1.2. Поверхня твердого тіла

Будь-яка обробка твердого матеріалу приводить до нерівноважного стану поверхні. Перехід поверхні у рівноважний стан супроводжується різними процесами: адсорбцією газів, пари і рідин, окислюванням чи утворенням різних твердих плівок, дифузійним проникненням у приповерхній шар різних хімічних елементів і т. ін.

На кожний атом чи іон, що розташовані в об’ємі твердого тіла, симетрично діють сили з боку сусідніх атомів. Основною структурною ознакою поверхні, а також її специфічною властивістю є порушення цієї симетрії.

Навіть в ідеальному кристалі, поверхня якого не піддавалася обробці, властивості поверхневих і приповерхніх шарів істотно відрізняються від об’ємних властивостей матеріалу. Це обумовлено двома причинами: 1) несиметричністю сил, що діють на частинки, розташовані в поверхневому шарі; 2) некомпенсованістю зв’язків цих частинок.

Усередині кристала на довільну частинку діють сили з боку оточуючих її частинок (рис 1.6). Рівнодіюча цих сил 1 дорівнюватиме нулю. Зв'язки частинок насичені, тобто цілком скомпенсовані.

В умовах, коли над поверхнею кристала практично відсутні атоми чи молекули іншого середовища (наприклад, у надглибокому вакуумі), на частинку кристала, розташовану у поверхневому шарі, діють несиметричні сили, рівнодіюча яких 2 спрямована всередину кристала. Атом на поверхні має меншу, ніж в об’ємі, кількість найближчих сусідів, і всі вони розташовані з одного боку.

Рис. 1.6. Сили, які діють на частинки, що розташовані всередині кристала 1 і у поверхневому шарі кристала 2

11

Внаслідок розглянутих вище явищ, поверхня твердого тіла зазвичай розглядається разом із шаром атомів, які прилеглі до неї, тобто з приповерхнім шаром атомів.

Поверхня і приповерхній шар є особливою нерівноважною областю твердого тіла, глибина якої може складати кілька параметрів гратки.

Найпростіший випадок – коли поверхня є “атомно-чистою”, тобто вільною від молекулярних комплексів: атомів, молекул чи іонів будь-яких інших речовин. Залежно від величини і характеру спотворень такі поверхні умовно підрозділяються на зміщені і перебудовані.

Атоми на „зміщеній” поверхні зрушені на невеликі відстані, зв’язки між ними не порушуються і залишаються такими, як і в об’ємі твердого тіла.

Атоми на „перебудованій” поверхні не знаходяться в положеннях, що відповідають рівноважним позиціям у гратках даного кристала. При цьому характерні для об’єму кристала зв’язки можуть бути порушені і замінені специфічними поверхневими зв’язками. Зсуви, які характерні для приповерхнього шару, зазвичай захоплюють п’ять – шість атомних шарів, які прилеглі до поверхні.

Виникнення поверхні в металевому кристалі суттєво впливає на розподіл вільних електронів у металі. На поверхні відбувається згладжування електронної щільності. З поверхні починається емісія електронів, так звана екзоелектронна емісія. Видалення електронів з поверхні викликає появу позитивного заряду в шарах, що прилеглі до поверхні. Останнє, у свою чергу, приводить до появи негативного заряду на поверхні, тобто присутній поверхневий подвійний заряджений шар.

Характер теплових коливань атомів поверхні відрізняється від коливань атомів в об’ємі твердого тіла. Амплітуда коливання атомів на поверхні може вдвічі перевищувати амплітуду коливань в об’ємі тіла.

Дефекти мають місце на будь-якій реальній поверхні твердого тіла. При нанесенні покриття взаємодія починається в першу чергу на дефектах поверхні, оскільки розташовані поблизу них атоми виведені з рівноважних, стійких положень і мають високу потенційну енергію і, отже, хімічно більш активні.

В атомних масштабах поверхня реального кристала шорстка. На ній під дією теплового руху атомів постійно утворюються сходинки та інші дефекти.

Реальна металева поверхня, крім атомної шорсткості, має багато інших дефектів. До них у першу чергу відносяться дефекти, що виникають у місцях виходу на поверхню дислокацій і границь зерен. Експериментально вихід дислокації виявляють у вигляді фігур травлення чи фігур випаровування, що виникають у результаті обробки поверхні в спеціальних середовищах. Сліди виходу границь зерен мають вид канавки на поверхні кристала.

Стан реальних поверхонь твердих матеріалів значною мірою визначається також їхнім походженням.

12

Більшість металевих поверхонь одержують шляхом механічної обробки. Тому навіть після ретельного доведення, наприклад, полірування тонкими абразивами, поверхневий шар металу виявляється сильно спотвореним і наклепаним, що виявляється у вигляді виходу великої кількості дефектів на його поверхню.

Якщо умовно рухатися з об’єму твердого тіла до його поверхні, то будову поверхневого шару схематично можна представити як: неушкоджена основа; перехідна зона; зона орієнтованих кристалів з величиною зерна меншою, ніж у основи; зона дрібних неорієнтованих кристалів; оксидна плівка і розташовані на ній адсорбовані гази.

Товщина такого шару залежить від природи металу та умов його обробки, але, як правило, перевищує 50 мкм.

Особливо зростає кількість дефектів поверхні при абразивно-струменевій обробці, що застосовується при підготовці поверхонь виробів під покриття.