現(xiàn)代表面技術(shù)復(fù)習(xí)題

1、現(xiàn)代表面技術(shù)復(fù)習(xí)題答案第一章1，課程的性質(zhì)、特點:“古老實用廣泛發(fā)展”。2，課程的地位、重要性“重點發(fā)展的學(xué)科”。第2章 表面科學(xué)的基本概念和理論1、 按照膜層形成方式及其作用原理，表面技術(shù)可以分為哪些類型？(1) 原子沉積 (2)顆粒沉積 (3)整體覆蓋 (4)表面改性2、 固體材料界面有哪三種？(1) 表面-固體材料與氣體或液體的分界面；(2) 晶界(或亞晶界)-多晶材料內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)相同 而取向不同的晶粒(或亞晶)之間的界面。(3) 相界-固體材料中成分、結(jié)構(gòu)不同的兩相之間的界面。3、 何謂清潔表面？何謂實際表面？清潔表面：經(jīng)過諸如離子轟擊、高溫脫附、超高真空解理、蒸發(fā)薄膜、場效應(yīng)蒸發(fā)、

2、化學(xué)反應(yīng)、分子束外延等特殊處理后，保持在10-6 Pa10-9Pa超高真空下外來沾污少到不能用一般表面分析方法探測的表面。實際表面：暴露在未加控制的大氣環(huán)境中的固體表面，或者經(jīng)過一定加工處理（如切割、研磨、拋光、清潔等），保持在常溫和常壓（也可能在低真空或者高溫）下的表面。4、 清潔表面為何存在各種類型的表面缺陷？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)到該穩(wěn)定狀態(tài)的方式有兩種：一是自行調(diào)整，表面原子排列情況與材料內(nèi)部明顯不同；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。所以清潔表面必然存在各種類型的表

3、面缺陷。5、 簡述表面馳豫和表面重構(gòu)并畫出結(jié)構(gòu)示意圖。表面弛豫：表面原子的上、下位移(壓縮或膨脹)稱為表面馳豫。表面重構(gòu)：在平行于基底的表面上，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，這種表面結(jié)構(gòu)稱為重構(gòu)（或再構(gòu)）。缺列型重構(gòu) ：是表面周期性地缺失原子列造成的超結(jié)構(gòu)。重組型重構(gòu) ：并不減少表面的原子數(shù)，但卻顯著地改變表面的原子排列方式。 6、 什么是貝爾比層？它有什么特點?貝爾比(Beilby)層： 金屬在切割、研磨和拋光時，表面原子來不及回到平衡位置，造成一定程度的晶格畸變，深度可達(dá)幾十微米。這種晶格畸變是隨深度變化的，而在最外層約5nm-10nm厚度可能會形成一種非晶態(tài)

4、層，該膜層就稱為貝爾比(Beilby)層。 其成分為金屬和它的氧化物，而性質(zhì)與體內(nèi)明顯不同。 貝爾比層具有較高的耐磨性和耐蝕性，這在機(jī)械制造時可以利用。但是，在其它許多場合，貝爾比層是有害的，例如，在硅片上進(jìn)行外延、氧化和擴(kuò)散之前要用腐蝕法除掉貝爾比層，因為它會感生出位錯、層錯等缺陷而嚴(yán)重影響器件的性能。第3章 電鍍和化學(xué)鍍1、 何謂電化學(xué)位？寫出其數(shù)學(xué)表達(dá)式并說明其用途。位于真空的孤立相的電位（一）、外電位 把單位正電荷從無窮遠(yuǎn)處的真空中移至帶電物體表面10-410-5 cm處所作的電功,稱為該點的外電位。 外電位是緊靠帶電物體表面處的電位，又稱伏打（Volta）電位，它是可以測量的。(二)

5、、 表面電位 任一表面層中，由于界面上的短程力場（范德華力，共價鍵力等）引起原子或分子偶極化并定向排列，使表面層成為一層偶極子層。單位正電荷穿越該層所做的電功稱為表面電位。(三)、 內(nèi)電位 內(nèi)電位指物體內(nèi)部某一點的電位。在數(shù)值 上等于單位正電荷由無窮遠(yuǎn)處移到帶電物體內(nèi)時反抗電場力所作的功。1mol的Mn+共攜Mn+帶nF庫侖的電量，相應(yīng)的電功為+nF (P）。因此，將1mol的正離子Mn+移入相P時，相P的吉布斯自由能的變化為：仿照化學(xué)位的定義，將 稱為電化學(xué)位。 就是離子Mn+在相P中的電化學(xué)位。定義了電化學(xué)位后，就可以象化學(xué)反應(yīng)式的平衡條件一樣，用下式來表達(dá)一個電極反應(yīng)達(dá)到平衡的條件:2、

6、 什么是絕對電位？ 寫出數(shù)學(xué)表達(dá)式；簡要說明為什么絕對電位無法測量？ 稱為該電極系統(tǒng)的絕對電位。e表示電極反應(yīng)處于平衡時該電極系統(tǒng)的絕對電位。 為了測量Cu電極與水溶液之間的內(nèi)電位之差，就要用一個高靈敏度的高阻測量儀器，例如電位差計或電阻輸入很高的半導(dǎo)體電壓表。任何這種測量電位差的儀器都有兩個輸入端。一個輸入端用良電子導(dǎo)體材料做成的導(dǎo)線如Cu導(dǎo)線同Cu電極相連接。測量儀器的另一個輸入端就應(yīng)當(dāng)同另一個相，即水溶液相連接?，F(xiàn)在的問題是怎樣才能做到使測量儀器的一個輸入端同水溶液相連接？唯一的辦法是用某一塊金屬M一端插入水溶液中，而在水溶液上面的另一端則與一根導(dǎo)線，例如也是用Cu導(dǎo)線連接，然后這根導(dǎo)線

7、接測量儀器的另一個輸入端。這個電位差E實際上是表示Cu/水溶液和M/水溶液兩個電極系統(tǒng)所組成的原電池的電動勢。3、 何謂參比電極？何謂標(biāo)準(zhǔn)電極？選擇一個電極系統(tǒng)來同被測電極系統(tǒng)組成原電池。所選擇的電極系統(tǒng)中，電極反應(yīng)必須保持平衡，而且與該電極反應(yīng)有關(guān)的反應(yīng)物質(zhì)的化學(xué)位應(yīng)保持恒定。這樣的電極系統(tǒng)叫做參比電極。以氫電極為標(biāo)準(zhǔn)電極，并規(guī)定它在任何溫度下電極電位為零。電極反應(yīng)為：標(biāo)準(zhǔn)電極電位在水溶液中，298K時， 電極物質(zhì)活度均為1時的電極電位，稱為標(biāo)準(zhǔn)電極電位。它表示電極物質(zhì)在進(jìn)行電極反應(yīng)時，相對于標(biāo)準(zhǔn)電極的得失電子的能力。4、 何謂電池電動勢？何謂電極電位？電極電位是指一待測電極與標(biāo)準(zhǔn)電極組成的

8、電池的電動勢。5、 何謂過電位？何謂陽極極化？何謂陰極極化？過電位：在一定電流密度下的電極電位與平衡電位平的差值，稱為過電位，即，平 （2）陽極極化和陰極極化由于電極上有凈電流通過，電極電位顯著地偏離未通凈電流時的起始電位的變化的現(xiàn)象稱為極化。對于陽極電極電位和陰極電極電位偏離其平衡值（未通凈電流）的現(xiàn)象，分別稱為陽極極化和陰極極化。6、簡要說明產(chǎn)生陽極極化和陰極極化的原因。（1）陽極活化極化。陽極過程是金屬離子從基體轉(zhuǎn)移到溶液中并形成水化離子的過程金屬離子進(jìn)入到溶液里的速度小于電子從陽極遷移到陰極的速度，則陽極上就會有過多的帶正電的荷的金屬離子的積累，由此引起電極雙電層上負(fù)電荷減少，于是陽極

9、電位就向正方向移動，產(chǎn)生陽極極化。這種極化稱為活化極化或電化學(xué)極化。 （2） 陽極濃差極化。 在陽極過程中產(chǎn)生的金屬離子首先進(jìn)入陽極表面附近的 溶液 中，如果進(jìn)入到溶液中的金屬離子向遠(yuǎn)離陽極表面的溶液擴(kuò)散緩慢時，陽極附近的金屬離子濃度增加，阻礙金屬繼續(xù)溶解，必然使陽極電位往正方向移動，產(chǎn)生陽極極化。這種極化稱為濃差極化。濃差極化的過電位用c表示。（3） 陽極電阻極化。在陽極過程中，由于某種機(jī)制在金屬表面上形成了鈍化膜，陽極過程受到了阻礙，使得金屬的溶解速度顯著降低，此時陽極電位劇烈地向正方向移動，由此引起的極化稱為電阻極化。其過電位用r表示。（1）陰極活化極化 陰極過程是接受電子的過程，即 如

10、果由陽極遷移過來的電子過多，由于某種原因陰極接受電子的物質(zhì)與電子結(jié)合的速度進(jìn)行得很慢，使陰極積累了剩余電子，電子密度增高，結(jié)果使陰極電位向負(fù)方向移動，產(chǎn)生陰極極化。這種由于陰極過程或電化學(xué)過程進(jìn)行得緩慢引起的極化稱作陰極活化極化或電化學(xué)極化，其過電位用a表示。（2） 陰極濃差極化。陰極附近參與反應(yīng)的物質(zhì)或反應(yīng)物擴(kuò)散較慢引起的陰極過程受阻，造成陰極電子堆積，使陰極電位向負(fù)方向移動，由此引起的極化為濃差極化，其過電位用c表示。7、 試簡述陰極極化對金屬電沉積過程的有益和有害影響。陰極極化對鍍層起的良好作用可分為兩方面：第一、有利于得到結(jié)晶細(xì)致、光亮的鍍層；第二、有利于改善鍍液的分散能力，使鍍層分布

11、均勻陰極的濃差極化：往往降低沉積速度，造成鍍層粗糙、燒焦等毛病，陰極極化太大時， 會造成嚴(yán)重析氫、電流效率降低，影響鍍層結(jié)合力，嚴(yán)重時，甚至造成起泡、起皮等缺陷。8、 法拉第電解第一定律？ 法拉第電解第二定律？ 法拉第常數(shù)F？1法拉第電解第一定律電極上所形成產(chǎn)電解物的質(zhì)量W與電流I和通電時間t成正比WkIt=kQ式中k為比例常數(shù)。2 法拉第電解第二定律 （三種表述法） 當(dāng)通過各電解液的總電量 Q相同時，在電極上析出（或溶解）的物質(zhì)的質(zhì)量 W同各物質(zhì)的化學(xué)當(dāng)量C（即原子量A與原子價Z之比值，C=A/Z）成正比。W= kIt=kQ kC。 電解第二定律也可表述為:物質(zhì)的電化學(xué)當(dāng)量k同其化學(xué)當(dāng)量C成

12、正比，即： 如通過的電量Q相同，則析出或溶解的不同物質(zhì)的化學(xué)“克當(dāng)量”數(shù)相等，即每一物質(zhì)的數(shù)量變化除以化學(xué)當(dāng)量C為一常數(shù)。法拉第常數(shù)（F）：每摩爾電子所攜帶的電荷。F=(6.02214×1023) ×(1.602176×10-19)= 96485.3383±0.0083C/mol9、 簡述采用次亞磷酸鈉作為還原劑化學(xué)鍍Ni-P的反應(yīng)機(jī)理？化學(xué)鍍鎳是用還原劑把溶液中的鎳離子還原沉積在具有催化活性的表面上。其反應(yīng)式為： NiCm2+十R Ni 十 mC十OC為絡(luò)合劑、m為絡(luò)合劑配位體數(shù)目，R、O分別為還原劑的還原態(tài)和氧化態(tài)。上式分解為：以次亞磷酸鈉為還原劑反

13、應(yīng)機(jī)理：陰極反應(yīng)： Ni2十H2PO2十H2OH2PO3+ Ni十2H+陽極反應(yīng)： R O十2e-10、什么是電偶腐蝕？ 由于腐蝕電位不同，造成同一介質(zhì)中異種金屬接觸處的局部腐蝕，就是電偶腐蝕（galvanic corrosion），亦稱接觸腐蝕或雙金屬腐蝕。11、 簡要說明能斯特方程。 第4章 金屬的氧化、磷化及著色化學(xué)轉(zhuǎn)化膜1、 鋼鐵的表面發(fā)藍(lán)（黑）處理的基本原理？鋼鐵的表面磷化處理的基本原理？鋼鐵的氧化，亦稱發(fā)藍(lán)。其實質(zhì)是通過化學(xué)或電化學(xué)等方法，在其表面生成一層薄的氧化膜，膜層厚度為0.51.5m，膜的主要成分為(Fe3O4) (即磁性氧化鐵)。鋼鐵在磷化液(某些酸式醋酸鹽為主的 溶液)

14、中處理，在表面沉積形成一層不溶于水的結(jié)晶型磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜的過程，稱之為鋼鐵的磷化。2、鋁合金的化學(xué)氧化與電化學(xué)氧化的區(qū)別?3、畫出鋁合金陽極氧化的原理示意圖. 4、根據(jù)鋁（鎂、鈦、鉭等）合金陽極氧化的原理圖以及氧化處理所用的電解質(zhì)溶液成分、電流密度、電流波形、溶液溫度、膜層性能特點、工件表面是否產(chǎn)生火花等，分別說明什么是：（1）陽極氧化？（2）硬質(zhì)氧化？（3）瓷質(zhì)氧化？（4）等離子體電解液（或者微弧）氧化？（5）哪種處理方法的氧化膜硬度最高？普通陽極氧化（硫酸、草酸、鉻酸等陽極氧化）硬質(zhì)陽極氧化1）溶液：獲得硬質(zhì)氧化膜溶液很多，如：硫酸、多種有機(jī)酸(如草酸、蘋果酸、檸檬酸、丙二酸、磺基水楊酸)混

15、合液。2）電源：電源則有交流電、直流電、交直流疊加、脈沖電流等。 3） 氧化條件：硬質(zhì)陽極氧化處理條件為：高電流密度、低溫、攪拌。電流密度為普通陽極氧化的23倍。低溫是為了抑制溶液對膜的溶解、通過攪拌降溫。 4）硬質(zhì)氧化膜性質(zhì) 硬度 鋁合金上可達(dá)HV 400600，在純鋁上可達(dá)HVl500以上。在鋁合金 中,LC4合金最易獲得硬質(zhì)氧化膜。耐磨件 硬質(zhì)陽極氧化膜，硬度高，耐磨性好。疲勞性能 工件經(jīng)硬質(zhì)陽極氧化后、疲勞性能要下降。耐熱件 硬質(zhì)陽極氧化膜熔點達(dá)2050，導(dǎo)熱系數(shù)低至67kw(m·K)，耐熱性極好。在短時間內(nèi)經(jīng)受15002000 高溫沒問題。電絕緣性 硬質(zhì)陽極氧化膜電阻率大，

16、經(jīng)封閉處理(浸絕緣漆或石臘)，擊穿電壓可達(dá)2000V。耐蝕性 耐大氣腐蝕。結(jié)合強(qiáng)度 膜與基體結(jié)合強(qiáng)度高。瓷質(zhì)陽極氧化：以鈦鹽(或鉻酐)為基礎(chǔ)的溶液，可使拋光后的硬鋁工件上獲得均勻、光滑、外觀類似塑料或瓷釉的氧化膜，稱之為瓷質(zhì)陽極氧化。瓷質(zhì)氧化膜特點：膜層致密，硬度較高，耐磨性、絕熱性、絕緣性較好，耐蝕性優(yōu)于硫酸陽極氧化膜；膜層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，可經(jīng)受沖壓加工；膜層不透明，可遮蓋加工中缺陷，裝飾效果好，對工件表面要求低；膜層吸附力好，可染成各種較深顏色。等離子微弧氧化硬度最高，氧化膜硬度最高HV120020005、 鋁合金陽極氧化膜的著（染）色方法通常有哪幾種？分別說明其優(yōu)缺點。6、 鋁合金氧化

17、膜的封孔方法有哪些？ 分別簡要說明。封閉處理方法有多種：如沸水(80一100)封孔、蒸氣封扎、金屬鹽封孔、有機(jī)物封孔，涂漆封孔和常溫封孔等多種方法。第五章 表面涂覆技術(shù)1、何謂熱噴涂？涂層的形成機(jī)理？涂層的結(jié)合機(jī)理？熱噴涂涂層的應(yīng)力狀態(tài)？熱噴涂技術(shù)：是使用某種方式的熱源，使噴涂材料加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，用高壓氣流將其霧化，并以一定速度噴射到經(jīng)過預(yù)處理的零件表面，從而形成涂層的表面加工技術(shù)。噴涂材料從進(jìn)入熱源到形成涂層可以劃分為以下四個階段：（1） 噴涂材料的熔化： 粉末噴涂材料進(jìn)入熱源高溫區(qū)域，被加熱到熔化態(tài)或軟化態(tài)；線材噴涂材料的端部在熱源高溫區(qū)加熱熔化，熔化的材料以熔滴形式存在于線材端部

18、（2） 熔化的噴涂材料的霧化： 對于線材噴涂時，端部的熔滴在外加壓縮氣流或熱源自身射流的作用下脫離線材端部，并霧化成細(xì)小熔滴向前噴射；在粉末噴涂時，不存在粉末的細(xì)化和霧化過程，直接在壓縮氣流或熱源射流推動下發(fā)生噴射。（3） 粒子的飛行階段： 熔化或軟化的微細(xì)顆粒首先被氣流或射流加速。（4） 粒子的噴涂階段： 具有一定速度和溫度的粒子到達(dá)基材表面，與基材發(fā)生強(qiáng)烈的碰撞。粒子在碰撞的瞬間撞擊基體表面或撞擊已經(jīng)形成的涂層，把動能轉(zhuǎn)化為熱能后傳給基體，同時粒子在凹凸不平的表面發(fā)生變形，形成扁平狀粒子，并且迅速凝固成涂層。噴涂的粒子不斷飛向基材表面，產(chǎn)生碰撞-變形-冷凝的過程，變形粒子和基材之間及粒子和

19、粒子之間相互交疊在一起，形成涂層。涂層形成過程如下圖所示。 沖擊 碰撞 變形 凝固-收縮熱噴涂涂層形成過程示意圖涂層的結(jié)合機(jī)理涂層的結(jié)合包括涂層和基材的結(jié)合及涂層之間的結(jié)合。前者的結(jié)合強(qiáng)度稱為結(jié)合力，后者的結(jié)合強(qiáng)度稱為內(nèi)聚力。1）機(jī)械結(jié)合（主要結(jié)合方式） 熔融態(tài)的粒子撞擊到基材表面，鋪展成扁平狀的液態(tài)薄層，嵌合在起伏不平的表面形成機(jī)械結(jié)合，又稱為拋錨效應(yīng)。2）物理結(jié)合 當(dāng)高速運動的熔融粒子撞擊基體表面后，若界面兩側(cè)緊密接觸的距離達(dá)到原子晶格常數(shù)范圍內(nèi)時，產(chǎn)生范德華力，提高基體和涂層間的結(jié)合強(qiáng)度。3）擴(kuò)散結(jié)合 當(dāng)熔融的噴涂粒子高速撞擊基體表面形成緊密接觸時，由于變形和高溫作用，基體表面的原子得到

20、足夠的能量，使涂層與基體之間產(chǎn)生原子擴(kuò)散，形成擴(kuò)散結(jié)合。4）冶金結(jié)合 當(dāng)基體預(yù)熱，或噴涂粒子有高的熔化潛熱，或噴涂粒子本身發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)（如Ni/Al）時，熔融態(tài)的粒子和局部熔化的基體之間發(fā)生“焊合”現(xiàn)象，產(chǎn)生“焊點”，形成微區(qū)冶金結(jié)合。1） 熱應(yīng)力和2）淬火應(yīng)力2、 舉兩個實例說明等離子體噴涂陶瓷涂層的應(yīng)用。石油管道建設(shè)、航空航天工業(yè)、汽車制造、工程機(jī)械及船舶3.涂料的四個組成部分是什么？ 5. 熱噴涂涂層的應(yīng)用通常有哪幾類？1） 在航空航天工業(yè)上的應(yīng)用2） 在機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)用3） 在鋼鐵行業(yè)中應(yīng)用4） 在鐵路行業(yè)中應(yīng)用5） 在生物醫(yī)學(xué)工程上的應(yīng)用6.熱噴涂方法 1）火焰噴涂？ 2）電弧噴

21、涂？ 3）等離子體噴涂？ 4）超音速火焰噴涂？ 5）爆炸噴涂？ 6）冷噴涂？ 第6章 表面改性技術(shù)1、 簡要說明形變強(qiáng)化的原理和機(jī)理。 基本原理是: 通過機(jī)械手段(滾壓、內(nèi)擠壓和噴丸等)在金屬表面產(chǎn)生壓縮變形，使表面形成形變 硬化層，此形變硬化層的深度可達(dá)(0.51.5)mm。在此形變硬化層中產(chǎn)生兩種變化： 是在組織結(jié)構(gòu)上，亞晶粒極大地細(xì)化，位錯密度增加，晶格畸變度增大； 是形成了高的宏觀殘余壓應(yīng)力。 機(jī)理：滾壓，內(nèi)擠壓，噴丸2、 何謂表面熱處理？是指僅對零部件表層加熱、冷卻，從而改變表層組織和性能而不改變成分的一種工藝，是最基本、應(yīng)用最廣泛的材料表面改性技術(shù)之一。 3、說明表面熱處理的常用加

22、熱方法和冷卻方法？一，感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)線圈通以交流電后，感應(yīng)線圈內(nèi)即形成交流磁場。置于感應(yīng)線圈內(nèi)的被加熱零件引起感應(yīng)電動勢，所以零件內(nèi)將產(chǎn)生閉合電流即渦流。由于被加熱的金屬零件的電阻很小，所以渦電流很大，從而可迅速將零件加熱。普通高頻淬火、超高頻沖擊淬火和大功率高頻脈沖淬火技術(shù)特性雙頻感應(yīng)加熱淬火和超音頻感應(yīng)加熱淬火二，火焰加熱表面淬火是應(yīng)用氧-乙炔或其他可燃?xì)怏w對零件表面加熱，隨后淬火冷卻的工藝。三，接觸電阻加熱表面淬火接觸電阻加熱表面淬火是利用觸頭(銅滾輪或碳棒)和工件間的接觸電阻使工件表面加熱，并依靠自身熱傳導(dǎo)來實現(xiàn)冷卻淬火。四，浴爐加熱表面淬火 將工件浸入高溫鹽浴(或金屬浴)中，短

23、時加熱，使表層達(dá)到規(guī)定淬火溫度，然后激冷的方法稱為浴爐加熱表面淬火。4、 說明感應(yīng)加熱表明處理時的電流透入深度與硬化層深度的關(guān)系？f為電流頻率（Hz）；m為材料的磁導(dǎo)率（H/m）；r為材料的電阻率（姆.cm）5、 何謂表面化學(xué)熱處理？對某一工件進(jìn)行滲C、N、（C，N）、B 等與滲金屬W、Mo、Cr、V、Al等的考慮依據(jù)是什么？區(qū)別何在？金屬表面化學(xué)熱處理是利用元素擴(kuò)散性能，使合金元素滲入金屬表層的一種熱處理工藝。金屬表面化學(xué)熱處理的目的(1) 提高金屬表面的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。如滲氮可使金屬表面硬度達(dá)到(9501200)HV；滲硼可使金屬表面硬度達(dá)到(14002000)HV等，因而工件表面具有

24、極高的耐磨性。(2) 提高材料疲勞強(qiáng)度。如滲碳、滲氮、滲鉻等滲層中由于相變使體積發(fā)生變化，導(dǎo)致表層產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力，從而提高疲勞強(qiáng)度。(3) 使金屬表面具有良好的抗粘著、抗咬合的能力和降低摩擦系數(shù)，如滲硫等。(4) 提高金屬表面的耐蝕性，如滲氮、滲鋁等。6、離子滲氮比普通氣體滲氮速度快的原因是什么？ 離子滲氮速度快的三個原因： 表面活化是加速滲氮的主要原因。 粒子轟擊將金屬原子從試樣表面轟擊出來，使其成為活性原子，并且，由于高溫活化，C、N、O這類非金屬元素也會從金屬表面分離出來，使金屬表面氧化物和碳化物還原，同時也對表面產(chǎn)生了清洗作用； 提高表面氮濃度，加快氮向試樣內(nèi)部擴(kuò)散。 試樣表面對

25、轟擊出來的Fe和N結(jié)合形成的FeN吸附，提高試樣表面氮濃度，F(xiàn)e還有對NH3分解出氮的催化作用，也提高氮濃度； 陰極濺射產(chǎn)生表面脫碳，增加位錯密度等，加速了氮向內(nèi)部擴(kuò)散的速度。7、簡述離子注入表面改性的機(jī)理和特征？離子注入的原理： 離子束和電子束基本類似，也是在真空條件下將離子源產(chǎn)生的離子束經(jīng)過加速、聚焦、使之作用在材料表面。所不同的是，除離子與負(fù)電子的電荷相反帶正電荷外，主要是離子的質(zhì)量比電子要大千萬倍。例如，氫離子的質(zhì)量是電子的7.2萬倍。由于質(zhì)量較大，故在同樣的電場中加速較慢，速度較低。但一旦加速到較高速度時，離子束比電子束具有更大的能量，高速電子在撞擊材料時，質(zhì)量小速度大，動能幾乎全部

26、轉(zhuǎn)化為熱能，使材料局部熔化、氣化。它主要通過熱效應(yīng)完成。而離子本身質(zhì)量較大，慣性大，撞擊材料時產(chǎn)生了濺射效應(yīng)和注入效應(yīng)，引起變形、分離、破壞等機(jī)械作用和向基體材料擴(kuò)散，形成化合物產(chǎn)生復(fù)合、激活的化學(xué)作用。離子注入的特征：離子注入提供的新技術(shù)與現(xiàn)有的電子束和激光束等表面處強(qiáng)工藝不同，其突出的特點是：(1)離子注入法不同于任何熱擴(kuò)散方法，注入元素的種類、能量和劑量均可選擇，可注入任何元素，且不受固溶度和擴(kuò)散系數(shù)的影響。(2)離子注入一般在常溫或低溫下進(jìn)行，但離子注入溫度和注入后的溫度可以任意控制，且在真空中進(jìn)行，不氧化，不變形，不發(fā)生退火軟化，表面粗糙度一般無變化，可作為最終工藝。(3)可控性和重

27、復(fù)性好。(4)可獲得兩層或兩層以上性能不同的復(fù)合材料，復(fù)合層不易脫落。注入層薄，工件尺寸基本不變。(5）離子注入在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，可提高工件的疲勞性能。(6) 通常離子注入層的厚度不大于1mm，離子只能直線行進(jìn)，不能繞行，對于復(fù)雜的和有內(nèi)孔的零件不能進(jìn)行離子注入，設(shè)備造價高，所以應(yīng)用還不廣泛。8. 形變強(qiáng)化時形變硬化層中產(chǎn)生的兩種變化？ 是在組織結(jié)構(gòu)上，亞晶粒極大地細(xì)化，位錯密度增加，晶格畸變度增大； 是形成了高的宏觀殘余壓應(yīng)力。9. The rate of strain hardening at a given stress and strain:10. 表面熱處理與表面化學(xué)熱處理的區(qū)別？

28、表面熱處理是指僅對零部件表層加熱、冷卻，從而改變表層組織和性能而不改變成分的一種工藝 金屬表面化學(xué)熱處理是利用元素擴(kuò)散性能，使合金元素滲入金屬表層的一種熱處理工藝。11. 根據(jù)含滲入元素的介質(zhì)所處狀態(tài)不同，化學(xué)熱處理可分哪幾類？(1) 固體法： 包括粉末填充法、膏劑涂覆法、電熱旋流法、覆蓋層(電鍍層、噴鍍層等)擴(kuò)散法等。(2) 液體法 ： 包括鹽浴法、電解鹽浴法、水溶液電解法等。(3) 氣體法 ： 包括固體氣體法、間接氣體法、流動粒子爐法等。(4) 等離子法 ： 離子束擴(kuò)滲是利用低真空中氣體輝光放電產(chǎn)生的離子轟擊工件表面，使表面成分、組織結(jié)構(gòu)及性能發(fā)生改變的處理方法。12. 化學(xué)熱處理常用的非

29、金屬和金屬滲入元素有哪幾種？碳，氮，硫，硼，硅，Al，W、Mo、Ta、V、Nb、Cr鋁，鎢，鉬，鉭，釩，鈮，鉻第七章 氣相沉積技術(shù)1、物理氣相沉積（PVD）與化學(xué)氣相沉積（CVD）的異同點；化學(xué)氣相沉積是將含有組成薄膜的一種或幾種化合物氣體導(dǎo) 入反應(yīng)室，使其在基體上通過化學(xué)反應(yīng)生成所需要的薄膜的一類薄膜制備方法物理氣相沉積是在真空條件下，采用各種物理方法，將固態(tài)的鍍料轉(zhuǎn)化為原子、分子或離子態(tài)的氣相物質(zhì)后，再沉積于基體表面從而形成固體薄膜的一類薄膜制備方法。2、 三種薄膜生長方式的內(nèi)在原因？核生長型，層生長型，核-層生長型薄膜與襯底之間晶格常數(shù)不匹配，因而隨著沉積原子層的增加，應(yīng)變能逐漸增加，為

30、了松弛這部分能量，薄膜以核生長型。在層狀外延生長表面是表面能比較高的晶面時，為了降低表面能，薄膜力圖將暴露的晶面改變?yōu)榈湍苊?，因此薄膜生長到一定厚度后，有層生長變?yōu)楹松L。三種方式初期層生長自由能較低，后期核生長自由能較低。3、 輝光放電的原理與應(yīng)用？在真空室內(nèi)安置兩個電極，陰極為冷電極，通入壓強(qiáng)為0.1Pa-10Pa的氣體（通常為Ar）。當(dāng)外加直流高壓超過著火電壓（起始放電電壓）時，氣體就被擊穿，由絕緣體變成良好導(dǎo)體，兩極間電流突然上升，電壓下降，此時兩極間會出現(xiàn)明暗相間的光層。這種氣體的放電稱為輝光放電，放電產(chǎn)生等離子體。 濺射所需要的轟擊離子通常采用輝光放電獲得。4、 能畫出真空蒸鍍、濺

31、射鍍和離子鍍?nèi)N基本的物理氣相沉積方法的原理圖。1-陽極；2-蒸發(fā)源；3-進(jìn)氣口；4-輝光放電區(qū)；5-陰極暗區(qū)；6-基板（陰極）；7-絕緣支架；8-直流電源（15kV）；9-真空室；10-蒸發(fā)電源；11-真空系統(tǒng) 直流二極型離子鍍示意圖1-陰極屏蔽；2-高壓線；3-基片（樣品）；4-鐘罩；5-陰極（靶）；6-陽極；7-基片加熱器；8-氬氣入口；9-加熱電源；10-至真空系統(tǒng)；11-高壓電源 二極直流濺射鍍膜裝置1-真空罩；2-基片架和加熱器；3-基片；4-擋板；5-蒸發(fā)源；6-至抽空系統(tǒng)圖7.1 真空蒸發(fā)鍍膜設(shè)備示意圖5、 能根據(jù)原理圖分析討論三種鍍膜方法（工藝）的特點、影響因素、彼此的異同點

32、、改進(jìn)（善）的工藝類型和應(yīng)用實例等。電阻蒸發(fā)源，電子束蒸發(fā)源，激光束蒸發(fā)源三級濺射，磁控濺射，射頻濺射1、 薄膜有哪些特征？舉例說明薄膜的種類和應(yīng)用？薄膜材料具有如下四個主要特征：1.厚度 薄膜通常具有亞微米級至微米級的厚度。但是隨著制備技術(shù)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的要求，薄膜厚度范圍的內(nèi)涵也在擴(kuò)展，如納米級厚度的納米薄膜和近毫米的厚金剛石膜也都被稱為薄膜。2.有基底支撐 這里所討論的薄膜是一類依附于固體表面并得到其支撐而存在，并具有與支撐固體不同結(jié)構(gòu)和性能的二維材料。3. 特殊的結(jié)構(gòu)和性能 由于形成方式的不同，薄膜材料與塊體材料具有不同的微結(jié)構(gòu)和性能。例如，塊體金屬材料，如Au、Al、Ti等，通過特

33、殊的壓力加工可以形成厚度為微米級甚至更薄的“薄膜”狀。但我們并不把這種材料稱為“薄膜”而是稱為“箔”，如金箔，鋁箔，鈦箔等。因為盡管它們的厚度與薄膜相當(dāng)，但它們的微結(jié)構(gòu)和性能卻更接近塊體材料。4. 特殊的形成方式 薄膜是依靠原子尺度的粒子在另一固體表面生長而成的二維材料，因而通常具有一些特殊的微結(jié)構(gòu)和性能特征，例如，薄膜內(nèi)部存在空位、孔隙、位錯等缺陷，還會產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，以及與基體材料結(jié)合所形成的界面結(jié)合等。1、 薄膜的種類 薄膜材料種類繁多，按薄膜本身的特征，可以對其作如下主要分類：以材料種類劃分：有金屬、合金、陶瓷、半導(dǎo)體、化合物、高分子材料薄膜等。以晶體結(jié)構(gòu)劃分：有單晶、多晶、納米晶、

34、非晶以及各種外延生長薄膜。以厚度劃分：有納米薄膜、微米薄膜和厚膜等以薄膜組成結(jié)構(gòu)劃分：多層膜：有由兩種或兩種以上材料組成的多層薄膜，尤其是以納米量級 交替生長形成的納米多層膜（也稱超晶格）。納米多層膜有許多物理和力學(xué)性能的特異效應(yīng)而成為目前薄膜研究的熱點之一。梯度膜: 薄膜的化學(xué)成分在厚度方向上逐步變化的梯度薄膜;復(fù)合膜：由多相材料組成的具有不同微結(jié)構(gòu)特征的復(fù)合薄膜等。 薄膜的應(yīng)用非常廣泛，按用途大致可分為光學(xué)薄膜、微電子學(xué)薄膜、光電子學(xué)薄膜、集成光學(xué)薄膜、防護(hù)功能薄膜等六大類。2、 物理氣相沉積（PVD）按沉積薄膜氣相物質(zhì)的生成方式和特征主要可以分為哪幾種？（1） 真空蒸鍍 鍍材以熱蒸發(fā)原子

35、或分子的形式沉積成膜。（2） 濺射鍍膜 鍍材以濺射原子或分子的形式沉積成膜。（3） 離子鍍膜 鍍材以離子和高能量的原子或分子的形式沉積成膜。 在三種PVD基本鍍膜方法中，氣相原子、分子和離子所產(chǎn)生的方式和具有的能量各不相同，由此衍生出種類繁多的薄膜制備技術(shù)。3、 畫出示意圖說明真空蒸發(fā)鍍膜的基本原理。真空蒸鍍常用的蒸發(fā)源有哪些？電阻蒸發(fā)源，電子束蒸發(fā)源，激光蒸發(fā)源4、 畫出示意圖說明濺射鍍膜的基本原理。工件和靶材的極性？靶材：陰極 工件：陽極5、 畫出示意圖說明離子鍍膜的基本原理。工件和靶材的極性？離子鍍的兩個必要條件是什么？靶材：陽極 工件：陰極1.是要在基片前方形成一個氣體放電的空間；2.

36、是要將鍍料氣化后的粒子（原子、分子及其團(tuán)簇）引入氣體放電空間并使其部分離化。 6、簡要說明真空蒸鍍的入射原子與基片就可能出現(xiàn)哪幾種相互作用？（1）反射 入射原子沒有將其能量釋放，又重新回到空間。（2）物理吸附 入射原子將能量轉(zhuǎn)移給基片而停留在基片上，并由范德瓦耳斯力與基 片保持較弱的結(jié)合，因而也容易因解吸附而重新返回空間。（3）化學(xué)吸附 入射原子由物理吸附可進(jìn)一步轉(zhuǎn)為化學(xué)吸附，其本質(zhì)是入射原子與基片表面原子形成了電子共有的化學(xué)鍵?；瘜W(xué)吸附常需要克服能壘，同樣，解化學(xué)吸附也比解物理吸附需要更高的能量。（4）吸附原子的遷移及與同類原子的締合 吸附于基片表面的原子仍具有一定的能量，因而是不穩(wěn)定的，它

37、們可以解吸附，也可以克服能量勢壘在基片上移動，并尋找勢壘更低的位置。在基片表面上移動的同類原子相遇時會締合成原子團(tuán)，這樣有利于體系能量的降低。7、 圖示說明薄膜的生長有幾種類型？分別簡要說明每種生長類型的產(chǎn)生機(jī)理。a. 核生長型 b. 層生長型 c. 層核生長型圖7.5 薄膜生長的三種類型8、 什么叫做分子束外延？什么叫做同質(zhì)外延？什么叫做異質(zhì)外延？在超高真空中（氣壓<10-6Pa），通過精確控制各組分元素的分子束流，噴射到一定溫度的基片表面，并在基片表面實現(xiàn)薄膜與基片的共格外延生長。若外延層與基片為同種材料，則稱為同質(zhì)外延，如在單晶硅上的硅外延層等；若外延層與基片為不同材料，則稱為異質(zhì)外延，如藍(lán)寶石上外延硅層等。9、 濺射所需要的轟擊離子通常是如何獲得的？濺射所需要的轟擊離子通常采用輝光放電獲得。10、 二極直流濺射鍍膜法的優(yōu)點和缺點是什么？二極直流濺射鍍膜法的優(yōu)點:裝置簡單，操作方便；可以在大面積的基片上制取均勻的薄膜；可以濺射難熔材料二極直流濺射鍍膜法的缺點:這種方法存在鍍膜沉積速率低，只能濺射金屬等導(dǎo)電材料等缺點；未經(jīng)改進(jìn)的二極直流濺射僅在實驗室內(nèi)使用，很少用于生產(chǎn)；不能濺射介質(zhì)材料。其