第五讲 固体的表面性质
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固体材料的表面特性一、固体材料按照材料的特性,固体材料可分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三类;按照材料所起的作用,固体材料可分为结构材料和功能材料两大类;根据原子排列的特征,固态物质可分为晶体和非晶体两类。
晶体和非晶体原子排列如图2-2所示。
图2-2 晶体和非晶体原子排列晶体是指其组成微粒(原子、离子或分子)呈规则排列的物质。
晶体有固定的熔点和凝固点、规则的几何外形和各向异性的特点,如金刚石、石墨及一般固态金属材料等均是晶体。
非晶体是指其组成微粒无规则地堆积在一起的物质,如玻璃、沥青、石蜡、松香等都是非晶体。
非晶体没有固定的熔点,而且性能具有各向同性。
随着现代技术的发展,使得晶体与非晶体之间可以互相转化,如人们通过快速冷却,制成了具有特殊性能的非晶态的金属材料。
二、固体-气体的表面结构物质的聚集态有固、液、气三种形态,将两凝聚相的边界区域称为界面(interface),两凝聚相与气相形成的界面称为表面(surface)。
由于气体之间接触时通过气体分子间的相互作用而很快混合在一起,成为由混合气体组成的一个气相,即不存在气-气界面。
因此,界面有固-液、液-液、固-固三种类型,表面有固-气、液-气两种类型。
固体-气体界面示意图如图2-3所示。
图2-3 固体-气体界面示意图通常所说的表面是指固-气表面,这是我们研究的主要对象。
表面大致可以分为理想表面、清洁表面和实际表面三种类型。
人们日常生活中和工程上涉及固-气表面的现象和过程随处可见,例如气体吸附于固-气表面,形成吸附层。
例如:许多固-固界面在形成过程中,不少反应物质先以液态或气态存在,即先出现固-气表面和固-液界面,然后在一定条件下(通常为冷凝)才转变为固-固界面。
图2-4所示为固-固表面的结构,从截面上可以看出膜层与基体之间的界面结合处形貌。
图2-4 固-固表面的结构a)铝合金微弧氧化Al2O3陶瓷膜层表面SEM形貌 b)截面膜层形貌1.理想表面理想表面是一种理论的、结构完整的二维点阵平面。
粘接的对象都是固体,而且粘接作用仅发生在固体的表面。
因此,了解固体表面的特性,很有必要。
现分述如下:
1)由于固体表面长时间暴露,表面上均有吸附气体、吸附水膜、氧化物、油脂和尘埃等东西,因而是不清洁的。
2)宏观是光滑的固体表面,在微观上都是非常粗糙、凹凸不平的,象是峰谷交错,两固体表面的接触,只能是最高峰的点接触,实际接触面积仅为几何面积的1%左右。
3)固体表面的分子要比内部分子的能量大,这多余的能量称为表面能或表面自由能.因而固体表面能量高于内部能量。
4)由于固体表面的能量高,为使其稳定,必须吸附一些物质,这就表现出固体表面具有一定的吸附性,因此即使是新制备的表面,也很难保证绝对清洁。
5)固体表面布满了很多孔隙,有些材料基体就是多孔的,表面当然也不例外。
即使基体密实的材料,表面因粗糙、氧化、腐蚀和吸附也会形成多孔隙的表面。
固体表面与接触特性综述固体表面与接触特性摘要:简要介绍了固体表面的几何特性包括表面波纹度、表面粗糙度和支撑面积曲线,固体表面的物理物理与化学特性,接触表面间的相互作用与接触面积,接触力学和接触变形。
关键词:固体表面,几何特性,物理特性,化学特性,接触特性1 固体表面特性摩擦磨损是在相互接触的物体表面进行的,因此研究接触体摩擦表面的性质是研究摩擦磨损的基础。
[1]固体的表面性质主要包括两方面的内容,即表面形貌与表面组成。
前者着重研究表面的形状,后者着重研究表面的结构及表面的物理、化学性质。
1.1 固体表面几何特性1.1.1表面波纹度表面波纹度是零件表面周期性重复出现的一种几何形状误差,波纹度有两个重要参数即波高h和波距s 。
波高h表示波峰与波谷之间的距离,波距s表示相邻两波形对应点的距离。
表面波纹度会减少零件实际支承表面面积,在动配合中会引起零件磨损加剧。
[1]表面波纹度通常是由于机加工时不均匀的进刀、不均匀的切削刀或机床的振动引起的。
[2]1.1.2 表面粗糙度表面粗糙度不像表面波纹度那样具有明显的周期性,其波距和波高均较小,常用下列指标对表面粗糙度进行评定:(1)轮廓算数平均偏差Ra(2)均方根偏差Rq(3)微观不平十点高度Rz(4)轮廓最大高度Rmax[3]不同形状和轮廓的表面用上述不同方法测得的粗糙度值也不同.但在一定程度上,它们之间可以相互换算。
以上参数仅能说明表面轮廓在高度方向的偏差,不能说明表面凸峰的形状、大小和分布状况等待性。
因此还需要有其它参数如微凸体的峰顶曲率半径、微凸体的坡度、密度以及支承面积等来加以描述[4]。
1.1.3 支撑面积曲线支承面积曲线不仅能表示粗糙表层的微凸体高度的分布,而且也能反映摩擦表面磨损到某一程度时,支承面积的大小[5]。
支撑面积曲线主要用于计算实际接触面积。
在标准长度1的轮廓线上,做与中线平行的一系列直线,将各条平行线截取的轮廓图形中微凸体的长度相加,分别画在轮廓图的右边。