固體材料的表面特點及表面清洗第1頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)固體材料表面與內(nèi)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(zhì)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)：能量最小第2頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四固體表面的特點：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(nèi)部的7倍。

表面吸附外來的一些原子或分子。第3頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四2．原子排列不同:表面重構(gòu)：是指表面最外層原子的排列周期與體內(nèi)不一樣.

第4頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四

表面馳豫：表面原子發(fā)生相對于正常位置(三維結(jié)構(gòu))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(nèi)原子間距離不一樣，或者增長，或者減少.

第5頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四表面缺陷：臺階、彎折、空位等

第6頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四第7頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)固體表面的吸附

一、固體對氣體的吸附第8頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四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(xué)吸附：二者之間的力和化合物中原子之間形成化學(xué)鍵的力相似，較范德華力大的多。第9頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四

物理吸附和化學(xué)吸附有著不同的特點:

物理吸附化學(xué)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(xué)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(jié)構(gòu)：基本同吸附質(zhì)分子結(jié)構(gòu)形成新的化合態(tài)<7>可逆性：可逆（易解吸）不可逆<8>電子轉(zhuǎn)移：無有<9>吸附活化能：不需需，且較高<10>吸附溫度：低較高第10頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四第11頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四固體表面對液體吸附的特點：

1．電解質(zhì)吸附：非電解質(zhì)吸附：

2．正吸附：吸附層內(nèi)溶質(zhì)的濃度比本體相大。負吸附：吸附層內(nèi)溶質(zhì)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、固體對液體的吸附第12頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四固、液、氣三相穩(wěn)定接觸時：θ：接觸角第13頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四

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。第14頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四在固、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(dāng)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(dāng)γS<γSL時，則cosθ<0→θ>90°，此時不潤濕；當(dāng)γSL

越大和γL

越小時，θ越大,不潤濕程度越嚴(yán)重。第15頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四三相穩(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第16頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四液體和固體之間的吸附粘結(jié)力ISL可表示為：

ISL＝γL+γS–γSL

＝γL（1＋cosθ）

即固液之間的粘結(jié)力大小是與液體表面張力γL及接觸角θ相關(guān)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?nèi)齻€相界面上的γ值來調(diào)整接觸角，亦即可以通過一些表面活性物質(zhì)來改變潤濕角θ大小，從而改變固液表面之間的粘結(jié)力。第17頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四三、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(zhì)間的粘附功往往超過其中較弱一物質(zhì)的內(nèi)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(dāng)固體斷面很小，并且很清潔時才能表現(xiàn)出來。第18頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)固體表面結(jié)構(gòu)

一．理想表面結(jié)構(gòu)理想表面是一種理論上的結(jié)構(gòu)完整的二維點陣平面，忽略了：①晶體內(nèi)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)境的作用第19頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四二．清潔表面結(jié)構(gòu)

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)擴散等一系列物理、化學(xué)效應(yīng)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(gòu)及表面臺階等缺陷。第20頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四三、實際表面結(jié)構(gòu)

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(zhì)與體內(nèi)明顯不同。

3．殘余應(yīng)力（內(nèi)應(yīng)力）：按照作用力范圍分為宏觀內(nèi)應(yīng)力和微觀內(nèi)應(yīng)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21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)固體表面清洗

一、概述金屬表面的斷面模型圖：第23頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四

加工層:緊靠基體，是由于機加工而造成的與材料內(nèi)部的組織、結(jié)構(gòu)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(xué)產(chǎn)物，表面疏松，與基體結(jié)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(dǎo)電型或非導(dǎo)電型，有機污物或無機污物)

第24頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四

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(zhì),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(xué)處理方法。除磷:一般稱除去氧化皮的化學(xué)處理方法。酸洗:一般稱除去氧化皮、銹及表面生成物的化學(xué)處理方法。浸蝕:為了去除變質(zhì)層（加工層、擴散層），根據(jù)情況，有時需腐蝕基體的化學(xué)處理方法。第25頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四二、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(xué)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(xué)作用和浸蝕過程中所產(chǎn)生的氫氣泡的機械剝離作用而被除去。

電化學(xué)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(xué)溶解、電化學(xué)溶解和電極反應(yīng)析出的氫氣泡的機械剝落作用；陰極除銹則是由于化學(xué)溶解和陰極析出氫氣的機械剝離作用。

第26頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四2.1化學(xué)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(chǎn)物

Fe2(SO4)3+H2====2FeSO4+H2SO4Fe2(SO4)3+Fe====3FeSO4第27頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四H2SO4濃度,溫度對浸蝕時間的關(guān)系第28頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四溫度越高,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(chǎn)中,一般采用濃度為15%(10%～20%)左右和室溫條件進行酸洗。第29頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四2.2電解法除銹酸液電解：（5～20%的H2SO4），更容易除去粘結(jié)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(shè)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。第30頁，共33頁，2023年，2月20日，星期四三、除油油脂有兩類:

皂化性油脂：能與堿發(fā)生皂化反應(yīng)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(yīng)，如