[理学]固体表面特征.pptVIP

教学目的与要求 介绍表面形貌的概念，掌握表征表面形貌的参数及其计算方法，了解表面形貌的测量方法； 介绍金属表面的基本特性，了解金属表面的物理吸附和化学吸附现象； 1. 固体表面的特点 金属表面的实际构成示意图 二、清洁表面 是指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面。 制备清洁表面对于表面分析，特别是对表面结构的分析是非常重要的。 可以采用真空蒸发、磁控溅射、分子束外延等方法得到比较纯净的薄膜材料，作为研究清洁表面结构的试样。 三、表面结构 1. 金属的晶格类型 金属及其合金都是由原子或分子所组成的一种物质的凝聚集态，金属的性能不仅取决于其组成原子的本性和原子间结合键的类型，同时也取决于原子规则排列的方式。 固态金属规则排列的原子即称为晶体结构。 基本排列形式有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。 在常用金属中： 体心立方晶格：铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、铁(α-Fe)等。 面心立方晶格：铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和铁(γ-Fe)等。 密排六方晶格：镁(Mg)、镉(Cd)、铍(Be)、锌（Zn）等。 2．晶体结构变化 晶体结构的变化可以改变金属表面的摩擦特性。如元素钴在加热时，晶体结构从常温的密排六方晶格转变为面心立方晶格，摩擦系数增大，而当温度降到室温时，摩擦系数将减小到原来的数字。而四氯化物在温度升高到222.5K时，摩擦系数大大降低。 在摩擦力的作用下，表层反复变形，温度也随之变化，接触区的晶体结构和材料结构在不断变化，导致互相作用的两表面摩擦特性的改变。所以原子由有序排列状态转化为无序排列状态是材料结构变化的重要因素之一 表面上方原子的空缺，必然导致晶体表面电荷分布的变化，从而使表面原子排列或多或少发生变化。不过，实验分析表明，很多晶体材料的表面有着近乎理想的原子排列。当然，也有很多例外。 金属表面出现“断键”，原子的能量会升高，为了达到一个较稳定的状态，电子也要重新分布，也就是说电子与离子、电子与电子之间的交互作用都会发生变化，使表面与体内的电子分布不同，一般要在表面形成一电偶层，可降低十分之几电子伏特的表面能。 材料表面电子结构的不同，在很大程度决定表面的化学性质，对金属表面的吸附和粘着是非常重要的。 四、表面缺陷 按照几何特征，晶体缺陷主要分为： （1） 点缺陷 （2） 线缺陷 （3） 面缺陷 2.2 表面张力与表面能 表面张力 表面张力 表面能的物理图像 晶面的表面能 表面能 物质的表面能和界面能 界面能 1.典型表面的结构组成 表面的组成与材料所处的状态有密切关系 (1) 变形层 又称应变层或加工硬化层，它是材料表面区域的重要组成部分。摩擦过程也会形成变形层。 （2）贝氏层 贝氏层是加工过程中表面分子产生溶解和表面产生流动之后淬火硬化而沉积的表层，它属于非晶或微晶结构。 (3) 表面吸附与化学反应层 物理吸附 硬脂酸在固体表面物理吸附 化学吸附 硬脂酸化学吸附 物理吸附和化学吸附的比较 表面化学反应 2.4 表面形貌 机械零件的表面形貌直接影响其磨损、疲劳与腐蚀，以及接触刚度和传热性能，影响界面间的导电性能与密封性能。 磨具的表面形貌影响它的磨削性能； 喷涂表面预处理后的形貌影响表面涂层(如油漆)的质量与外观； 飞机跑道的表面形貌影响飞机起降的平稳性与飞机机件的寿命； 公路路面的表面形貌影响汽车行驶的平稳性与汽车的寿命； 海洋表面的形貌直接同船舶航行有关，而电子的发射、电磁波的反射也同器件的表面形貌有密切的关系。 所以，表面形貌越来越为工程技术界所重视。 表面形貌 形状误差：实际表面形状与理想表面形状的宏观偏差 波纹度：表面周期性重复出现的几何形状误差 表面粗糙度：表面微观几何形状误差 波纹度和粗糙度的主要区别是波长不同 2.4.1 表面粗糙度国家标准  2.4.1.1 基本术语 1.实际轮廓（表面轮廓） 实际轮廓是指平面与实际表面相交所得的轮廓线。 一、固体的表面形貌一维表征 宏观和微观粗糙度 1、表面轮廓高度方向一维表征 （2）轮廓均方根偏差（Rq，简称RMS,Root mean square） （3）微观不平度十点平均高度（Rz） （4）轮廓最大高度（Ry） Ra值相同的轮廓 2、表面轮廓水平方向的表征 （2）轮廓微观不平度的平均间距Sm 二、固体表面形貌的二维表征 1.轮廓高度分布的概率密度函数 2.概率密度函数 正态分布 3.支承面积曲线 三、固体表面形貌的三维表征（图形法、参数法、随机过程法） 四、固体表面形貌的分形（Fractal）表征 （3）摩擦面、承受高压和交变载荷的工作面的粗糙度