表面涂层与处理精选文档.ppt
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1、表面涂层与处理2022/9/21材料工程基础表面涂层与处理1本讲稿第一页,共二十五页2022/9/21材料工程基础表面涂层与处理2 表表面面涂涂层层与与处处理理可可以以合合称称为为:表表面面技技术术。这这种种技技术术有有悠悠久久的的历历史史,如如北北京京城城里里的的故故宫宫,那那些些雕雕梁梁画画栋栋,人人们们用用鲜鲜红红的的大大漆漆进进行行装装饰饰和和保保护护;早早在在战战国国时时期期,古古人人就就知知道道对对钢钢进进行行淬淬火火,来来获获得得坚坚硬硬的的表表面面;马马王王堆堆出出土土的的宝宝剑剑,因因为表面的络膜,历经千年,锋利依旧。为表面的络膜,历经千年,锋利依旧。本讲稿第二页,共二十五页
2、2022/9/21材料工程基础表面涂层与处理3n n表面性貌分析:主要由各种放大率和分辨率极高的显微镜来完成。表面性貌分析:主要由各种放大率和分辨率极高的显微镜来完成。表面性貌分析:主要由各种放大率和分辨率极高的显微镜来完成。表面性貌分析:主要由各种放大率和分辨率极高的显微镜来完成。n n表表表表面面面面成成成成分分分分分分分分析析析析:包包包包括括括括测测测测定定定定表表表表面面面面元元元元素素素素组组组组成成成成及及及及元元元元素素素素在在在在表表表表面面面面与与与与沿沿沿沿纵纵纵纵向向向向深度分布、表面元素的化学态。深度分布、表面元素的化学态。深度分布、表面元素的化学态。深度分布、表面元
3、素的化学态。n n表表表表面面面面结结结结构构构构分分分分析析析析:探探探探知知知知表表表表面面面面晶晶晶晶体体体体的的的的原原原原子子子子排排排排列列列列、晶晶晶晶体体体体大大大大小小小小、晶晶晶晶体体体体取取取取向、结晶对称性等晶体结构信息。向、结晶对称性等晶体结构信息。向、结晶对称性等晶体结构信息。向、结晶对称性等晶体结构信息。n n表面电子态分析:表面电子能级分布和空间分布不同于体内。表面电子态分析:表面电子能级分布和空间分布不同于体内。表面电子态分析:表面电子能级分布和空间分布不同于体内。表面电子态分析:表面电子能级分布和空间分布不同于体内。n n表表表表面面面面原原原原子子子子态态
4、态态分分分分布布布布:主主主主要要要要对对对对表表表表面面面面原原原原子子子子或或或或吸吸吸吸附附附附粒粒粒粒子子子子的的的的吸吸吸吸附附附附能能能能、振振振振动动动动状态及其在表面的扩散运动的能量或势态分析。状态及其在表面的扩散运动的能量或势态分析。状态及其在表面的扩散运动的能量或势态分析。状态及其在表面的扩散运动的能量或势态分析。一、表面分析一、表面分析本讲稿第三页,共二十五页2022/9/21材料工程基础表面涂层与处理4 二、表面分析仪器:表面分析仪器:表面分析仪器:表面分析仪器:1 1 1 1、显微分析仪器、显微分析仪器、显微分析仪器、显微分析仪器 光光光光学学学学显显显显微微微微镜镜
5、镜镜由由由由于于于于受受受受到到到到波波波波长长长长的的的的限限限限制制制制,其其其其分分分分辨辨辨辨率率率率和和和和放放放放大大大大倍倍倍倍数数数数已已已已不不不不能能能能满满满满足足足足现现现现代代代代科科科科技技技技发发发发展展展展的的的的要要要要求求求求。为为为为此此此此相相相相继继继继出出出出现现现现了了了了一一一一系系系系列列列列高高高高分分分分辨辨辨辨本本本本领领领领的的的的的的的的显显显显微微微微分分分分析析析析仪仪仪仪器器器器,其其其其分分分分辨辨辨辨率率率率大大大大大大大大提提提提高高高高,可可可可以以以以达达达达到到到到原原原原子子子子尺尺尺尺度度度度水水水水平平平平(约
6、约约约0.1nm0.1nm0.1nm0.1nm),更更更更值值值值得得得得一一一一提提提提的的的的是是是是,他他他他们们们们在在在在获获获获得得得得高高高高分分分分辨辨辨辨图图图图像像像像的的的的同同同同时时时时还还还还可可可可以以以以获获获获得得得得物物物物质质质质图图图图像像像像的其它信息(如图像显示、结构分析和成分分析等)。的其它信息(如图像显示、结构分析和成分分析等)。的其它信息(如图像显示、结构分析和成分分析等)。的其它信息(如图像显示、结构分析和成分分析等)。本讲稿第四页,共二十五页2022/9/21材料工程基础表面涂层与处理5(1)透射式电子显微镜()透射式电子显微镜(TEM)电
7、子被加速到电子被加速到100kev时,其波长仅为时,其波长仅为0.37nm,为可见光的十,为可见光的十万分之一左右,因此用电子束。成像,分辨本领大大提高。万分之一左右,因此用电子束。成像,分辨本领大大提高。现在电子显微镜的分辨本领可高达现在电子显微镜的分辨本领可高达0.2nm。(2)扫描电子显微镜)扫描电子显微镜(SEM)扫描电子显微镜是扫描电子显微镜是1965年发明的较现代的细胞生物学研究工年发明的较现代的细胞生物学研究工具,主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态,具,主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态,即用极狭窄的电子束去扫描样品,通过电子束与样品的相互即用极狭窄的电子
8、束去扫描样品,通过电子束与样品的相互作用产生各种效应,其中主要是样品的二次电子发射。二次作用产生各种效应,其中主要是样品的二次电子发射。二次电子能够产生样品表面放大的形貌像,这个像是在样品被扫电子能够产生样品表面放大的形貌像,这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的,即使用逐点成像的方法获得放大像。描时按时序建立起来的,即使用逐点成像的方法获得放大像。本讲稿第五页,共二十五页2022/9/21材料工程基础表面涂层与处理6(3)扫描隧道显微镜()扫描隧道显微镜(STM)它作为一种扫描探针显微术工具,扫描隧道显微镜可以让它作为一种扫描探针显微术工具,扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子,它具
9、有比它的同类原子力显微镜科学家观察和定位单个原子,它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外,扫描隧道显微镜在低温下(更加高的分辨率。此外,扫描隧道显微镜在低温下(4K)可以)可以利用探针尖端精确操利用探针尖端精确操 纵原子,因此它在纳米科技既是重要的测纵原子,因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。量工具又是加工工具。(4)原子力显微镜)原子力显微镜(AFM)根据扫描隧道显微镜的原理设计的高速拍摄三维图像的显根据扫描隧道显微镜的原理设计的高速拍摄三维图像的显微镜。可观察大分子在体内的活动变化。微镜。可观察大分子在体内的活动变化。本讲稿第六页,共二十五页2022/9/21材料工程
10、基础表面涂层与处理7(5)扫描透射电镜(扫描透射电镜(STEM)和分析电子显微镜()和分析电子显微镜(AEM)将扫描电子技术应用到透射电子显微镜形成了扫描将扫描电子技术应用到透射电子显微镜形成了扫描透射电镜,在此基础上结合能量分析和各种能谱仪就构透射电镜,在此基础上结合能量分析和各种能谱仪就构成了分析电子显微镜。成了分析电子显微镜。本讲稿第七页,共二十五页2022/9/21材料工程基础表面涂层与处理82、衍射分析方法、衍射分析方法衍射分析方法是以结构分析为目的的分析方法。衍射分析方法是以结构分析为目的的分析方法。(1)X射线衍射(射线衍射(XD)用用X射线衍射分析已知化学组成物质的晶体结构时,
11、可用射线衍射分析已知化学组成物质的晶体结构时,可用X射线衍射峰的掠射角,求出晶面间距,对照射线衍射峰的掠射角,求出晶面间距,对照PDF卡,分析卡,分析出被测物质的晶体结构。出被测物质的晶体结构。(2)电子衍射()电子衍射(ED)电子衍射技术能使电子衍射技术能使X射线射入固体较深,一般用于三维晶体射线射入固体较深,一般用于三维晶体和表面结构分析。和表面结构分析。本讲稿第八页,共二十五页2022/9/21材料工程基础表面涂层与处理93、X射线光谱仪和电子探针射线光谱仪和电子探针(1)X射线光谱仪射线光谱仪在在X射线分析仪器中,除了主要用于晶体结构分析的射线分析仪器中,除了主要用于晶体结构分析的X射
12、线射线衍射仪之外,还有用于成分分析的衍射仪之外,还有用于成分分析的X射线荧光分析仪。所谓射线荧光分析仪。所谓X射线荧光分析仪就是用射线荧光分析仪就是用X射线作为一种外来能量打击样品,射线作为一种外来能量打击样品,使试样产生波长大于入射使试样产生波长大于入射X射线的特征射线的特征X射线,而后经分光射线,而后经分光作定性和定量分析。作定性和定量分析。(2)电子探针)电子探针电子探针具有分析区域小,灵敏度高,可直接观察选区,电子探针具有分析区域小,灵敏度高,可直接观察选区,制样方便,不损坏试样以及可作多重分析等特点,是一种有制样方便,不损坏试样以及可作多重分析等特点,是一种有力的分析工具。力的分析工
13、具。本讲稿第九页,共二十五页2022/9/21材料工程基础表面涂层与处理104、电子能谱分析方法、电子能谱分析方法(1)俄歇电子能谱分析仪()俄歇电子能谱分析仪(AES)俄歇电子能谱分析仪主要用于固体表面几个原子层内的成分俄歇电子能谱分析仪主要用于固体表面几个原子层内的成分、几何结构和价态的分析。分析灵敏度高,数据收集速度快、几何结构和价态的分析。分析灵敏度高,数据收集速度快,能测出,能测出He以后的所有元素,目前已成为表面分析领域中应以后的所有元素,目前已成为表面分析领域中应用最广泛的工具之一。用最广泛的工具之一。(2)光电子能谱)光电子能谱以一定能量的以一定能量的X射线和光照射固体表面时,
14、被束缚于原子各射线和光照射固体表面时,被束缚于原子各种深度的量子化能级上的电子被激发而产生光电子发射。所种深度的量子化能级上的电子被激发而产生光电子发射。所发射电子的动能随电子原所在能级的不同而异,形成所谓光发射电子的动能随电子原所在能级的不同而异,形成所谓光电子能谱。电子能谱。本讲稿第十页,共二十五页2022/9/21材料工程基础表面涂层与处理115、二次离子质谱分析(、二次离子质谱分析(SIMS)当一束加速的离子束轰击真空中的待分析样品表面时,会当一束加速的离子束轰击真空中的待分析样品表面时,会引起表面的原子或分子溅射,其中带电离子称为二次离子。引起表面的原子或分子溅射,其中带电离子称为二
15、次离子。将二次离子按质荷比分开并采用探测器将其记录,便得到将二次离子按质荷比分开并采用探测器将其记录,便得到二次离子强度按质量分布的二次离子质谱。可鉴别包括氢二次离子强度按质量分布的二次离子质谱。可鉴别包括氢在内的所有元素。在内的所有元素。6、红外吸收光谱和拉曼光谱、红外吸收光谱和拉曼光谱红外吸收光谱和拉曼光谱的测定是基于分子振动的的振动谱。红外吸收光谱和拉曼光谱的测定是基于分子振动的的振动谱。本讲稿第十一页,共二十五页2022/9/21材料工程基础表面涂层与处理12三、表面性能检测三、表面性能检测1、表面外观质量检测、表面外观质量检测(1)、表面缺陷检测、表面缺陷检测主要方法为目测法,有时也
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