钢结构制作和安装工艺 深化设计 制作过程中的要点及针对性措施 1.1.制作要点 1）确保下料精度 2）保证拼装质量 3）控制焊接变形 1.2.针对性措施 1）相关构件在细化设计阶段进行三维建模，以求得出精确的下料及安装尺寸。对于复杂节点予以充分重视，采用合理的装配及焊接次序以保证满足设计图纸要求及结构的可靠性。 2）控制切割下料精度，用数控切割机进行切割，保证曲线精度。 3）平面分段制作时尽可能使用CO2气体保护焊及平面分段流水线以减少变形。 4）所有杆件必须在重型拼装平台上进行整体拼装焊接。 5）考虑到项目现状，为满足现场进度和有效控制安装精度，二次部材在主结构安装完成后进行焊接。
2.材料的保管 2.1.材料管理 1）材料的储存保管 (1)选取合适的场地或仓库储存本工程材料。 (2)钢板、钢管、型钢按品种、按规格集中堆放，加以标识和防护，以防未经批准的使用或不适当的处置，并定期检查质量状况以防损坏。 (3)焊接材料应按牌号和批号分别存放在具有适温或干燥的贮藏室内。焊条和焊剂在使用之前按出厂证明书上的规定进行烘焙和烘干。 (4)所有螺栓均按照规格、型号分类储放，妥善保管，避免因受潮、生锈、污染而影响其质量，开箱后的螺栓不得混放、串用，做到按计划领用，施工未完的螺栓及时回收。 2）材料的使用 (1) 材料的使用严格按排版图和放样资料进行领料和落料，实行专料专用，严禁私自代用。 (2)材料排版及下料加工后的重要材料应按质量管理的要求作钢印移植。 (3)车间剩余材料应加以回收管理，钢材、焊材、螺栓应按不同品种规格、材质回收入库。 3）材料的储存保管 (1)选取合适的场地或仓库储存本工程材料。
第一章 1.试述表面张力（表面能）产生的原因。怎样测试液体的表面张力 （1）原因 液体表面层的分子所受的力不均匀而产生的。液体表面层即气液界面中的分子受到指向液体内部的液体分子的吸引力，也受到指向气相的气体分子的吸引力，由于气相吸引力太小，这样，气液界面的分子净受到指向液体内部并垂直于表面的引力作用，即为表面张力。这里的分子间作用力为范德华力。 （2）测试 ①毛细管上升法 测定原理 将一支毛细管插入液体中, 液体将沿毛细管上升, 升到一定高度后, 毛细管内外液体将达到平衡状态, 液体就不再上升了。此时, 液面对液体所施加的向上的拉力与液体总向下的力相等。则γ=1 /2(ρl-ρg)ghrcosθ (1) (1)式中γ为表面张力, r为毛细管的半径, h为毛细管中液面上升的高度,ρl为测量液体的密度,ρg为气体的密度( 空气和蒸气) , g为当地的重力加速度, θ为液体与管壁的接触角。若毛细管管径很小, 而且θ=0 时, 则上式(1)可简化为γ=1/2ρghr (2） ②Wilhelmy 盘法 测定原理
用铂片、云母片或显微镜盖玻片挂在扭力天平或链式天平上, 测定当片的底边平行面刚好接触液面时的压力, 由此得表面张力, 公式为: W总-W片=2γlcosφ 式中,W总为薄片与液面拉脱时的最大拉力,W片为薄片的重力, l为薄片的宽度, 薄片与液体的接触的周长近似为2l, φ为薄片与液体的接触角。 ③悬滴法 测定原理 悬滴法是根据在水平面上自然形成的液滴形状计算表面张力。在一定平面上, 液滴形状与液体表面张力和密度有直接关系。由Laplace 公式, 描述在任意的一点P 曲面内外压差为 式中R1, R2 为液滴的主曲率半径; z 为以液滴顶点O为原点, 液滴表面上P 的垂直坐标; P0 为顶点O处的静压力。 定义S= ds/de式中de为悬滴的最大直径, ds为离顶点距离为de处悬滴截面的直径再定义H=β(de/b)2 则得γ= (ρl-ρg)gde2/H 式中b为液滴顶点O处的曲率半径。若相对应与悬滴的S值得到的1/H为已知, 即可求出表(界) 面张力。即可算出作为S的函数的1/H值。因为可采用定期摄影或测量ds/de 数值随时间的变化, 悬滴法可方便地用于测定表(界)面张力。 ④滴体积法 测定原理
材料表面与界面 1、材料表界面对材料整体性能具有决定性影响，材料的腐蚀、老化、硬化、破坏、印刷、涂膜、粘结、化学反应、复合等等，无不与材料的表界面密切有关。 2、应用领域：a. 航空和航天器件； b.民用;c.特种表面与界面功能材料； d.界面是复合材料的重要特征。 3、隐形涂料：这种涂料含有大量的铁氧体粉末材料，依靠其自身自由电子的重 排来消耗雷达波的能量。 4、表面与界面概念：常把从凝聚相（固相、液体）过渡到真空的区域称为表面; 从一个相到另一个相之间的区域称为界面. 5、表界面尺寸：可以是一个原子层或多个原子层，其厚度随材料的种类不同而 不同。 6、在物质的气、液、固三态中，除了两种气体混合能完全分散均匀而不能形成 界面外，三种相态的组合可构成五种界面：液－气，液－液，固－气，固－液，固－固。 7、物质的分类。从形态上：固体，液体，气体，胶体，等离子体。从结构上： 晶体，无定形。 8、固体表面的分类：理想表面；清洁表面（高温热处理，离子轰击加退火，真 空解理。真空沉积。场致蒸发等）。吸附表面。 9、清洁表面发生的常见重要物理化学现象：(a)表面弛豫；（b）重构；(c) 偏析又称偏聚或分凝；(d)台阶化；(e) 形成化合物；(f)吸附 10、表面处离子排列发生中断，体积大的负离子间的排斥作用，使C1-向外移动，体积小的Na+则被拉向内部，同时负离子易被极化，屏蔽正离子电场外露外移， 结果原处于同一层的Na+和C1-分成相距为0.020 nm的两个亚层，但晶胞结构基本没有变化，形成了弛豫。 11、重构：表面原子重新排列，形成不同于体相内部的晶面。 12、偏析又称偏聚或分凝指化学组成在表面区域的变化但结构不变。 13、台阶化表面附近的点阵常数不变，晶体结构也不变，而形成相梯度表面。 14、形成化合物：指表面化学组成和结构都发生改变，在表面有新相生成。 15、吸附指表面存在周围环境中的物种。分类：物理吸，附和化学吸附。 16、物理吸附：外来原子在固体表面上形成吸附层，由范德华力作用力引起，则此吸附称为物理吸附。特点：物理吸附过程中没有没有电子转移、没有化学键的生成和破坏，没有原子重排等等，产生吸附的只是范德华力。物理吸附的作用力是范德华力，包括：定向力/偶极力、诱导力、色散力；作用力。 17、化学吸附：外来原子在固体表面上形成吸附层由化学键作用力引起，则此吸附称为化学吸附。特点：表面形成化学键；有选择性；需要激活能；吸附热高（21- 42 KJ/mol）。吸附的物种可以是有序=也可以是无序=吸附在表面，也可以是单层=，也可以是多层=吸附。因表面的性质和被吸附的物种而定。 18、表面产生吸附的根本原因：（1）电荷在凝聚相表面发生迁移，包括负电荷的电子迁移和正电荷的离子迁移。（2）表面存在可以构成共价键的基团：A、过渡金属原子空的d轨道如Pt(5d96s1)；B、化学反应成键。 19、固体的表面特性：①表面粗糙度r : 实际表面积与光滑表面积之比值。表面粗糙度测定方法:1)干涉法：适合测量精密表面；2)光学轮廓法；3)探针法；4）比较法；5）感触法。
分类号：中图分类号：TP302 密级： 学科分类号：51030 天津理工大学研究生学位论文 声表面波器件的模拟与仿真 （申请硕士学位） 学科专业：物理电子学 研究方向：薄膜电子与通信器件 作者姓名：朱树众 指导教师：杨保和教授 2011年12月
Thesis Submitted to Tianjin University of Technology for the Master’s Degree Modeling and Simulation of SAW Device By Zhu Shuzhong Supervisor Prof. Yang Baohe Dec. 2011
独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日
摘要 SAW滤波器与其它滤波器相比，具有抗干扰强、体积小、一致性好、适合大规模生产等特点，在通信、电子战、电视中得到广泛的应用。SAW器件以其优异的特性和广泛的应用受到研究者的广泛关注。 精确建模是设计高性能声表面波器件的关键。本文重点对声表面波器件的模拟与仿真进行研究，旨在为声表面波器件的制作提供高精度的仿真模型。 本文内容包括SAW的基本理论、SAW的基本仿真模型、声表面波谐振器及COM 模型、(100)AlN/(111)Diamond多层膜结构的频散效应、声表面波器件的有限元仿真等内容。其主要工作包括： 在深入理解声表面波COM模型的基础上，采用该模型分析了铌酸锂晶体双端口谐振器的频率响应特性，并用Matlab编写了相应的仿真代码。通过谐振器的频率响应曲线，我们可以观察到:双端口谐振器谐振时有很窄的尖峰出现。 (100)AlN/(111)Diamond多层膜具有频散效应，声表面波的相速受(100)AlN膜厚影响很大，在设计多层膜结构声表面波器件前，必须精确估算多层膜结构的声表面波相速。我们通过声表面波的克里斯托夫（Christoffel）方程及多层膜的边界条件，构建了多层膜的克里斯托夫（Christoffel）方程，通过求解该方程，得到了多层膜结构的频散效应曲线。此外，我们还详细介绍了(100)AlN和(111)Diamond材料常数的计算。 借助Comsol软件，我们模拟仿真了压电晶体单端口谐振器、多层膜结构单端口谐振器和多层膜结构双端口谐振器。通过声表面波的有限元模型，重点对声表面波器件的特征频率和频率响应特性进行了分析。通过特征频率分析，可以计算声表面波的相速度，观察声表面波在YZ-LiNbO3和(100)AlN/(111)Diamond中的传播特性和衰减特性。通过频率响应分析，模拟了YZ-LiNbO3和(100)AlN/(111)Diamond声表面波器件的输入导纳。输入导纳分析对设计无线声表面波器件的阻抗匹配有重要意义。 关键词：声表面波有限元多层膜克里斯托夫方程谐振器
钢结构制作和安装工艺 制作过程中的要点及针对性措施 1.1.制作要点 1）确保下料精度 2）保证拼装质量 3）控制焊接变形 1.2.针对性措施 1）相关构件在细化设计阶段进行三维建模，以求得出精确的下料及安装尺寸。 对于复杂节点予以充分重视，采用合理的装配及焊接次序以保证满足设计图纸要求及结构的可靠性。 2）控制切割下料精度，用数控切割机进行切割，保证曲线精度。 气体保护焊及平面分段流水线以减少变形。3）平面分段制作时尽可能使用CO 2 4）所有杆件必须在重型拼装平台上进行整体拼装焊接。 5）考虑到项目现状，为满足现场进度和有效控制安装精度，二次部材在主结构安装完成后进行焊接。 2.材料的保管 2.1.材料管理 1）材料的储存保管 (1)选取合适的场地或仓库储存本工程材料。 (2)钢板、钢管、型钢按品种、按规格集中堆放，加以标识和防护，以防未经批 准的使用或不适当的处置，并定期检查质量状况以防损坏。 (3)焊接材料应按牌号和批号分别存放在具有适温或干燥的贮藏室内。焊条和焊 剂在使用之前按出厂证明书上的规定进行烘焙和烘干。 (4)所有螺栓均按照规格、型号分类储放，妥善保管，避免因受潮、生锈、污染
而影响其质量，开箱后的螺栓不得混放、串用，做到按计划领用，施工未完的螺栓及时回收。 2）材料的使用 (1)材料的使用严格按排版图和放样资料进行领料和落料，实行专料专用，严禁 私自代用。 (2)材料排版及下料加工后的重要材料应按质量管理的要求作钢印移植。 (3)车间剩余材料应加以回收管理，钢材、焊材、螺栓应按不同品种规格、材质 回收入库。 3）材料的储存保管 (1)选取合适的场地或仓库储存本工程材料。 (2)钢板、钢管、型钢按品种、按规格集中堆放，加以标识和防护，以防未经批 准的使用或不适当的处置，并定期检查质量状况以防损坏。 (3)焊接材料应按牌号和批号分别存放在具有适温或干燥的贮藏室内。焊条和焊 剂在使用之前按出厂证明书上的规定进行烘焙和烘干。 (4)所有螺栓均按照规格、型号分类储放，妥善保管，避免因受潮、生锈、污染 而影响其质量，开箱后的螺栓不得混放、串用，做到按计划领用，施工未完的螺栓及时回收。 2.3材料的使用 (1)材料的使用严格按排版图和放样资料进行领料和落料，实行专料专用，严禁 私自代用。 (2)材料排版及下料加工后的重要材料应按质量管理的要求作钢印移植。 (3)车间剩余材料应加以回收管理，钢材、焊材、螺栓应按不同品种规格、材质 回收入库。 3.部材制作工艺 3.1号料与划线 1）号料前应先确认材质和熟悉工艺要求，然后根据排版图、下料加工单和零件草图进行号料。
1表面、界面的定义与理解： 表界面是由一个相过渡到另一相的过渡区域。 习惯上把固－气、液－气的过渡区域称为表面，而把固－液、液－液、固－固的过渡区域称为界面。根据物质的聚集态，表界面通常可以分为以下五类：固－气；液－气；固－液；液－液；固－固； 物理表面包括：理想表面、清洁表面、吸附表面 表面是一个抽象的概念，实际常把无厚度的抽象表面叫数学表面，把厚度在几个原子层内的表面叫作物理表面，而把我们常说实际的固体表面叫工程表面。 2 理想表面理论前提： ①不考虑晶体内部周期性势场在晶体表面中断的影响；②不考虑表面原子的热运动、热扩散、热缺陷等；③不考虑外界对表面的物理-化学作用等；④认为体内原子的位置与结构是无限周期性的，则表面原子的位置与结构是半无限的，与体内完全一样。 3何为清洁表面？清洁表面获得方法？ 指不存在任何污染的化学春表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面。 获得清洁表面的几种方法: ①在获得超高真空的同时获得清洁的表面。②用简单的加热方法去除表面的沾污。③在化学气氛中加热去除那些通过简单加热不能清除的化学吸附沾污。④对于较顽固的沾污，可以利用惰性气体离子（如Ar+、Ne+）轰击表面而有效地清除污染。⑤对于一些晶体，可以采用沿特定的晶面自然解理而得到清洁表面。⑥在适当的基片上通过真空蒸发法获得预想的单晶和多晶薄膜，作为研究对象的清洁表面。 4 根据原子结构的不同清洁表面分哪几种？图示说明（PPT） 弛豫表面：指表面层之间以及表面和体内原子层之间的垂直间距d s和体内原子层间距d0相比有所膨胀和压缩的现象。可能涉及几个原子层。 重构表面：指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但在垂直方向上的层间间距d0与体内相同。 台阶结构：表面不是平面，由规则或不规则台阶组成。由于晶体内部缺陷的存在等因素，使晶体内部应力场分布不均匀，加上在解理晶体对外力情况环境的影响，晶体的解理面常常不能严格地沿所要求的晶面解理，而是伴随着相邻的倾斜晶面的开裂，形成层状的解理表面。它们由一些较大的平坦区域和一些高度不同的台阶构成，称为台面－台阶－拐结（Terrace－Ledge－Kink）结构，简称台阶结构或TLK 结构。 表面偏析：杂质由体内偏析到表面，使多组分材料体系的表面组成与体内不同。 吸附表面：在清洁表面上有来自体内扩散到表面的杂质和来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。 5吸附类型有哪些？画图说明（PPT） 顶吸附；桥吸附；填隙吸附；中心吸附 6 典型材料的工程表面示意图及表面成分（PPT） 7 解释表面原子的压缩效应、驰张效应、起伏效应及双电层效应，并图示说明（PPT） 压缩效应：表面原子失去空间方向的相邻原子后，体内原子对表面原子的作用，产生了一个指向体内的合力，导致表面原子向体内的纵向弛豫。 驰张效应：在少数晶体的某些表面发生原子向体外移动的纵向弛豫，造成了晶体的膨胀。这种情况多由于内层原子对表层原子的外推作用，有时也由于表面的松散结构所致。即表面层内各原子间的距离普遍增大，并且可波及表面内几个原子层，造成晶体总体在某一方向的膨胀。 起伏效应：对于半导体材料如Ge、Si等具有金刚石结构的晶体，可以在（111）表面上观察到，有的原子向体外方向弛豫，有的原子向体内弛豫。而且这俩种方向相反的纵向弛豫是有规律地间隔出现的，即有起有伏，称为起伏效应。 双电层效应：对于多原子晶体，弛豫情况将更加复杂。在离子晶体中，表层离子失去外层离子后，破坏了静电平衡，由于极化作用，造成了双电层效应。 8 什么是表面探针？用于表面分析的探针应满足的要求？ 一般地说，表面探针是利用一种探测束－－如电子束、离子束、光子束、中性粒子束等，有时还
第一章 1、什么是Young 方程？接触角的大小与液体对固体的润湿性好坏有怎样的关系？ 答：Young 方程：界面化学的基本方程之一。它是描述固气、固液、液气界面自由能γsv，γSL ，γLv 与接触角θ之间的关系式，亦称润湿方程，表达式为： γsv -γSL =γLv COSθ。该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。 关系：一般来讲，接触角θ的大小是判定润湿性好坏的依据，若θ=0.cosθ=1，液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；若0＜θ＜90°，液体可润湿固体，且θ越小，润湿性越好；90°＜θ＜180°，液体不润湿固体；θ=180°，完全不润湿固体，液体在固体表面凝集成小球。 2、水蒸气骤冷会发生过饱和现象，在夏天的乌云中，用飞机撒干冰微粒，试气温骤降至293K ，水气的过饱和度（P/Ps ）达4，已知在293K 时，水的表面能力为0.07288N/m ，密度为997kg/m 3，试计算： （1）在此时开始形成雨滴的半径。 （2）每一雨滴中所含水的分子数。 答：（1）根据Kelvin 公式有 '2ln 0R RT M P P ργ= 开始形成的雨滴半径为： 0ln 2'p p RT M R ργ= 将数据代入得：
m R 101079.74ln 997293314.8018.007288.02'-?=?????= （2）每一雨滴中所含水的分子数为N=N A n ，n=m/M=rV/M ，得 个661002.6018.03997)1079.7(14.34)(34233103'=???????===-A A N M R N M V N ρπρ 3、在293k 时，把半径为1.0mm 的水滴分散成半径为1.0μm 的小水滴，试计算（已知293K 时水的表面Gibbs 自由为0.07288J .m -2）（1）表面积是原来的多少倍？（2）表面Gibbs 自由能增加了多少？（9分） 答：（1）设大水滴的表面积为A 1，小水滴的总表面积为A 2，则小水滴数位N ，大 水滴半径为r 1,小水滴半径为r 2。 21221244r r N A A ππ= 又因为将大水滴分散成N 小水滴，则 32313434r N r ππ= 推出 3 21???? ??=r r N =93100.1mm 0.1=??? ??um 故有 ()()10000.140.141022 912=???=mm um A A ππ 即表面积是原来的1000倍。 （2）表面Gibbs 自由能的增加量为 ()()212212421r Nr r A A dAs G A A -=-==??πγγ =4*3.142*0.07288*[109*（10-6）2-（10-3）2]
材料表面与界面综述 表面技术是通过物理、化学工艺方法使材料表面具有与基体材料不同的组织结构、化学成分和物理状态，使表面具有与基体材料不同的性能的技术。 材料表面技术的目的与作用有：（1）提高材料的表面损伤失效抗力。磨损和腐蚀是最重要的表面损伤失效形式，据统计，因磨损、腐蚀失效造成的经济损失分别可达国民经济总产值的1%～2%和4%～5%。绝大多数疲劳断裂也主要是从表面开始而逐渐向内部发展的。由于磨损、腐蚀和疲劳断裂是产品（零件）的最主要失效形式，而它们又主要是发生在材料表面或开始于材料表面，因此，通过表面技术，提高材料表面的耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性能，可有效地保护或强化零件表面，防止失效现象。（2）赋予材料表面某种（或多种）功能特性。这些功能包括电性能（如导电性、绝缘性），热学性能（如耐热性、热障性），光学性能（如反光性、吸光性及光致效应），电磁特性（如磁性、屏蔽性），声学性能及吸附、分离等各种物理性能和化学性能。（3）实施特定的表面加工来制造（或修复）零部件。如采用热喷涂、堆焊等表面技术修复已磨损或腐蚀的零件，用表面蚀刻、扩散等工艺制作晶体管及集成电路等。 表面技术的分类有：（1）表面覆层技术。按工艺特点，表面覆层技术包括各种镀层技术（电镀、化学镀等）、热喷涂技术、涂料涂装技术、陶瓷涂敷技术、化学转化膜技术、堆焊技术、气相沉积技术、着色染色技术等。其中电镀镀层材料可以是金属、合金、半导体等，基体材料也由金属扩大到陶瓷、高分子材料；电镀覆层广泛用于耐蚀、耐磨、装饰及其它功能性镀层（如磁性膜、光学膜）。而化学镀是在无外加电场的情况下，镀液中的金属离子在还原剂的作用下，通过催化在镀件（金属件或非金属件）表面上的还原沉积过程。从本质上讲，化学镀仍然是个电化学过程。化学镀在电子、石油、化学化工、航天航空、机械、汽车及核能等工业中已得到广泛应用。多元合金镀层如Ni-Cu-P、
N 』N A ”N A M A M 4 3.14 （7.79 时）3 "7 6.02 1023 乂6个 3 0.018 第一章 1、什么是You ng 方程？接触角的大小与液体对固体的润湿性好坏有怎样的关 系？ 答：You ng 方程：界面化学的基本方程之一。它是描述固气、固液、液气界面自 由能丫 SV Y L , Y v 与接触角B 之间的关系式，亦称润湿方程，表达式为： 丫 SV Y L = Y v COS 。该方程适用于均匀表面和固液间无特殊作用的平衡状态。 关系：一般来讲，接触角B 的大小是判定润湿性好坏的依据，若0 =0.cos 0=1 液体 完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；若0v 0V 90°液体可润湿固体， 且0越小，润湿性越好；90°V 0< 180°,液体不润湿固体；0 =180；完全不润湿 固体，液体在固体表面凝集成小球。 2、水蒸气骤冷会发生过饱和现象，在夏天的乌云中，用飞机撒干冰微粒，试气 温骤降至293K ，水气的过饱和度(P/Ps )达4,已知在293K 时，水的表面能力 为0.07288N/m ，密度为997kg/m 3 ,试计算： (1) 在此时开始形成雨滴的半径。 (2) 每一雨滴中所含水的分子数。 ,P 2 M ln —— ----- 答: (1)根据 Kelvin 公式有 P ° RT R ' 开始形成的雨滴半径为: R= 2M RT 门n — P 0 将数据代入得: R 、2 O.。7288 0.018 十9 忙 m 8.314 293 997 In 4 (2)每一雨滴中所含水的分子数为 N=N A n ， n=m/M= ?V/M ，得
1纳米材料的粒度分析 不仅可以进行纳米颗粒大小的分析, 也可以对颗粒大小的分布进行分析, 粒度的分析方法基本上可归纳为以下几种方法。 传统的颗粒测量方法有筛分法、显微镜法、沉降法等。 近年来发展的方法有激光衍射法、激光散射法、光子 相干光谱法、电子显微镜图像分析法、基于布朗运动 的粒度测量法和质谱法等 2纳米材料的形貌分析 形貌分析主要内容是, 分析材料的几何形貌、材料的颗粒度、颗 ~ 粒的分布以及形貌微区的成分和物相结构等方 纳米材料常用的形貌分析方法主要有扫描电子 显微镜(SEM )、透射电子显微镜(TEM )、扫描隧道显 微镜(STM )、原子力显微镜(A FM ) 法 3成分分析 确定纳米材料的元素组成, 测定纳米材料中杂质的种类和浓度, 纳米材料的体相元素组成及其杂质成分的分析 方法包括原子吸收、原子发射、ICP 质谱以及X 射线 ） 荧光与衍射分析方法 4纳米材料的结构分析 包括高分辨透射电镜(HRTEM )、扫描探针显微镜(SPM )、扫描隧 道显微镜(STM )、原子力显微镜(A FM )、场离子显微 镜(F IM )、X 射线衍射仪(XRD)、扩展X 射线吸收精 细结构测定仪(EXA FS)、穆斯堡尔谱仪(M S)、拉曼 散射仪(RS) 等等。 5纳米材料表面与界面分析 有: X 射线光电子能谱(XPS)、俄歇电子能谱(A ES)、静态二次离子质谱(S IM S) 和离子散射谱( ISS) ` 5. 1XPS 的分析方法 (1) 表面元素定性分析 ( 2) 表面元素的半定量分析 ( 3) 表面元素的化学价态分析 俄歇电子能谱仪还具有很强的化学价
态分析能力, 不仅可以进行元素化学成分分析, 还可以进行元素化学价态分析
第四章材料的表面与界面 4-1 什么叫表面张力和表面能？在固态下和液态下这两者有何差别？ 4-2 在晶体中，不同的结晶面上，表面上原子的密度住往是不一样的（见无机材料物理化学表6-1）。你认为原子密度大的晶面的表面能大呢？还是密度小的大？试解释之。 4-3 一般说来，同一种物质，其固体的表面能要比液体的表面能大，试说明原因。 4-4 什么叫吸附、粘附？当用焊锡来焊接铜丝时，手用挫刀除去表面层，可使焊接更加牢固，请解释这种现象。 4-5 为什么在实际晶体中，不存在理想晶体所设想的完整平面？至少也会有相当于螺形位错的柏氏矢量大小的台阶。 4-6 试说明晶界能总小于两个相邻晶粒的表面能之和的原因。 4-7 （a）什么叫弯曲表面的附加压力：其正负根据什么划分？ 的曲面附加压力？（b）设表面张力为900尔格／厘米2，计算曲率半径为0.5m 4-8 真空中Al2O3的表面张力约为900尔格／厘米2，液态铁的表面张力为1720尔格/厘米2，同样条件下，界面张力（液态铁－氧化铝）约为2300尔格/厘米2。问接触角有多大？液态铁能否润湿氧化铝？ 4-9 表面张力为500尔格/厘米2的某液态硅酸盐与某种多晶氧化物表面相接触，接触角θ=450；若与此氧化物混合，则在三晶粒交界处，形成液态小球，二面角ψ平均为900，假如没有液态硅酸盐时，氧化物－氧化物界面的界面张力为1000达因/厘米，试计算氧化物的表面张力。 4-10 MgO－Al2O3－SiO2系统的低共熔物，放在Si3N4脚瓷片上，在低共熔温度下，液相的表面张力为900尔格/厘米2，液体与固体的界面能为600尔格/厘米2，测得接触角为70.520。 （1）求Si3N4的表面张力。 （2）把Si3N4在低共熔温度下进行热处理，测得其腐蚀的槽角为123.750，求Si3N4晶界能。 （3）如果把20％的低共熔物与Si3N4粉末混合，加热到低共熔温度下，试画出低共熔物与Si3N4混合组成的陶瓷显徽结构示意图。 4-11 氟化锂晶体经多边形化、抛光和腐蚀后，观察到沿某一直线的位错腐蚀坑的间距为10微米，在外加剪应力作用下观察到小角度晶界垂直于晶界平面移动，为什么会发生这种现象？若柏氏矢量为2.83?，穿过晶界的倾斜角是多少？ 4-12 在高温将某金属熔于Al2O3片上。 （a）若Al2O3的表面能估计为1000尔格/厘米2，此熔融金属的表面能也与之
《材料表面与界面》课程简介 课程编号：02024915 课程名称：材料表面与界面/Material surface and interface 学分:2 学时：32 （实验：上机：课外实践：） 适用专业：无机非金属材料工程 建议修读学期：第6学期 开课单位：材料科学与工程学院无机非金属材料系 课程负责人：张毅 先修课程：物理化学、材料科学基础 考核方式与成绩评定标准：闭卷考试, 期末考试成绩70%，平时成绩30% 教材与主要参考书目： 教材：胡福增主编.材料表面与界面[M]. 上海：华东理工大学出版社, 2008. 参考书目 [1] 王兆华主编. 材料表面工程[M]. 北京：化学工业出版社, 2011. [2] 赵亚溥主编. 表面与界面物理力学[M]. 北京：科学出版社, 2012. [3] 腾新荣主编. 表面物理化学[M]. 北京：化学工业出版社, 2009. [4] 赵振国主编. 应用胶体与界面化学[M]. 北京：化学工业出版社, 2008. 内容概述： 材料的表界面在材料科学中占有重要的地位。材料表面与界面无机非金属材料工程专业的专业选修课。通过本课程的学习，使学生掌握材料表面与界面的基本概念、基本理论和基本研究方法，为今后在工作中打下有关材料研究和材料表面改性的理论基础。 The surface interface of materials plays an important role in material science. “Material surface and interface”is a specialized optional course of inorganic non-metallic materials specialty. The course mainly introduces the material surface basic concepts, basic theory and basic research methods of the interface. The study of this course is to lay the theoretical foundation for the study of materials and surface modification of materials in the future. 1
09030141第三组作业 按我们的理解，材料表面成分和结构的表征即是材料的表面成分和结构的分析。表面成分分析包括表面元素组成、化学态及其在表层的分布（横向和纵向）测定等。表面成分分析技术主要有俄歇电子能谱(AES)，X射线光电子能谱（XPS），二次离子质谱(SIMS)，电子探针显微分析，离子探针显微分析等。表面结构分析指研究表面晶相结构类型或原子排列，表面结构分析技术主要有X射线衍射、低能电子衍射（LEED）、光电子衍射（XPD）、中子衍射、扫描隧道显微镜和原子力显微镜等。通过分析这些能谱图和衍射花样的特点，来表征材料表面的成分和结构。 1. 表面成分分析 1.1俄歇电子能谱分析 常规俄歇电子能谱分析(AES，Auger ElectronSpectroscopy)是利用入射电子束使原子内层能级电离，产生无辐射俄歇跃迁，俄歇电子逃逸到真空中，用电子能谱仪在真空中对其进行探测的一种分析方法。在薄膜材料化学成分的分析方面，俄歇电子能谱是应用最为广泛的分析方法，它能对表面0．5～2 nm范围内的化学成分进行灵敏的分析，分析速度快，能分析从Li—U的所有元素，不仅能定量分析，而且能提供化学结合状态的情况。亦可用氩或其它惰性气体离子对试样待分析部分进行溅射刻蚀，从而得到材料沿纵向的元素成分分析。 俄歇电子能谱基本原理 入射电子束和物质作用，可以激发出原子的内层电子。外层电子向内层跃迁过程中所释放的能量，可能以X光的形式放出，即产生特征X射线，也可能又使核外另一电子激发成为自由电子，这种自由电子就是俄歇电子。对于一个原子来说,激发态原子在释放能量时只能进行一种发射：特征X射线或俄歇电子。原子序数大的元素，特征X射线的发射几率较大，原子序数小的元素，俄歇电子发射几率较大，当原子序数为33时，两种发射几率大致相等。因此，俄歇电子能谱适用于轻元素的分析。 如果电子束将某原子K层电子激发为自由电子，L层电子跃迁到K层，释放的能量又将L 层的另一个电子激发为俄歇电子，这个俄歇电子就称为KLL俄歇电子。同样，LMM俄歇电子是L层电子被激发，M层电子填充到L层，释放的能量又使另一个M层电子激发所形成的俄歇电子。 对于原子序数为Z的原子,俄歇电子的能量可以用下面经验公式计算： EWXY(Z)=EW(Z)-EX(Z)-EY(Z+Δ)-Φ (10.6) 式中，EWXY(Z)：原子序数为Z的原子，W空穴被X电子填充得到的俄歇电子Y的能量。EW(Z)-EX(Z)：X电子填充W空穴时释放的能量。 EY(Z+Δ)：Y电子电离所需的能量。 因为Y电子是在已有一个空穴的情况下电离的，因此，该电离能相当于原子序数为Z和Z+1之间的原子的电离能。其中Δ=1/2-1/3。根据式(10.6)和各元素的电子电离能，可以计算出各俄歇电子的能量，制成谱图手册。因此，只要测定出俄歇电子的能量，对照现有的俄歇电子能量图表，即可确定样品表面的成份。 1.2 X射线光电子能谱分析 X射线光电子能谱分析(XPS，X—ray Photoeleetron Spectroscopy)是利用X射线源产生很强的X射线轰击样品，从样品中激发出电子，并将其引入能量分析器，探测经过能量分析的电子，做出X射线对能量的分布图——X射线光电子能谱，它可以用于区分非金属原子的化学状态和金属的氧化状态，所以又叫做“化学分析光电子能谱仪(ESCA，ElectronSpectroscopy for Chemical Analysis)”。利用XPS可以进行除氢以外全部元素的定
材料表面与界面调研报告题目:航空用铝合金表面研究 班级:材料化学12-2 学号:1209020208 姓名:宫宝昌 教师:李丽波 哈尔滨理工大学化学与环境工程学院 2014年10月8日
摘要 全面介绍了国内外铝合金在建筑"汽车"航空航天等行业的应用及研究进展，主要阐述了航空航天领域结构胶接在国内外的发展状况"胶接用铝合金表面处理方法的目的"表面处理的机理及分类"影响表面处理质量的工艺参数"现代表面分析技术等#并对近年来国内外应用最广"技术最成熟的磷酸阳极化表面处理技术的应用及优缺点进行了分析，并展望了该领域研究的发展趋势
目录 摘要...................................................................................................................... I 目录............................................................................................................ IV 第1章绪论.. (1) 1.1 意义目的 (1) 1.1.1 铝合金特性简介 (1) 1.1.2 铝合金表面常用的处理方法 (1) 1.1.3 铝基复合材料 (2) 1.1.4 超塑性成型铝合金 (2) 1.1.5 铝锂合金 (3) 第2章铝合金表面氧化现象研究 (5) 2.1.1 表面预处理 (5) 2.1.2阳极化处理 (6) 2.1.3阳极氧化膜生成一般原理 (7) 2.2阳极氧化的种类 (7) 2.3阳极氧化膜结构、性质 (8) 第3章铝合金阳极氧化缺陷 (9) 3.1铝合金阳极氧化缺陷 (9) 3.1.1酸或碱浸蚀 (9) 3.1.2 大气腐蚀 (9) 3.1.3 纸腐蚀(水斑) (10) 3.1.4氧化烧损(烧焦) (10) 3.1.5 粉化 (10) 3.1.6 黑斑(又称热斑或软斑) (10) 总结 (12)
材料分析化学 第十讲 表面与界面分析 朱永法 清华大学化学系 2003年12月16日 ftp://166.111.28.134 Port:20 User:lesson pass:lesson 前言－意义 表面与界面分析的意义 ?电子材料研究的必要 ?薄膜材料研究的必要 ?催化材料研究的必要 ?纳米材料研究的需要 ?表面与界面现象的普遍性 ?材料的性能：取决于表面与界面特征 前言－分类 ?X射线光电子能谱（XPS or ESCA） ?紫外光电子能谱（UPS) ?俄歇电子能谱（AES） ?低能离子散射谱（ISS） ?低能电子能量损失谱（EELS) ?二次离子质谱（SIMS) ?低能电子衍射（LEED) 前言－研究内容 ?表面元素成分及其化学状态 表面元素鉴定，存在化学状态，化学键合状态，定量情况 ?表面几何结构 原子的二维排列次序 ?表面的电子结构 电子能态密度分布等 ?表面上的原子运动 表面扩散，吸附以及反应等 表面分析信息 ?表面元素分析 ?表面元素的化学状态 ?表面与界面的半定量分析?元素与化学态沿深度方向 的分布分析 ?样品表面的选点分析 ?样品表面的线扫描分析 ?样品表面的元素面分布 ?价态电子结构分析 前言－特点 ?表面性 表面只占体相的很小部 分，10－10倍 ?表面单分子层的电离截面 很小。 要求有很高的灵敏度 ?表面上存在大量悬挂化学 健 其化学状态可能与体相 不同 前言－表面概念 ?表面分析，薄膜分析，体相 分析的比较 前言－常用分析方法 ?XPS（50%） ?AES（40%） ?SIMS（10%） ?其它主要用于专门研究 主要应用方面 X射线光电子能谱（XPS） ?X射线光电子能谱（XPS） 也被称作化学分析用电子能 谱（ESCA） ?在普通的XPS谱仪中，一 般采用的Mg Kα和Al Kα X 射线作为激发源，光子的能 量足够促使除氢、氦以外的 所有元素发生光电离作用， 产生特征光电子。由此可见， XPS技术是一种可以对所有 元素进行一次全分析的方 法，这对于未知物的定性分 析是非常有效的。 ?光电效应的发现 ?60年代开始研究仪器 ?70年代，商用仪器 ?多功能，小面积，自动化 XPS原理－光电离 ?X射线光电子能谱基于光电 离作用，当一束光子辐照到 样品表面时，光子可以被样 品中某一元素的原子轨道上 的电子所吸收，使得该电子 脱离原子核的束缚，以一定 的动能从原子内部发射出 来，变成自由的光电子，而 原子本身则变成一个激发态 的离子。 ?能级图和轨道示意图 XPS原理－电离截面 ?电离截面与激发能量的关 系 XPS原理－表面灵敏度 ?非弹性散射平均自由程 IMFP ?I=I0exp(-x/λ) ?IMFP与材料有关 ?IMFP还与电子动能有关 材料关系，能量关系图λ XPS取样深度 ?取样深度概念（L=3 λ） ?物理意义见图 XPS原理 ?取样深度与原子序数的关 系图 取样深度 ?金属：0.5－2nm ?无机物：1-3nm ?有机物：3-10nm ?与各种物质性质有关 光电子的结合能 ?在光电离过程中，固体物质 的结合能可以用下面的方程 表示： ?Ek = hν- Eb - φs （18.1） ?式中Ek ?出射的光电子 的动能, eV; ?hν?X射线源光子的能量, eV； ?Eb ?特定原子轨道上的 结合能, eV； ?φs ?谱仪的功函, eV。 ?谱仪的功函主要由谱仪材 料和状态决定，对同一台谱
一材料现代表面分析技术常用方法及各自的用途
二 X射线电子能谱的工作原理、适用范围及特点 1 X射线光电子能谱分析的基本原理： X光电子能谱分析的基本原理： 一定能量的X光照射到样品表面，和待测物质发生作用，可以使待测物质原子中的电子脱离原子成为自由电子。该过程可用下式表示：hν=E k+E b+E r其中：hν：X光子的能量；E k：光电子的能量；E b：电子的结合能；E r：原子的反冲能量。其中E r很小，可以忽略。 对于固体样品，计算结合能的参考点不是选真空中的静止电子，而是选用费米能级，由内层电子跃迁到费米能级消耗的能量为结合能 E b，由费米能级进入真空成为自由电子所需的能量为功函数Φ，剩余的能量成为自由电子的动能E k， 上式又可表示为： hν=E k+E b+Φ E b= hν-E k-Φ 仪器材料的功函数Φ是一个定值，约为4eV，入射X光子能量已知，这样，如果测出电子的动能E k，便可得到固体样品电子的结合能。各种原子，分子的轨道电子结合能是一定的。因此，通过对样品产生的光子能量的测定，就可以了解样品中元素的组成。元素所处的化学环境不同，其结合能会有微小的差别，这种由化学环境不同引起的结合能的微小差别叫化学位移，由化学位移的大小可以确定元素所处的状态。例如某元素失去电子成为离子后，其结合能会增加，如果得到电子成为负离子，则结合能会降低。因此，利用化学位移值可以分析元素的化合价和存在形式。 2 X射线光电子能谱法的应用 （1）元素定性分析 各种元素都有它的特征的电子结合能，因此在能谱图中就出现特征谱线，可以根据这些谱线在能谱图中的位置来鉴定周期表中除 H 和 He 以外的所有元素。通过对样品进行全扫描，在一次测定中就可以检出全部或大部分元素。 （2）元素定量分折 X射线光电子能谱定量分析的依据是光电子谱线的强度(光电子蜂的面积)反映了原于的含量或相对浓度。在实际分析中，采用与标准样品相比较的方法来对元素进行定量分析，其分析精度达1％～2％。 （3）固体表面分析 固体表面是指最外层的1～10个原子层，其厚度大概是(0.1～1) nm 。人们早已认识到在固体表面存在有一个与团体内部的组成和性质不同的相。表面研究包括分析表面的元素组成和化学组成，原子价态，表面能态分布。测定表面原子的电子云分布和能级结构等。X射线。 光电子能谱是最常用的工具。在表面吸附、催化、金属的氧化和腐蚀、半导体、电极钝化、薄膜材料等方面都有应用。 （4）化合物结构签定
材料表面与界面经典练习题
第一章 1.试述表面张力（表面能）产生的原因。怎样测试液体的表面张力？ （1）原因 液体表面层的分子所受的力不均匀而产生的。液体表面层即气液界面中的分子受到指向液体内部的液体分子的吸引力，也受到指向气相的气体分子的吸引力，由于气相吸引力太小，这样，气液界面的分子净受到指向液体内部并垂直于表面的引力作用，即为表面张力。这里的分子间作用力为范德华力。 （2）测试 ①毛细管上升法 测定原理 将一支毛细管插入液体中, 液体将沿毛细管上升, 升到一定高度后, 毛细管内外液体将达到平衡状态, 液体就不再上升了。此时, 液面对液体所施加的向上的拉力与液体总向下的力相等。则γ=1 /2(ρl-ρg)ghrcosθ(1) (1)式中γ为表面张力, r为毛细管的半径, h为毛细管中液面上升的高度,ρl为测量液体的密度,ρg为气体的密度( 空气和蒸气) , g为当地的重
P0 为顶点O处的静压力。 定义S= ds/de式中de为悬滴的最大直径, ds为离顶点距离为de处悬滴截面的直径再定义H=β(de/b)2 则得γ= (ρl-ρg)gde2/H 式中b 为液滴顶点O处的曲率半径。若相对应与悬滴的S值得到的1/H为已知, 即可求出表(界) 面张力。即可算出作为S的函数的1/H值。因为可采用定期摄影或测量ds/de 数值随时间的变化, 悬滴法可方便地用于测定表(界)面张力。 ④滴体积法 测定原理 当一滴液体从毛细管滴头滴下时, 液滴的重力与液滴的表面张力以及滴头的大小有关。表示液滴重力(mg) 的简单关系式:mg=2πrγ实验结果表明, 实际体积小得多。因此就引入了校正因子f(r/V1/3), 则更精确的表面张力可以表示为:γ= mg/{2πrf(r/v1/3)}其中m为液滴的质量, V 为液滴体积, f 为校正因子。只要测出数滴液体的体积, 就可计算出该液体的表面张力。 ⑤最大气泡压力法 测定原理