物质的聚集态有固、液、气三种形态，将两凝聚相的边界区域称为界面（interface），两凝聚相与气相形成的界面称为表面（surface）。由于气体之间接触时通过气体分子间的相互作用而很快混合在一起，成为由混合气体组成的一个气相，即不存在气-气界面。因此，界面有固-液、液-液、固-固三种类型，表面有固-气、液-气两种类型。固体-气体界面示意图如图2-3所示。

图2-3 固体-气体界面示意图

通常所说的表面是指固-气表面，这是我们研究的主要对象。表面大致可以分为理想表面、清洁表面和实际表面三种类型。人们日常生活中和工程上涉及固-气表面的现象和过程随处可见，例如气体吸附于固-气表面，形成吸附层。例如：许多固-固界面在形成过程中，不少反应物质先以液态或气态存在，即先出现固-气表面和固-液界面，然后在一定条件下（通常为冷凝）才转变为固-固界面。图2-4所示为固-固表面的结构，从截面上可以看出膜层与基体之间的界面结合处形貌。

图2-4 固-固表面的结构

a）铝合金微弧氧化Al₂O₃陶瓷膜层表面SEM形貌 b）截面膜层形貌

1.理想表面

理想表面是一种理论的、结构完整的二维点阵平面。在一些假设条件下把晶体的解离面认为是理想表面，实际不存在。理想表面如图2-5所示。

图2-5 理想表面

2.清洁表面

清洁表面是在特殊环境中经过特殊处理后获得的，不存在吸附、催化反应或杂质扩散等物理、化学效应的表面。例如：经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空中解理、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^-10～10^-9Pa超高真空下外来污染少到不能用一般表面分析方法探测的表面。

制备清洁表面是十分困难的，通常需要在10^-8Pa的超高真空条件下解理晶体，并且进行必要的操作，以保证表面在一定的时间范围内处于“清洁”状态。在几个原子层范围内的清洁表面，其偏离三维周期性结构的主要特征应该是表面弛豫、表面重构以及表面台阶机构。洁净表面弛豫和洁净表面重构示意图如图2-6和图2-7所示。

图2-6 洁净表面弛豫示意图

图2-7 洁净表面重构示意图

研究清洁表面需要复杂的仪器设备，并且，清洁表面与实际应用的表面往往相差很大，得到的研究结果一般不能直接应用到实际中去。洁净表面台阶化如图2-8所示。

图2-8 洁净表面台阶化

3.实际表面

实际表面是暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经过切割、研磨、抛光、清洗等加工处理而保持在常温常压下，也可能在高温和低真空下的表面。显然，这种表面的结构会受到各种外界因素的影响而变得复杂化。因此，实际表面结构及其性质是很复杂的。

研究实际表面，虽然受到氧化、吸附和污染的影响而得不到确定的特性描述，但是它可取得一定的具体结论，直接应用于实际。这在控制材料和器件、零部件的质量以及研制新材料等方面起着很大的作用。不同加工方法的材料表面轮廓曲线如图2-9所示。

图2-9 不同加工方法的材料表面轮廓曲线

实际表面与清洁表面相比，不同之处在于：

（1）表面粗糙度 经过切削、研磨、抛光的固体表面看起来似乎很平整，然而用电子显微镜进行观察，可以看到表面有明显的起伏，同时还可能有裂纹、孔洞等。如图2-10所示，TC4钛合金板材经过扫描电子显微镜（SEM）放大以后观察，材料表面有明显的空洞和沟痕，并且表面凸凹不平。TC4钛合金表面SEM形貌（放大5000倍）如图2-10所示。(www.daowen.com)

图2-10 TC4钛合金表面SEM形貌（放大5000倍）

表面粗糙度是指加工表面上具有较小间距的峰和谷所组成的微观几何形状的特性。表面粗糙度峰谷形貌及Ra定量描述如图2-11所示。

表面粗糙度对材料的许多性能有显著的影响。控制这种微观几何形状误差，对于实现零件配合的可靠和稳定，减小摩擦与磨损，提高接触刚度和疲劳强度，降低振动与噪声等有重要作用。表面粗糙度的测量有比较法、激光光斑法、光切法、针描法、激光全息干涉法、光点扫描法等，分别适用于不同评定参数和不同表面粗糙度范围的测量。金属表面的实际构成和金属材料在工业环境中被污染的实际表面如图2-12和图2-13所示。

图2-11 表面粗糙度峰谷形貌及Ra定量描述

图2-12 金属表面的实际构成

图2-13 金属材料在工业环境中被污染的实际表面

（2）残余应力 金属在切割、研磨和抛光后，还存在着各种残余应力，同样对材料的许多性能产生影响。实际上残余应力是材料经各种加工、处理后普遍存在的。

残余应力（内应力）按其作用范围大小可分为宏观内应力和微观内应力两类。材料经过不均匀塑性变形后卸载，就会在内部残存作用范围较大的宏观内应力。例如，焊接和材料受热不均匀或各部分热胀系数不同，均会在材料内部产生内应力。微观内应力的作用范围较小。

残余应力对材料的许多性能和各种反应过程可能会产生很大的影响。例如材料在受载时，内应力与外应力一起发生作用。如果内应力方向和外应力方向相反，就会抵消一部分外应力，从而起到有利的作用；如果方向相同则相互叠加，则起破坏作用。图2-14所示为ASM1.0残余应力检测仪。

图2-14 ASM1.0残余应力检测仪

（3）表面的吸附 固体与气体的作用有三种形式：吸附、吸收和化学反应。固体表面出现原子或分子间结合键的中断，形成不饱和键，这种键具有吸引外来原子或分子的能力。外来原子或分子被不饱和键吸引住的现象称为吸附。吸收则是固体的表面和内部都容纳气体，使整个固体的能量发生变化。吸附与吸收往往同时发生，难以区分。

（4）表面反应与污染 如果吸附原子与表面之间的电负性差异很大而有很强的亲和力时，则有可能形成表面化合物。在这类表面反应中，固体表面上的空位、扭折、台阶、杂质原子、位错露头、晶界露头和相界露头等各种缺陷，提供了能量条件，并且起着“源头”的作用。

金属表面的氧化是表面反应的典型实例。金属表面暴露在一般的空气中就会吸附氧或水蒸气，在一定的条件下，可发生化学反应而形成氧化物或氢氧化物。金属在高温下的氧化是一种典型的化学腐蚀。涂覆在羟基铁粉表面的金属氧化物如图2-15所示。

图2-15 涂覆在羟基铁粉表面的金属氧化物

实际上，在工业环境中除了氧和水蒸气之外，还可能存在CO₂、SO₂、NO₂等各种污染气体，它们吸附于材料表面生成各种化合物。污染气体的化学吸附和物理吸附层中的其他物质，如有机物、盐等，与材料表面接融，也留下痕迹。

（5）特殊条件下的实际表面 实际表面还包括许多特殊的情况，如高温下的实际表面、薄膜表面、粉体表面、超微粒子表面等，深入研究这些特殊条件下的实际表面，具有重要的实际意义。举例说明如下：

1）薄膜表面。薄膜通常是按照一定的需要，利用特殊的制备技术，在基体表面形成厚度为亚微米至微米级的膜层。膜层的表面和界面所占的比例很大，表面弛豫、重构、吸附等会对薄膜结构和性能产生较大影响。采用溅射法制备的物理气相沉积薄膜如图2-16所示。

图2-16 采用溅射法制备的物理气相沉积薄膜

2）微纳米固体颗粒的表面。纳米粒子的结构、表面结构和特殊性质引起了科学界的极大关注。特别是当粒子直径为10nm左右时，其表面原子数与总原子数之比达50%，因而随着粒子尺寸的减小，表面的重要性越来越大。例如，对半径为10nm的水滴而言，其压力有14MPa。实验观测表明，纳米级粒子尺寸小于10nm时，其熔点甚至可以降低数百摄氏度。图2-17所示为直径为10nm的纳米颗粒。