化工表面工程

化工表面工程第一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1表面防蝕處理的主要任務2金屬表面的預處理3電鍍原理4金屬電鍍工藝5化學鍍（自催化沉積）6熱噴鍍與熱浸鍍7表面轉化8表面涂裝9涂覆層性能的檢測方法第二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日參考書目：1、侯文濤編，《耐蝕表面處理技術》山東大學。2、曲敬信等編，《表面工程手冊》，化學工業(yè)出版社。3、譚昌瑤等編，《實用表面工程技術》，新時代出版社。4、胡德昌編，《金屬結構與抗蝕》，宇航出版社5、盧燕平編，《金屬表面防蝕處理》，冶金工業(yè)出版社6、陳正均編，《耐蝕非金屬材料及應用》，化學工業(yè)出版社第三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日《化工表面工程》(1-2)侯文濤第四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.1金屬的腐蝕金屬的腐蝕是指金屬在周圍介質（環(huán)境）的作用下，由于化學變化、電化學變化（或物理溶解）而產生的破壞或變質。更廣泛的材料腐蝕就是指材料在周圍介質（環(huán)境）的作用下而產生的破壞與變質。材料包括了金屬材料和非金屬材料，如混凝土、陶瓷、塑料、橡膠等。例如塑料會由于光的老化作用或化學溶劑的溶解而產生破壞；例如金屬會被另一種熔融金屬侵蝕（液態(tài)金屬腐蝕）。另外，在物理、機械、射線、電流和生物的伴隨作用下材料的腐蝕會加速。1表面防蝕處理的主要任務第五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.1.1金屬的腐蝕過程腐蝕體系：金屬材料＋環(huán)境介質；腐蝕過程：金屬材料＋腐蝕介質＝腐蝕產物。腐蝕過程至少包括三個基本過程：（1）通過對流和擴散作用使腐蝕介質向界面遷移；（2）在相界面上進行反應；（3）腐蝕產物從相界面遷移到介質中去或在金屬表面形成覆蓋層。腐蝕過程的特點：（1）腐蝕所造成的破壞一般先從金屬表面開始，然后伴隨著腐蝕過程的進行向內部擴展，并使金屬的性質和組成發(fā)生改變；（2）金屬材料的表面狀態(tài)對腐蝕過程的進行有顯著的影響。第六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.1.2金屬腐蝕的分類與破壞形態(tài)1.1.2.1金屬腐蝕的分類根據腐蝕過程的特點，金屬腐蝕可分為化學腐蝕和電化學腐蝕。根據腐蝕環(huán)境的特點，金屬腐蝕可分為大氣腐蝕、土壤腐蝕、海水腐蝕、酸堿鹽的腐蝕等等。根據腐蝕破壞的形態(tài)，金屬腐蝕可分為全面腐蝕和局部腐蝕。另外，金屬腐蝕還可分為高溫腐蝕與低溫腐蝕；干腐蝕與濕腐蝕等等。第七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.1.2.2金屬腐蝕的破壞形態(tài)（1）全面腐蝕：腐蝕分布在整個金屬表面，可以是均勻的，也可以是不均勻的。（2）局部腐蝕：腐蝕主要集中于金屬表面的某些特定區(qū)域，而其它金屬表面則幾乎未被破壞。局部腐蝕主要有以下類型：電偶腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、孔（點）蝕、應力腐蝕破裂、疲勞腐蝕、氫脆、選擇性腐蝕等等。第八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.2.1防蝕處理的主要途徑金屬材料方面——根據腐蝕環(huán)境選擇合適的耐蝕材料；提高金屬成分及組織的均一性；金屬的耐蝕合金化處理和復合材料的研究與開發(fā)。環(huán)境方面——去除介質中的有害成分；降低氣體介質中的水分；調節(jié)介質的pH值及緩蝕劑保護。界面方面——采用電化學保護和表面防蝕處理（表面工程）

。1.2表面工程的內容和主要任務第九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.2.2金屬腐蝕破壞與破壞的事例（1）化工生產中金屬管路的腐蝕與防護采取的防護措施有緩蝕劑保護、陰極保護和非金屬涂層保護。第十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（2）油氣管道的腐蝕與防護第十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（3）油罐內壁防腐蝕問題探討第十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（4）不銹鋼工藝管線外表面防腐蝕保護第十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（5）噴鋅在新立城水庫閘門防腐中的應用（何亞東，孟凡義.吉林水利，2004，（11））第十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（6）船舶腐蝕及其防腐第十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（7）含硅有機－無機復合涂層對鋁合金的保護作用第十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（8）航空鋁合金防腐保護研究進展第十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（9）耐候鋼及其表面處理技術的開發(fā)第十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（10）氣柜腐蝕原因分析及防護措施第二十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（11）油氣田CO2腐蝕的防護技術研究第二十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.2.3表面防蝕處理

(1)表面防蝕處理就是用各種方法在金屬表面上施加保護層的總稱。(2)耐蝕保護層的作用把金屬材料與腐蝕性環(huán)境隔開。(3)耐蝕保護層的基本要求①耐蝕、高硬度、耐磨；②結構緊密、完整、孔隙率??；③與底層金屬結合牢固、粘結力好；④分布均勻且有一定的厚度。第二十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日(4)耐蝕保護層的分類①金屬涂覆層用耐蝕性較強的金屬或合金在容易腐蝕的金屬表面上形成的保護層，習慣稱為鍍層。鍍層與基體金屬形成電偶時的極性可分為陽極性鍍層和陰極性鍍層。陽極性鍍層的電位比基體金屬的電位更負，起犧牲陽極保護，鍍層的完整性不是決定性的因素，鍍層越厚，保護作用越大；陰極性鍍層的電位比基體金屬的電位更正，其保護作用則取決于鍍層的孔隙率，孔隙率越低，保護作用越大。②非金屬涂覆層用有機高分子材料（油漆涂料、玻璃鋼、橡膠等）以及無機材料（陶瓷、化合物、琺瑯等）在金屬表面上形成的保護層。這類保護層主要是起機械阻擋作用。第二十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日(5)表面處理方法的分類見表1－1。表1-1表面耐蝕處理方法的分類金屬涂層非金屬涂層電鍍（電沉積）化學氧化化學鍍（自催化沉積）陽極氧化熱噴鍍磷酸鹽處理熱浸鍍鉻酸鹽處理滲鍍涂料涂裝真空蒸鍍玻璃鋼濺射橡膠離子鍍搪瓷離子注入防銹油脂化學氣相沉積第二十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日查閱文獻并寫出文摘（電子版）一、文獻的電子版（化工10×××文獻_題目）二、文摘（word版）（化工10×××_題目文摘）1、文章題目；2、作者；3、文摘（自己寫）；4、出處：作者，題目，刊物名，年卷期，頁碼；例：林偉,高誠輝.非晶態(tài)鍍層耐蝕性的研究進展[J].電鍍與涂飾，2002,21(6)：41～45

我的郵箱：我的電話：第二十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日綜述論文一、綜述論文的要求

1、封面

化工表面工程題目：學院：化學與化工學院專業(yè)：化學工程與工藝姓名：學號：指導老師：侯文濤2010年11月20日第二十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2、文章結構結構要求字體1字體2題目居中2號黑體2號黑體摘要【摘要】5號宋體小5號宋體關鍵詞【關鍵詞】5號宋體小5號宋體正文例：1前言2機理2.1機理12.1機理23方法4展望各級標題：頂格。標題號用阿拉伯數字行距：1.5～2倍。段落開頭空2格。小4宋體一級標題號3號黑體；二級標題號小3黑體；三級以下小4號宋體。5號宋體一級標題號3號黑體；二級標題號4黑體；三級以下5號宋體。參考文獻

[11]林偉,高誠輝.非晶態(tài)鍍層耐蝕性的研究進展[J].電鍍與涂飾，2002,21(6)：41～45

參考文獻：小3黑體；文獻：5號宋體

參考文獻：小3黑體；文獻：5號宋體

第二十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.3金屬晶體學基礎1.3.1金屬晶體的鍵合方式四種：離子鍵、共價鍵、范德華鍵和金屬鍵。金屬晶體依靠金屬正離子與公有化自由電子間的相互作用（吸引或排斥）而結合在一起，金屬原子的這種結合方式稱為金屬鍵；晶體的鍵合強度可由其結合能來標志，范德華鍵的結合能最低。第二十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.3.2晶體學的基本知識1.3.2.1晶體與非晶體（1）區(qū)別：組成晶體的原子（離子或分子）是按一定幾何形式在空間規(guī)則地作周期性的重復排列；非晶體中的原子則是無規(guī)則地堆積在一起。（2）晶體類型：離子晶體、共價晶體、分子晶體和金屬晶體。第二十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.3.2.2晶體學基礎（1）空間點陣、晶胞、晶系①空間點陣是一種表示晶體內部質點排列規(guī)律的幾何圖形。它是按晶體中相同點的排列規(guī)律從晶體結構中抽象出來的。第三十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日空間點陣的要素： A：結點——空間點陣中的點，代表晶體結構中的原子、分子等相同點。B：行列——結點在直線上的排列。它相當晶體上的晶棱或晶向。C：面網——結點在平面上的排列。它相當于晶體上的晶面。面網之間的間距稱為面網間距。D：單位點陣（平行六面體）——空間點陣中的一個最小重復單元。它相當于晶體結構中的單位晶胞（單胞）。E——點陣參數或晶體常數——坐標系統(tǒng)晶軸：一般A軸左右、B軸前后、C軸直立。度量單位：晶軸上的結點間距（點陣周期）a,b,c,晶軸夾角：α,β,γ。晶體常數是一種晶體最重要的參數之一。第三十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日②晶胞（UnitCell）是晶體的代表，是晶體中的最小單位。晶胞并置起來，則得到晶體。晶胞的代表性體現在以下兩個方面：一是代表晶體的化學組成；二是代表晶體的對稱性，即與晶體具有相同的對稱元素（對稱軸、對稱面和對稱中心）。一般說來，晶胞都是平行六面體。整塊晶體可以看成是無數晶胞無隙并置而成（無隙——相鄰晶體之間沒有任何間隙；并置——所有晶胞都是平行排列的取向相同）。第三十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日③晶系（crystalsystem）：根據晶體的特征對稱元素所進行的分類。晶體根據其在晶體理想外形或綜合宏觀物理性質中呈現的特征對稱元素可劃分為立方、六方、三方、四方、正交、單斜、三斜等7類為7個晶系，分屬于3個不同的晶族。高級晶族中只有一個立方晶系；中級晶族中有六方、四方和三方三個晶系；低級晶族中有正交、單斜和三斜三個晶系。特征對稱元素亦能確認與每種晶系對應晶胞的形狀或晶胞參數相關性的特征。各晶系的晶胞類型一般用晶胞參數a、b、c和α、β、γ表示。其中a、b和c叫軸長，α、β和γ叫軸角，它們分別是a和c、b和c、a和b的夾角。第三十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日諸晶系(在晶體外形和宏觀物性中呈現的)特征對稱元素如下：立方晶系（等軸晶系）：有三個等長且互相垂直的結晶軸，4個立方體對角線方向的三重軸；六方晶系：晶體有四個結晶軸，惟一高次軸方向的六重軸或六重反軸；(hexagonalsystem)，有一個6次對稱軸或者6次倒轉軸，該軸是晶體的直立結晶軸C軸。另外三個水平結晶軸正端互成120度夾角。軸角α=β=90度，γ=120度，軸單位a=b≠c。三方晶系：和六方晶系一樣具有四個結晶軸，惟一高次軸方向的三重軸或三重反軸；四方晶系；三個互相垂直的結晶軸，惟一高次軸方向的四重軸或四重反軸；正交晶系：(斜方晶系)三個互相垂直但是互不相等的結晶軸，三個結晶軸分別相當于三個互相垂直的二次軸。單斜晶系：三個互不相等的結晶軸三斜晶系：三個互不相等且互相斜交的結晶軸。第三十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日布拉菲點陣：14種空間點陣；7種晶系。1850年，布拉菲首先證明了三維晶格只有14種布喇菲點陣。這十四種布喇菲點陣按其慣用晶胞的對稱性（基矢長短和夾角大小）特征劃分為七種晶系（初基點陣＋加心＝14）第三十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（2）晶面指數、晶向指數晶胞中原子的坐標：如[1,1,0]、[1/2,1/2,0]等；①立方晶系晶面指數：晶面在3個軸的截距的倒數，如(110)、(111)等;晶向指數：如[110]晶面族：如{110}②六方晶系四軸坐標（3）晶面間距、晶帶第三十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.3.3金屬的晶體結構1.3.3.1典型的金屬晶體結構晶體結構體心立方bcc面心立方fcc密排立方hcp金屬α-Fe、δ-Fe、W、Mo、V等γ-Fe、Al、Cu、Au、Ag、Pt等Mg、Zn、Cd等點陣常數a＝b＝ca＝b＝c軸比：c/a＝1.633晶軸間夾角α＝β＝γ＝90°α＝β＝γ＝90°α＝β＝90°,γ＝120°晶胞原子數1/8×8＋1＝21/8×8＋1/2×6＝41/6×12＋1/2×2＋3＝4原子半徑r配位數81212致密度0.680.740.74第三十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.3.3.2金屬晶體結構的重要概念(1)原子半徑：兩個相互接觸的原子的中心距離的一半；(2)配位數：晶體結構中與任意原子最近鄰等距離的原子數；(3)致密度：晶胞中原子所占體積與晶胞總體積之比；(4)晶體結構中的間隙。1.3.3.3晶體中原子密堆的理論基礎（1）密排六方結構的密堆方式：底面（0001）晶面為第一層A，在A層的原子空隙中心堆上第二層B；堆垛方式：ABABAB······。（2）面心立方結構的密堆方式：以（111）晶面為第一層A；ABCABC。第三十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.3.4晶體的缺陷1.3.4.1點缺陷：（1）包括空位、間隙原子、雜質原子，以及它們組成的復雜缺陷。（2）點缺陷的產生與溫度有關，又稱為熱缺陷；點缺陷可以在熱力學平衡的晶體中存在，是熱力學穩(wěn)定的缺陷。（3）產生過飽和缺陷的主要原因有高溫淬火、輻射效應、冷加工、氧化等。（4）點缺陷對金屬性能的影響：（P23）。第三十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.3.4.2位錯（1）在切應力的作用下，晶體原子沿晶面（原子最密排）發(fā)生逐步滑移，最終形成一個原子間距的滑移臺階。（2）位錯基本類型：刃型位錯（┻）、螺旋位錯和混合位錯。（3）位錯與金屬材料的強度：使強度大大降低。第四十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.3.4.3界面晶體的界面有晶界、相界面以及外表面。其共同特點是原子相鄰關系偏離晶體內部原子排列的正常狀態(tài)，屬于面缺陷。（1）晶界：即晶粒間界，是結構相同但位向不同的相鄰晶粒之間的界面。（2）晶界類型：小角度晶界（θ＜10o）、大角度晶界(θ＞10o)。（3）晶界偏析：溶質或雜質原子優(yōu)先富集在晶界上的現象。（4）晶界特性：（P37）。第四十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.3.4.4晶體缺陷與金屬的腐蝕（1）點缺陷與金屬的氧化：會使金屬在高溫條件下的氧化加劇，降低合金的抗氧化性。（2）位錯與金屬腐蝕：應力腐蝕、氫脆、孔蝕、表面活性點（腐蝕開始的部位）。（3）晶界與金屬腐蝕：晶間腐蝕、應力腐蝕等，原因是晶界電位與晶粒內電位的電位差；晶界雜質偏聚等。第四十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.3.5合金的相結構

合金是兩種以上元素（其中必有一種是金屬）熔合而成的具有金屬特性的物質；所謂相是合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一結構和性質的均勻組成部分，相與相有相界面；相常有的三種：固溶體、金屬化合物、機械混合物。1.3.5.1固溶體：成分和性質均勻的固相合金。(1)置換固溶體：兩組元的原子半徑比較接近，溶質原子可取代晶格結點上某些溶劑原子的位置。分有限固溶體和無限固溶體，其固溶度受結構因素、尺寸因素、原子價因素及電負性因素的影響。(2)間隙固溶體：第四十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.3.5.2金屬化合物合金中兩組元之間發(fā)生相互作用而形成的一種新相AmBn。是合金中的強化相。（1）正常價化合物：符合原子價規(guī)律，電負性相差較大的元素組成。兩種：CaF2型晶體結構，離子鍵化合物；金剛石結構或ZnS型晶體形式，共價鍵化合物。（2）電子化合物：在Cu－Zn、Cu－Sn合金系中常見。形成規(guī)律與電子濃度密切相關，以金屬鍵為主。（3）尺寸因素化合物：由過渡族元素與C、N、B、H等原子半徑較小的非金屬元素結合而成的。①間隙相：易形成較簡單的晶體化合物——間隙相；②間隙化合物：易形成較復雜的晶體結構——間隙化合物。第四十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.3.5.3過飽和固溶體和成分偏析（1）過飽和固溶體：是指在既定溫度下溶解溶質的數量大于該溫度下處于平衡狀態(tài)時溶解度的固溶體，是一種處于亞穩(wěn)定狀態(tài)的固溶體。（2）成分偏析：合金中各組成元素在結晶時分布不均勻的現象稱為偏析。偏析分為三種：①晶內偏析,該情況取決于澆鑄時的冷卻速度,偏析元素擴散能力和固相線傾斜度等.可以通過退火將偏析消除；②區(qū)域性偏析:在較大范圍內化學成分不均勻的現象,退火無法將該情況消除,這種偏析與澆溫、澆速等有關；③比重偏析：合金凝固時析出的初晶與余下的液體存在較大的比重差，最終導致材料出現分層、化學成分不均勻的情況?？刹捎媒档蜐矞丶哟罄鋮s速度，加入微量元素形成比重適當等。第四十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.4材料表面科學的補充1.4.1表面的定義我們考慮的固體材料表面是氣－固相界面。固體材料的許多重要性質和應用與表面有關：機械部件的摩擦、磨損；材料的腐蝕、氧化；化學合成中的固相催化；晶體生長和外延生長；電子器件的功能如電學、光學、磁學等；新材料技術如納米材料、多層薄膜等。其共同特點是利用表面、界面有別于塊體的特殊性質。材料表面科學的任務：表面的特殊性質源于表面的成分和微觀結構，包括原子排列和電子分布。研究表面的成分、結構、性質以及三者之間的關系是材料表面科學的任務。第四十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日材料表面的定義：不同的學科、不同的研究領域對此的界定也有差異。（1）結晶學和固體物理學：表面是指晶體三維周期結構與真空之間的過渡區(qū)，它包括不具備三維周期結構特征的最外原子層。Honig將表面定義為“鍵合在固體最外面的原子層”，Vickerman進一步將其定義為固體外表約1～10個單原子層。（2）實用技術學科：表面是指結構、物性與體相不相同的整個表面，其深度尺寸范圍隨學科研究領域的涉及而劃分不同。固體表面的定義：將固體本身與環(huán)境分開、在結構和物理化學性質上完全不同于體相的整個外原子層。研究內容：從分子、原子水平上描述材料表面的結構，討論表面物理和化學現象；對固體表面的化學結構進行表征；力圖建立“對表面結構的認識與材料的宏觀特性”的聯系。第四十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.4.2材料表面的基本特性純元素Si（111）表面的原子結構見圖示。第四十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日一般材料表面結構的兩個基本特點：（1）由于表面上原子配位數減少，所以處于表面上的原子缺少相鄰的原子，會失去三維結構狀態(tài)下原子之間作用力的平衡。（2）表面原子配位數減少，必然造成處于最頂層的原子存在剩余價鍵。第四十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日這兩個基本特點會引起表面形成新的結構，因而會產生一系列特殊的固體表面物理化學現象：（1）表面原子幾何結構不同于體相，出現了重構，形成了新的對稱性、元格結構，發(fā)生相變，同時表面會產生各種微觀缺陷。（2）表面原子的遷移和擴散。（3）由于三維周期勢的突然中斷，在表面形成了新的電子結構（如懸掛鍵）。表面特殊電子結構的存在是影響表面光、電吸收和發(fā)射，以及電子傳輸特性的關鍵因素。（4）由于表面存在不飽和價鍵，因此在化學上表現異?；顫?。第五十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.4.3材料表面原子遷移擴散表面原子遷移擴散、表面原子幾何結構和材料表面的電子結構是材料表面研究的三大基礎知識。對材料表面物理化學問題的研究，其起點都是對表面穩(wěn)態(tài)結構狀況的表征和理解。（1）材料表面穩(wěn)態(tài)結構晶體表面原子的幾何構形；表面的元素組成、分子結構；表面的電子結構（主要是表面附近的電子狀態(tài)密度分布）。表面原子的遷移和擴散是影響表面穩(wěn)定狀態(tài)的基本因素，也是改變表面結構的重要起因之一。（2）理想表面與真實表面（①表面重構及其表征；②吸附質誘導表面重構；③表面偏析；④表面吸附和反應）。第五十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（3）表面缺陷及擴散機制表面缺陷：平臺(terrace)、臺階(ledge)、彎結(kink)、增原子——TLK模型。表面原子擴散機制：當熱振動能量給予表面原子足夠大的能量時，原子便會離開原先格點，跨過勢壘而到達另一個能量較低的相鄰原子位置，這樣在表面形成一個增原子的同時留下一個空位，這就是表面原子自擴散模型。第五十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日1.4.4材料表面科學的研究內容（1）材料表面特征的研究：表面原子幾何結構；表面化學組成；表面電子結構；外來物同表面的相互作用；異質固－固界面擴散反應；粒子束和固體表面相互作用及信息內容。（2）材料表面問題的試驗研究方法：①基礎研究方面的“純表面科學”——研究表面物理化學現象及基本規(guī)律，特別重視表面幾個單原子或單分子層內的結構特征及其同環(huán)境相互作用時的變化規(guī)律。②應用方面的“實用表面科學”——界面分析、表面改性、表面或界面質量控制、失效分析。目的是研究表面的化學結構與體相的差異；追蹤表面或界面的化學結構隨工藝處理或工作環(huán)境的變化；確定微缺陷區(qū)域的位置及該區(qū)域與正?；瘜W結構區(qū)域的差異。并把這些與材料表面的宏觀特性聯系起來。第五十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第五十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2金屬表面的預處理表面處理技術種類繁多，各種表面處理技術都要求有與之相適應的表面預處理（Pre-TreatmentofSurface）。表面處理技術按是否改變待加工件的原始尺寸可分為表面涂層技術(SurfaceCoatingTechnology)和表面改性技術(SurfaceModificationTechnology)兩大類。第五十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日表面涂層技術要求涂層與基體有良好的（原子級別、或機械結合、或分子間作用力）結合。表面預處理的優(yōu)劣不僅在很大程度上決定了涂層與基體的結合強度，也往往會影響鍍層的結構和質量，如晶粒度、致密度、組織缺陷、針孔以及平整性等。金屬工件的原始表面一般覆蓋著氧化層、吸附層及普通沾污物。表面預處理的主要內容就是選擇適當的方法去除這些覆蓋物，達到與欲實施表面處理技術所要求的清凈度。第五十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2.1凈化處理凈化處理的目的是去除基體金屬表面的沾污物，制備潔凈的基體表面。2.1.1表面沾污物可分為有機物與無機物兩大類。有機物主要有動植物油和礦物油（石油及其衍生物、機油、瀝青等）；另外還有防銹劑、切削液等。無機物主要有金屬鹽、氧化物、研磨料、切削碎屑等。第五十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2.1.2凈化原理通過皂化、潤濕、滲透、乳化、分散、增溶、絡合等作用滌除表面沾污物。（1）皂化作用：動植物油在堿性條件下可發(fā)生皂化反應：通過皂化反應，原不溶于水的油脂變成可溶于水的金屬皂和脂肪皂。皂化劑為NaOH，或是能溶于水產生NaOH的堿性物質，如碳酸鈉Na2CO3、偏硅酸鈉Na2SiO2、磷酸鈉Na3PO4及硼酸鈉Na2B4O7等。礦物油即不溶于水又不與NaOH發(fā)生皂化反應，可用其它化學試劑滌除；但含有表面活性劑時，也可與NaOH形成乳濁液而從金屬表面滌除。第五十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（2）乳化作用：滲透到油污內部的凈化劑組分吸附到油脂表面并形成極小的“水包油”型膠粒，失去與金屬表面的附著力，進一步分散到水溶液內部。能促進乳化作用的物質叫乳化劑。常用的乳化劑如：OP-10、6501、6503洗凈劑，三乙醇胺油酸皂，TX-10等都是有一種或幾種表面活性物質組成的乳化劑。乳化劑中有兩個相互矛盾的基團，一個是親水的極易溶于水的親水基團，如OH、-CO、-COOH、-S03H、-SH、-NH2等；另一個是憎水的，極易溶于油的憎水基團(親油基團)，如碳氫鏈。第五十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日除油時，乳化劑吸附在油和水的界面上，它們的憎水基團與零件表面的油發(fā)生親和作用；親水基團則與除油的水溶液發(fā)生親和作用；兩種基團作用的結果使油污和零件間的引力逐漸減弱，在溫度引起的分子熱運動和攪拌作用下，零件上的油膜很容易變成分散的、極細的小油珠，并自動從零件表面脫落，進入溶液中成為乳濁液。吸附在小油珠表面的表面活性劑，不僅能防止小油珠合并成大油珠，而且能防止小油珠再吸附到零件上去，因此除油效果顯著。其缺點是：有些表面活性劑如OP一10不易從工件表面洗凈，可能影響后面的鍍覆層的質量。為此，乳化除油后應加強清洗。第六十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（3）潤濕作用和滲透作用：凈化劑組分通過對表面油污的潤濕并滲透到油污內部，使之松散，表面張力和粘滯力降低，從而易于從金屬表面分離。（4）溶解作用：也就是溶劑與溶質之間發(fā)生的分子溶劑化過程。根據“相似互溶”原理選擇溶劑。（5）絡合作用：凈化劑中的絡合劑組分可通過①與油污中的緩蝕劑或水中的硬離子絡合，防止生成不溶性的產物覆蓋在金屬表面；②與金屬表面發(fā)生絡合，使表面金屬溶解連同上面的油污一起脫離金屬表面而進入水溶液中。第六十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（6）增強作用：在凈化劑的使用過程中，借助機械、物理或電化學方法來加強凈化作用。①攪拌的作用：攪拌、沖刷、噴射、滾動、振動或摩擦，可促使表面污染物更快地從表面脫離；②溫度的作用；③電解法也即電化學法：一是使油污粒子帶同種電荷而相互排斥，油污與金屬表面的界面張力下降；二是通過產生的氣泡（陰極法析氫，陽極法析氧）使油污從金屬表面剝離。通過陰極析氫或陽極析氧所產生的氣泡使油膜脫離過程得到強化。超聲波通過空穴作用形成氣泡，隨之在氣泡破裂的瞬間產生沖擊波而強力沖刷表面玷污物。第六十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2.1.3凈化劑工業(yè)用凈化劑分四大類：①堿洗液；②有機溶劑；③乳化液；④水基清洗劑。凈化劑選擇的參考因素：①化學凈化能力；②理化性能；③材料適應性；④工藝相容性；⑤綜合應用性能。第六十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（1）有機溶劑通過滲透和溶解作用滌除油污，常用有機溶劑有原油分餾物和鹵代烴兩類。（2）乳化液在有機溶劑如汽油中添加約10％體積濃度的乳化劑和10～100倍的水而成的溶液即乳化劑，對去除參雜固體顆粒的油污尤為有效；原油分餾物（汽油）與含分散劑的堿洗液混合形成的雙相清洗劑（半乳濁液）的綜合清洗效果好于乳化液。（3）水基清洗劑主要由有機表面活性劑、助洗劑、皂化劑、緩蝕劑及絡合劑組成。有機表面活性劑分為離子型有機表面活性劑（陰離子型、陽離子型、兩性型）和非離子型有機表面活性劑。有機表面活性劑主要通過潤濕、滲透、乳化、分散、增溶等作用進行脫脂。第六十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（4）堿洗液以氫氧化鈉為主要成分，分化學除油（利用氫氧化鈉的皂化作用滌除動植物油，借助硅酸鈉或表面活性劑的乳化作用滌除礦物油）和電化學除油，其優(yōu)點是，對工業(yè)上普通玷污物的洗凈范圍較寬，其凈化處理后可得到親水表面，故特別適合做濕式鍍膜技術如電鍍、化學鍍及表面轉化處理前的除油工藝；成本低，但堿洗對金屬材料有腐蝕性，清洗時間較長，通常需要加熱操作，廢液需處理才能排放。常用堿洗液的配方見表2－1。第六十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日表2-1常用金屬堿洗工藝規(guī)范組分g/L鋼鐵銅材鋁材鋅材錫材氫氧化鈉，NaOH2010～15碳酸鈉，Na2CO330～4010～2015～2015～30磷酸鈉，Na2PO4?12H2O40～6010～2015～30硅酸鈉，Na2SiO320～3010～2010～2020～30碳酸氫鈉，NaHCO35～10焦磷酸鈉，Na4P2O7?10H2O10～15表面活性劑1～22～31～21～3pH1010t℃70～9070～8050～7060～8070～80第六十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2.1.4凈化方法常用凈化方法有擦拭法、浸漬法、噴淋法、蒸汽法、電解法、超聲波法、烘烤法及滾筒法等，見表2-2。表2-2各種凈化方法的特點及適用范圍凈化方法特點適用范圍擦拭法操作靈活、無形狀及尺寸限制、效率低單件、中大型件局部凈化浸漬法通用；快但不徹底；無形狀及尺寸限制批量凈化噴林法凈化效果好，效率高批量凈化蒸汽法專用設備；工序復雜；凈化效果好批量凈化電解法直流電源，時間短，凈化質量高，氫損傷精除油超聲波法超聲設備，除油徹底精除油烘烤法需火源或烘箱，操作簡便但效率低噴涂等工藝的前處理滾筒法滾筒設備，除油效果好，效率高批量小零件第六十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日常用的凈化度檢驗方法:（1）擦拭法——用潔凈柔軟的白紙或白布擦拭表面，可直觀地判別凈化概況。此法簡捷，但不適于要求凈化度高的場合。（2）水滴法——使水珠滴落表面，凈化良好的表面上水珠攤開呈膜狀，潤濕情況好；凈化不良表面水珠呈球狀，稍將表面傾斜即滾落，潤濕情況不良?？捎媒佑|角測量儀測量表面上水滴接觸角，接觸角越小則凈化程度越高。（3）掛水法——將試件放入水中提起，或向其表面澆水使水全部覆蓋表面，若水膜呈連續(xù)分布狀態(tài)，則說明凈化不良。此法適于判斷厚油膜情況。（4）噴霧法向待測表面噴射水霧并觀察掛水狀態(tài)。在水中加入可溶顏料更有助于判別。第六十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（5）鍍覆法——鋼鐵件可浸入濃度為10～20g/L。的硫酸銅稀溶液中,利用置換原理進行判別。油污覆蓋部分無銅析出。也可在光亮鎳鍍液中以Dk=1A/dm2條件電鍍30s后觀察，除油不良處光澤不好，并可浮現拋光殘渣或指紋類缺陷。鍍覆法常用于分析采用凈化方法的效果，或成批凈化工藝中的抽檢。（6）熒光法——在油污中加入熒光染料，凈化處理后用紫外燈照射作熒光觀察，判別是否殘留油脂，可作凈化工藝分析。將熒光顏料溶液用噴霧法噴灑于凈化處理過的表面，所用染料應能吸附于油污，通過熒光觀察可作凈化度鑒別。使用熒光分光光度計還可作定量分析。（7）放射線法——將含有放射性同位素(如C14、S55)的油污涂敷表面，然后用蓋格-彌勒計數管測量凈化處理后表面殘留物的放射能。此法可用于凈化工藝研究。第六十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2.2除銹處理除銹的方法有很多種，常用化學方法和機械法?；瘜W除銹采用侵蝕劑進行，為強化侵蝕過程，還可通以電流加強刻蝕作用，則稱為電解除銹。機械法包括噴砂、切削、刷除或打磨。有時根據工件特點還才用火焰烘燒法或滾筒法除銹，后者適用于小零件成批除銹。第七十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2.2.1酸洗法除銹

酸洗液為無機酸+緩蝕劑。（1）浸蝕劑種類及特點主要是無機酸，見表2-3。

表2－3浸蝕劑種類及特點無機酸工藝條件特點硫酸25％左右，50～60℃對鋼鐵件及銅件除銹效果為佳，加緩蝕劑鹽酸20～80％，室溫對氧化物起溶解作用，而對鋼鐵基體作用不大硝酸30％左右，室溫光亮浸蝕，常與氫氟酸配合使用去除氧化皮氫氟酸30％體積濃度，室溫可溶解含硅的化合物，對鉻、鋁的氧化物溶解性強，但易揮發(fā)，有劇毒。磷酸光亮浸蝕，或鋼鐵焊件涂裝前的除銹第七十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（2）緩蝕劑種類及特點常用的緩蝕劑為含氮、氧、硫等的有機化合物，如若丁、硫脲、硫醇、烏洛托品（六亞甲基四胺）等。（3）酸洗工藝常用工藝規(guī)范見表2－4。表2-4常用金屬酸洗規(guī)范組分鋼鐵銅及銅合金鋅及鋅合金鋁及鋁合金鹽酸,HCl(1.19)150～400硫酸,H2SO4(1.84)100350硫酸亞鐵,FeSO4100硝酸HNO3(1.41)10～20鉻酐,CrO365溫度T,℃室溫40～50室溫60～70時間t，min1～5<10.5～2第七十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2.2.2電解法除銹在酸洗液中通入電流，通過電解氣泡作用加速除銹過程。方法有陰極法、陽極法和混合法。陰極法常用電流密度Dk為l～10A／dm2．對金屬腐蝕程度輕，能保證尺寸精度，但易引起氫脆。陽極法不發(fā)生氫脆，但易對金屬造成過腐蝕。通常采用陰極與陽極的聯合電解除銹法，通過電解時間的分別控制來減輕各自的不良影響。有時也采用堿液電解除銹法。堿液為含氫氧化鈉、螯合物及表面活性劑的水溶液。螯合物主要有檸檬酸、酒石酸、葡萄糖酸、EDTA等有機羧酸。第七十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2.2.3噴砂除銹法其它除銹法有：機械法如噴砂、切削、刷涂或打磨；火焰烘烤法；滾筒法等。最常用的是噴砂除銹法：噴砂除銹是借助壓縮空氣使磨料強力沖刷工件表面，從而去除銹蝕、積炭、焊渣、氧化皮、型砂、殘鹽、舊漆層等表面缺陷。按磨料使用條件，噴砂分為干噴砂與濕噴砂兩類。干噴砂除銹效率較高，加：[表面較粗糙，粉塵較大，磨料破碎高；濕噴砂對環(huán)境污染程度小，對表面有一定的光飾與保護作用，常用于較精密的加工。第七十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日噴砂常用磨料為石英砂、鋼砂、氧化鋁及碳化硅等。濕噴砂時，磨料與水混成砂漿，一般磨料占20％～35％體積濃度；為防止鋼鐵銹蝕，往往在水中加入緩蝕劑如亞硝酸鈉等。噴砂設備一般由空氣壓縮機、油水分離器和噴砂機組成。干噴砂所用噴砂機按送砂方式分射吸式和壓入式兩種。噴砂工藝參數主要有槍距、傾角。槍距一般在100～300mm之間，噴嘴與基體表面的傾角在60°～75°。噴砂常用于熱噴涂或涂料涂裝前除銹，一般要求除銹質最達到瑞典標準SIS055900--1967所規(guī)定的Sa2．5等級或之上。將噴砂所用磨料改為鋼丸、玻璃丸或陶瓷丸等丸狀顆粒對工件表面進行噴射，就成為噴丸處理。噴丸粒度一般在6～50目，其破碎率控制在15％以下。噴丸除銹效果較噴砂低，但可在工件表面產生顯著的壓應力而提高疲勞強度和抗應力腐蝕能力。第七十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2.2.4鋼結構除銹新技術——JZ·CXFX-N除銹防銹技術

JZ·CXFX-N除銹防銹技術原理：將該產品象涂料一樣直接涂刷在帶有三氧化二鐵(Fe203紅色鐵銹)、四氧化三鐵(Fe304藍色氧化皮)鋼構件表面，通過化學轉化反應，利用鈍化、緩蝕機理，常溫下l～2小時后鐵銹及氧化皮即被自然轉化、形成緊密的亮灰黑色防銹膜層，22小時后轉化完全，達至金屬基底形成鍵合力，因此，該膜層與基底金屬結合力好，并可與各類油漆(膏灰)配套。該防銹膜層在一20℃～60℃范圍性質穩(wěn)定，兼具一定的防火性能，單一膜層室內防銹可達一年之久。鋼結構材料經此除銹防銹處理后，油漆內在質量得以提升，防銹能力顯著提高。第七十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日

Jz·CXFX-N除銹防銹劑應用范圍：該技術產品適用于以鋼鐵為結構材料的各個領域，如鋼構建筑、金屬箱柜、船舶橋梁、建筑機具、城市護欄、機械設備、管道塔架、農用機具、汽車火車車身、石油化工設備、油氣輸送管道、礦山機械設備等以除銹防銹為主要目的的油漆涂裝工程，尤其適用于戶外大型、重型鋼構建筑。這些金屬構件及設備在制造加工過程中的除銹工序可以使用，在使用過程中定期的防腐蝕維護除銹、涂裝時也可以使用。因此，其市場應用面寬，應用途徑主要有兩個方面：第七十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（1）建設工程：指新開工建設的鋼結構工程及機械設備，按照有關國家標準及施工規(guī)范，所使用的鋼鐵材料銹蝕程度不超過D級，直接用除銹防銹劑涂刷后，形成的防銹膜層在10um左右，與金屬基底的平整度一致，覆蓋油漆后，不影響漆膜外觀。（2）維護工程：指已使用一定年限的鋼結構建筑及機械設備，由于使用環(huán)境不同，銹蝕程度也不一致，有的銹層厚度超過100urn，需要用鋼絲刷除去浮銹及銹塊、泥砂，然后涂刷除銹防銹劑。該產品不損油漆層，不損銅、鎳、鉻金屬，但不適用于鍍鋅鋼件的除銹維護。第七十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2.3活化處理活潑金屬如鋁、鎂、鈦及其合金，以及一些易鈍化材料如鎳、鉻和不銹鋼，經前述方法除銹活化后，往往在極短時間內又迅速生成氧化薄膜或鈍化薄膜，需要進行活化處理。有時，活化的目的是去除除銹后表面殘留的不良合金成分或惰性物質，如中、高碳鋼和鑄鐵經電化學除銹后顯露出來的碳黑或石墨，在掃描電鏡下呈白色相，對鍍層結合有極大妨礙?；罨饕糜诰椷^程的預處理中，常用工藝為弱浸蝕或電化學活化(陽極弱刻蝕或陰極極化)。第七十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2.3.1活潑金屬的活化（1）鋁及鋁合金的活化：硫酸（15％）、80℃、2～5min→硝酸＋氫氟酸、室溫、5～8s；（2）鎂及鎂合金的活化：磷酸（85％）200mL/L＋氟化氫銨90g/L、16～30℃、0.5～2min；（3）鈦及鈦合金的活化：冰乙酸＋乙二醇（19：81體積濃度），陽極活化（5～6A/dm2）。第八十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日表2-5易鈍化金屬的活化規(guī)范組分不銹鋼鎳鉻硫酸,H2SO4(98％),ml/L200～600鹽酸,HCl(37％),ml/L100～400鉻酐,CrO3,g/L200～250溫度T,℃室溫室溫室溫電流密度Dk,A/dm225～10槽端電壓6V時間t，min1～51～20.1～1極性陰極活化陽極活化陽極活化2.3.2易鈍化金屬的活化不銹鋼、鎳、鉻的活化規(guī)范見表2－5。第八十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2.4光飾處理光飾處理的目的：制備平整而光潔的表面。常用工藝為研磨和拋光，有些場合還采用珩磨或超精加工。2.4.1研磨用于去除金屬表面的毛刺、砂眼、氣泡、焊疤、劃痕、腐蝕斑、氧化皮、熱處理殘鹽和各種宏觀缺陷，提高表面平整度，降低粗糙度，以保證精飾質量。研磨機為磨輪或滾筒式，按研磨劑的使用條件分濕研、干研和半干研三類。研磨劑由磨料（氧化鋁、碳化硅、氧化鐵、氧化鉻）、研磨液（機油、煤油、動植物油、乳化液）及輔助材料（硬脂酸、油酸、脂肪酸、工業(yè)甘油）組成。研磨工藝參數主要是研磨壓力和研磨速度。第八十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2.4.2拋光利用柔性拋光工具和磨料顆?；蚱渌麙伖饨橘|對工件表面進行的修飾加工。拋光不能提高工件的尺寸精度或幾何形狀精度，而是以得到光滑表面或鏡面光澤為目的，有時也用以消除光澤（消光）。2.4.2.1拋光工藝（1）機械拋光拋光輪＋拋光劑，拋光劑分拋光膏和拋光液兩類。拋光輪一般用多層帆布、毛氈或皮革疊制而成，兩側用金屬圓板夾緊，其輪緣涂敷由微粉磨料和油脂等均勻混合而成的拋光劑。拋光時，高速旋轉的拋光輪（圓周速度在20米／秒以上）壓向工件，使磨料對工件表面產生滾壓和微量切削，從而獲得光亮的加工表面，；當采用非油脂性的消光拋光劑時，可對光亮表面消光以改善外觀。第八十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日大批量生產軸承鋼球時，常采用滾筒拋光的方法。粗拋時將大量鋼球、石灰和磨料放在傾斜的罐狀滾筒中，滾筒轉動時，使鋼球與磨料等在筒內隨機地滾動碰撞以達到去除表面凸鋒而減小表面粗糙度的目的，可去除0.01毫米左右的余量。精拋時在木桶中裝入鋼球和毛皮碎塊，連續(xù)轉動數小時可得到耀眼光亮的表面。精密線紋尺的拋光是將加工表面浸在拋光液中進行的，拋光液由粒度為W5～W0.5的氧化鉻微粉和乳化液混合而成。拋光輪采用材質勻細經脫脂處理的木材或特制的細毛氈制成，其運動軌跡為均勻稠密的網狀，在放大40倍的顯微鏡下觀察不到任何表面缺陷。第八十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（2）化學拋光通過金屬表面在化學拋光劑中浸漬時，微觀凸起處的溶解速度大于微觀凹陷處，從而獲得平滑、光亮的表面?；瘜W拋光劑主要由無機酸、氧化劑及其它添加劑組成。分高溫、中溫和低溫三類。主要工藝參數是操作溫度和浸漬時間。（3）電化學拋光在化學拋光劑中通直流電流，通過陽極電解作用來促進拋光的過程。電化學拋光時，由于電流尖端效應，金屬表面微凸起處的電流密度比微凹陷處高，溶解速度快，通常這種陽極過程中又易形成鈍化膜，表面微凹陷處鈍化膜厚度比微凸起處大，使溶解速度差加劇，從而可使微觀粗糙度迅速降低，最終獲得鏡面般光亮平滑的表面。電化學拋光工藝參數包括電壓、電流密度、操作溫度和時間。陰極材料常用不銹鋼、鋁或普通鋼，一般用耐酸布套包住，并經常刷除陰極上的沉積物。第八十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日2.4.2.2拋光工藝的進展（1）化學機械拋光（CMP）上世紀90年代興起的新型化學機械拋光(ChemicalMechanicalPolishing，CMP)技術是機械削磨和化學腐蝕的組合技術，它借助超微粒子的研磨作用以及漿料的化學腐蝕作用在被研磨的介質表面上形成光潔平坦表面。CMP技術對于器件制造具有以下優(yōu)點：

a.片子平面的總體平面度：CMP工藝可補償亞微米光刻中步進機大像場的線焦深不足。

b.改善金屬臺階覆蓋及其相關的可靠性：CMP工藝顯著地提高了芯片測試中的圓片成品率。

c.使更小的芯片尺寸增加層數成為可能：CMP技術允許所形成的器件具有更高的縱橫比。第八十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日CMP技術的機理研究

CMP過程涉及到摩擦學、化學、流體力學、固體物理等諸多學科領域，因而其作用機理非常復雜，也增加了研究的難度．針對化學機械拋光加工過程中的磨損機理和材料去除機制，大量的學者進行了研究，歸納起來，主要有4種建模方法。第一種方法是基于化學機械拋光過程結果的唯象學方法。1927年，Preston提出了第一個機械模型，它經驗主義地將去除率和摩擦力作的功聯系起來；1991年Burke和Warnock基于基本的拋光原理，提出了半經驗主義的和唯象學的模型，這種方法未完全揭示磨損機理。第二種方法是基于流體動力學理論。1994年Runnels等在數值求解了Navier—Stokes方程后，研究了化學機械拋光過程的潤滑與磨損率；1999年Sundararajan等通過解雷諾方程計算了CMP漿料膜的厚度和流體動力壓力。第八十七頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第三種方法是利用接觸力學理論。1993年，Yu等通過測量拋光墊表面粗糙度探索了基于表面粗糙度分布的磨損機理；1996年，Liu等基于磨粒在拋光墊和硅片之間的滾動運動分析了化學機械拋光的磨損機理；1999年，Larsen—Basse和Liang指出化學機械拋光的主要磨損機理是由于拋光液中的顆粒所產生的磨損；同年，Tseng等基于彈性接觸理論建立了一種理論模型，模擬了拋光墊和晶片界面間由于晶片曲率引起的壓力分布，解釋了晶片拋光的不均勻性問題；2002年Borucki基于Greenwood—Williamson接觸理論提出了晶片CMP加工拋光速率衰減的數學模型，預測結果與實驗吻合較好。第八十八頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日第四種方法則是建立于接觸力學和流體力學理論上。1994年，Y．Yu等結合拋光墊的Ra及拋光液流體動力學壓力的影響，提出一種物理CMP模型；1997年，Srinivasa—Murthy模擬了化學機械拋光的應力分布，指出化學機械拋光晶片的不平度與晶片表面的應力分布相關；1999年Tichy等提出了一種一維模型來預測CMP加工中流體動力學壓力的大小以及載荷、轉速、粗糙度的影響；2000～2001年Cho和Park等人建立了化學機械拋光加工時整個硅片范圍的三維流體力學模型，分析了拋光液厚度和壓力分布及接觸剪應力分布。第八十九頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（2）電化學拋光的機理研究及進展①降低表面粗糙度的宏觀整平機制及進展陽極表面電拋光的概念應細分為宏觀整平和微觀整平兩個過程。其中前者是指表面粗糙度．R>1μm的表面整平；后者是指表面粗糙度R<1μm的表面整平。目前，仍有人將此二者混為一談，這對深入研究其拋光機制是不利的，因為兩者的整平機理、工藝實施條件是截然不同的。

Edwards認為，宏觀整平是陽極表面幾何形狀均勻化的過程，主要是陽極表面生成的特性薄膜提高了陽極表面電阻引起的。因而可推知粘性薄膜的產生存在一臨界電位值。此后叉存在一粘性薄膜穩(wěn)定存在區(qū)。第九十頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日早期Jacguet提出了一個粘膜理論：當電流通過電解液時,在陽極表面生成一層由陽極溶解產物組成的液膜，它有較高的粘度和大的電阻，而這層粘液膜的厚度在粗糙表面的各個部分是不相等的，在凹處大些，在凸起處小些。由于陽極表面的“絕緣”程度不同，因而其上面的電流分布也就不均勻，在凸起處的電流密度較凹處的電流密度大些。所以，凸起處的溶解就快些，結果便導致粗糙表面被宏觀整平。這一最早闡明電拋光機理的理論已為部分研究者所接受。但該理論的主要不足在于，當粗糙表面逐漸被摧平后，凸凹之處差距極微時，被極薄的粘性薄膜所保護的金屬表面何以能被進一步拋光？實際中甚至在陽極上并投有粘性薄膜時，為什么電化學拋光仍能正常進行？用此理論仍不能解釋電拋光過程中所特有的陽極極化曲線。第九十一頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日有文獻指出：電拋光時粗糙表面的宏觀整平是由于凹起處在拋光過程中產生的氣體絕緣層比凸起處更厚，因而使凸起處溶解速度較快所致。然而，氣體絕緣層的存在與否仍有待進一步研究。還有文獻認為，是陽極表面不同晶面的電位及溶解速度存在區(qū)別所致。顯然，按此理論不能解釋表面整平和出現光澤的事實。因為此理論的結果將導致表面顯露組織或侵蝕。

Elmore認為，陽極溶解產物向電解液中的擴散在宏觀整平過程中起主導作用。這是由于凸起處溶解產物濃度梯度比在凹處高。因而．凸起處溶解速度大，表面被整平。此理論對宏觀整平現象進行了較好解釋。目前，普遍為人們所接受。第九十二頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日②增加表面光亮度的微觀整平機制及進展宏觀整平機制沒有考慮陽極的極化行為，因而也就無法進一步解釋表面光亮度的提高和金屬光澤的產生。而大量實驗結果表明，微觀整平過程中表面光亮度的提高主要來自陽極極化而產生的鈍化膜。

Hoar研究了不同陰離子(Cx一／H2O)電解液及陽極電位對金屬活—鈍化—去鈍化（增亮）三者之問相互轉化關系的影響，隨著陽極電位或陰離子濃度的不斷增加，陽極表面將由活化區(qū)過渡到增亮區(qū)或由活化區(qū)過渡到鈍化區(qū)，再過渡到增亮區(qū)。但不管怎洋，增亮區(qū)的陽極表面必有一層致密的鈍化膜，而且，只有這層鈍化膜才能抑制表面的結晶學腐蝕(活化區(qū))，且當金屬離子進入鈍化膜的速度與從鈍化膜中溶解到溶液中的速度基本相同時。表面亮度可達到極值。第九十三頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日因此，微觀整平增亮機制的合理解釋應是陽極的極化行為機制：由于陽極表面上凸起和凹部位的鈍化程度不同，其中凸起部位的化學活性較大，且開始形成的鈍化膜往往不完整呈多孔性，而凹部位處于更為穩(wěn)定的鈍化狀態(tài)．結果凸起部位鈍化膜溶解破壞程度比凹處大，如此反復，直至獲得穩(wěn)定致密的鈍化膜層，這時微觀整平增亮可達極限值。所以，微觀整平應同時滿足兩個條件：(1)陽極處于極化狀態(tài)，(2)陽極表面有一致密、完整的鈍化膜。第九十四頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日結論：綜上所述，電化學拋光全過程的不同階段，具有不同的拋光機制：①宏觀整平階段，主要發(fā)生表面幾何粗糙度下降，陽極溶解產物向電解液中的擴散能力是其合理的拋光機制；②微觀整平階段：主要發(fā)生表面光亮度的提高和金屬光澤的產生，陽極極化行為是其合理控制機制，包括陽極處于極化狀態(tài)和致密、完整的鈍化膜形成。第九十五頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日（3）激光拋光技術①激光拋光技術的發(fā)展近年來，隨著材料科學，特別是材料表面科學的發(fā)展，激光器在材料科學中的應用得到進一部的拓寬；更由于工業(yè)應用中對材料表面的光潔度的要求越來越高，人們不斷探索新的拋光技術，由于激光獨特的性質,激光拋光技術出現了。現在研究人員把重點放在短波長準分子激光器和短脈沖的飛秒脈沖激光器上，利用它們拋光不易產生裂紋，拋光的效果更好。從上世紀90年代中期以來，在美國、俄羅斯、德國和日本等國家，廣泛開展了金剛石薄膜的激光拋光研究，已經得到了納米級的表面粗糙度。激光拋光已經在金剛石薄膜、高分子聚合物、陶瓷、半導體、光學元件、金屬、絕緣體等得到廣泛的應用。第九十六頁，共一百二十一頁，2022年，8月28日②激光拋光的機理激光拋光本質上就是激光與材料表面相互作用,主要有兩種效果：熱作用和光化學作用。根據激光與材料的作用機理,可把激光拋光簡單分為兩類:一類為熱拋光,另一類為冷拋光。熱拋光一般用連續(xù)長波長激光,作用機理是激光與材料相互作用的熱效應,通過熔化、蒸發(fā)等過程來去除材料表面的成分。冷拋光一般用短脈沖短波長激光,作用機理是“單光子吸收”或“多光子吸收”,材料吸收光子后,材