第二章 固體材料表面特點及表面清洗

第二章

固體材料的表面特點及表面清洗

第一節(jié)固體材料表面與內部不同

固體表面：指固～氣界面或固～液界面，它實際上是由凝聚態(tài)物質靠近氣體或真空的一個或幾個原子層(0.5～10nm)組成，是凝聚態(tài)對氣體或真空的一種過渡。穩(wěn)定狀態(tài)：能量最小固體表面的特點：1．組分不同:成分偏析:很多合金在表面上會富集某種合金元素，如不銹鋼表面的Cr可達內部的7倍。表面吸附外來的一些原子或分子。2．原子排列不同:表面重構：是指表面最外層原子的排列周期與體內不一樣.

表面馳豫：表面原子發(fā)生相對于正常位置(三維結構)的上、下位移以降低體系能量.表面上原子的這種位移（壓縮或膨脹）稱為表面馳豫.其表現(xiàn)為表面最外層原子間距離與體內原子間距離不一樣，或者增長，或者減少.

表面缺陷：臺階、彎折、空位等

第二節(jié)固體表面的吸附

一、固體對氣體的吸附固體表面對氣體吸附的兩種形式：<1>物理吸附：固體表面與被吸附分子之間的力是范德華力。<2>化學吸附：二者之間的力和化合物中原子之間形成化學鍵的力相似，較范德華力大的多。物理吸附和化學吸附有著不同的特點:

物理吸附化學吸附<1>吸附熱：?。s1～40KJ/mol）大（40～400KJ/mol）<2>吸附力：弱（范德華力）強（化學鍵力）<3>選擇性：無有<4>>吸附速度：快慢<5>吸附層：多分子層或單分子層單分子層<6>吸附結構：基本同吸附質分子結構形成新的化合態(tài)<7>可逆性：可逆（易解吸）不可逆<8>電子轉移：無有<9>吸附活化能：不需需，且較高<10>吸附溫度：低較高固體表面對液體吸附的特點：1．電解質吸附：非電解質吸附：2．正吸附：吸附層內溶質的濃度比本體相大。負吸附：吸附層內溶質的濃度比本體相小。3．固體表面的粗糙度及污染程度對吸附有很大的影響，液體表面張力的影響也很重要二、固體對液體的吸附固、液、氣三相穩(wěn)定接觸時：θ：接觸角

若θ＞90°，不潤濕，液體不易鋪展，θ越大潤濕性越差；θ＝180°，完全不潤濕，液體呈球狀；θ＜90°，潤濕，液體易在表面展開，θ越小潤濕性越好；θ＝0°，完全潤濕，液體完全鋪展開。在固、液、氣三相穩(wěn)定接觸時：

γS=γLcosθ+γSL

Young方程式。凡能引起任一界面張力變化的因素都能影響固體表面的接觸角（即潤濕性）。當γS>γSL時，則cosθ>0→θ<90°，此時為潤濕；而且γS和γSL相差越大，θ角越小，潤濕性越好。當γS<γSL時，則cosθ<0→θ>90°，此時不潤濕；當γSL越大和γL

越小時，θ越大,不潤濕程度越嚴重。三相穩(wěn)定接觸情況下，三個界面張力之間必須滿足下列不等式：

γS≥γL

+γSL

而γSL＝γL+γS－2(γSd

γLd)1/2-ISL’

其中：

γSd

、γLd分別為固體和液體表面的范德華力；ISL’是由范德華力之外的力引起的界面相互作用的勢能∴上述條件可以表述為：

2γL

≤2(γSd

γLd)1/2＋ISL’對于碳氫化合物，ISL’＝0，γSd

＝γLd則完全潤濕的必要條件：γL

≤

γSd液體和固體之間的吸附粘結力ISL可表示為：

ISL＝γL+γS–γSL＝γL（1＋cosθ）

即固液之間的粘結力大小是與液體表面張力γL及接觸角θ相關的。從Young方程可以知道：對同一種固體和液體界面組合，表面能高的固體比表面能低的固體更容易被液體潤濕。故可以通過改變三個相界面上的γ值來調整接觸角，亦即可以通過一些表面活性物質來改變潤濕角θ大小，從而改變固液表面之間的粘結力。三、固體對固體的吸附固體對固體表面之間同樣有吸附作用，其粘附力WAB表示粘附程度：WAB=γA+γB-γAB。固體對固體的吸附也有它的特點：<1>兩個不同物質間的粘附功往往超過其中較弱一物質的內聚力。<2>表面的污染會使粘附功大大減小，而這種污染是非常迅速的。<3>固體的吸附作用只有當固體斷面很小，并且很清潔時才能表現(xiàn)出來。第三節(jié)固體表面結構

一．理想表面結構理想表面是一種理論上的結構完整的二維點陣平面，忽略了：①晶體內部周期性熱場在表面中斷的影響②表面原子的熱運動及擴散現(xiàn)象③表面出現(xiàn)的缺陷④表面外界環(huán)境的作用二．清潔表面結構

不存在任何污染的化學純表面，即不存在吸附、催化反應或雜質擴散等一系列物理、化學效應的表面。

清潔表面與理想表面不同在于：它存在表面馳豫、表面重構及表面臺階等缺陷。三、實際表面結構

實際表面的一些重要特點：

1．表面粗糙度：

2．貝爾比層：約5～10nm厚的一種非晶態(tài)層,其成分為金屬和它的氧化物，而性質與體內明顯不同。

3．殘余應力（內應力）：按照作用力范圍分為宏觀內應力和微觀內應力（一種作用范圍大致與晶粒尺寸為同一數(shù)量級，另一種則更小，但卻是普遍存在的）。

4.

表面氧化，吸附和粘污：表面氧化可形成一層或多層的一種或多種氧化物（包括一些不穩(wěn)定的氧化物和易揮發(fā)的氧化物）。第四節(jié)固體表面清洗

一、概述金屬表面的斷面模型圖：

加工層:緊靠基體，是由于機加工而造成的與材料內部的組織、結構不同的表面層。

擴散層:加工層組織和基體材料組織呈摻雜狀態(tài)的層帶。

氧化層:金屬材料暴露在空氣中時表面生成的膜層（氧化膜和氧化皮）。

銹層:表面因腐蝕而生成的化學產物，表面疏松，與基體結合不牢，對基體無保護作用甚至還可能促進基體的進一步腐蝕。

污物層:

一般指附著在表面的微細的碳黑狀粉末，其粒度一般小于0.01um(導電型或非導電型，有機污物或無機污物)清潔表面時，只有加工層和擴散層可以予以保留,其它的幾層物質,都要盡可能的清洗干凈。方法一般有：除油:除去表面油脂等污物。浸酸:一般稱除去薄氧化膜的化學處理方法。除磷:一般稱除去氧化皮的化學處理方法。酸洗:一般稱除去氧化皮、銹及表面生成物的化學處理方法。浸蝕:為了去除變質層（加工層、擴散層），根據(jù)情況，有時需腐蝕基體的化學處理方法。二、除銹機械法:利用機械的方法（如噴砂、研磨、滾光等）使金屬制品表面達到整平的同時除去表面銹層。

化學法:利用酸或堿溶液對金屬制品進行強浸蝕處理,使表面的銹層通過化學作用和浸蝕過程中所產生的氫氣泡的機械剝離作用而被除去。

電化學法:在酸或堿液中對金屬制品進行陰極或陽極處理除去銹層。陽極除銹是由于化學溶解、電化學溶解和電極反應析出的氫氣泡的機械剝落作用；陰極除銹則是由于化學溶解和陰極析出氫氣的機械剝離作用。

2.1化學法除銹對于鋼鐵,一般使用H2SO4去除氧化皮的原理是:氧化皮Fe2O3+3H2SO4====Fe2(SO4)3+3H20Fe3O4+4H2SO4====FeSO4+Fe2(SO4)3+4H20FeO+H2SO4====FeSO4+H20基體Fe+H2SO4====FeSO4+H2↑產物Fe2(SO4)3+H2====2FeSO4+H2SO4Fe2(SO4)3+Fe====3FeSO4H2SO4濃度,溫度對浸蝕時間的關系溫度越高,濃度越大,則氧化皮溶解越快,一般采用10%～20%的H2SO4濃度和40℃的浸蝕溫度為酸洗的工藝條件。用HCl去除鋼鐵件氧化皮,其原理與H2SO4相同，但速度快約1.5～2倍；實際生產中,一般采用濃度為15%(10%～20%)左右和室溫條件進行酸洗。2.2電解法除銹酸液電解：（5～20%的H2SO4），更容易除去粘結牢固的氧化皮，而且酸液濃度有些變化也不顯著影響浸蝕效果。且對基體腐蝕小，操作管理容易，但需要設備，要增加掛具，氧化皮溶解不均。陰極電解：材料腐蝕少，但由于激烈析氫，易引起氫脆。陽極電解：借助于氧化的物理沖刷作用使氧化皮脫落，有時可鈍化防止腐蝕，無氫脆。PR電解:具有上述二者的特性。堿液電解：為克服酸液電解表面粗糙，有酸霧和氫脆現(xiàn)象發(fā)生的現(xiàn)象。三、除油油脂有兩類:皂化性油脂：能與堿發(fā)生皂化反應生成可溶于水的肥皂，如動植物油。非皂化性油脂：不能發(fā)生皂化反應，如礦物油。除油方法有：<1>有機溶劑<2>化學方法<3>電化學方法<4>超聲波法3.1有機溶劑除油浸洗法：將工件浸泡在有機溶劑中并加以攪拌，油脂被溶解并帶走不溶解的污物。各種有機溶劑均可使用。噴淋法：將有機溶劑噴淋于工件表面上，油脂不斷被溶解，反復噴淋直至油污全部除凈為止。易揮發(fā)的溶劑不適合，須于密閉容器內操作。蒸汽洗法：在密閉容器內，底部裝入有機溶劑，工件懸掛在有機溶劑上面，將溶劑加熱，溶液蒸汽在工件表面冷凝成液體并溶解油脂，連同油污一起滴落入溶劑槽中，除去工件表面上的油污。聯(lián)合處理法：采用浸洗——蒸汽洗聯(lián)合處理或浸洗——噴淋——蒸汽洗聯(lián)合處理，除油效果更好。注意：用有機溶劑進行除油時，一定要注意安全，保持良好的通風環(huán)境，做好各種各樣的防火措施，以免中毒，失火。3.2化學除油化學方法除油的原理：(1)堿溶液對皂化性油脂的皂化作用。常用的如氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸三鈉等(2)表面活性物質對非皂化性油脂的乳化作用。

常用的如水玻璃、乳化劑OP-10、6501、6503洗凈劑、三乙醇胺油酸皂等3.3電化學除油在堿性電解液中，金屬工件受直流電的作用發(fā)生極化作用①使金屬～溶液界面張力降低，溶液易于潤濕并滲入油膜下的工件表面,使油膜易于剝落；②析出大量氫或氧對油膜猛烈地撞擊和撕裂,并對溶液產生強烈攪拌，加強油膜表面溶液的更新，使油膜被分散成細小油珠，脫離工件表面而進入溶液中形成乳濁液。

陰極和陽極除油陰極和陽極除油相比，相同電流下陰極除油產生的氫比陽極除油產生的氧多一倍，且氣泡小而密，乳化能力強，所以陰極除油效果更好。3.4超聲波除油在堿溶液化學除油和電化學除油過程中引入超聲波場，可以強化除油過程，縮短除油時間，提高工藝質量，還可以使細孔、盲孔中的油污徹底清除。并且引入超聲波后，對除油溶液的濃度和溫度要比相應的化學除油和電化學除油為低，可減少工件