無機非金屬材料的表界面陶瓷表面表面結構表面特征與行為表界面對陶瓷性能的影響玻璃表界面表界面結構玻璃表、界面的化學組成與化學反應玻璃表界面的性能及其改進玻璃表界面的表征無機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電子數多，具有多種氧化態。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)能形成共價鍵。這是由非金屬元素原于的外層電子構型、原子半徑和元素的電負性所決定的。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電子數3一、陶瓷表面表界面結構表面特征與行為表界面對陶瓷性能的影響

一、陶瓷表面表界面結構4表界面結構

表面弛豫表面重構晶界相界表界面結構

表面弛豫5表界面結構

（a）弛豫（b）重構（c）偏析（d）臺階表界面結構

（a）弛豫（b）重構（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比較金屬與NaCl小角度晶界刃型位錯比較9表面科學工程無機非金屬表面課件10晶界構形（1）固-固-氣（2）固-固-液熱蝕角固-液-固平衡角晶界構形（1）固-固-氣熱蝕角固-液-固平衡角11（3）固-固-固——雜質在陶瓷晶界的分布（3）固-固-固——雜質在陶瓷晶界的分布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，結構和成分都非常復雜：陶瓷主要由帶電單元，以離子鍵為主體構成，帶電單元影響晶界的穩定性。陶瓷中的少量雜質對晶粒尺寸和晶界性質起確定性影響。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力晶界電位及空間電荷陶瓷表面特征與行為晶界應力15晶界應力——晶界應力——16表界面對陶瓷性能的影響PTC熱敏電阻陶瓷

電阻率隨溫度變化的材料，分為四大類：負溫度系數，正溫度系數，臨界熱敏，線性熱敏；主要通過摻雜實現；用于定溫加熱器，延時開關，馬達啟動器等。氣敏陶瓷

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

晶界ZnO壓敏陶瓷顯微結構添加了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

表界面結構玻璃表、界面的化學組成與化學反應玻璃表界面的性能及其改進玻璃表界面的表征

二、玻璃表界面

表界面結構21玻璃表界面結構

玻璃新表面上存在不飽和鍵，能吸附大氣中的水；并和水反應形成各種羧基團。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。玻璃表界面結構

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構（b）石英玻璃斷裂表面結構（a）石英晶體斷裂表面結構（b）石英玻璃斷裂表面結構23表界面結構亞表面層（10-4~10-5cm）特點：（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）亞表面不對稱，造成熱振動非諧性。據此可解釋表層流變、、裂紋、離子交換等現象。表界面結構亞表面層（10-4~10-5cm）特點：24陶瓷的亞表面層結構陶瓷的亞表面層結構25玻璃表、界面的化學組成與化學反應玻璃表面的化學組成由于揮發、富集等因素，使成分隨深度而變化。玻璃表、界面的化學反應包括：玻璃表面與水、酸、堿以及氣體的反應。硅酸鹽玻璃表面受浸蝕后有五種類型狀態：玻璃表、界面的化學組成與化學反應玻璃表面的化學組成26玻璃表面化學反應：五種類型不溶型可溶型玻璃表面化學反應：五種類型不溶型可溶型27·玻璃表面與水反應例如：100~300℃與水蒸氣作用：與水結合：氫氧根離子與硅氧鍵作用：形成多孔高硅膜——脫堿反應·玻璃表面與水反應例如：100~300℃與水蒸氣作用：與水28·玻璃表面與酸反應：例如：鈉鈣硅鹽玻璃受酸浸蝕時：實質是酸中H+與玻璃中Na+，Ca+發生互相擴散。·玻璃表面與堿反應：鍵斷裂，結構破壞，SiO2溶出。·玻璃表面與酸反應：例如：鈉鈣硅鹽玻璃受酸浸蝕時：實質29·玻璃表面的風化

玻璃與大氣的作用稱風化，出現霧狀薄膜或點線狀模糊物，甚至彩虹，白霜，粘片現象；玻璃風化又稱霉變。風化過程：吸附大氣中的水——與水反應——對玻璃浸蝕——隨時間浸蝕加重·玻璃表面的風化

玻璃與大氣的作用稱風化，出現霧狀薄膜或點30玻璃表界面的性能及其改進玻璃表界面的性能（1）光學特性平整度與光波長度關系（2）電學性質堿離子進入水膜，使玻璃表面導電率升高。影響因素：環境溫度與濕度玻璃化學穩定性玻璃表面狀態（3）力學性能玻璃表界面的性能及其改進玻璃表界面的性能31·玻璃表面的改性

玻璃表面涂膜改性

減反膜，導電膜，玻璃表面強化離子注入玻璃表面改性

離子注入對折射率，硬度造成影響。·玻璃表面的改性

玻璃表面涂膜改性32陶瓷層涂敷工藝補充內容陶瓷層涂敷工藝補充內容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搪瓷用瓷釉是化學成分較復雜的硅酸鹽玻璃，化學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：搪瓷用瓷釉是化學成分較復雜的硅酸鹽玻璃，35搪瓷涂層搪瓷是將玻璃質瓷釉涂敷在金屬底材表面，經過高溫燒結而成．在整體上有金屬的力學強度，表面有玻璃的各種特性。搪瓷涂層搪瓷是將玻璃質瓷釉涂敷在金屬底材表面，經過高溫燒結而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，按瓷釉組成結構和性能分類有：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、藝術品搪瓷、建筑搪瓷、電子搪瓷、醫用搪瓷等。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、汽車、船舶等的發動機的排氣管、某些耐熱器具和部件上應用。在飛機、汽車、船舶等的發動機的排氣管、某些38

高溫合金搪瓷抗高溫燃氣流腐蝕和沖刷的性能好，熱導率比合金低；在有液膜或氣膜冷卻部件時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動機的村套、導向葉片、燃燒室和尾噴管等高溫合金部件的保護涂層，提高這些部件的設計和使用溫度或延長其使用壽命。高溫合金搪瓷抗高溫燃氣流腐蝕和沖刷的性能好39渦輪轉子高溫搪瓷涂層渦輪轉子高溫搪瓷涂層40渦輪球殼搪瓷涂層渦輪球殼搪瓷涂層41練習題（一）何謂材料表面？表面與界面有何區別？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。如何理解動潤濕與動接觸角？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表面。什么是金屬表面的吸附粒子超點陣？如何用Wood標注法表明超點陣與金屬表面點陣的相互關系？比較固體表面與液體表面的特性。練習題（一）何謂材料表面？表面與界面有何區別？42練習題（二）什么叫PVD？它包括哪些方法？什么叫化學氣相沉積？其沉積反應有哪幾種？簡要說明PVD與CVD的主要不同點。表面預處理的目的是什麼？它包括哪些內容？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？滲鍍層的特點是什么？什么叫化學轉化膜？舉例說明它的用途。化學轉化膜為什么要進行后處理？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。練習題（二）什么叫PVD？它包括哪些方法？43練習題（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。玻璃表、界面化學反應的類型與特點。說明玻璃表面改性的方法，并例舉其應用。材料表面分析的主要特點。簡要說明表面分析的主要方法。采用什么方法對下面表、界面進行分析：（1）拉伸斷口（2）復合鍍層的觀察（3）合金的晶界（4）陶瓷的表、界面觀察練習題（三）什么是表面弛豫？繪出NaCl晶體的表面弛豫示44無機非金屬材料的表界面陶瓷表面表面結構表面特征與行為表界面對陶瓷性能的影響玻璃表界面表界面結構玻璃表、界面的化學組成與化學反應玻璃表界面的性能及其改進玻璃表界面的表征無機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電子數多，具有多種氧化態。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)能形成共價鍵。這是由非金屬元素原于的外層電子構型、原子半徑和元素的電負性所決定的。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電子數47一、陶瓷表面表界面結構表面特征與行為表界面對陶瓷性能的影響

一、陶瓷表面表界面結構48表界面結構

表面弛豫表面重構晶界相界表界面結構

表面弛豫49表界面結構

（a）弛豫（b）重構（c）偏析（d）臺階表界面結構

（a）弛豫（b）重構（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比較金屬與NaCl小角度晶界刃型位錯比較53表面科學工程無機非金屬表面課件54晶界構形（1）固-固-氣（2）固-固-液熱蝕角固-液-固平衡角晶界構形（1）固-固-氣熱蝕角固-液-固平衡角55（3）固-固-固——雜質在陶瓷晶界的分布（3）固-固-固——雜質在陶瓷晶界的分布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，結構和成分都非常復雜：陶瓷主要由帶電單元，以離子鍵為主體構成，帶電單元影響晶界的穩定性。陶瓷中的少量雜質對晶粒尺寸和晶界性質起確定性影響。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力晶界電位及空間電荷陶瓷表面特征與行為晶界應力59晶界應力——晶界應力——60表界面對陶瓷性能的影響PTC熱敏電阻陶瓷

電阻率隨溫度變化的材料，分為四大類：負溫度系數，正溫度系數，臨界熱敏，線性熱敏；主要通過摻雜實現；用于定溫加熱器，延時開關，馬達啟動器等。氣敏陶瓷

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

晶界ZnO壓敏陶瓷顯微結構添加了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

表界面結構玻璃表、界面的化學組成與化學反應玻璃表界面的性能及其改進玻璃表界面的表征

二、玻璃表界面

表界面結構65玻璃表界面結構

玻璃新表面上存在不飽和鍵，能吸附大氣中的水；并和水反應形成各種羧基團。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。玻璃表界面結構

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構（b）石英玻璃斷裂表面結構（a）石英晶體斷裂表面結構（b）石英玻璃斷裂表面結構67表界面結構亞表面層（10-4~10-5cm）特點：（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）亞表面不對稱，造成熱振動非諧性。據此可解釋表層流變、、裂紋、離子交換等現象。表界面結構亞表面層（10-4~10-5cm）特點：68陶瓷的亞表面層結構陶瓷的亞表面層結構69玻璃表、界面的化學組成與化學反應玻璃表面的化學組成由于揮發、富集等因素，使成分隨深度而變化。玻璃表、界面的化學反應包括：玻璃表面與水、酸、堿以及氣體的反應。硅酸鹽玻璃表面受浸蝕后有五種類型狀態：玻璃表、界面的化學組成與化學反應玻璃表面的化學組成70玻璃表面化學反應：五種類型不溶型可溶型玻璃表面化學反應：五種類型不溶型可溶型71·玻璃表面與水反應例如：100~300℃與水蒸氣作用：與水結合：氫氧根離子與硅氧鍵作用：形成多孔高硅膜——脫堿反應·玻璃表面與水反應例如：100~300℃與水蒸氣作用：與水72·玻璃表面與酸反應：例如：鈉鈣硅鹽玻璃受酸浸蝕時：實質是酸中H+與玻璃中Na+，Ca+發生互相擴散。·玻璃表面與堿反應：鍵斷裂，結構破壞，SiO2溶出。·玻璃表面與酸反應：例如：鈉鈣硅鹽玻璃受酸浸蝕時：實質73·玻璃表面的風化

玻璃與大氣的作用稱風化，出現霧狀薄膜或點線狀模糊物，甚至彩虹，白霜，粘片現象；玻璃風化又稱霉變。風化過程：吸附大氣中的水——與水反應——對玻璃浸蝕——隨時間浸蝕加重·玻璃表面的風化

玻璃與大氣的作用稱風化，出現霧狀薄膜或點74玻璃表界面的性能及其改進玻璃表界面的性能（1）光學特性平整度與光波長度關系（2）電學性質堿離子進入水膜，使玻璃表面導電率升高。影響因素：環境溫度與濕度玻璃化學穩定性玻璃表面狀態（3）力學性能玻璃表界面的性能及其改進玻璃表界面的性能75·玻璃表面的改性

玻璃表面涂膜改性

減反膜，導電膜，玻璃表面強化離子注入玻璃表面改性

離子注入對折射率，硬度造成影響。·玻璃表面的改性

玻璃表面涂膜改性76陶瓷層涂敷工藝補充內容陶瓷層涂敷工藝補充內容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搪瓷用瓷釉是化學成分較復雜的硅酸鹽玻璃，化學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：搪瓷用瓷釉是化學成分較復雜的硅酸鹽玻璃，79搪瓷涂層搪瓷是將玻璃質瓷釉涂敷在金屬底材表面，經過高溫燒結而成．在整體上有金屬的力學強度，表面有玻璃的各種特性。搪瓷涂層搪瓷是將玻璃質瓷釉涂敷在金屬底材表面，經過高溫燒結而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，按瓷釉組成結構和性能分類有：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、藝術品搪瓷、建筑搪瓷、電子搪瓷、醫用搪瓷等。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、汽車、船舶等的發動機的排氣管、某些耐熱器具和部件上應用。在飛機、汽車、船舶等的發動機的排氣管、某些82

高溫合金搪瓷抗高溫燃氣流腐蝕和沖刷的性能好，熱導率比合金低；在有液膜或氣膜冷卻部件時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動機的村套、導向葉片、燃燒室和尾噴管等高溫合金部件的保護涂層，提高這些部件的設計和使用溫度或延長其