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作者簡介
名人/編輯推薦
序
目次
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固體界面是指將兩個緊密接觸的固體分隔開來的若幹原子層，其性能與兩側的固體材料的性能明顯不同，而固體表面是一種簡單的界面，將固體與環境分隔開來。本書著重介紹材料的界面與表面科學與工程應用，內容涵蓋固體表面結構、金屬表面電子結構、結晶學、固體表面性能以及固-固、固-液、氣-固界面結構與性能等內容。 本書適宜材料專業的技術人員參考，亦可供航空航天、電子、能源、軌道交通、機械等專業工程技術人員參考。
作者簡介
田保紅，河南西平人，河南科技大學材料科學與工程學院教授、博士、博士生導師；河南省學術技術帶頭人，河南省高層次人才，洛陽市優秀專家；《有色金屬材料與工程》期刊編委；日本大阪大學訪問學者。1992年畢業於洛陽工學院材料工程系獲碩士學位留校任教至今，歷任材料學實驗中心主任、河南省工程材料實驗教學示範中心主任、材料學院副院長。長期從事金屬材料工程專業的教學與研究，編寫《高性能彌散強化銅基復合材料及其制備技術》、《銅合金功能材料》、《銅及銅合金冶煉加工與應用》等學術著作5部，發表學術論文100餘篇，獲省部級科技進步獎7項。
名人/編輯推薦
界面是將兩種材料，或者兩種介質分開的若幹原子層，其性能與兩側的材料明顯不同。表面則是一種簡單界面。利用界面的特殊性能則可以實現諸多特殊的功能，或者使材料得到強化與功能化。本書詳細介紹了各種界面，如固-固、固-液等界面的結構分析與相的表征，對於功能設計有明顯的指導意義。
序
航空航天技術、半導體信息產業、5G產業，以及薄膜材料、能源環境、化工催化和精密機械、智能裝備、高速軌道交通裝備等技術領域的發展，都離不開材料表面與界面科學與工程技術的發展。固體界面是指把兩個緊密接觸的固體分隔開來的若幹原子層，界面的性能與界面兩側的固體材料的性能明顯不同。而固體表面是一種簡單的界面，它將固體與周圍環境（如理想條件下的真空）隔離開來。工業領域材料的磨損、腐蝕與斷裂失效無不從表面開始，因此材料表面微觀結構與其原料加工、制備、服役與失效全壽命周期的物理、化學、物理化學交互作用行為密切相關。
表面工程技術是建立在表面（界面）科學基礎之上，由材料、機械、物理、化學、電子等多學科相互復合、滲透而成的一門交叉學科，是在材料、電子信息、5G通信、機械、化工、能源、建筑、航空航天、交通等諸多領域得到廣泛應用的工程技術之一。
近年來，隨著科學技術的飛速發展，人們對材料在高溫、高壓、高速、高度自動化和極端苛刻工況下長期穩定運轉的性能，尤其是材料的表面性能，如耐磨、耐蝕、耐熱、電磁及光學等性能的要求不斷提高，使得傳統的材料表面改性技術及手段已無法滿足需要；與此同時，人們也普遍希望通過對材料表面進行改性，以達到用普通材料替代昂貴材料之目的。因而，表面工程技術迅速成為一門極具研究和應用價值的學科，許多新的表面技術不斷涌現，傳統的表面技術不斷得到改進、完善、交叉和復合，從而大大豐富和發展了原有的表面科學與表面工程學。
本書介紹了材料表面與界面科學的基礎知識與主要的表面工程與分析技術，包括工業技術領域中的材料表面與界面、固體表面結構、金屬表面電子結構、二維結晶學、固體表面性能、液體及其表面性質、固-液界面、氣-固界面、固-固界面、表面工程技術與表面分析技術等；總結了筆者近年來在激光表面處理技術、高速熱噴塗技術、化學氣相沉積鍍膜技術與化學鍍膜技術、新型合金的表面與界面等領域取得的一些研究進展。
本書有關研究工作得到國家自然科學基金、原機械工業部機械工業技術發展基金、河南省科技開放合作項目等多項基金的資助。中國科學院金屬研究所王勝剛研究員、河南科技大學王順興教授、劉素芹副教授、朱宏喜副教授、劉玉亮博士、殷婷實驗師等，以及河南科技大學部分材料科學與工程學科碩士研究生、金屬材料工程專業本科生參與了相關工作。相關工作還得到有色金屬新材料與先進加工技術省部共建協同創新中心、高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯合工程實驗室、河南省有色金屬材料科學與加工技術重點實驗室、河南科技大學材料分析中心、河南省工程材料實驗教學示範中心等科教平臺的大力支持，在此表示衷心的感謝。
本書由田保紅、張毅、劉勇和周孟等撰寫。河南科技大學材料科學與工程學院任鳳章教授參與了第9.2節的撰寫，殷婷實驗師參與了第8.8節的撰寫，碩士研究生孫文宇參與了第10.1節的撰寫，王冰潔參與了第10.2節的撰寫，田卡、孫慧麗、李艷參與了第10.3節的撰寫，張曉輝參與了第10.4節的撰寫，楊志強參與了第10.5節的撰寫。在本書撰寫過程中參考了大量相關文獻，引用了許多知名學者的成果，筆者在此表示衷心的感謝。限於筆者水平，難免存在疏漏與不當之處，敬請讀者批評指正。
編者
2020年7月於河南科技大學
表面工程技術是建立在表面（界面）科學基礎之上，由材料、機械、物理、化學、電子等多學科相互復合、滲透而成的一門交叉學科，是在材料、電子信息、5G通信、機械、化工、能源、建筑、航空航天、交通等諸多領域得到廣泛應用的工程技術之一。
近年來，隨著科學技術的飛速發展，人們對材料在高溫、高壓、高速、高度自動化和極端苛刻工況下長期穩定運轉的性能，尤其是材料的表面性能，如耐磨、耐蝕、耐熱、電磁及光學等性能的要求不斷提高，使得傳統的材料表面改性技術及手段已無法滿足需要；與此同時，人們也普遍希望通過對材料表面進行改性，以達到用普通材料替代昂貴材料之目的。因而，表面工程技術迅速成為一門極具研究和應用價值的學科，許多新的表面技術不斷涌現，傳統的表面技術不斷得到改進、完善、交叉和復合，從而大大豐富和發展了原有的表面科學與表面工程學。
本書介紹了材料表面與界面科學的基礎知識與主要的表面工程與分析技術，包括工業技術領域中的材料表面與界面、固體表面結構、金屬表面電子結構、二維結晶學、固體表面性能、液體及其表面性質、固-液界面、氣-固界面、固-固界面、表面工程技術與表面分析技術等；總結了筆者近年來在激光表面處理技術、高速熱噴塗技術、化學氣相沉積鍍膜技術與化學鍍膜技術、新型合金的表面與界面等領域取得的一些研究進展。
本書有關研究工作得到國家自然科學基金、原機械工業部機械工業技術發展基金、河南省科技開放合作項目等多項基金的資助。中國科學院金屬研究所王勝剛研究員、河南科技大學王順興教授、劉素芹副教授、朱宏喜副教授、劉玉亮博士、殷婷實驗師等，以及河南科技大學部分材料科學與工程學科碩士研究生、金屬材料工程專業本科生參與了相關工作。相關工作還得到有色金屬新材料與先進加工技術省部共建協同創新中心、高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯合工程實驗室、河南省有色金屬材料科學與加工技術重點實驗室、河南科技大學材料分析中心、河南省工程材料實驗教學示範中心等科教平臺的大力支持，在此表示衷心的感謝。
本書由田保紅、張毅、劉勇和周孟等撰寫。河南科技大學材料科學與工程學院任鳳章教授參與了第9.2節的撰寫，殷婷實驗師參與了第8.8節的撰寫，碩士研究生孫文宇參與了第10.1節的撰寫，王冰潔參與了第10.2節的撰寫，田卡、孫慧麗、李艷參與了第10.3節的撰寫，張曉輝參與了第10.4節的撰寫，楊志強參與了第10.5節的撰寫。在本書撰寫過程中參考了大量相關文獻，引用了許多知名學者的成果，筆者在此表示衷心的感謝。限於筆者水平，難免存在疏漏與不當之處，敬請讀者批評指正。
編者
2020年7月於河南科技大學
目次
1表面科學與工程概論1
1.1材料表面1
1.1.1材料表面的基本概念1
1.1.2材料表面的結構與性能表征3
1.2工業技術領域中的材料表面5
1.3表面科學與工程技術主要研究內容9
1.3.1材料表面科學的研究內容9
1.3.2材料表面實驗研究方法10
1.3.3材料表面科學的發展11
1.3.4材料表面工程技術的發展13
2固體表面結構16
2.1固體表面形貌16
2.1.1表面幾何形狀誤差16
2.1.2表面微觀幾何形狀誤差17
2.1.3表面形貌的統計參數21
2.2固體表面結構25
2.2.1固體表面原子受力與實際結構25
2.2.2理想表面27
2.2.3表面弛豫與重構結構及類型29
2.2.4表面偏析34
2.2.5表面缺陷36
2.3金屬表面電子結構37
2.3.1電荷密度分布40
2.3.2逸出功41
2.4二維結晶學49
2.4.1二維結晶學基本概念50
2.4.2二維結構表征51
2.4.3表面臺階結構表示54
2.4.4表面吸附物二維結構的LEED分析56
3固體表面性能61
3.1固體表面熱力學概論61
3.1.1表面現象研究歷程61
3.1.2固體表面微觀特征62
3.1.3固體的表面張力與表面自由能63
3.1.4表面能與晶面取向67
3.2固體表面的基本特征69
3.2.1固體表面的基本特性69
3.2.2表面弛豫、重構及雙電層71
3.3界面勢壘73
3.3.1接觸界面勢壘理論74
3.3.2通用黏附能量函數及其應用75
4液體及其表面與界面78
4.1液體性質78
4.1.1流體的黏度78
4.1.2非牛頓流體的黏度79
4.1.3黏度的其它性質81
4.2液體邊界層性質84
4.2.1液體邊界處雙電層84
4.2.2電黏度效應85
4.3液體表面與界面性質85
4.3.1表面張力與表面能85
4.3.2毛細效應與潤濕性87
4.3.3毛細效應在熔滲技術中的應用88
4.3.4表面活性劑91
5固-液界面99
5.1固-液界面潤濕性99
5.1.1表面張力與接觸角99
5.1.2表面張力引起的內部壓力103
5.2固-液界面膜105
5.2.1固-液吸附膜105
5.2.2化學反應膜107
5.3吸附熱力學108
5.3.1邊界膜占比108
5.3.2吸附熱108
6固-氣界面110
6.1固-氣界面吸附現象110
6.1.1物理吸附110
6.1.2化學吸附110
6.2吸附熱力學111
6.2.1吸附平衡與吸附量111
6.2.2吸附曲線112
6.2.3吸附熱力學113
6.2.4吸附方程115
6.2.5毛細管凝結與吸附滯後121
6.3影響吸附和脫附的因素123
6.3.1吸附表面性質123
6.3.2影響吸附的因素124
6.4摩擦學中的固-氣界面125
6.5表面擴散129
6.5.1表面缺陷及其能量129
6.5.2表面擴散系數131
6.5.3表面擴散的實驗研究和唯象理論134
7固-固界面136
7.1固-固界面能136
7.1.1範德華力136
7.1.2表面能136
7.1.3固-固界面能137
7.2黏附理論——球-平面接觸模型137
7.3黏附影響因素139
7.3.1粗糙度對接觸與黏著的影響139
7.3.2表面微結構對黏著的影響140
7.3.3毛細力對黏著的影響144
8表面工程技術概論146
8.1表面清潔146
8.2機械強化處理147
8.3表面改性技術147
8.4熱噴塗工程技術150
8.4.1預處理150
8.4.2熱噴塗技術151
8.4.3後處理157
8.4.4熱噴塗材料及塗層設計160
8.4.5高速熱噴塗技術173
8.4.6冷噴塗技術192
8.4.7納米塗層制備技術194
8.5激光表面處理技術195
8.5.1激光的產生及其與材料表面的相互作用195
8.5.2激光表面處理技術201
8.5.3激光熔覆工藝研究案例203
8.6化學鍍膜技術210
8.6.1化學鍍概論210
8.6.2化學鍍成膜理論213
8.6.3化學鍍鎳220
8.6.4化學鍍鎳層顯微結構和性能238
8.6.5化學鍍鎳的工業應用242
8.7化學氣相沉積技術245
8.7.1化學氣相沉積薄膜原理246
8.7.2CVD主要工藝參數247
8.7.3CVD反應器248
8.7.4等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)薄膜249
8.8熱浸鍍技術252
8.8.1熱浸鍍技術概述252
8.8.2銅及銅合金熱浸鍍253
9表面分析技術260
9.1表面分析技術分類260
9.1.1表面分析的作用260
9.1.2表面分析技術概述260
9.1.3探針與材料表面的相互作用261
9.1.4表面成分分析技術263
9.1.5表面結構分析技術267
9.2塗(膜)層性能測試和評價技術269
9.2.1塗層性能269
9.2.2力學性能277
9.2.3化學和電化學性能279
9.2.4耐熱性能282
9.2.5薄膜絕緣性能283
9.2.6塗(膜)層殘餘應力測試技術284
9.2.7塗(膜)層質量評價285
9.2.8電性能288
9.2.9熱電性能293
9.2.10熱膨脹性能295
9.2.11磁性能296
10新型合金中的表面與界面300
10.1高熵合金的界面300
10.1.1高熵合金的形成與特性301
10.1.2高熵合金的設計原則與方法304
10.1.3高熵合金種類與結構308
10.1.4高熵合金的界面309
10.2芯片用引線框架銅合金界面318
10.2.1Cu-Mg-Fe-Sn-P-RE合金的設計與制備318
10.2.2Cu-Mg-Fe-Sn-P-RE合金的鑄態及熱變形顯微組織321
10.2.3Cu-Mg-Fe-Sn-P-RE合金的組織及時效沉澱相界面330
10.3高速鐵路接觸線用銅合金表面與界面333
10.3.1Cu-Zr-RE合金的設計與制備333
10.3.2Cu-Zr-RE合金的冷變形及熱變形顯微組織336
10.3.3Cu-Zr-RE合金的時效結構及沉澱相界面343
10.4氧化石墨烯摻雜電接觸復合材料的表面與界面345
10.4.1GO/Al2O3-Cu/35W5Cr復合材料的設計與制備347
10.4.2GO/Al2O3-Cu/35W5Cr復合材料的電子結構分析347
10.4.3GO/Al2O3-Cu/35W5Cr復合材料的微觀結構及強化相界面349
10.4.4GO/Al2O3-Cu/35W5Cr復合材料的電接觸表面353
10.5真空開關用電接觸復合材料的表面與界面354
10.5.1TiC/Cu-Al2O3復合材料的設計與制備354
10.5.2TiC/Cu-Al2O3的微觀結構及強化相界面355
參考文獻359
1.1材料表面1
1.1.1材料表面的基本概念1
1.1.2材料表面的結構與性能表征3
1.2工業技術領域中的材料表面5
1.3表面科學與工程技術主要研究內容9
1.3.1材料表面科學的研究內容9
1.3.2材料表面實驗研究方法10
1.3.3材料表面科學的發展11
1.3.4材料表面工程技術的發展13
2固體表面結構16
2.1固體表面形貌16
2.1.1表面幾何形狀誤差16
2.1.2表面微觀幾何形狀誤差17
2.1.3表面形貌的統計參數21
2.2固體表面結構25
2.2.1固體表面原子受力與實際結構25
2.2.2理想表面27
2.2.3表面弛豫與重構結構及類型29
2.2.4表面偏析34
2.2.5表面缺陷36
2.3金屬表面電子結構37
2.3.1電荷密度分布40
2.3.2逸出功41
2.4二維結晶學49
2.4.1二維結晶學基本概念50
2.4.2二維結構表征51
2.4.3表面臺階結構表示54
2.4.4表面吸附物二維結構的LEED分析56
3固體表面性能61
3.1固體表面熱力學概論61
3.1.1表面現象研究歷程61
3.1.2固體表面微觀特征62
3.1.3固體的表面張力與表面自由能63
3.1.4表面能與晶面取向67
3.2固體表面的基本特征69
3.2.1固體表面的基本特性69
3.2.2表面弛豫、重構及雙電層71
3.3界面勢壘73
3.3.1接觸界面勢壘理論74
3.3.2通用黏附能量函數及其應用75
4液體及其表面與界面78
4.1液體性質78
4.1.1流體的黏度78
4.1.2非牛頓流體的黏度79
4.1.3黏度的其它性質81
4.2液體邊界層性質84
4.2.1液體邊界處雙電層84
4.2.2電黏度效應85
4.3液體表面與界面性質85
4.3.1表面張力與表面能85
4.3.2毛細效應與潤濕性87
4.3.3毛細效應在熔滲技術中的應用88
4.3.4表面活性劑91
5固-液界面99
5.1固-液界面潤濕性99
5.1.1表面張力與接觸角99
5.1.2表面張力引起的內部壓力103
5.2固-液界面膜105
5.2.1固-液吸附膜105
5.2.2化學反應膜107
5.3吸附熱力學108
5.3.1邊界膜占比108
5.3.2吸附熱108
6固-氣界面110
6.1固-氣界面吸附現象110
6.1.1物理吸附110
6.1.2化學吸附110
6.2吸附熱力學111
6.2.1吸附平衡與吸附量111
6.2.2吸附曲線112
6.2.3吸附熱力學113
6.2.4吸附方程115
6.2.5毛細管凝結與吸附滯後121
6.3影響吸附和脫附的因素123
6.3.1吸附表面性質123
6.3.2影響吸附的因素124
6.4摩擦學中的固-氣界面125
6.5表面擴散129
6.5.1表面缺陷及其能量129
6.5.2表面擴散系數131
6.5.3表面擴散的實驗研究和唯象理論134
7固-固界面136
7.1固-固界面能136
7.1.1範德華力136
7.1.2表面能136
7.1.3固-固界面能137
7.2黏附理論——球-平面接觸模型137
7.3黏附影響因素139
7.3.1粗糙度對接觸與黏著的影響139
7.3.2表面微結構對黏著的影響140
7.3.3毛細力對黏著的影響144
8表面工程技術概論146
8.1表面清潔146
8.2機械強化處理147
8.3表面改性技術147
8.4熱噴塗工程技術150
8.4.1預處理150
8.4.2熱噴塗技術151
8.4.3後處理157
8.4.4熱噴塗材料及塗層設計160
8.4.5高速熱噴塗技術173
8.4.6冷噴塗技術192
8.4.7納米塗層制備技術194
8.5激光表面處理技術195
8.5.1激光的產生及其與材料表面的相互作用195
8.5.2激光表面處理技術201
8.5.3激光熔覆工藝研究案例203
8.6化學鍍膜技術210
8.6.1化學鍍概論210
8.6.2化學鍍成膜理論213
8.6.3化學鍍鎳220
8.6.4化學鍍鎳層顯微結構和性能238
8.6.5化學鍍鎳的工業應用242
8.7化學氣相沉積技術245
8.7.1化學氣相沉積薄膜原理246
8.7.2CVD主要工藝參數247
8.7.3CVD反應器248
8.7.4等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)薄膜249
8.8熱浸鍍技術252
8.8.1熱浸鍍技術概述252
8.8.2銅及銅合金熱浸鍍253
9表面分析技術260
9.1表面分析技術分類260
9.1.1表面分析的作用260
9.1.2表面分析技術概述260
9.1.3探針與材料表面的相互作用261
9.1.4表面成分分析技術263
9.1.5表面結構分析技術267
9.2塗(膜)層性能測試和評價技術269
9.2.1塗層性能269
9.2.2力學性能277
9.2.3化學和電化學性能279
9.2.4耐熱性能282
9.2.5薄膜絕緣性能283
9.2.6塗(膜)層殘餘應力測試技術284
9.2.7塗(膜)層質量評價285
9.2.8電性能288
9.2.9熱電性能293
9.2.10熱膨脹性能295
9.2.11磁性能296
10新型合金中的表面與界面300
10.1高熵合金的界面300
10.1.1高熵合金的形成與特性301
10.1.2高熵合金的設計原則與方法304
10.1.3高熵合金種類與結構308
10.1.4高熵合金的界面309
10.2芯片用引線框架銅合金界面318
10.2.1Cu-Mg-Fe-Sn-P-RE合金的設計與制備318
10.2.2Cu-Mg-Fe-Sn-P-RE合金的鑄態及熱變形顯微組織321
10.2.3Cu-Mg-Fe-Sn-P-RE合金的組織及時效沉澱相界面330
10.3高速鐵路接觸線用銅合金表面與界面333
10.3.1Cu-Zr-RE合金的設計與制備333
10.3.2Cu-Zr-RE合金的冷變形及熱變形顯微組織336
10.3.3Cu-Zr-RE合金的時效結構及沉澱相界面343
10.4氧化石墨烯摻雜電接觸復合材料的表面與界面345
10.4.1GO/Al2O3-Cu/35W5Cr復合材料的設計與制備347
10.4.2GO/Al2O3-Cu/35W5Cr復合材料的電子結構分析347
10.4.3GO/Al2O3-Cu/35W5Cr復合材料的微觀結構及強化相界面349
10.4.4GO/Al2O3-Cu/35W5Cr復合材料的電接觸表面353
10.5真空開關用電接觸復合材料的表面與界面354
10.5.1TiC/Cu-Al2O3復合材料的設計與制備354
10.5.2TiC/Cu-Al2O3的微觀結構及強化相界面355
參考文獻359
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