界面的结合强度受到界面残余应力影响。这些残余应力过大会使表面涂层（薄膜）开裂或从基体上剥落及材料的破损等。界面残余应力包括残余热应力、塑性变形及相变产生的残留应力。其中，热应力对界面的结合强度起到非常重要的作用，故我们在上文做了较多的介绍。因而，缓解界面残余热应力可提高界面的结合强度。

1.选用热膨胀系数匹配的材料

在涂层（薄膜）及复合材料的制备中，涂层（薄膜）与增强纤维的热膨胀系数应尽可能与基体材料接近。较小的热膨胀系数差Δα可有效地缓解界面热应力。比如，钢结构厂房在火灾时，其承重钢材的力学性能随温度升高而下降。这会导致厂房易坍塌，进而导致救援难度增大。为防止该情况出现，人们常常在钢材表面涂覆隔热材料。如果隔热材料与基体钢材不匹配，则其易脱落而起不到保护作用。

然而在很多情况下，多晶、多相材料中总是存在各种类型的材料、各种位向的晶体。因此，热膨胀系数的差异总是存在的，热应力也就在所难免，故减少异类材料结合界面的热应力成为许多领域的一个重要课题。金属与陶瓷的结合更是如此，因为两者的热膨胀系数相差较大。目前，减弱界面热应力的方法主要有利用较软的材料及弹塑性材料作中间层来弱化约束、选用热膨胀系数相近的材料、减小材料制备温度与使用温度之差、利用梯度材料作中间层来消除约束等方法。其中，梯度中间层在理论上可使残余应力达到零而备受人们的关注。在金属与陶瓷的结合中，梯度层一端的特性与金属接近，另一端的特性与陶瓷接近。在梯度层内，材料的特性是逐渐变化的。图5.22示意了梯度涂层中特性的变化。

图5.22　梯度涂层中特性变化示意图

如今，梯度层在热障涂层等领域已得到了广泛应用。在涡轮发动机的内表面涂覆一层热障涂层可以大大提高其使用温度及效率。热障涂层较低的热导率可以隔热，从而防止基底金属的温度过高。目前，热障涂层主要采用的是ZrO2陶瓷，其中掺入了质量分数为7%～8%的Y2O3。ZrO2的热导率很低。在1273 K时，其热导率仅为2.17 W·m-1·K-1。而其热膨胀系数在（11～15）×10-6K-1之间，这与许多金属接近。在ZrO2涂层的下面添加梯度层有利于增大ZrO2与基底金属在界面的结合强度。从金属基底到ZrO2涂层，添加的材料通常依次是NiCoCrAlY、Al2O3、Al2O3+ZrO2、ZrO2。这些材料的组合使涂层成分梯度化，进而使梯度涂层的性能达到逐渐变化。性能的逐渐变化可有效地缓和材料在制备和使用过程中产生的热应力。

2.降低材料制备、使用时的升温和降温速度

读者可能有这样的感受：当你们把新鲜开水迅速倒入玻璃杯时，杯子往往容易破裂。这是什么原因呢？材料在升温时，热量在绝大多数情况下是从材料的外表面向内部传递。而材料的热导率不是无限大，因此热量传到材料内部需要时间。故外层材料首先升温产生膨胀，内层材料的升温膨胀滞后。这样，内、外层过渡区域产生大小、方向不同的应力，如图5.20（a）所示。由于这个原因，我们在玻璃杯内倒入开水时，玻璃容易开裂。升温速度的减小容易使内、外层过渡区的膨胀量接近。这样，界面热应力也就相差不大。减小降温速度的情形与此类似。

升温、降温速度的减小还可避免因内外层相变的不同步而产生相变残余应力。这种应力与热应力一样会导致材料的破损。比如，在普通陶瓷的制备过程中，当温度处于500～700℃时，我们要对其做缓慢的升温或降温。这是为了避免内外层α、β-石英转变的不同步而导致产品的开裂。

然而，我们有时候也利用这种特性来粉碎原料。比如，一些不易粉碎的石英岩经高温煅烧后，再急速降温。经过这种过程后，石英岩内外发生相变及不同程度的膨胀，进而产生晶界应力。这种应力加上机械设备施加的作用力使石英岩晶界开裂而易于粉碎。

需注意的是，降低材料制备、使用时的升温和降温速度，首先得符合制备工艺及使用条件的要求。在有些条件下，这一点是无论如何达不到的，如涡轮发动机发动时的温度变化。此外，金属和合金材料的热导率通常都很大，升温、降温速度的变化对内外层膨胀滞后的影响不明显。对较大较厚的金属器件，即使出现内外层膨胀滞后产生的热应力，也会因金属材料有较强的塑性变形能力而不会开裂。当然，这种应力的长期存在也不利于材料的使用。通常，我们可通过退火来减弱金属材料中的这种应力。

3.选择热膨胀系数小的材料

热膨胀系数小的材料在升温、降温时产生的膨胀或收缩量很小，由此产生的热应力也小。这有利于加强内外层过渡区或界面结合的紧密程度。这类材料可经受急冷急热的苛刻热变换而不被破坏，从而表现出良好的热稳定性和抗热震性。比如，高硼硅玻璃的热膨胀系数很低，α=（3.3±0.1）×10-6K-1。把热开水倒入用它制作的玻璃杯中，杯子不易开裂。硼硅玻璃（borosilicate glass）是1893年由德国化学家兼玻璃制造商Friedrich Otto Schott（1851—1935年）开发出来的。1915年康宁公司（Corning Incorporated）首先将其商品化，并命名为Pyrex®。

如今，低膨胀材料（α＜2×10-6K-1）已在一些传统和高技术领域得到广泛使用。像堇青石一类热膨胀系数小的材料常用于制作耐火材料及窑炉上使用的一些窑具、汽车尾气净化用堇青石蜂窝陶瓷等。钛酸铝陶瓷、锂质陶瓷都是这类热膨胀系数很小的材料。

4.在界面处形成化合物或固溶体(www.daowen.com)

界面两侧物相发生剧烈化学反应则会生成新的化合物，如图5.23（b）所示。当化合物层较薄时，有利于界面的结合。而较厚的化合物层则可能使界面结合力下降。然而，陶瓷与金属反应生成的化合物往往具有一定的脆性，而且伴随一定的体积变化。而且脆性界面还可能成为裂纹的萌生之处。因此，界面处脆性化合物的形成会导致材料的脆性。例如，含铝质量分数较高的Mg-Al合金与碳纤维接触时，在界面形成Al2MgC2析出物。Al2MgC2的存在会导致这种复合材料的脆性。对于纤维、晶须增强的复合材料，基体与增强材料间要有化学相容性。若它们之间发生剧烈化学反应，则纤维、晶须的量将减少，甚至消失而起不到增强作用。

图5.23　四种界面示意图（引自朱贵宏，2007）

如果界面两侧物相发生的作用不是很剧烈则可能形成中间相或固溶体，如图5.23（c）所示。这些中间相或固溶体可在一定程度上起到梯度层的作用，从而使界面应力得到缓解。在涂层与基底材料间也可用离子轰击等方法形成固溶体，以此提高它们之间的结合力。陶瓷的坯釉在高温下彼此扩散而形成中间层。中间层的化学组成由坯逐渐过渡到釉而无明显的界线，实际就是一梯度层。坯釉之间的这种中间层可减弱其间的热应力。而烧成温度较低的陶瓷，中间层发育不完善，其界线比较明显［图5.23（a）］，故釉层容易出现剥落等缺陷。

5.提高界面的粗糙度

界面的粗糙度大，界面两侧物相的接触面增加，这有利于它们在界面的机械啮合和结合力，如图5.23（d）所示。比如，金属基复合材料中的增强材料，它的表面往往比较粗糙而且有空隙。熔融金属容易渗入增强材料的表面空隙。凝固的基体金属与增强材料产生机械啮合，增加了两者的接触界面，提高了界面的结合力。

提高界面结合力还有很多方法，如结合前去除表面吸附膜等。单一的方法往往不能完全满足要求。因此，在具体实践中，我们要综合考虑多种因素的影响来决定采用哪些方法。

在本小节中，我们多次提到薄膜、涂层。它们都是在基底材料表面的覆盖层。在大多数情况下，1μm以上的较厚覆盖层可称为涂层（coating）。涂层主要用在防腐蚀、防磨损等场合。有时沉积的超硬材料如金刚石、立方BN，其厚度不在1μm以上，也叫涂层，即超硬涂层。可见，用涂层这个术语时，我们主要是利用覆盖层的力学性能、化学性能。而我们要利用覆盖层的光学、电学等物理性能时，所需的覆盖层厚度往往不是很大。我们常称之为膜（film）或薄膜（thin film）。膜的厚度通常小于1μm，常常在几十至几百纳米。我们的近视镜片、照相机镜头上往往就有一层这样的膜。有许多杂志在报道涂层、固体薄膜方面的最新研究成果，如《Surface and Coatings Technology》和《Thin Solid Films》。

本章结语

本章主要介绍了表面结构和界面的结合。从日常生活（如抹灰与墙壁的结合）、传统材料到各类功能材料、复合材料，表面和界面都有着广泛的应用。至此，我们依次介绍了理想晶体的结构；有缺陷的晶体结构。虽然实际晶体存在各种缺陷，但大多数晶体所含缺陷的量还是很少的。因此，实际晶体中的原子排列仍然具有一定的周期性和对称性。如果在固体材料中，原子的排列非常混乱，那会构成什么结构呢？请学习下一章——玻璃结构基础。

推荐读物

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