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本书着重介绍了材料表面与界面科学的基础知识与主要的表面改性技术和分析技术，共11章，内容包括表面与界面科学概论、固体表面结构、固体表面性能、液体及其表面与界面、固-液界面、固-气界面、固-固界面、复合材料的表面与界面、纳米材料的表面与界面、表面分析技术及应用案例；以及基于材料表面与界面理论的仿生表面制备、形变原位纤维增强金属基复合材料、范德瓦耳斯等低能界面的高强度与超高塑性新材料研发、随流半固态成形技术、微电子器件固-固界面接触热阻及调控等工程实践案例。
本书可作为高等学校材料类（包括材料科学与工程、金属材料工程、无机非金属材料工程、功能材料等）、冶金类、微电子类专业的本科教材和材料科学与工程学术学位研究生的核心课程教材，并适合航空航天、材料、机械、汽车、化工、电子等工程领域相关技术人员参考。
第1章表面与界面科学概论1
1.1材料表面与界面1
1.1.1材料表面与界面的基本概念1
1.1.2材料表面的结构与性能表征6
1.2工业技术领域中的材料表面7
1.3表面科学主要研究内容11
1.3.1材料表面科学的研究内容12
1.3.2材料表面实验研究方法13
1.3.3材料表面科学的发展14
1.3.4材料表面工程技术的发展16
习题与思考题19
第2章固体表面结构20
2.1固体表面形貌20
2.1.1表面形状误差20
2.1.2表面微观形状误差21
2.1.3表面形貌的统计参数30
2.2固体表面实际结构与原子结构34
2.2.1固体表面原子受力与实际结构34
2.2.2理想表面36
2.2.3表面弛豫与重构结构37
2.2.4表面偏析42
2.2.5表面缺陷44
2.3金属表面电子结构45
2.3.1电荷密度分布48
2.3.2功函数48
2.3.3功函数的测量57
2.4二维结晶学66
2.4.1二维结晶学67
2.4.2二维结构表征68
2.4.3表面台阶结构表示70
2.4.4表面吸附物二维结构的LEED分析73
习题与思考题77
第3章固体表面性能78
3.1固体表面热力学概论78
3.1.1表面现象研究历程78
3.1.2固体表面微观特征80
3.1.3固体的表面张力与表面自由能80
3.1.4表面能与晶面取向85
3.2固体表面的基本特征87
3.2.1固体表面的基本特性87
3.2.2表面双电层90
3.3界面势垒91
3.3.1接触界面势垒理论92
3.3.2通用黏附能量函数93
3.4固体表面能的表征95
3.4.1温度外推法95
3.4.2溶解热法95
3.4.3晶体劈裂法96
3.4.4应力拉伸法96
3.4.5价键理论计算法96
3.4.6表面接触黏附法98
3.4.7电导率法98
3.4.8接触角法99
3.5加工表面的力学性能100
习题与思考题102
第4章液体及其表面与界面103
4.1液体性质103
4.1.1流体的黏度103
4.1.2非牛顿流体的黏度104
4.1.3黏度的其他性质106
4.2液体边界层性质109
4.2.1液体边界处双电层109
4.2.2电黏效应110
4.3液体表面与界面性质110
4.3.1表面张力与表面能110
4.3.2液体表面张力的测试111
4.3.3毛细效应与润湿性116
4.3.4毛细效应在熔渗技术中的应用117
4.4表面活性剂120
4.4.1表面活性剂的概念120
4.4.2表面活性剂的结构、作用机理与分类121
4.4.3表面活性剂的物理、化学性能124
4.5LB膜134
4.5.1LB膜制备方法135
4.5.2LB膜的种类、特点和应用138
4.6吉布斯吸附等温式139
4.6.1溶液表面张力的影响因素139
4.6.2吉布斯吸附等温式140
4.6.3吉布斯吸附等温式的导出及意义142
4.6.4吉布斯等温式的应用144
习题与思考题146
第5章固-液界面148
5.1固-液界面润湿性148
5.1.1表面张力与接触角148
5.1.2固-液界面的润湿与黏附150
5.1.3荷叶效应与仿生涂层154
5.1.4表面张力引起的内部压力156
5.2固-液界面膜157
5.2.1固-液吸附膜157
5.2.2化学反应膜159
5.3吸附热力学160
5.3.1边界膜占比160
5.3.2吸附热161
5.4随流半固态成形技术161
5.4.1流变凝固理论161
5.4.2随流半固态成形技术164
习题与思考题166
第6章固-气界面168
6.1固-气界面吸附现象168
6.1.1物理吸附168
6.1.2化学吸附169
6.2吸附热力学169
6.2.1吸附平衡与吸附量169
6.2.2吸附曲线170
6.2.3吸附热力学171
6.2.4吸附方程173
6.2.5毛细凝结与吸附滞后180
6.3影响吸附和脱附的因素182
6.3.1吸附表面性质182
6.3.2影响吸附的因素183
6.4摩擦学中的固-气界面184
6.4.1钢铁摩擦副的氧化磨损184
6.4.2类金刚石薄膜的减摩机理186
习题与思考题188
第7章固-固界面190
7.1固-固界面能190
7.1.1范德瓦耳斯力190
7.1.2表面能190
7.1.3固-固界面能的估算191
7.2黏附理论——球-平面接触模型191
7.2.1JKR黏附理论192
7.2.2DMT黏附理论193
7.3黏附的影响因素193
7.3.1粗糙度对接触与黏附的影响194
7.3.2表面微结构对黏附的影响194
7.3.3毛细力对黏附的影响198
7.4固-固界面接触热阻及影响因素200
7.4.1固-固界面热阻产生机理200
7.4.2固-固界面热阻的影响因素201
7.4.3降低固-固界面热阻的方法203
习题与思考题204
第8章复合材料的表面与界面205
8.1陶瓷基复合材料的界面205
8.1.1界面的黏结形式205
8.1.2界面的作用206
8.1.3界面性能的改善206
8.1.4陶瓷基复合材料的界面结构207
8.2聚合物基复合材料界面211
8.2.1聚合物基复合材料界面性质211
8.2.2聚合物基复合材料界面设计212
8.2.3纤维增强复合塑料的力学性能214
8.3金属基复合材料的界面222
8.3.1界面类型与结合机制222
8.3.2界面结构及界面反应224
8.3.3界面对金属基复合材料性能的影响226
8.3.4金属基复合材料界面稳定性228
8.3.5界面优化及界面反应控制途径与界面设计231
8.3.6制备工艺对显微组织的影响236
习题与思考题241
第9章纳米材料的表面与界面243
9.1纳米材料概论243
9.1.1纳米材料的分类243
9.1.2纳米材料的新特性244
9.2纳米材料的表面与界面效应246
9.2.1纳米材料的能带理论246
9.2.2表面与界面效应250
9.2.3小尺寸效应254
9.2.4量子尺寸效应256
9.2.5宏观量子隧道效应258
9.3纳米材料的制备与合成260
9.3.1零维纳米材料的制备260
9.3.2一维纳米材料的制备262
9.3.3二维纳米薄膜的制备265
9.3.4纳米复合材料的制备270
9.4纳米材料的界面及表征277
9.4.1纳米材料界面结构模型278
9.4.2纳米材料界面结构的表征279
9.5纳米材料的应用282
9.5.1电化学能源领域的应用282
9.5.2电子信息领域的应用287
9.5.3无线传感领域的应用287
9.5.4生物医学领域的应用289
习题与思考题290
第10章表面技术概论292
10.1表面形变强化292
10.1.1表面形变强化原理292
10.1.2表面形变强化的主要方法及应用293
10.1.3形变强化与表面完整性抗疲劳制造技术299
10.2表面热处理301
10.2.1感应加热表面淬火301
10.2.2其他表面淬火方法305
10.3表面化学热处理305
10.3.1概述305
10.3.2渗硼306
10.3.3渗碳与渗氮308
10.3.4渗金属311
10.3.5真空化学热处理312
10.4离子渗313
10.4.1等离子体的物理概念313
10.4.2离子渗氮314
10.4.3离子渗碳与离子碳氮共渗315
10.4.4离子渗金属315
10.5高能束表面处理317
10.5.1激光表面处理317
10.5.2电子束表面处理324
10.5.3高能束金属表面改性技术对比326
10.6离子注入表面改性326
10.6.1离子注入原理327
10.6.2沟道效应和辐照损伤328
10.6.3离子注入的特征328
10.6.4离子注入表面改性的机理329
10.6.5离子注入的应用329
习题与思考题333
第11章表面分析技术334
11.1离子探针（IMA/SIMS）334
11.2低能电子衍射（LEED）337
11.2.1二维点阵的衍射337
11.2.2衍射花样的观察和记录338
11.3俄歇电子能谱仪（AES）339
11.3.1俄歇跃迁及其概率340
11.3.2俄歇电子能谱的检测341
11.3.3定量分析343
11.3.4俄歇电子能谱仪的应用343
11.3.5低能电子衍射的应用347
11.4场离子显微镜（FIM）348
11.4.1场离子显微镜的结构348
11.4.2场致电离和原子成像348
11.4.3FIM图像的解释349
11.4.4场致蒸发和剥层分析350
11.4.5原子探针351
11.4.6场离子显微镜的应用351
11.5扫描隧道显微镜（STM）与原子力显微镜（AFM）353
11.5.1扫描隧道显微镜（STM）353
11.5.2原子力显微镜（AFM）355
11.6X射线光电子能谱仪（XPS）358
11.6.1X射线光电子能谱的测量原理358
11.6.2XPS的定性分析360
11.6.3定量分析与半定量分析360
11.6.4XPS在材料研究中的应用与分析361
11.7卢瑟福背散射谱仪（RBS）363
11.7.1RBS基本原理363
11.7.2RBS谱图解析366
11.8界面结合强度与残余应力表征368
11.8.1复合材料界面结合强度表征368
11.8.2界面残余应力的表征371
习题与思考题379
课程思政素材380
习题与思考题384
参考文献385
附录392
附录1常用物理常量数值392
附录2热力学函数393
附录3AI伴学内容及提示词395
航空航天、IC芯片与半导体产业、人工智能与大数据、电信与物联网、智能制造等新兴战略产业以及薄膜材料、能源环境、化工催化和精密机械、智能装备、高速轨道交通装备等技术领域的发展，都离不开表面与界面科学与工程技术的发展。固体界面是指把两个紧密接触的固体分隔开来的若干原子层，界面的性能与界面两侧的固体材料明显不同。而固体表面是一种简单而又复杂的界面，它将固体与周围环境隔离开来。工业领域材料的磨损、腐蚀与断裂失效无不从表面开始，因此材料表面微观结构、表面电子结构与其原料加工、制备、服役与失效全寿命周期的物理、化学、物理化学交互作用行为密切相关。
表面工程技术或表面改性技术是建立在材料表面与界面科学基础之上，由材料、机械、物理、化学、电子等多学科相互复合、渗透而成的一门交叉学科。近年来，随着科学技术的飞速发展，人们对材料在高温、高压、高速、高真空和极端苛刻工况下长期稳定运转的性能，尤其是材料的表面性能，如耐磨、耐蚀、耐热、电磁及光学等性能的要求不断提高，使得传统的材料表面改性技术已无法满足需要；与此同时，工程师们也希望通过对材料表面进行改性，以达到节材、节能、提高效率、延长使用寿命的目的。因而，许多表面新技术、新工艺、新材料不断涌现。
本书介绍了材料表面与界面科学的基础知识与主要的表面改性和表面表征技术，包括工业技术领域中的材料表面与界面、固体表面结构、固体表面性能、液体及其表面与界面、固-液界面、固-气界面、固-固界面、纳米材料与复合材料的表面与界面与表面分析技术等。本教材注重理论性与实践性相结合，增加了功函数、液体表面张力、固体表面能、表面与界面成分与结构的表征测试技术，以及相关界面理论的工程应用与科学研究案例等，努力使基本理论、表征与案例相互融合。每章均附有习题与思考题供学习参考。为了弘扬科学家精神和培养创新能力，本书增加了相关课程的思政素材供学习参考。
本书是在“材料表面与界面”课程讲义的基础上，经十二年的教学使用和多次修改，补充了有关材料表面与界面研究领域的最新进展，在高性能铜合金关键技术科技部重点领域创新团队和河南省高校先进电功能材料科技创新团队的大力支持下编撰而成的。编著过程中还得到河南科技大学材料科学与工程学院的大力支持，同时得到河南省重点研发专项（项目编号：251111231000、241111231400-01）的支持，在此表示衷心感谢。
本书由张毅、周孟、景柯和田保红编著。具体编著分工如下：第1章、第10章、第11章由张毅编著，第7章、第8章、第9章由周孟编著，第4章、第5章、第6章由景柯编著，第2章、第3章、课程思政素材、附录等由田保红编著。张毅负责统稿与审定，田保红负责审校。本书在编写过程中参考了大量学术论文、著作、教材、专利和互联网学术文献等，编著者在此表示衷心感谢。
本书的出版得到河南省教育厅2026年“河南省研究生教育改革与质量提升工程项目（教材项目）”（项目编号：YJS2026XSJC18）的资助，在此表示特别感谢。
本书积极顺应人工智能发展趋势，在附录部分提供了AI伴学内容及提示词，引导学生利用生成式人工智能工具，如DeepSeek、Kimi、豆包、通义千问、文心一言、ChatGPT等辅助学习。
限于编著者水平，不当之处恳请广大读者批评指正。
编著者
2025年12月于洛阳
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- 金粉商城由金属加工杂志社创办。《金属加工》（原名《机械工人》），创刊于1950年，距今已经有70年历史，是面向金属加工工艺及装备领域的专业期刊。金粉商城目前经营工业类专业图书。
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