现代表面技术.docx
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现代表面技术
[填空题]1简要说明能斯特方程。
参考答案:
[填空题]2三种薄膜生长方式的内在原因是什么?
参考答案:
[填空题]3二极直流溅射镀膜法的优点和缺点是什么?
参考答案:
二极直流溅射镀膜法的优点:
装置简单,操作方便;可以在大面积的基片上制取均匀的薄膜;可以溅射难熔材料。
二极直流溅射镀膜法的缺点:
这种方法存在镀膜沉积速率低,只能溅射金属等导电材料等缺点;未经改进的二极直流溅射仅在实验室内使用,很少用于生产;不能溅射介质材料。
其原因在于轰击于介质靶材表面的离子电荷无法中和而造成靶面电位升高。
外加电压几乎都加在靶上,极间电位降低,离子的加速和电离迅速减小,直至放电停止。
[填空题]4什么叫做分子束外延?
什么叫做同质外延?
什么叫做异质外延?
参考答案:
在超高真空中(气压<10-6Pa),通过精确控制各组分元素的分子束流,喷射到一定温度的基片表面,并在基片表面实现薄膜与基片的共格外延生长。
若外延层与基片为同种材料,则称为同质外延,如在单晶硅上的硅外延层等;若外延层与基片为不同材料,则称为异质外延,如蓝宝石上外延硅层等。
[填空题]5真空蒸镀的入射原子与基片就可能出现哪几种相互作用?
参考答案:
[填空题]6物理气相沉积(PVD)按沉积薄膜气相物质的生成方式和特征主要可以分为哪几种?
参考答案:
(1)真空蒸镀--镀材以热蒸发原子或分子的形式沉积成膜。
(2)溅射镀膜--镀材以溅射原子或分子的形式沉积成膜。
(3)离子镀膜--镀材以离子和高能量的原子或分子的形式沉积成膜。
在三种PVD基本镀膜方法中,气相原子、分子和离子所产生的方式和具有的能量各不相同,由此衍生出种类繁多的薄膜制备技术。
[填空题]7薄膜有哪些特征?
举例说明薄膜的种类和应用。
参考答案:
[填空题]8辉光放电的原理与应用是什么?
参考答案:
在真空室内安置两个电极,阴极为冷电极,通入压强为0.1Pa-10Pa的气体(通常为Ar)。
当外加直流高压超过着火电压(起始放电电压)时,气体就被击穿,由绝缘体变成良好导体,两极间电流突然上升,电压下降,此时两极间会出现明暗相间的光层。
这种气体的放电称为辉光放电,放电产生等离子体。
溅射所需要的轰击离子通常采用辉光放电获得。
[填空题]9简述物理气相沉积(PVD)与化学气相沉积(CVD)的异同点。
参考答案:
[填空题]10化学热处理常用的非金属和金属渗入元素有哪几种?
参考答案:
[填空题]11根据含渗入元素的介质所处状态不同,化学热处理可分哪几类?
参考答案:
(1)固体法:
包括粉末填充法、膏剂涂覆法、电热旋流法、覆盖层(电镀层、喷镀层等)扩散法等。
(2)液体法:
包括盐浴法、电解盐浴法、水溶液电解法等。
(3)气体法:
包括固体气体法、间接气体法、流动粒子炉法等。
(4)等离子法:
离子束扩渗是利用低真空中气体辉光放电产生的离子轰击工件表面,使表面成分、组织结构及性能发生改变的处理方法。
[填空题]12表面热处理与表面化学热处理的区别是什么?
参考答案:
表面热处理是指仅对零部件表层加热、冷却,从而改变表层组织和性能而不改变成分的一种工艺;金属表面化学热处理是利用元素扩散性能,使合金元素渗入金属表层的一种热处理工艺。
[填空题]13形变强化时形变硬化层中产生的两种变化是什么?
参考答案:
①是在组织结构上,亚晶粒极大地细化,位错密度增加,晶格畸变度增大;②是形成了高的宏观残余压应力。
[填空题]14简述离子注入表面改性的机理和特征。
参考答案:
[填空题]15离子渗氮比普通气体渗氮速度快的原因是什么?
参考答案:
[填空题]16金属表面化学热处理的目的是什么?
参考答案:
(1)提高金属表面的强度、硬度和耐磨性。
如渗氮可使金属表面硬度达到(950~1200)HV;渗硼可使金属表面硬度达到(1400~2000)HV等,因而工件表面具有极高的耐磨性。
(2)提高材料疲劳强度。
如渗碳、渗氮、渗铬等渗层中由于相变使体积发生变化,导致表层产生很大的残余压应力,从而提高疲劳强度。
(3)使金属表面具有良好的抗粘着、抗咬合的能力和降低摩擦系数,如渗硫等。
(4)提高金属表面的耐蚀性,如渗氮、渗铝等。
[填空题]17何谓表面热处理?
参考答案:
是指仅对零部件表层加热、冷却,从而改变表层组织和性能而不改变成分的一种工艺,是最基本、应用最广泛的材料表面改性技术之一。
[填空题]18简要说明形变强化的原理和机理。
参考答案:
[填空题]19热喷涂涂层的应用通常有哪几类?
参考答案:
1)在航空航天工业上的应用;
2)在机械工业中的应用;
3)在钢铁行业中应用;
4)在铁路行业中应用;
5)在生物医学工程上的应用。
[填空题]20涂料的四个组成部分是什么?
参考答案:
[填空题]21画出铝合金阳极氧化的原理示意图。
参考答案:
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[填空题]22什么是电偶腐蚀?
参考答案:
由于腐蚀电位不同,造成同一介质中异种金属接触处的局部腐蚀,就是电偶腐蚀,亦称接触腐蚀或双金属腐蚀。
[填空题]23简述采用次亚磷酸钠作为还原剂化学镀Ni-P的反应机理。
参考答案:
[填空题]24简述阴极极化对金属电沉积过程的有益和有害影响。
参考答案:
阴极极化对镀层起的良好作用可分为两方面:
第一、有利于得到结晶细致、光亮的镀层;第二、有利于改善镀液的分散能力,使镀层分布均匀。
阴极的浓差极化:
往往降低沉积速度,造成镀层粗糙、烧焦等毛病,阴极极化太大时,会造成严重析氢、电流效率降低,影响镀层结合力,严重时,甚至造成起泡、起皮等缺陷。
[填空题]25简要说明产生阳极极化和阴极极化的原因。
参考答案:
[填空题]27何谓参比电极?
何谓标准电极?
参考答案:
[填空题]28什么是绝对电位?
写出数学表达式;简要说明为什么绝对电位无法测量?
参考答案:
[填空题]29什么是贝尔比层?
它有什么特点?
参考答案:
金属在切割、研磨和抛光时,表面原子来不及回到平衡位置,造成一定程度的晶格畸变,深度可达几十微米。
这种晶格畸变是随深度变化的,而在最外层约5nm-10nm厚度可能会形成一种非晶态层,该膜层就称为贝尔比层。
其成分为金属和它的氧化物,而性质与体内明显不同。
贝尔比层具有较高的耐磨性和耐蚀性,这在机械制造时可以利用。
但是,在其它许多场合,贝尔比层是有害的,例如,在硅片上进行外延、氧化和扩散之前要用腐蚀法除掉贝尔比层,因为它会感生出位错、层错等缺陷而严重影响器件的性能。
[填空题]30简述表面驰豫和表面重构并画出结构示意图。
参考答案:
[填空题]31清洁表面为何存在各种类型的表面缺陷?
参考答案:
从热力学来看,表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态。
达到该稳定状态的方式有两种:
一是自行调整,表面原子排列情况与材料内部明显不同;二是依靠表面的成分偏析和表面对外来原子或分子的吸附以及这两者的相互作用而趋向稳定态,因而使表面组分与材料内部不同。
所以清洁表面必然存在各种类型的表面缺陷。
[填空题]32何谓清洁表面?
何谓实际表面?
参考答案:
清洁表面:
经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空解理、蒸发薄膜、场效应蒸发、化学反应、分子束外延等特殊处理后,保持在10.6Pa10.9Pa超高真空下外来沾污少到不能用一般表面分析方法探测的表面。
实际表面:
暴露在未加控制的大气环境中的固体表面,或者经过一定加工处理(如切割、研磨、抛光、清洁等),保持在常温和常压(也可能在低真空或者高温)下的表面。
[填空题]33固体材料界面有哪三种?
参考答案:
(1)表面--固体材料与气体或液体的分界面;
(2)晶界(或亚晶界)--多晶材料内部成分、结构相同而取向不同的晶粒(或亚晶)之间的界面。
(3)相界--固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。
[填空题]34按照膜层形成方式及其作用原理,表面技术可以分为哪些类型?
参考答案:
(1)原子沉积
(2)颗粒沉积
(3)整体覆盖
(4)表面改性
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