表面工程技術(shù)-緒論

1、Harbin Engineering University教學目的o 通過本課程學習系統(tǒng)地掌握現(xiàn)代表面處理技術(shù)通過本課程學習系統(tǒng)地掌握現(xiàn)代表面處理技術(shù)的基本原理；的基本原理；o 能合理選擇并應用這些新的表面工程技術(shù)；能合理選擇并應用這些新的表面工程技術(shù)；o 解決材料表面硬度、強度、耐磨性與心部強韌解決材料表面硬度、強度、耐磨性與心部強韌性之間的矛盾；性之間的矛盾；o 充分發(fā)揮材料性能的潛力；延長產(chǎn)品使用壽命充分發(fā)揮材料性能的潛力；延長產(chǎn)品使用壽命和提高產(chǎn)品質(zhì)量。和提高產(chǎn)品質(zhì)量。1 1 表面工程技術(shù)概論表面工程技術(shù)概論o 定義：表面工程是經(jīng)過定義：表面工程是經(jīng)過表面預處理表面預處理后，通過后，通

2、過表面涂覆表面涂覆、表表面改性面改性或或多種表面技術(shù)復合處理多種表面技術(shù)復合處理，改變固體金屬表面或非，改變固體金屬表面或非金屬金屬表面的形態(tài)、化學成分、組織結(jié)構(gòu)和應力狀況表面的形態(tài)、化學成分、組織結(jié)構(gòu)和應力狀況，以獲，以獲得所需要得所需要表面性能表面性能的系統(tǒng)工程。（對象、途徑、目的）的系統(tǒng)工程。（對象、途徑、目的）o The design of surface and substrate together as a functionally graded system to give a cost effective performance enhancement of which nei

3、ther is capable on its own.應用領(lǐng)域應用領(lǐng)域o 對于對于機械零件機械零件而言，表面工程主要用于提高零件表面的耐磨而言，表面工程主要用于提高零件表面的耐磨性、耐蝕性、耐熱性、抗疲勞強度等性能，以保證現(xiàn)代機械性、耐蝕性、耐熱性、抗疲勞強度等性能，以保證現(xiàn)代機械在高速、高溫、高壓、重載以及強腐蝕介質(zhì)工況下可靠、持在高速、高溫、高壓、重載以及強腐蝕介質(zhì)工況下可靠、持續(xù)運行；續(xù)運行；o 對于對于電子電器元件電子電器元件，表面工程主要用于提高元器件的電、光，表面工程主要用于提高元器件的電、光、聲、磁等特殊物理性能，以滿足現(xiàn)代電子產(chǎn)品容量大、傳、聲、磁等特殊物理性能，以滿足現(xiàn)代電子

4、產(chǎn)品容量大、傳輸快、體積小、轉(zhuǎn)換率高、可靠性高的要求；輸快、體積小、轉(zhuǎn)換率高、可靠性高的要求；o 對于對于機電產(chǎn)品的包裝及工藝品機電產(chǎn)品的包裝及工藝品，表面工程主要用于提高表面，表面工程主要用于提高表面的耐腐蝕性和美觀性，以實現(xiàn)機電產(chǎn)品的優(yōu)異性能、藝術(shù)造的耐腐蝕性和美觀性，以實現(xiàn)機電產(chǎn)品的優(yōu)異性能、藝術(shù)造型與絢麗外表的完美結(jié)合；型與絢麗外表的完美結(jié)合；o 對對生物材料生物材料，主要用于提高人造骨骼等人體植入物的耐磨性，主要用于提高人造骨骼等人體植入物的耐磨性、耐蝕性，尤其是生物相容性，以保證患者的健康，提高生、耐蝕性，尤其是生物相容性，以保證患者的健康，提高生活質(zhì)量?；钯|(zhì)量。1.2表面工程技術(shù)

5、的特點表面工程技術(shù)的特點o 獲得優(yōu)良的表面力學性能獲得優(yōu)良的表面力學性能(高硬、耐磨、抗疲勞高硬、耐磨、抗疲勞、抗沖蝕、低摩擦系數(shù)、自潤滑等、抗沖蝕、低摩擦系數(shù)、自潤滑等) ；o 獲得優(yōu)良的表面物理功能獲得優(yōu)良的表面物理功能(吸波、導波、超導、吸波、導波、超導、軟磁、硬磁、電磁屏蔽、光軟磁、硬磁、電磁屏蔽、光-電轉(zhuǎn)換、壓電陶瓷電轉(zhuǎn)換、壓電陶瓷薄膜、低膨脹系數(shù)等薄膜、低膨脹系數(shù)等) ；o 獲得優(yōu)良的表面化學性能獲得優(yōu)良的表面化學性能(防銹、耐蝕、殺菌、防銹、耐蝕、殺菌、仿生物污染、自潔凈等仿生物污染、自潔凈等) ；o 獲得優(yōu)良的表面熱性能獲得優(yōu)良的表面熱性能(耐熱、吸熱、導熱、阻耐熱、吸熱、導熱

6、、阻熱及熱反射等熱及熱反射等)。“表面工程技術(shù)表面工程技術(shù)” 課程，主要包括兩部分內(nèi)容課程，主要包括兩部分內(nèi)容o 表面工程原理表面工程原理:主要包括表面晶體學、表面動力學、表主要包括表面晶體學、表面動力學、表面熱力學和薄膜物理。主要討論固體材料的表面與界面面熱力學和薄膜物理。主要討論固體材料的表面與界面, 涉及到固態(tài)的自由表面涉及到固態(tài)的自由表面, 固固-氣界面、固氣界面、固-固界面等固界面等,并以晶態(tài)物質(zhì)的表面與界面為主要研究對象。從理論體并以晶態(tài)物質(zhì)的表面與界面為主要研究對象。從理論體系來看，表面工程原理的研究內(nèi)容，包括微觀理論與宏系來看，表面工程原理的研究內(nèi)容，包括微觀理論與宏觀理論。微

7、觀理論主要指在原子、分子水平上運用經(jīng)典觀理論。微觀理論主要指在原子、分子水平上運用經(jīng)典理論和原子理論研究固體表面的組成，原子結(jié)構(gòu)及輸送理論和原子理論研究固體表面的組成，原子結(jié)構(gòu)及輸送現(xiàn)象、電子結(jié)構(gòu)與電子運動及其對表面宏觀性質(zhì)的影響現(xiàn)象、電子結(jié)構(gòu)與電子運動及其對表面宏觀性質(zhì)的影響; 另一方面在宏觀尺度上另一方面在宏觀尺度上, 從能量的角度研究一系列的從能量的角度研究一系列的表面現(xiàn)象表面現(xiàn)象, 在實驗的基礎(chǔ)上建立相應的基本方程。在實驗的基礎(chǔ)上建立相應的基本方程。o 表面工程技術(shù)表面工程技術(shù)(工藝工藝):主要研究主要研究 1)表面涂層材料的制備與合成技術(shù)；表面涂層材料的制備與合成技術(shù)； 2)表面涂層

8、材料的成分、組織及結(jié)構(gòu)分析；表面涂層材料的成分、組織及結(jié)構(gòu)分析； 3)表面涂層材料的性能測試與評價；表面涂層材料的性能測試與評價； 4)表面涂層材料的質(zhì)量控制與循環(huán)再利用。表面涂層材料的質(zhì)量控制與循環(huán)再利用。o 表面工程技術(shù)有著悠久的歷史，例如人們熟知的滲碳、表面工程技術(shù)有著悠久的歷史，例如人們熟知的滲碳、氮化、碳氮共滲，以及鍍鉻、表面涂裝等技術(shù)，對改善氮化、碳氮共滲，以及鍍鉻、表面涂裝等技術(shù)，對改善工件的使用性能、提高工件的使用壽命和可靠性起到重工件的使用性能、提高工件的使用壽命和可靠性起到重要作用。近二三十年來，由于多種高新技術(shù)的交叉與滲要作用。近二三十年來，由于多種高新技術(shù)的交叉與滲透以

9、及表面工程技術(shù)自身的不斷完善與發(fā)展，使表面工透以及表面工程技術(shù)自身的不斷完善與發(fā)展，使表面工程技術(shù)在材料科學與工程領(lǐng)域中迅速崛起，成為國民經(jīng)程技術(shù)在材料科學與工程領(lǐng)域中迅速崛起，成為國民經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)中最為重要的工程技術(shù)之一。濟發(fā)展和國防建設(shè)中最為重要的工程技術(shù)之一。表面工程技術(shù)幾乎可以制備、合成能夠滿足各種特殊需求的表面工程技術(shù)幾乎可以制備、合成能夠滿足各種特殊需求的表面材料，改善和提高材料表面性能。表面材料，改善和提高材料表面性能。o 獲得優(yōu)良的表面力學性能獲得優(yōu)良的表面力學性能(高硬、耐磨、抗疲勞、抗沖高硬、耐磨、抗疲勞、抗沖蝕、低摩擦系數(shù)、自潤滑等蝕、低摩擦系數(shù)、自潤滑等) ；o

10、獲得優(yōu)良的表面物理功能獲得優(yōu)良的表面物理功能(吸波、導波、超導、軟磁、吸波、導波、超導、軟磁、硬磁、電磁屏蔽、光硬磁、電磁屏蔽、光-電轉(zhuǎn)換、壓電陶瓷薄膜、低膨脹電轉(zhuǎn)換、壓電陶瓷薄膜、低膨脹系數(shù)等系數(shù)等) ；o 獲得優(yōu)良的表面化學性能獲得優(yōu)良的表面化學性能(防銹、耐蝕、殺菌、仿生物防銹、耐蝕、殺菌、仿生物污染、自潔凈等污染、自潔凈等) ；o 獲得優(yōu)良的表面熱性能獲得優(yōu)良的表面熱性能(耐熱、吸熱、導熱、阻熱及熱耐熱、吸熱、導熱、阻熱及熱反射等反射等)。新趨勢：新趨勢：o 表面工程技術(shù)還在表面工程技術(shù)還在金剛石薄膜、薄膜半導體、化合物超導金剛石薄膜、薄膜半導體、化合物超導薄膜、肌體相容性人造骨骼表面

11、薄膜、肌體相容性人造骨骼表面處理等方面顯示了極大的處理等方面顯示了極大的優(yōu)越性。優(yōu)越性。o 表面工程技術(shù)不僅明顯提高了產(chǎn)品質(zhì)量，延長了使用壽命表面工程技術(shù)不僅明顯提高了產(chǎn)品質(zhì)量，延長了使用壽命，而且可以，而且可以節(jié)省大量昂貴稀缺的材料資源節(jié)省大量昂貴稀缺的材料資源，降低了產(chǎn)品的，降低了產(chǎn)品的造價。造價。o 表面工程技術(shù)之所以受到廣泛重視并得到迅速發(fā)展，除了表面工程技術(shù)之所以受到廣泛重視并得到迅速發(fā)展，除了具有較大的工程應用價值和經(jīng)濟意義，更重要的是表面工具有較大的工程應用價值和經(jīng)濟意義，更重要的是表面工程技術(shù)在支撐現(xiàn)代文明的程技術(shù)在支撐現(xiàn)代文明的“信息科學、生物科學和材料科信息科學、生物科學和

12、材料科學學”三大技術(shù)領(lǐng)域中，起到了塊體材料不可替代的作用三大技術(shù)領(lǐng)域中，起到了塊體材料不可替代的作用 。地位：地位：o 由于由于航天航空工程航天航空工程、海洋與船舶工程海洋與船舶工程、電子工程電子工程和和生物工程生物工程對高新材料的迫切需求，推動了表面對高新材料的迫切需求，推動了表面工程技術(shù)的長足發(fā)展，從而在工程技術(shù)的長足發(fā)展，從而在20世紀世紀80年代使年代使表面工程技術(shù)成為表面工程技術(shù)成為世界十大關(guān)鍵制造技術(shù)世界十大關(guān)鍵制造技術(shù)之一。之一。o 表面工程技術(shù)是當今科學研究、高新技術(shù)發(fā)展和表面工程技術(shù)是當今科學研究、高新技術(shù)發(fā)展和機械工程應用中新材料制備的主要方法，因此了機械工程應用中新材料制

13、備的主要方法，因此了解解表面工程技術(shù)的基本原理及其應用表面工程技術(shù)的基本原理及其應用，對全面了，對全面了解和掌握材料科學知識有重要意義。解和掌握材料科學知識有重要意義。1.3 分類分類 按介質(zhì)形態(tài)分類，最一般的分類方法是按介質(zhì)形按介質(zhì)形態(tài)分類，最一般的分類方法是按介質(zhì)形態(tài)分為態(tài)分為濕法工藝濕法工藝(Wet Process)和和干法工藝干法工藝(Dry Process)：o 濕法工藝包括濕法工藝包括水溶液、熔鹽和有機溶液水溶液、熔鹽和有機溶液的表面處理。的表面處理。o 干法工藝則包括干法工藝則包括氣相和固相介質(zhì)的表面處理氣相和固相介質(zhì)的表面處理，例如，例如PVD (Physical Vapor Deposition)、CVD (Chemical Vapor Deposition)，熱噴涂，各，熱噴涂，各種氣相、固相的表面擴散，高能束種氣相、固相的表面擴散，高能束(激光束、離子束激光束、離子束、電子束、電子束)表面處理，自蔓燃表面涂層合成等。表面處理，自蔓燃表面涂層合成等。按沉積物尺寸分類按沉積物尺寸分類 離子鍍的創(chuàng)始人托馬克斯離子鍍的創(chuàng)始人托馬克斯(D. M. Mattox)，按沉積物尺寸將表面工程技術(shù)分為四大類：按沉積物尺寸將表面工程技術(shù)分為四大類