0,相应不,相应不,相应不,相应不润湿状态润湿状态润湿状态润湿状态。从从YoungYoung方程能够看出,方程能够看出,表面能高固体比表面能低固更容易表面能高固体比表面能低固更容易被液体所润湿。被液体所润湿。依据表面能高下,表面能够分为依据表面能
16、高下,表面能够分为低能表面低能表面和和高能表面高能表面。低能表面低能表面:表面能表面能0.1Nm0.1Nm-1-1,固体有机物和高聚物固体有机物和高聚物.高能表面高能表面:1-10 Nm1-10 Nm-1-1,金属及其氧化物、硫化物、无机金属及其氧化物、硫化物、无机 等表面等表面。机理:机理:润湿作用能够从分子间作用力来解释。液体分子润湿作用能够从分子间作用力来解释。液体分子 吸引力吸引力00时时时时,液体在固体表面自动展开,液体在固体表面自动展开,液体在固体表面自动展开,液体在固体表面自动展开。这时。这时。这时。这时YoungYoung方程已方程已方程已方程已不合用。铺展是润湿最高原则。不合
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