概要信息：

材料表面与界面 
第二节  实际表面 
• 实际工作和生活中遇到的材料表面 
金属材料 陶瓷材料 高分子材料 
•这些材料表面不可能经离子轰击处理，保存在真空中 
第二节  实际表面 
第二节  实际表面 
• 经过一定加工处理(切割、研磨、抛光等)、在大气
环境下存在的单晶、多晶、非晶体的表面称为实际
表面。 
• 实际表面中关注是nm~µm级范围内表面微结构(组
织)、化学成分、形貌、不同形态(形状)材料表面的
特征。 
喷雾热解形成的TiO2薄膜 
200nm 200nm 2µm 
第二节  实际表面 
2.l 表面粗糙度 
• 衡量表面平整程度时，当波距小于1mm时，表
面出现的不平整性称为表面粗糙度。 
不同尺寸下观察表面平整性 
10µm 
10µm 
第二节  实际表面 
(1) 表面粗糙度定量值 
•  当比较不同表面粗糙程度的大小时，需要有定
量或测量粗糙程度的方法。 
• 测量方法：选用一条轮廓中线(m), 中线是一条
理想的线，在此线上粗糙度为零。 
第二节  实际表面 
(a) 轮廓算术平均偏差Ra. 
•  在取样长度l内, 测量表面上一些点距中线m的
距离y1, y2, …, yn, 取其绝对值的算术平均值。 
∑
=
=
n
i
i
a n
y
R
1
其近似表达式为: 
y1 
y5 y4 y3 
y2 y6 
y7 
y8 
yi 
∫=
l
a dxy
l
R
0
1
公式表示为： 
第二节  实际表面 
(b) 微观不平整十点高度Rz 
• 在取样长度内, 从平行于中线的任何一条线起, 
到被测量轮廓的五个最高峰(yp1, yp2, ..., yp5)与
五个最低谷(yv1, yv2, ..., yv5)平均值之和。 
yv3 yv5 yvi 
yp3 yp1 
yp1 
yv1 yv2 
yv4 
ypi 
5
5
1
5
1
∑∑
==
+
= i
vi
i
pi
z
yy
R
第二节  实际表面 
(c) 轮廓最大高度Ry 
• 在取样长度内，除去个别明显的偏离值之后，
过最高峰和最低谷，分别作平行于中线的平行
线，这两条平行线间的距离称轮廓最大高度，
以Ry表示。 
Ry 
第二节  实际表面 
Ag = 10 ×10 µm，  
Ar 为曲面形成的面
积 
(2) 表面粗糙系数R 
• 一些材料表面形状复杂, 除了外表面外还有内表
面。一般采用粗糙系数R来表示。 
              R = Ar/Ag     
            式中Ag 为几何表面， Ar 为实际表面。 
Ar> Ag, R≥1。  
第二节  实际表面 
• 加工方式与粗糙系数  
材料  加工条件  粗糙系数  
铝  
箔  6  
板材抛光  1.6  
阳极氧化层，厚20µm  200~900  
铁  
2号金刚砂抛光，苯去脂 3.8 
膜 60  
R膜> R块> R箔 ≈ R抛光块 
第二节  实际表面 
(3) 粗糙度对材料研究和生产的影响 
 (a) 材料表面受力的影响 
• 由于固体的表面是不平整性，当两个表面相互
接触时, 真实接触面积与表观面积差别较大。  
• 在实际应用中，表观面积与加工方式和负荷无
关。但真实接触面积会随受力负荷而改变。 
第二节  实际表面 
• 负荷为2kg时，则真实接触面积只是表观面积
的l/100,000。 
粗糙度会使材料表面受力不均匀，并可能产生损伤。 
•负荷为100kg时，真实接触面积为表观面积的l/200； 
第二节  实际表面 
2.2 表面的组织(微观结构) 
• 材料学角度考察结构时：关注nm→µm→mm
范围内结构特征 (晶体？晶体种类？颗粒尺
寸？) →微观结构 
• 实际表面：由于经过加工而成，材料表面微观
结构也与体内有相当不同。 
第二节  实际表面 
处理方式：抛光 
磨料颗
粒 
第二节  实际表面 
 
第二节  实际表面 
抛光表面 
第二节  实际表面 
(1) 实际表面微观结构特征 
(a) 金属材料 
• 一般金属材料表面要通过研磨抛光而成，表面
在结构和组成上都会发生变化 
• 在距表面1µm内，晶粒尺寸与体内显著不同。
离表面0.3µm的范围, 晶粒尺寸很细, 在最表面
层为以非晶态存在→贝尔比层 
贝尔比层 
微晶区 
明显变形
区 
SiC 抛光后 
第二节  实际表面 
Cu 表面组织 
金刚石 抛光后 
第二节  实际表面 
• 研磨时, 金属表面的温度可达500℃~1000℃，
会产生熔化。 
• 金属导热性好, 冷却迅速, 熔化的原子来不及回
到平衡位置，造成晶格畸变。畸变区有几十微
米深度范围。随深度增加，畸变程度降低。 
• 在最表层常呈现与体内性质有明显差别的非晶
态薄层→ 贝尔比层。 
磨料颗粒 
第二节  实际表面 
• 贝尔比层形成与作用 
抛光时出现熔化，可产生流动性, 在表面张力
的作用下可使表面变得平滑。 
由于金属具有高的热导率，表面层会产生迅速
凝固，一般非晶态层厚度为20Å 左右。 
 对于金属和合金来说，它们的抛光表面大都有
一层贝尔比层，其成分是金属和它的氧化物的
混合物。 
贝尔比层可起到耐蚀、强化的作用。 
第二节  实际表面 
处理后钢的微观结构和性能变化 
晶粒尺寸减小， 
晶相发生改变：珠光
体＋铁素体→马氏体
＋贝氏体＋珠光体 
第二节  实际表面 
(b) 无机非金属材料 
• 抛光表面的特征 
从微观结构层次来看，可能由非晶态、微晶和
小晶块组成。 
表面层的厚度有限。微观结构与内部差别不象
金属那样大。 
表面的缺陷(空洞和微裂缝)可能会增加和减少。  
第二节  实际表面 
Si/SiC 陶瓷光学镜 
具有良好的化学和热稳定性 
第二节  实际表面 
非金属材料表面抛光的作用 
微晶玻璃 
硬盘：铝作为基板，在强度、精度和热变形等
方面都不能够满足高容量要求。 
微晶玻璃具有良好力学
性能、线膨胀系数小，且
不变形。并能加工达亚纳
米级表面粗糙度。使得在
更高转速 (4800~10000 
r/min)下运转很平稳。 
第二节  实际表面 
陶瓷 
光纤连接器 
(陶瓷) 
早期用Al2O3陶瓷，但光洁度达不到
要求。目前采用的是ZrO2陶瓷。 
要求：陶瓷部件(∅2mm×10mm)，内孔∅120µm，
粗糙度~0.5 µm，极高的孔同芯度。 
陶瓷表面抛光时，材料的离去主要
是通过晶粒的剥落方式。Al2O3陶瓷
晶粒（~10µm），ZrO2陶瓷晶粒(0.1 
~ 0.3 µm)。 
第二节  实际表面 
(2) 磨抛光工艺参数对表面组织的影响  
(a) 磨抛光工艺参数：转速、抛光剂(颗粒尺寸、
种类)、压力等。  
铜片经过600号碳化硅砂纸研磨后, 在10µm范围内
有明显的形变。如果加工条件一样, 钻石粉产生的损
伤区为最小。 
磨料颗粒 
第二节  实际表面 
(b) 合理选择抛光工艺参数，在材料表面形成所需结
构 
• 金属材料：表面形成贝尔比层的作用。 
     光亮、抗蚀。 
• 陶瓷材料：消除表面较大的缺陷。 
     提高材料力学性能。 
      Si4N3陶瓷抛光后，抗折强度↑~20%。 
• 半导体材料：消除表面缺陷。 
      集成电路中硅片，表面缺陷会引起外延、氧
化和扩散等工序中感生出位错、层错等二次缺陷, 
严重影响器件的性能和成品率。 
第二节  实际表面 
2.3  表面的成分 
   成份是决定材料性能主要因素 
(1) 金属表面成分 
 一般特征：“金属/过渡层/空气” 。 
• 过渡层中化学组成：氧化物、氮化物、硫化物、
尘埃、油脂、吸附气体(氧、氮、二氧化碳和水汽
等) 。 
• 过渡层中氧化物最为常见。 
    铜：1000℃以下为：空气/CuO/Cu2O/Cu;  
            1000℃以上为：空气/Cu2O/Cu。 
    铁：570℃以下为：空气/Fe2O3/Fe3O4/Fe;  
            570℃以上为:    空气/Fe2O3/Fe3O4/FeO/Fe。 
第二节  实际表面 
(2) 合金表面成分 
一般特征： “金属/过渡层/空气”。过渡层情况更为
复杂。 
• 过渡层常氧化物。 
    Fe-Cr合金(1200℃以下), 过渡层成分随Cr含量而变： 
  5%Cr   气相
/Fe2O3/Fe3O4/FeO/FeO⋅Cr2O3/Fe+Cr2O3/Fe+Cr 
  10%Cr  气相/ Fe2O3/Fe3O4/FeO⋅ Cr2O3/Fe+ 
Cr2O3/Fe+Cr 
  25%Cr  气相/Cr2O3/Fe+Cr 
第二节  实际表面 
• 表面出现氧化物的作用 
  Fe2O3和Fe3O4不致密 → Fe与空气界面不断形成→
氧化反应 
  Cr2O3致密和硬→氧化反应仅发生表面→氧化物隔
绝作用。 
第二节  实际表面 
影响表面组成的因素(Fe-Cr合金不锈钢) 
• 加工方式的影响：用HF处理, 或用10%HNO3处理
均会使表面铬含量增加。 
• 吸附气体的影响：CO吸附在表面后，使铬含量减
少，即使CO是0.1个单分子层。也会使铬含量减
少20%。 
• 原因：可能是Cr2O3与CO发生了反应 ,  生成
Cr(CO)n或其它可挥发/升华的不稳定化合物的缘
故。 
第二节  实际表面 
• 合金中微量元素的影响： 
不锈钢中碳含量为0.01～0.05%, 则不锈钢抗氧
化能力会大大减弱。 
       原因：在晶界上会形成FeC, 而FeC易被腐蚀。 
添加锆后，则能增大抗氧化能力，还能抑止碳
存在的恶化作用。 
       原因：形成ZrC并不被被腐蚀，消耗了C元
素 。 
第二节  实际表面 
(3) 氧化物表面成分 
• 一般特征：空气/非化学计量层/氧化物。 
    非化学计量层形成：表面缺陷形成比较容易，如
氧空位。 
          Al2O3表面：Al2O，AlO。 
          TiO2表面： TiO，Ti2O3 
•  氧化物表面易具有电偶极矩，即有极性，易发生
明显的吸附效应。 
氧化物刚形成的表面，具有高化学反应能力。 
如能吸附水分子，并解离成羟基(OH-)，而使表面
的物理化学性质发生显著的变化。 
第二节  实际表面 
玻璃 
• 玻璃表面：空气/表面组成/设计组成。 
    表面组成：表面能小的氧化物易在玻璃表面富
集,如PbO, B2O3氧化物。 
    表面成分易随时间变化而改变 
    硅酸铝玻璃表面区0.3µm范围内, 随时间变化为： 
Si/Na  Si/Ca  Si/K  Si/Al  
“老”的表面  280  900  22  3  
刚制成的表面  140  450  5  5  
长期暴露在大气中表面, Na、K和Ca离子会减少。  
其变化规律可利用来提高玻璃化学稳定性。 
第二节  实际表面 
2.4 高温下实际固体表面和薄膜 
(1) 高温下实际固体表面 
• 单晶：由于表面原子的能量大，活动性高，熔
融会首先在整个表面上发生。 
• 多晶：晶界和表面原子的
能量和活动性较体内大，因
此熔融会首先从表面和晶界
处发生。 
      多晶体中晶界面积远大
于表面积，因此多晶的熔融
先从晶界开始。 
第二节  实际表面 
• 超细颗粒或极薄的膜，它们的熔点随晶粒尺寸
或膜厚的减小而下降。 
• 对高温固体表面的研究，有助于了解热处理、
烧结、融体冷凝时缺陷的形成过程。 
• 例子： 
     纳米氧化锆具有超塑性(有很好的延展性，ε＝
100－200％) 
      易克服陶瓷精细加工较难的问题 
      原因之一：晶界产生蠕动滑移。 
第二节  实际表面 
(2) 薄膜  
• 这里介绍的薄膜是采用气相沉积方法形成的薄膜 
      (有目的地制造一个表面或界面) 
• 薄膜表面的结构受到沉积条件、材料性质和衬底
等因素的影响，一般易得到多晶膜。  
薄膜形成过程 
第二节  实际表面 
• 表面微观结构 
气相原子沉积在表面时，原子能量 → ↑ 
沉积时，基板温度 → ↑ 
第二节  实际表面 
• 表面粗糙系数 
薄膜的平均粒度尺寸和粗糙系数  
衬底温度(K)  平均粒径(nm)  粗糙系数(R)  
钨  273  7  18.0  
钨  673  11  6.3  
只有在合适的基板温度下，才能形成致密和大晶
粒的薄膜。 
第二节  实际表面 
2.5  粉体 
• 粉体：微细固体粉粒的集合体。 
1μm 
初次颗粒 
团聚颗粒 
第二节  实际表面 
• 粉体性质: 
(a)组成粉体最小单位是初次(一次)颗粒； 
      颗粒尺寸、颗粒形状、颗粒晶型、颗粒表面
缺陷等  
(b) 颗粒常以团聚体形式发挥作用 
     团聚程度(尺寸及分布)、团聚体内颗粒结合强
度等 
 (c)加工过程中，宏观尺度粉末集合体性质 
     比表面、包装密度、粉体堆积角度等  
 
第二节  实际表面 
2.6  超微粒子与纳米材料 
(1) 超微粒子 
     粒子尺寸为亚微米到纳米的范围时，一般称团簇，
小粒子，超微粒子。 
类别  名称  原子数N  尺寸(nm)  
团簇  
小团簇  100~101  0.35~0.57  
中团簇  101~102  0.57~1.20  
大团簇  102~103  1.20~2.50  
粒子  
细粒子  103~106  2.50~25.0  
大粒子  106~109  25.0~250  
第二节  实际表面 
(2) 表面效应  
• 随微粒尺寸减小，表面原子数比例增加。  
•  随微粒尺寸减小，表面能也迅速增加。 
粒径d(nm)  表面原子所占
比例(%)  比表面能/Jmol-1  
100  5.9×102  
10  20  5.9×103  
l  99  5.9×104  
第二节  实际表面 
• 超微粒子表面能增加其实来自二部分贡献： 
     表面原子百分比 
     表面原子堆积缺陷 
“A”原子缺少3个近邻的原子 
“B、C、D”原子缺少2个近邻的原
子 
“E”原子缺少1个近邻的原
子  
第二节  实际表面 
例子： 
• 通过对粉末进行强烈的机械作用，使颗粒尺寸
减小，表面缺陷增加，从而使颗粒活性增加。 
 如在机械性球磨条件下(机械合金化)，Mg粉＋
Ni粉→MgNi合金。 
• 颗粒尺寸越小，活性大，可致密化趋势强。 
纳米铜在1GPa压力、 150℃、保压时间1ｈ条
件下，能够形成尺寸分别为d80mm× 7.8mm ,
平均晶粒度为 36nm, 相对密度为 97%。 
 纳米铜的显微硬度分别是多晶粗晶铜6倍。 
第三节 晶粒间界 
第三节        晶粒间界 
第三节 晶粒间界 
3.1 晶界的主要种类 
(1) 堆积层错 
      原子堆积排列 
 
B 
C 
六方最紧密堆积 
面心立方最紧密堆积 
第三节 晶粒间界 
原子堆积排列层错 
• 层错是堆积中原子排错了一层，错层上原子仍
是密排的。 
…  ABCA|…CABCABC…   (b) 
 
…  ABCACBCABC…  (c) 
第三节 晶粒间界 
Cu-Zn-Al martensite 
第三节 晶粒间界 
•层错的畸变区（交界区）约为一个原子层的尺
度，界面能也较小。 
•密堆原子层的表面能变化不大。 
     在原子密堆积的晶体(如Au，Al等)中容易产生
层错。 
• 层错破坏了晶格的长程序，要散射电子。在半
导体单晶器件中，层错对器件性能影响很大。