表面科學(xué)工程 無機(jī)非金屬表面課件

無機(jī)非金屬材料的表界面陶瓷表面表面結(jié)構(gòu)表面特征與行為表界面對(duì)陶瓷性能的影響玻璃表界面表界面結(jié)構(gòu)玻璃表、界面的化學(xué)組成與化學(xué)反應(yīng)玻璃表界面的性能及其改進(jìn)玻璃表界面的表征無機(jī)非金屬材料的表界面陶瓷表面1非金屬元素在周期表中的位置非金屬元素在周期表中的位置2非金屬元素特征由于非金屬元素的原子最外層中可以成鍵的價(jià)電子數(shù)多，具有多種氧化態(tài)。非金屬元素的成鍵特征是：一方面能形成離子鍵；另一方面(也是主要的一方面)能形成共價(jià)鍵。這是由非金屬元素原于的外層電子構(gòu)型、原子半徑和元素的電負(fù)性所決定的。非金屬元素特征由于非金屬元素的原子最外層中可以成鍵的價(jià)電子數(shù)3一、陶瓷表面表界面結(jié)構(gòu)表面特征與行為表界面對(duì)陶瓷性能的影響

一、陶瓷表面表界面結(jié)構(gòu)4表界面結(jié)構(gòu)

表面弛豫表面重構(gòu)晶界相界表界面結(jié)構(gòu)

表面弛豫5表界面結(jié)構(gòu)

（a）弛豫（b）重構(gòu)（c）偏析（d）臺(tái)階表界面結(jié)構(gòu)

（a）弛豫（b）重構(gòu)（c）偏析（6晶界大、小角度晶界晶界大、小角度晶界7相界非共格相界共格相界準(zhǔn)共格相界相界非共格相界8金屬與NaCl小角度晶界刃型位錯(cuò)比較金屬與NaCl小角度晶界刃型位錯(cuò)比較9表面科學(xué)工程無機(jī)非金屬表面課件10晶界構(gòu)形（1）固-固-氣（2）固-固-液熱蝕角固-液-固平衡角晶界構(gòu)形（1）固-固-氣熱蝕角固-液-固平衡角11（3）固-固-固——雜質(zhì)在陶瓷晶界的分布（3）固-固-固——雜質(zhì)在陶瓷晶界的分布12不同兩面角下第二相分布

φ=0φ=135不同兩面角下第二相分布φ=13陶瓷是一種多晶或微晶體系。陶瓷的晶界要比金屬和合金的晶界寬，結(jié)構(gòu)和成分都非常復(fù)雜：陶瓷主要由帶電單元，以離子鍵為主體構(gòu)成，帶電單元影響晶界的穩(wěn)定性。陶瓷中的少量雜質(zhì)對(duì)晶粒尺寸和晶界性質(zhì)起確定性影響。陶瓷是一種多晶或微晶體系。陶瓷的晶界要比金屬和合金的晶界寬，14陶瓷表面特征與行為晶界應(yīng)力晶界電位及空間電荷陶瓷表面特征與行為晶界應(yīng)力15晶界應(yīng)力——晶界應(yīng)力——16表界面對(duì)陶瓷性能的影響PTC熱敏電阻陶瓷

電阻率隨溫度變化的材料，分為四大類：負(fù)溫度系數(shù)，正溫度系數(shù)，臨界熱敏，線性熱敏；主要通過摻雜實(shí)現(xiàn)；用于定溫加熱器，延時(shí)開關(guān)，馬達(dá)啟動(dòng)器等。氣敏陶瓷

分為半導(dǎo)體式，固體電解質(zhì)式利用表面氣體吸附導(dǎo)致電導(dǎo)率變化；壓敏陶瓷通過電壓變化導(dǎo)致電阻率的變化。主要有：ZnO壓敏，SiC壓敏，硅壓敏，鍺壓敏；用于電力系統(tǒng)，電器過壓保護(hù)及高壓穩(wěn)壓等。表界面對(duì)陶瓷性能的影響PTC熱敏電阻陶瓷17氣敏陶瓷系列氣敏陶瓷系列18ZnO壓敏陶瓷顯微結(jié)構(gòu)添加了Bi、Mn、Co、Ba、Pb、Sb、Cr等氧化物

晶界ZnO壓敏陶瓷顯微結(jié)構(gòu)添加了Bi、Mn、Co、Ba、Pb19ZnO晶界能帶圖

耗盡層厚度富Bi能壘電壓變化ZnO晶界能帶圖耗盡層厚度富Bi能壘電壓變化20二、玻璃表界面

表界面結(jié)構(gòu)玻璃表、界面的化學(xué)組成與化學(xué)反應(yīng)玻璃表界面的性能及其改進(jìn)玻璃表界面的表征

二、玻璃表界面

表界面結(jié)構(gòu)21玻璃表界面結(jié)構(gòu)

玻璃新表面上存在不飽和鍵，能吸附大氣中的水；并和水反應(yīng)形成各種羧基團(tuán)。SiO2和石英斷裂表面形成等量的E（過剩氧）單元，D（不足氧單元）單元。玻璃表界面結(jié)構(gòu)

玻璃新表面上存在不飽和鍵，能吸附大氣中的水；22（a）石英晶體斷裂表面結(jié)構(gòu)（b）石英玻璃斷裂表面結(jié)構(gòu)（a）石英晶體斷裂表面結(jié)構(gòu)（b）石英玻璃斷裂表面結(jié)構(gòu)23表界面結(jié)構(gòu)亞表面層（10-4~10-5cm）特點(diǎn)：（1）幾何表面熵值梯度變化；（2）亞表面缺陷多，具有微多孔性；（3）亞表面不對(duì)稱，造成熱振動(dòng)非諧性。據(jù)此可解釋表層流變、、裂紋、離子交換等現(xiàn)象。表界面結(jié)構(gòu)亞表面層（10-4~10-5cm）特點(diǎn)：24陶瓷的亞表面層結(jié)構(gòu)陶瓷的亞表面層結(jié)構(gòu)25玻璃表、界面的化學(xué)組成與化學(xué)反應(yīng)玻璃表面的化學(xué)組成由于揮發(fā)、富集等因素，使成分隨深度而變化。玻璃表、界面的化學(xué)反應(yīng)包括：玻璃表面與水、酸、堿以及氣體的反應(yīng)。硅酸鹽玻璃表面受浸蝕后有五種類型狀態(tài)：玻璃表、界面的化學(xué)組成與化學(xué)反應(yīng)玻璃表面的化學(xué)組成26玻璃表面化學(xué)反應(yīng)：五種類型不溶型可溶型玻璃表面化學(xué)反應(yīng)：五種類型不溶型可溶型27·玻璃表面與水反應(yīng)例如：100~300℃與水蒸氣作用：與水結(jié)合：氫氧根離子與硅氧鍵作用：形成多孔高硅膜——脫堿反應(yīng)·玻璃表面與水反應(yīng)例如：100~300℃與水蒸氣作用：與水28·玻璃表面與酸反應(yīng)：例如：鈉鈣硅鹽玻璃受酸浸蝕時(shí)：實(shí)質(zhì)是酸中H+與玻璃中Na+，Ca+發(fā)生互相擴(kuò)散。·玻璃表面與堿反應(yīng)：鍵斷裂，結(jié)構(gòu)破壞，SiO2溶出?！げＡП砻媾c酸反應(yīng)：例如：鈉鈣硅鹽玻璃受酸浸蝕時(shí)：實(shí)質(zhì)29·玻璃表面的風(fēng)化

玻璃與大氣的作用稱風(fēng)化，出現(xiàn)霧狀薄膜或點(diǎn)線狀模糊物，甚至彩虹，白霜，粘片現(xiàn)象；玻璃風(fēng)化又稱霉變。風(fēng)化過程：吸附大氣中的水——與水反應(yīng)——對(duì)玻璃浸蝕——隨時(shí)間浸蝕加重·玻璃表面的風(fēng)化

玻璃與大氣的作用稱風(fēng)化，出現(xiàn)霧狀薄膜或點(diǎn)30玻璃表界面的性能及其改進(jìn)玻璃表界面的性能（1）光學(xué)特性平整度與光波長度關(guān)系（2）電學(xué)性質(zhì)堿離子進(jìn)入水膜，使玻璃表面導(dǎo)電率升高。影響因素：環(huán)境溫度與濕度玻璃化學(xué)穩(wěn)定性玻璃表面狀態(tài)（3）力學(xué)性能玻璃表界面的性能及其改進(jìn)玻璃表界面的性能31·玻璃表面的改性

玻璃表面涂膜改性

減反膜，導(dǎo)電膜，玻璃表面強(qiáng)化離子注入玻璃表面改性

離子注入對(duì)折射率，硬度造成影響。·玻璃表面的改性

玻璃表面涂膜改性32陶瓷層涂敷工藝補(bǔ)充內(nèi)容陶瓷層涂敷工藝補(bǔ)充內(nèi)容33

涂裝方法——刷涂、滾涂、刮涂、浸涂、淋涂、空氣噴涂等；涂裝方法——刷涂、滾涂、刮涂、浸涂、淋涂、空氣噴涂等34搪瓷用瓷釉是化學(xué)成分較復(fù)雜的硅酸鹽玻璃，化學(xué)成分不同其性能有較大差異。一般瓷釉主要由四類氧化物組成：搪瓷用瓷釉是化學(xué)成分較復(fù)雜的硅酸鹽玻璃，35搪瓷涂層搪瓷是將玻璃質(zhì)瓷釉涂敷在金屬底材表面，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)而成．在整體上有金屬的力學(xué)強(qiáng)度，表面有玻璃的各種特性。搪瓷涂層搪瓷是將玻璃質(zhì)瓷釉涂敷在金屬底材表面，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)而36搪瓷的分類

按金屬底材分類．有鋼板搪瓷、鑄鐵搪瓷、鋁搪瓷和耐熱合金搪瓷等，按瓷釉組成結(jié)構(gòu)和性能分類有：銻白搪瓷、鈦白搪瓷、微晶搪瓷、耐酸搪瓷和高溫搪瓷等；按用途分類，有日用品搪瓷、藝術(shù)品搪瓷、建筑搪瓷、電子搪瓷、醫(yī)用搪瓷等。搪瓷的分類

按金屬底材分類．有鋼板搪瓷、鑄鐵搪瓷、鋁搪瓷和耐37

在飛機(jī)、汽車、船舶等的發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管、某些耐熱器具和部件上應(yīng)用。在飛機(jī)、汽車、船舶等的發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管、某些38

高溫合金搪瓷抗高溫燃?xì)饬鞲g和沖刷的性能好，熱導(dǎo)率比合金低；在有液膜或氣膜冷卻部件時(shí)搪瓷可降低合金底材的使用溫度，特別適合作為高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的村套、導(dǎo)向葉片、燃燒室和尾噴管等高溫合金部件的保護(hù)涂層，提高這些部件的設(shè)計(jì)和使用溫度或延長其使用壽命。高溫合金搪瓷抗高溫燃?xì)饬鞲g和沖刷的性能好39渦輪轉(zhuǎn)子高溫搪瓷涂層渦輪轉(zhuǎn)子高溫搪瓷涂層40渦輪球殼搪瓷涂層渦輪球殼搪瓷涂層41練習(xí)題（一）何謂材料表面？表面與界面有何區(qū)別？固體的表面特性是什么？如何理解固體的表面能與表面張力？什么是接觸角？如何根據(jù)Young方程來判定潤濕性好壞？比較說明三種類型的固體潤濕過程。如何理解動(dòng)潤濕與動(dòng)接觸角？寫出描述液體表面的Laplace方程，Kelvin方程與Gibbs方程，并說明其意義。繪圖簡要述說金屬的真實(shí)表面。什么是金屬表面的吸附粒子超點(diǎn)陣？如何用Wood標(biāo)注法表明超點(diǎn)陣與金屬表面點(diǎn)陣的相互關(guān)系？比較固體表面與液體表面的特性。練習(xí)題（一）何謂材料表面？表面與界面有何區(qū)別？42練習(xí)題（二）什么叫PVD？它包括哪些方法？什么叫化學(xué)氣相沉積？其沉積反應(yīng)有哪幾種？簡要說明PVD與CVD的主要不同點(diǎn)。表面預(yù)處理的目的是什麼？它包括哪些內(nèi)容？什麼叫電鍍？簡要說明電鍍液的基本組成與作用什麼叫合金電鍍，合金電鍍的基本條件是什么？什么叫滲鍍？滲鍍層的特點(diǎn)是什么？什么叫化學(xué)轉(zhuǎn)化膜？舉例說明它的用途?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化膜為什么要進(jìn)行后處理？常用的方法有哪幾種？簡要說明鋁及鋁合金陽極氧化膜的性能。練習(xí)題（二）什么叫PVD？它包括哪些方法？43練習(xí)題（三）什么是表面弛豫？繪出NaCl晶體的表面弛豫示意圖。陶瓷脆性的原因？如何改善陶瓷材料的脆性？玻璃亞表面的主要特點(diǎn)。玻璃表、界面化學(xué)反應(yīng)的類型與特點(diǎn)。說明玻璃表面改性的方法，并例舉其應(yīng)用。材料表面分析的主要特點(diǎn)。簡要說明表面分析的主要方法。采用什么方法對(duì)下面表、界面進(jìn)行分析：（1）拉伸斷口（2）復(fù)合鍍層的觀察（3）合金的晶界（4）陶瓷的表、界面觀察練習(xí)題（三）什么是表面弛豫？繪出NaCl晶體的表面弛豫示44無機(jī)非金屬材料的表界面陶瓷表面表面結(jié)構(gòu)表面特征與行為表界面對(duì)陶瓷性能的影響玻璃表界面表界面結(jié)構(gòu)玻璃表、界面的化學(xué)組成與化學(xué)反應(yīng)玻璃表界面的性能及其改進(jìn)玻璃表界面的表征無機(jī)非金屬材料的表界面陶瓷表面45非金屬元素在周期表中的位置非金屬元素在周期表中的位置46非金屬元素特征由于非金屬元素的原子最外層中可以成鍵的價(jià)電子數(shù)多，具有多種氧化態(tài)。非金屬元素的成鍵特征是：一方面能形成離子鍵；另一方面(也是主要的一方面)能形成共價(jià)鍵。這是由非金屬元素原于的外層電子構(gòu)型、原子半徑和元素的電負(fù)性所決定的。非金屬元素特征由于非金屬元素的原子最外層中可以成鍵的價(jià)電子數(shù)47一、陶瓷表面表界面結(jié)構(gòu)表面特征與行為表界面對(duì)陶瓷性能的影響

一、陶瓷表面表界面結(jié)構(gòu)48表界面結(jié)構(gòu)

表面弛豫表面重構(gòu)晶界相界表界面結(jié)構(gòu)

表面弛豫49表界面結(jié)構(gòu)

（a）弛豫（b）重構(gòu)（c）偏析（d）臺(tái)階表界面結(jié)構(gòu)

（a）弛豫（b）重構(gòu)（c）偏析（50晶界大、小角度晶界晶界大、小角度晶界51相界非共格相界共格相界準(zhǔn)共格相界相界非共格相界52金屬與NaCl小角度晶界刃型位錯(cuò)比較金屬與NaCl小角度晶界刃型位錯(cuò)比較53表面科學(xué)工程無機(jī)非金屬表面課件54晶界構(gòu)形（1）固-固-氣（2）固-固-液熱蝕角固-液-固平衡角晶界構(gòu)形（1）固-固-氣熱蝕角固-液-固平衡角55（3）固-固-固——雜質(zhì)在陶瓷晶界的分布（3）固-固-固——雜質(zhì)在陶瓷晶界的分布56不同兩面角下第二相分布

φ=0φ=135不同兩面角下第二相分布φ=57陶瓷是一種多晶或微晶體系。陶瓷的晶界要比金屬和合金的晶界寬，結(jié)構(gòu)和成分都非常復(fù)雜：陶瓷主要由帶電單元，以離子鍵為主體構(gòu)成，帶電單元影響晶界的穩(wěn)定性。陶瓷中的少量雜質(zhì)對(duì)晶粒尺寸和晶界性質(zhì)起確定性影響。陶瓷是一種多晶或微晶體系。陶瓷的晶界要比金屬和合金的晶界寬，58陶瓷表面特征與行為晶界應(yīng)力晶界電位及空間電荷陶瓷表面特征與行為晶界應(yīng)力59晶界應(yīng)力——晶界應(yīng)力——60表界面對(duì)陶瓷性能的影響PTC熱敏電阻陶瓷

電阻率隨溫度變化的材料，分為四大類：負(fù)溫度系數(shù)，正溫度系數(shù)，臨界熱敏，線性熱敏；主要通過摻雜實(shí)現(xiàn)；用于定溫加熱器，延時(shí)開關(guān)，馬達(dá)啟動(dòng)器等。氣敏陶瓷

分為半導(dǎo)體式，固體電解質(zhì)式利用表面氣體吸附導(dǎo)致電導(dǎo)率變化；壓敏陶瓷通過電壓變化導(dǎo)致電阻率的變化。主要有：ZnO壓敏，SiC壓敏，硅壓敏，鍺壓敏；用于電力系統(tǒng)，電器過壓保護(hù)及高壓穩(wěn)壓等。表界面對(duì)陶瓷性能的影響PTC熱敏電阻陶瓷61氣敏陶瓷系列氣敏陶瓷系列62ZnO壓敏陶瓷顯微結(jié)構(gòu)添加了Bi、Mn、Co、Ba、Pb、Sb、Cr等氧化物

晶界ZnO壓敏陶瓷顯微結(jié)構(gòu)添加了Bi、Mn、Co、Ba、Pb63ZnO晶界能帶圖

耗盡層厚度富Bi能壘電壓變化ZnO晶界能帶圖耗盡層厚度富Bi能壘電壓變化64二、玻璃表界面

表界面結(jié)構(gòu)玻璃表、界面的化學(xué)組成與化學(xué)反應(yīng)玻璃表界面的性能及其改進(jìn)玻璃表界面的表征

二、玻璃表界面

表界面結(jié)構(gòu)65玻璃表界面結(jié)構(gòu)

玻璃新表面上存在不飽和鍵，能吸附大氣中的水；并和水反應(yīng)形成各種羧基團(tuán)。SiO2和石英斷裂表面形成等量的E（過剩氧）單元，D（不足氧單元）單元。玻璃表界面結(jié)構(gòu)

玻璃新表面上存在不飽和鍵，能吸附大氣中的水；66（a）石英晶體斷裂表面結(jié)構(gòu)（b）石英玻璃斷裂表面結(jié)構(gòu)（a）石英晶體斷裂表面結(jié)構(gòu)（b）石英玻璃斷裂表面結(jié)構(gòu)67表界面結(jié)構(gòu)亞表面層（10-4~10-5cm）特點(diǎn)：（1）幾何表面熵值梯度變化；（2）亞表面缺陷多，具有微多孔性；（3）亞表面不對(duì)稱，造成熱振動(dòng)非諧性。據(jù)此可解釋表層流變、、裂紋、離子交換等現(xiàn)象。表界面結(jié)構(gòu)亞表面層（10-4~10-5cm）特點(diǎn)：68陶瓷的亞表面層結(jié)構(gòu)陶瓷的亞表面層結(jié)構(gòu)69玻璃表、界面的化學(xué)組成與化學(xué)反應(yīng)玻璃表面的化學(xué)組成由于揮發(fā)、富集等因素，使成分隨深度而變化。玻璃表、界面的化學(xué)反應(yīng)包括：玻璃表面與水、酸、堿以及氣體的反應(yīng)。硅酸鹽玻璃表面受浸蝕后有五種類型狀態(tài)：玻璃表、界面的化學(xué)組成與化學(xué)反應(yīng)玻璃表面的化學(xué)組成70玻璃表面化學(xué)反應(yīng)：五種類型不溶型可溶型玻璃表面化學(xué)反應(yīng)：五種類型不溶型可溶型71·玻璃表面與水反應(yīng)例如：100~300℃與水蒸氣作用：與水結(jié)合：氫氧根離子與硅氧鍵作用：形成多孔高硅膜——脫堿反應(yīng)·玻璃表面與水反應(yīng)例如：100~300℃與水蒸氣作用：與水72·玻璃表面與酸反應(yīng)：例如：鈉鈣硅鹽玻璃受酸浸蝕時(shí)：實(shí)質(zhì)是酸中H+與玻璃中Na+，Ca+發(fā)生互相擴(kuò)散?！げＡП砻媾c堿反應(yīng)：鍵斷裂，結(jié)構(gòu)破壞，SiO2溶出?！げＡП砻媾c酸反應(yīng)：例如：鈉鈣硅鹽玻璃受酸浸蝕時(shí)：實(shí)質(zhì)73·玻璃表面的風(fēng)化

玻璃與大氣的作用稱風(fēng)化，出現(xiàn)霧狀薄膜或點(diǎn)線狀模糊物，甚至彩虹，白霜，粘片現(xiàn)象；玻璃風(fēng)化又稱霉變。風(fēng)化過程：吸附大氣中的水——與水反應(yīng)——對(duì)玻璃浸蝕——隨時(shí)間浸蝕加重·玻璃表面的風(fēng)化

玻璃與大氣的作用稱風(fēng)化，出現(xiàn)霧狀薄膜或點(diǎn)74玻璃表界面的性能及其改進(jìn)玻璃表界面的性能（1）光學(xué)特性平整度與光波長度關(guān)系（2）電學(xué)性質(zhì)堿離子進(jìn)入水膜，使玻璃表面導(dǎo)電率升高。影響因素：環(huán)境溫度與濕度玻璃化學(xué)穩(wěn)定性玻璃表面狀態(tài)（3）力學(xué)性能玻璃表界面的性能及其改進(jìn)玻璃表界面的性能75·玻璃表面的改性

玻璃表面涂膜改性

減反膜，導(dǎo)電膜，玻璃表面強(qiáng)化離子注入玻璃表面改性

離子注入對(duì)折射率，硬度造成影響?！げＡП砻娴母男?/p>

玻璃表面涂膜改性76陶瓷層涂敷工藝補(bǔ)充內(nèi)容陶瓷層涂敷工藝補(bǔ)充內(nèi)容77

涂裝方法——刷涂、滾涂、刮涂、浸涂、淋涂、空氣噴涂等；涂裝方法——刷涂、滾涂、刮涂、浸涂、淋涂、空氣噴涂等78搪瓷用瓷釉是化學(xué)成分較復(fù)雜的硅酸鹽玻璃，化學(xué)成分不同其性能有較大差異。一般瓷釉主要由四類氧化物組成：搪瓷用瓷釉是化學(xué)成分較復(fù)雜的硅酸鹽玻璃，79搪瓷涂層搪瓷是將玻璃質(zhì)瓷釉涂敷在金屬底材表面，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)而成．在整體上有金屬的力學(xué)強(qiáng)度，表面有玻璃的各種特性。搪瓷涂層搪瓷是將玻璃質(zhì)瓷釉涂敷在金屬底材表面，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)而80搪瓷的分類

按金屬底材分類．有鋼板搪瓷、鑄鐵搪瓷、鋁搪瓷和耐熱合金搪瓷等，按瓷釉組成結(jié)構(gòu)和性能分類有：銻白搪瓷、鈦白搪瓷、微晶搪瓷、耐酸搪瓷和高溫搪瓷等；按用途分類，有日用品搪瓷、藝術(shù)品搪瓷、建筑搪瓷、電子搪瓷、醫(yī)用搪瓷等。搪瓷的分類

按金屬底材分類．有鋼板搪瓷、鑄鐵搪瓷、鋁搪瓷和耐81

在飛機(jī)、汽車、船舶等的發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管、某些耐熱器具和部件上應(yīng)用。在飛機(jī)、汽車、船舶等的發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管、某些82

高溫合金搪瓷抗高溫燃?xì)饬鞲g和沖刷的性能好，熱導(dǎo)率比合金低；在有液膜或氣膜冷卻部件時(shí)搪瓷可降低合金底材的使用溫度，特別適合作為高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的村套、導(dǎo)向葉片、燃燒室和尾噴管等高溫合金部件的保護(hù)涂層，提高這些部件的設(shè)計(jì)和使用溫度或延長其