本书按照表面工程新兴学科的体系，较为全面系统地介绍了表面工程的理论与技术。在表面工程理论部分重点阐述了表面覆层的形成与结合机理；在表面工程技术部分介绍了多种实用表面工程技术的基本原理、设备和工艺；在表面工程技术的综合运用部分重点阐述了复合表面技术及其设计、技术经济分析等内容。本书突出表面工程学科“综合、复合、交叉、系统”的特色，重视反映复合表面技术、纳米表面技术等最新进展，强调理论密切联系生产实际。
2．1．1表面与界面
在不均匀体系中至少存在有两个性质不同的相，各相并存必然有界面。两相之间的界面不是一个几何曲面，而是一个具有一定厚度和复杂结构的准三维区域。可以认为界面是由一个相到另一个相的过渡区域。常把界面区域作为另一个相来处理，称为界面相或界面区。所谓表面实际上就是两相之间的界面。习惯上，常把气一固、气一液界面称为表面，而固一液、液一液、固一固之间的过渡区域称为界面。
界面（表面）现象在自然界中随处可见，从大脑皮层的信息交换、植物叶片的光合作用，到日常生活中的洗涤、印染、空气净化、水处理，无不充斥着各种各样的界面过程。表面工程研究的界面问题，主要包括所用表面工程材料（如各种合金、陶瓷、高分子材料、复合材料、镀液、涂料、胶黏剂、活性剂等）在覆层制备和表面改性中的界面行为，及材料表面在使用环境中的腐蚀、磨损等失效现象和机理。对于表面涂敷技术，侧重于研究覆层的形成与结合机理。它涉及覆层制备中的各种物理化学现象，包括金属材料的熔化结晶（或非晶化）、熔融合金化过程、电极过程、晶体结构和缺陷、相变及塑性变形、覆层形成中的化学和电化学反应、高分子材料的固化反应、覆层成分和组织结构与性能的关系等。
1．固体的表面
在以往很长的一段时问里，人们总是把固体的表面和体内看成是完全相同的，但后来发现固体表面的结构和性质在很多方面与体内有着较大差异。例如晶体内部的三维平移对称性在晶体表面消失了。所以，固体表面是晶体三维周期结构与真空之间的过渡区域。这种表面实际上是理想表面，此外还有清洁表面、实际表面等。
（1）理想表面
理想晶体表面是一种理论上的结构完整的二维点阵平面。它忽略了晶体内部周期性势场在晶体表面中断时的影响，忽略了表面原子的热运动、热扩散、热缺陷及外界对表面的物理一化学作用。这就是说，作为半无限的体内的原子的位置及其结构的周期性，与原来无限的晶体完全一样。
同三维晶体结构一样，由二维晶格结构描述理想晶体对于认识晶体的性质也具有重要意义。二维晶格结构只可能存在5种布喇菲格子、9种点群和17种二维空间群。
（2）清洁表面
相对于受污染表面而言，当表面吸附物的摩尔分数在单分子覆盖层上为1％量级时，该表面一般称为清洁表面。理想表面是不存在的，而清洁表面是可以获得的，而且随着技术的进步可不断提高其清洁的程度。通常，清洁表面必须在大约10Pa及以下的超真空室内采用高温热处理、离子轰击退火、真空解理、真空沉积、外延、热蚀、场效应蒸发等方法才能实现。
由于表面原子排列突然发生中断，表面原子配位数减少，相当一部分结合键被割断，因此表面原子将偏离点阵的平衡位置而处于能量较高的状态。晶体的表面能可理解为单位界面面积的自由能增量，一般多以表面张力表示。与晶体中的原子键合状态相比，由于晶体表面原子的部分结合键被割断，使其表面能可用形成单位新表面所割断的结合键数目乘以每个键的能量来近似表达。
由于各晶面原子排列的密度不同，因而当以不同晶面作为其外表面时，其表面能存在一定差别，即晶体表面能具有各向异性的特点。为了降低表面能，晶体往往以原子密度最大的晶面组成其表面。
为减小表面能，使系统稳定，表面的原子必须进行调整。调整方式可以是自行的，使表面的原子排列与内部有明显不同；也可靠外来因素，如吸附杂质，生成新相等。观测结构表明，实际的表面结构与理想的体内结构的差异主要表现为表面弛豫和表面重构。表面弛豫现象表现在晶体结构基本相同，但点阵参数略有差异，特别是在表面及其下少数几个原子层问距的变化上，即法向弛豫（见图2．1）。重构是指表面原子层在水平方向上的周期性不同于体内，但垂直方向上的层间距与体内相同，常见的有缺列型重构和重组型重构。
表面分析结果证实，许多单晶体的表面实际上不是原子级的平坦，而是表面上有平台（Termce）、台阶（Ledge或Step）和扭折（Kink）。相邻面的台阶和扭折是晶体生长时原子优先沉积的位置，也是表面反应优先发生的场所。原子沉积导致扭折沿台阶的运动，从而使台阶向前推进，相继的台阶不断地扫过晶体表面，最终导致了晶体表面的法向生长。
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