材料磨損與耐磨材料(第2章)

1、1第一篇第一篇 材料磨損基礎(chǔ)材料磨損基礎(chǔ)Chapter 1: 材料的磨損材料的磨損Chapter 2: 固體表面結(jié)構(gòu)與接觸特性固體表面結(jié)構(gòu)與接觸特性Chapter 3: 材料的磨損機(jī)理材料的磨損機(jī)理2Chapter 2: 固體表面結(jié)構(gòu)與接觸特性固體表面結(jié)構(gòu)與接觸特性2.1 固體表面的幾何形貌固體表面的幾何形貌2.2 固體表面的表征方法固體表面的表征方法2.3 物體接觸與實(shí)際接觸面積物體接觸與實(shí)際接觸面積2.4 固體表面結(jié)構(gòu)固體表面結(jié)構(gòu) 32.1 固體表面的幾何形貌固體表面的幾何形貌 不僅是金屬，凡是固體其表面形貌都很復(fù)雜。這是因?yàn)槿魏螜C(jī)器零件的表面都要留下其加工制造工藝過程所產(chǎn)生的痕跡。如鑄件

2、表面，金屬在鑄型中凝固時(shí)留下的粗糙的表面；鍛壓件表面留下金屬成型過程中壓力加工的表面；機(jī)械加工零件表面留下的機(jī)加工刀痕，切屑分離時(shí)的塑性變形等。42.1 固體表面的幾何形貌固體表面的幾何形貌所有這些都造成零件的實(shí)際表面與理想的絕對光滑的、平整的表面存在有一定的幾何形狀的誤差，如下圖所示。這種形狀誤差可分為三類： 固體表面幾何形狀誤差1形狀誤差；形狀誤差；2波紋；波紋；3粗糙度粗糙度52.1 固體表面的幾何形貌固體表面的幾何形貌(1)(1)宏觀幾何形狀誤差宏觀幾何形狀誤差：即表面形狀誤差。對于平面，用不直度和不平度表示，對于圓柱面，用不圓度，橢圓度、不圓柱度等表示，如圖所示，表示形狀誤差。 固體

3、表面幾何形狀誤差1形狀誤差；形狀誤差；2波紋；波紋；3粗糙度粗糙度62.1 固體表面的幾何形貌固體表面的幾何形貌 固體表面幾何形狀誤差1形狀誤差；形狀誤差；2波紋；波紋；3粗糙度粗糙度(2)(2)表面波紋度表面波紋度：零件表面周期性重復(fù)出現(xiàn)的一種幾何形狀誤差。波紋度有兩個(gè)重要參數(shù)，即波高和波距。波高Hb表示波峰和波谷間的高度差，波距Lb表示相鄰兩波形對應(yīng)點(diǎn)的間距，如圖所示。波紋度的變化會(huì)影響零件的實(shí)際支承表面的面積，從而影響磨損。72.1 固體表面的幾何形貌固體表面的幾何形貌(3)(3)表面粗糙度表面粗糙度：是指比表面波紋度更微觀尺度上的幾何形狀誤差。通常是指毫米尺度以下范圍內(nèi)表面凹凸不平的情

4、況，而波紋度的波距較長，一般在1-10毫米范圍。表面粗糙度的評定指標(biāo)一般采用輪廓算術(shù)平均偏差輪廓算術(shù)平均偏差R Ra a、微觀不平度微觀不平度十點(diǎn)平均高度十點(diǎn)平均高度R Rz z及輪廓均方根偏差輪廓均方根偏差R Rq q. .8Chapter 2: 固體表面結(jié)構(gòu)與接觸特性固體表面結(jié)構(gòu)與接觸特性2.1 固體表面的幾何形貌固體表面的幾何形貌2.2 固體表面的表征方法固體表面的表征方法2.3 物體接觸與實(shí)際接觸面積物體接觸與實(shí)際接觸面積2.4 固體表面結(jié)構(gòu)固體表面結(jié)構(gòu)92.2 固體表面的表征方法固體表面的表征方法2.2.1 輪廓算術(shù)平均偏差輪廓算術(shù)平均偏差Ra 如下圖所示是在取樣長度l內(nèi)，被測輪廓上

5、各點(diǎn)輪廓中心線m-m的距離(y1，y2，yn)絕對值總和的算術(shù)平均值。101( )aRy x dxl11naiiRyn其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：或102.2 固體表面表征方法固體表面表征方法2.2.2 微觀不平度十點(diǎn)平均高度微觀不平度十點(diǎn)平均高度Rz 它是指在取樣長度l內(nèi)5個(gè)最大的輪廓峰高(絕對值）的平均值和5個(gè)最大輪廓谷深（絕對值）的平均值之和，如下圖所示：55115iipviizyyR其數(shù)學(xué)表達(dá)式：112.2 固體表面表征方法固體表面表征方法2.2.3 輪廓均方根偏差輪廓均方根偏差Rq 它是指在取樣長度l內(nèi)輪廓偏距的均方根值。1201( )zRyx dxl其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：122.2 固體表面表征方法

6、固體表面表征方法NOTE ! 上述三種參數(shù)僅反映表面高度方向的粗糙度，但不能反映表面峰、谷輪廓的斜度和其出現(xiàn)頻率的情況。為了克服這一點(diǎn)，可采用表面輪廓在水平方向的參數(shù)和二維參數(shù)來補(bǔ)充評定表面的形貌：1.輪廓微觀不平度的平均間距輪廓微觀不平度的平均間距Sm；2.輪廓單峰平均間距輪廓單峰平均間距S132.2 固體表面表征方法固體表面表征方法 (1)輪廓微觀不平度的平均間距輪廓微觀不平度的平均間距Sm，它是指在取樣長度l內(nèi)輪廓在中線m-m上間距pmi的算術(shù)平均值，如圖所示。 pmi為含有一個(gè)輪廓蜂和相鄰輪廓谷的一段中線長度。反映表面峰、谷輪廓的斜度。11nmmiiSpn142.2 固體表面表征方法固

7、體表面表征方法 (2)輪廓單峰平均間距輪廓單峰平均間距S，它是指在取樣長度l內(nèi)輪廓的單峰間距Pi的平均值，見下圖所示。反映表面單峰出現(xiàn)的頻率。11niiSpn152.2 固體表面表征方法固體表面表征方法2.2.4 輪廓支承面曲線輪廓支承面曲線 它表示表面輪廓上各微凸體沿高度分布的情況，也可以反映出摩擦表面磨損到某一定程度時(shí)，支承面積大小。表面上微凸體的高度分布支承面曲線如圖所示：其中：P為輪廓最高峰點(diǎn)至截線間的距離。 P0為最高峰點(diǎn)至最深谷的距離162.2 固體表面表征方法固體表面表征方法l 輪廓支撐面曲線可用作圖法求得，它是在取樣長度l內(nèi)，作任一平行于中線m-m的線與輪廓相截后得到的各段截線

8、長度之和與取樣長度l之比。即：pabcdtl 其中：P為輪廓最高峰點(diǎn)至截線間的距離。 P0為最高峰點(diǎn)至最深谷的距離172.2 固體表面表征方法固體表面表征方法輪廓支承面曲線輪廓支承面曲線表示表面輪廓上各微凸體沿高度分布的情況，反映出摩擦表面磨損到某一定程度時(shí)，支承面積大小。該參數(shù)對研究摩擦表面的接觸狀態(tài)和表面耐磨性有重要作用。其中：P為輪廓最高峰點(diǎn)至截線間的距離。 P0為最高峰點(diǎn)至最深谷的距離 18課內(nèi)題：課內(nèi)題：請畫出輪廓支承面曲線，并說明摩擦表面特征請畫出輪廓支承面曲線，并說明摩擦表面特征192.2 固體表面表征方法固體表面表征方法NOTENOTE：上述表征固體表面形貌的參數(shù)只能反映：上述

9、表征固體表面形貌的參數(shù)只能反映被測表面某一截面上的形貌。為了反映固體表被測表面某一截面上的形貌。為了反映固體表面上某一區(qū)域的全部形貌，近年來開始研究表面上某一區(qū)域的全部形貌，近年來開始研究表面的三維形貌，即在面的三維形貌，即在x x、y y表面上描繪出形貌輪表面上描繪出形貌輪廓后，再使被側(cè)表面相對于輪廓儀測頭在廓后，再使被側(cè)表面相對于輪廓儀測頭在z z軸軸方向移動(dòng)一個(gè)微小的距離，然后再測出一條表方向移動(dòng)一個(gè)微小的距離，然后再測出一條表面輪廓線，這樣就可以得到由一組間隔很密的面輪廓線，這樣就可以得到由一組間隔很密的輪廓線組成的三維形貌圖，如下圖所示：輪廓線組成的三維形貌圖，如下圖所示：202.2

10、 固體表面表征方法固體表面表征方法激光共焦掃描顯微鏡激光共焦掃描顯微鏡21Chapter 2: 固體表面結(jié)構(gòu)與接觸特固體表面結(jié)構(gòu)與接觸特性性2.1 固體表面的幾何形貌固體表面的幾何形貌2.2 固體表面的表征方法固體表面的表征方法2.3 物體接觸與實(shí)際接觸面積物體接觸與實(shí)際接觸面積2.4 固體表面結(jié)構(gòu)固體表面結(jié)構(gòu)222.3 物體接觸與實(shí)際接觸面積物體接觸與實(shí)際接觸面積2.3.1 2.3.1 物體摩擦表面接觸特點(diǎn)物體摩擦表面接觸特點(diǎn) 對于所有固體的真實(shí)表面都是凹凸不平的，當(dāng)兩個(gè)凹凸不平的固體表面相接觸時(shí)，并不是整個(gè)表面都接觸，只是凸起的微峰之間形成接觸點(diǎn)，當(dāng)兩者的距離足夠近，會(huì)產(chǎn)生原子的作用力。接

11、觸點(diǎn)以外區(qū)域表面間的原子不存在作用力，因?yàn)閮杀砻媸潜煌耆糸_。這種接觸具有不連續(xù)性和不均勻性不連續(xù)性和不均勻性。見下圖所示：232.3 物體接觸與實(shí)際接觸面積物體接觸與實(shí)際接觸面積接觸面積可分三種接觸面積可分三種：名義接觸面積名義接觸面積：由物體表面接觸的外部尺寸決定，以An表示，Ana x b242.3 物體接觸與實(shí)際接觸面積物體接觸與實(shí)際接觸面積輪廓接觸面積輪廓接觸面積:物體接觸表面凸峰被壓扁的部分構(gòu)成的面積，如上圖中虛線所包圍的面積，以Ap表示；實(shí)際接觸面積實(shí)際接觸面積：物體真實(shí)接觸的面積，如上圖中虛線包圍的各小黑點(diǎn)面積的總和，以Af表示。 252.3 物體接觸與實(shí)際接觸面積物體接觸與實(shí)

12、際接觸面積l 因此：兩物體表面接觸時(shí)，實(shí)際接觸面積只是名義接觸面積的千分之幾甚至萬分之幾。這樣即使作用在整個(gè)接觸面積上的載荷F很小，但接觸點(diǎn)上的應(yīng)力卻很大，隨著F的增加，接觸點(diǎn)上的應(yīng)力逐步達(dá)到材料的屈服極限s ，便產(chǎn)生塑性流動(dòng)，因而增大接觸面積和接觸點(diǎn)數(shù)，此時(shí)應(yīng)力并不增加。當(dāng)Ar和s乘積等于載荷F時(shí)，接觸點(diǎn)上的塑性流動(dòng)停止。rsFA 由此鮑登和泰博鮑登和泰博提出以下公式：262.3 物體接觸與實(shí)際接觸面積物體接觸與實(shí)際接觸面積 當(dāng)時(shí)他們認(rèn)為表面微峰頂部的曲率半徑r很小,所以接觸應(yīng)力很容易達(dá)到s而產(chǎn)生塑性變形。但后來許多實(shí)驗(yàn)證明：實(shí)際接觸面積和表面粗糙度有關(guān)，即和微峰頂部曲率半徑和微峰高度分布狀

13、況有關(guān)，表面間的接觸變形不完全是塑性變形而有彈性變形部分。當(dāng)載荷F增加時(shí)，表面接觸變形y經(jīng)歷了彈性變形、彈-塑性變形和完全塑性變形三個(gè)階段，如下圖所示。272.3 物體接觸與實(shí)際接觸面積物體接觸與實(shí)際接觸面積282.3 物體接觸與實(shí)際接觸面積物體接觸與實(shí)際接觸面積 在實(shí)際中，對摩擦面施加的載荷是重復(fù)加載的。微峰頂?shù)那拾霃?r 經(jīng)過摩擦和磨損后會(huì)顯著地增大，如圖所示如圖所示：292.3 物體接觸與實(shí)際接觸面積物體接觸與實(shí)際接觸面積 而且表面的微峰硬度會(huì)隨著加載的進(jìn)表面的微峰硬度會(huì)隨著加載的進(jìn)行不斷增加行不斷增加：表面的微峰硬度表面的微峰硬度在第一次加載后約提高5-15，多次重復(fù)加載后可提高20

14、%-80%。因此，即使在初次加載時(shí)出現(xiàn)了塑性變形，但在重復(fù)加載(載荷大小不超過初始值)時(shí)塑性變形將逐步蛻變?yōu)閺椥宰冃巍?02.3 物體接觸與實(shí)際接觸面積物體接觸與實(shí)際接觸面積2.3.2 兩固體表面的實(shí)際接觸面積兩固體表面的實(shí)際接觸面積 在實(shí)際接觸面積的大量實(shí)驗(yàn)中，總結(jié)出形成過程的一些特點(diǎn)： (1)由于表面祖糙度具有離散性，所以它們的接觸也具有離散性； (2)實(shí)際的接觸點(diǎn)不僅由塑性變形而且也有彈性變形所產(chǎn)生； (3)實(shí)際接觸面積隨載荷的增加而增大，接觸斑點(diǎn)的平均面積幾乎保持不變，而是接觸斑點(diǎn)數(shù)量增加，所以實(shí)際接觸面積的增加主要是由于接觸斑點(diǎn)的增加。31Chapter 2: 固體表面結(jié)構(gòu)與接觸特性

15、固體表面結(jié)構(gòu)與接觸特性2.1 固體表面的幾何形貌固體表面的幾何形貌2.2 固體表面的表征方法固體表面的表征方法2.3 物體接觸與實(shí)際接觸面積物體接觸與實(shí)際接觸面積2.4 固體表面結(jié)構(gòu)固體表面結(jié)構(gòu)322.4 固體表面結(jié)構(gòu)固體表面結(jié)構(gòu)2.4.1 固體表面概念及認(rèn)識固體表面概念及認(rèn)識2.4.2 固體表面的基本特征固體表面的基本特征2.4.3 晶體的表面結(jié)構(gòu)晶體的表面結(jié)構(gòu)332.4.1 固體表面概念及認(rèn)識固體表面概念及認(rèn)識固體表面是指固氣界面或固液界面。固體表面是指固氣界面或固液界面。它實(shí)際上是由凝聚態(tài)物質(zhì)靠近氣體或真空的它實(shí)際上是由凝聚態(tài)物質(zhì)靠近氣體或真空的一個(gè)或幾個(gè)原子層（一個(gè)或幾個(gè)原子層（0.5

16、10nm）組成，是）組成，是凝聚態(tài)對氣體或真空的一種過渡凝聚態(tài)對氣體或真空的一種過渡 .任何表面系統(tǒng)都有自發(fā)降低其表面能的趨勢。任何表面系統(tǒng)都有自發(fā)降低其表面能的趨勢。 問題問題1：液體以什么樣的方式降低表面能？：液體以什么樣的方式降低表面能？ 問題問題2：固體以什么樣的方式降低表面能？：固體以什么樣的方式降低表面能？34 在表面張力的作用下，液體是以形成球形表面來在表面張力的作用下，液體是以形成球形表面來降低表面能，降低表面能， 而固體由于質(zhì)點(diǎn)不能自由流動(dòng)，只能借助于離子而固體由于質(zhì)點(diǎn)不能自由流動(dòng)，只能借助于離子重排、變形、極化并引起晶格畸變來降低表面能。重排、變形、極化并引起晶格畸變來降低

17、表面能。352.4.1 固體表面概念及認(rèn)識固體表面概念及認(rèn)識材料的摩擦與磨損和它的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般材料表面層的性質(zhì)與整體性質(zhì)之間可能有很大的差異，如金屬材料如下圖所示如下圖所示，362.4.1 固體表面概念及認(rèn)識固體表面概念及認(rèn)識金屬的最表層約有30厚的污染層，還有厚度約為3的氣體吸附層和100左右的金屬氧化層。金屬表層在加工過程中由于晶格歪曲變形以及最外層分子在熔化后驟然冷卻而形成的微細(xì)結(jié)晶結(jié)構(gòu)層，比金屬基體要硬，這層結(jié)構(gòu)稱為硬化層。372.4 固體表面結(jié)構(gòu)固體表面結(jié)構(gòu)2.4.1 固體表面概念及認(rèn)識固體表面概念及認(rèn)識2.4.2 固體表面的基本特征固體表面的基本特征2.4.3 晶體的表面結(jié)構(gòu)

18、晶體的表面結(jié)構(gòu)382.4.2 固體表面的基本特征固體表面的基本特征 1. 固體表面的基本特征固體表面的基本特征-不均一性不均一性u絕大多數(shù)晶體是各向異性的，這一性質(zhì)也體現(xiàn)在不同方位的表面上。u同種固體的表面性質(zhì)會(huì)發(fā)生與制備或加工過程密切相關(guān)的變化。392.4.2 固體表面的基本特征固體表面的基本特征u 晶體中晶格缺陷如空位或位錯(cuò)等也會(huì)在表面存在并引起表面性質(zhì)的變化。u 固體暴露在空氣中，其表面被外來物質(zhì)所污染，被吸附的外來原子可占據(jù)不同的表面位置，形成有序或無序排列。u 從原子尺度上，實(shí)際固體表面并非光滑，是凹凸不平的 。40請問這些分別影響材料哪些層？請問這些分別影響材料哪些層？u 晶體是各

19、向異性的。u 制備或加工過程。u 晶體中晶格缺陷如空位或位錯(cuò)。u 固體暴露在空氣中，其表面被外來物質(zhì)所污染。u 從原子尺度上，實(shí)際固體表面并非光滑，是凹凸不平的 。412.4.2 固體表面的基本特征固體表面的基本特征 2. 固體表面的基本特征固體表面的基本特征表面力場表面力場u 晶體中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)周圍都存在一個(gè)力場。u 在晶體內(nèi)部這個(gè)力場是對稱的。u 但在固體表面，質(zhì)點(diǎn)排列的周期性被中斷，使處于表面上的質(zhì)點(diǎn)力場對稱性破壞，產(chǎn)生有指向的剩余力場，這種剩余力場表現(xiàn)出固體表面對其他物質(zhì)有吸引作用（如吸附、潤濕等），這種作用力稱為固體表面力。422.4.2 固體表面的基本特征固體表面的基本特征l 2.1

20、化學(xué)力化學(xué)力u 化學(xué)力本質(zhì)是靜電力化學(xué)力本質(zhì)是靜電力。主要來自表面質(zhì)點(diǎn)的不飽和鍵，當(dāng)固體表面質(zhì)點(diǎn)和被吸附物間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移時(shí)，形成化學(xué)鍵，產(chǎn)生化學(xué)力。u 表面力主要可分為化學(xué)力化學(xué)力和分子引力分子引力 （分別對應(yīng)化學(xué)吸附和物理吸附）432.4.2 固體表面的基本特征固體表面的基本特征u當(dāng)固體吸附劑利用表面質(zhì)點(diǎn)的不飽和價(jià)鍵將吸附物吸附到表面之后，吸附劑可能把它的電子完全給予吸附物，使吸附物變成負(fù)離子（如吸附于大多數(shù)金屬表面上的氧氣）；或，吸附物把其電子完全給予吸附劑，而變成吸附在固體表面上的正離子（如吸附在鎢上的鈉蒸氣）。多數(shù)情況下吸附是介于上述二者之間，即在固體吸附劑和吸附物之間共有電子，并且經(jīng)

21、常是不對稱的。442.4.2 固體表面的基本特征固體表面的基本特征l 2.2 分子引力分子引力 范德華力又稱分子引力，主要來源于三種力：l 定向作用力定向作用力(靜電力靜電力)：主要發(fā)生在極性物質(zhì)之間，相鄰兩個(gè)極化電矩因極性不同而發(fā)生作用的力。l 誘導(dǎo)作用力誘導(dǎo)作用力：發(fā)生在極性物質(zhì)與非極性物質(zhì)之間，誘導(dǎo)是指在極性物質(zhì)作用下，非極性物質(zhì)被極化誘導(dǎo)出暫態(tài)的極化電矩，隨后與極性物質(zhì)產(chǎn)生定向作用。452.4.2 固體表面的基本特征固體表面的基本特征l 分散作用力分散作用力(色散力色散力)：主要發(fā)生在非極性物質(zhì)之間，非極性物質(zhì)是指其核外電子云呈球形對稱而不顯示永久的偶極矩。但就電子在繞核運(yùn)動(dòng)的某一瞬間

22、，在空間各個(gè)位置上，電子分布并非嚴(yán)格對稱，這樣就將呈現(xiàn)出瞬間的極化電矩。許多瞬間極化電矩之間以及它對相鄰物質(zhì)的誘導(dǎo)作用都會(huì)引起相互作用效應(yīng)，這稱為色散力。 462.4 固體表面結(jié)構(gòu)固體表面結(jié)構(gòu)2.4.1 固體表面概念及認(rèn)識固體表面概念及認(rèn)識2.4.2 固體表面的基本特征固體表面的基本特征2.4.3 固體的表面結(jié)構(gòu)固體的表面結(jié)構(gòu)47表面力的存在使固體表面處于較高能量狀態(tài)。但系統(tǒng)總會(huì)通過各種途徑來降低這部分過剩的能量，這就導(dǎo)致表面質(zhì)點(diǎn)的極化、變形、重排并引起原來晶格的畸變。對于不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，其表面力的大小和影響不同，因而表面結(jié)構(gòu)狀態(tài)也會(huì)不同。 2.4.3 固體的表面結(jié)構(gòu)固體的表面結(jié)構(gòu)482.4

23、固體表面的結(jié)構(gòu)固體表面的結(jié)構(gòu)2.4.1 理想表面結(jié)構(gòu)理想表面結(jié)構(gòu) 2.4.2 清潔表面結(jié)構(gòu)清潔表面結(jié)構(gòu)2.4.3 實(shí)際表面結(jié)構(gòu)實(shí)際表面結(jié)構(gòu) 492.4.1 理想表面結(jié)構(gòu)理想表面結(jié)構(gòu)如果把固體表面結(jié)構(gòu)看成和體內(nèi)相同，即體內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)不變地延續(xù)到表面后中斷，這種表面稱為理想表面。理想表面結(jié)構(gòu)是理論上結(jié)構(gòu)完整的二維點(diǎn)陣平面，l忽略了晶體內(nèi)部周期性勢場在晶體中斷的影響，l忽略了表面上原子的熱運(yùn)動(dòng)以及出現(xiàn)的缺陷和擴(kuò)散現(xiàn)象，l忽略了外界對表面的物理化學(xué)作用等對晶體表面的影響，502.4.1 理想表面結(jié)構(gòu)理想表面結(jié)構(gòu) d 這種理想表面作為半無限的晶體，體內(nèi)的原子的位置及其結(jié)構(gòu)的周期性，與原來無限的晶體完全一

24、樣。晶體的解理面可以認(rèn)為是理想表面理想表面結(jié)構(gòu)示意圖512.4 固體表面的結(jié)構(gòu)固體表面的結(jié)構(gòu)2.4.1 理想表面結(jié)構(gòu)理想表面結(jié)構(gòu) 2.4.2 清潔表面結(jié)構(gòu)清潔表面結(jié)構(gòu)2.4.3 實(shí)際表面結(jié)構(gòu)實(shí)際表面結(jié)構(gòu) 522.4.2 清潔表面結(jié)構(gòu)清潔表面結(jié)構(gòu)晶體表面是原子排列面，有一側(cè)無固體原子鍵合，形成了附加的表面能。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)到這個(gè)穩(wěn)定態(tài)的方式有兩種：l一是自行調(diào)整，原子排列情況與材料內(nèi)部明顯不同；l二是依靠表面的成分偏析和表面對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。532.4.2 清潔表面結(jié)構(gòu)清潔表面結(jié)構(gòu)

25、2.4.2.1 清潔表面的特征清潔表面的特征 清潔表面清潔表面是指不存在任何吸附、催化反應(yīng)、雜質(zhì)擴(kuò)散等物理化學(xué)效應(yīng)的表面。這種清潔表面的化學(xué)組成與體內(nèi)相同，但周期結(jié)構(gòu)可以不同于體內(nèi)。晶體表面的成分和結(jié)構(gòu)都不同于晶體內(nèi)部，一般大約要經(jīng)過46個(gè)原子層之后才與體內(nèi)基本相似，所以晶體表面實(shí)際上只有幾個(gè)原子層范圍。542.4.2 清潔表面結(jié)構(gòu)清潔表面結(jié)構(gòu)嚴(yán)格地說，清潔表面是不存在任何污染的化學(xué)純表面，即不存在吸附、催化反應(yīng)或雜質(zhì)擴(kuò)散等一系列物理、化學(xué)效應(yīng)的表面。因此，制備清潔表面是很困難的，而在幾個(gè)原子層范圍內(nèi)的清潔表面，其偏離三維周期性結(jié)構(gòu)的主要特征應(yīng)該是表面弛豫表面弛豫、表面重構(gòu)表面重構(gòu)以及以及表面

26、臺階表面臺階結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)。表面馳豫表面重構(gòu)表面臺階552.4.2 清潔表面結(jié)構(gòu)清潔表面結(jié)構(gòu)1.表面臺階表面臺階 臺階表面不是一個(gè)平面，它是由有規(guī)則臺階表面不是一個(gè)平面，它是由有規(guī)則的或不規(guī)則臺階的表面所組成。的或不規(guī)則臺階的表面所組成。112111110(001)周期周期Pt（557）有序原子臺階表面示意圖）有序原子臺階表面示意圖56弛豫表面示意圖弛豫表面示意圖 2.表面弛豫表面弛豫（surface relaxation) 由于固相的三維周期性在固體表面處突然由于固相的三維周期性在固體表面處突然中斷，表面上原子產(chǎn)生的相對于正常位置的上、中斷，表面上原子產(chǎn)生的相對于正常位置的上、下位移，稱為表面弛豫

27、。下位移，稱為表面弛豫。LiF(001)弛豫表面示意圖弛豫表面示意圖 Li F 0.1A0.35Ad0d2.4.2 清潔表面結(jié)構(gòu)清潔表面結(jié)構(gòu)572.4.2 清潔表面結(jié)構(gòu)清潔表面結(jié)構(gòu)l 發(fā)生弛豫的原因發(fā)生弛豫的原因 晶體的三維周期性在表面處突然中斷，表面上原子的配位情況發(fā)生變化，并且表面原子附近的電荷分布也有改變，使表面原子所處的力場與體內(nèi)原子不同，因此，表面上的原子會(huì)發(fā)生相對于正常位置的上、下位移以降低體系能量。 如右圖所示，表面質(zhì)點(diǎn)間的垂直距離為ds，與體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)間距do相比有所膨脹。582.4.2 清潔表面結(jié)構(gòu)清潔表面結(jié)構(gòu)l 表面結(jié)構(gòu)弛豫表面結(jié)構(gòu)弛豫 u表面結(jié)構(gòu)與體內(nèi)基本相表面結(jié)構(gòu)與體內(nèi)基本

28、相同，但點(diǎn)陣參數(shù)略有差異，同，但點(diǎn)陣參數(shù)略有差異，特別表現(xiàn)在垂直于表面質(zhì)特別表現(xiàn)在垂直于表面質(zhì)點(diǎn)方向上的法向弛豫。點(diǎn)方向上的法向弛豫。u發(fā)生弛豫現(xiàn)象的原因是發(fā)生弛豫現(xiàn)象的原因是由于表面質(zhì)點(diǎn)受力的情況由于表面質(zhì)點(diǎn)受力的情況不對稱，它可以波及幾個(gè)不對稱，它可以波及幾個(gè)質(zhì)點(diǎn)層，而每一層間的膨質(zhì)點(diǎn)層，而每一層間的膨脹（或壓縮）程度可能是脹（或壓縮）程度可能是不同的，而且越接近最表不同的，而且越接近最表層，變化越顯著。層，變化越顯著。59重構(gòu)表面示意圖重構(gòu)表面示意圖 3.表面重構(gòu)表面重構(gòu) (surface reconstruction) 重構(gòu)是指表面原子結(jié)構(gòu)在水平方向上的重構(gòu)是指表面原子結(jié)構(gòu)在水平方向上

29、的周期性周期性不同于體內(nèi)，但不同于體內(nèi)，但垂直方向的層間距垂直方向的層間距則則與體內(nèi)相同。與體內(nèi)相同。d0d0asa2.4.2 清潔表面結(jié)構(gòu)清潔表面結(jié)構(gòu)602.4.2 清潔表面結(jié)構(gòu)清潔表面結(jié)構(gòu)l 重構(gòu)后， 在平行基底的表面上，原子的平移對稱性與體內(nèi)顯著不同，原子位置作了較大幅度的調(diào)整。l 表面重構(gòu)與表面懸掛鍵有關(guān)，這種懸掛鍵是由表面原子價(jià)鍵的不飽和而產(chǎn)生的。當(dāng)表面吸附外來原子而使懸掛鍵飽和時(shí)，重構(gòu)必然發(fā)生。612.4.2 清潔表面結(jié)構(gòu)清潔表面結(jié)構(gòu)l表面結(jié)構(gòu)和體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了本質(zhì)的不同。重構(gòu)通常表現(xiàn)為表面超結(jié)構(gòu)表面超結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，即兩維晶胞的基矢按整數(shù)倍擴(kuò)大，如圖所示。62名稱 結(jié)構(gòu)示意圖 特 點(diǎn) 弛豫 表面最外層原子與第二層原子之間的距離不同于體內(nèi)原子間距（縮小或增大；也可以是有些原子間距增大，有些減?。┲貥?gòu) 在平行基底的表面上，原子的平移對稱性與體內(nèi)顯著不同，原子位置作了較大幅度的調(diào)整臺階 表面不是原子級的平坦，表面原子可以形成臺階結(jié)構(gòu)