[科普中国]-表面分凝

表面分凝一般是指在平衡状态条件下，金属合金中的某种组分在自由表面的富集。

简介表面分凝是只在某些情况下，合金中的特定金属会凝聚再合金的表面，例如金属镍中极微量的铜会分凝到表面上去，而不銹钢经过特定的热处理后，里面的铬也会凝结到表面。对表面分凝的现象解释，是在一百多年前吉布斯·J·W的固体和液体的表面势力学理论所提出的，吉布斯指出表面分凝的现象会产生是因为合金之间的原子小不同，而引起的点阵应变能。目前用表面分析的方法来研究表面分凝是直接和可靠的方法，例如用X射线电子谱、离子散射谱、背散射谱等方法来探测表层和表面数层内的元素组分的分布状况。1

解释对表面分凝现象的解释，要追溯到一百年前J.W.吉布斯的固体和液体的表面势力学理论。吉布斯指出，金属合金的表面组分不一定和体内组分一样，某一种组分会分凝到表面上来，这种表面分凝有助于降低表面自由能。现在，认为促使表面分凝的“驱动力”有两个，即原子间的结合能和因原子大小不同而引起的点阵应变能。

建立在“正则溶液”理论基础上的键合模型，认为键合比较弱的元素，也就是升华热较低的元素富集在表面时其表面自由能最低。另一方面，从点阵应变模型来看，如溶质(即数量较少的元素)原子的大小和基体原子的大小相比有较大的差别，那么溶质原子分凝到表面上去，会减轻点阵的应变。在研究表面分凝问题时，通常要把两者结合起来考虑。但也还有一些实验结果不能简单地用上述二种模型来解释。当外界条件（如温度、气体吸附、离子轰击、辐照等）改变时，合金的表面为了达到新的热力学平衡，表面分凝的元素的种类和程度也会有相应的变化。

用表面分析的方法来研究表面分凝是直接和可靠的方法。如用电子激发脱附(ESD)、俄歇电子谱(AES)、X射线电子谱（XPS或ESCA）、离子散射谱(ISS)、背散射谱(BS)、次级离子质谱(SIMS)和原子探测束场离子显微镜 (APFIM)等方法可以探测到最表层和表面数层内的元素组分的分布状况（见表面物理学）。

参见表面物理学

点阵

合金

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所