表面科學和工程技術介紹

1、表面科學和工程技術介紹1周次2012年度教學安排二第1章 表面科學與工程概論三第2章 材料的表面與界面 四第3章 摩擦學基本理論 五第4章 金屬腐蝕的基本理論 六第5章 熱噴涂技術 七第6章 電鍍技術 八第7章涂料與涂裝技術第10章 表面轉(zhuǎn)化膜技術九第11章氣相沉積技術第12章 高能束表面改性技術 十考試 表面科學與工程學科的重要性表面科學的進步是國家繁榮的象征表面工程的發(fā)展促進了產(chǎn)品質(zhì)量的提高表面技術是高附加值的技術，能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益表面技術的發(fā)展能夠帶動相關行業(yè)的技術進步3第一章 表面科學與工程概論1.1 表面科學與工程的涵義1.2 表面科學與工程的發(fā)展歷程1.3 表面工程迅速發(fā)展的

2、原因1.4 表面工程技術的分類與簡介1.5 表面工程的應用領域1.6 表面科學與工程的發(fā)展動向41.1 表面科學與工程的涵義表面科學與工程包括表面科學與表面工程兩個方面；表面科學注重于材料表面和界面的理論研究，主要研究材料表界面的性能，材料表界面的失效機理；表面科學針對材料表面失效的兩種主要形式：磨損與腐蝕行為及其對材料表面的破壞機制進行研究和分析。5表面科學奠定了表面工程的基礎和應用理論現(xiàn)代表面工程技術的基礎理論是表面科學，它包括：表面分析技術、表面物理、 表面化學三個分支。 6表面分析基礎方面有：表面的原子排列結構、原子類型、電子能態(tài)結構等，表面分析是揭示表面現(xiàn)象的微觀實質(zhì)和各種動力學過程

3、的必要手段。 7表面分析與測試技術各種表面分析儀器和測試技術的出現(xiàn)，不僅為揭示材料本性和發(fā)展新的表面技術提供了堅實的基礎，而且為生產(chǎn)上合理使用或選擇合適的表面技術，分析和防止表面故障，改進工藝設備，提供了有力的手段8表面物理和表面化學分別是研究任何兩相之間的界面上發(fā)生的物理和化學過程的科學。從理論體系來看，它們包括微觀理論與宏觀理論：一方面在原子、分子水平上研究表面的組成，原子結構及輸運現(xiàn)象、電子結構與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，從能量的角度研究各種表面現(xiàn)象。9表面分析技術、表面物理、表面化學之間的關系實際上，這三個分支是不但不能截然分開，而且相互依存和相互補充。表面科

4、學不僅有重要的基礎研究意義，而且與許多技術科學密切相關，在應用上有非常重要的實際意義。10表面科學為表面工程提供了應用理論表面失效分析、摩擦與磨損理論、表面腐蝕與防護理論、表面結合與復合理論等等、它們對表面工程的發(fā)展和應用有著直接的、重要的影響。11表面工程表面工程也稱為“表面技術”、“表面處理”或“表面改性”，表面工程是應用物理、化學、機械等方法改變固體材料表面狀態(tài)、表面成分或表面組織結構，獲得所要求的性能，以提高產(chǎn)品的可靠性或延長其使用壽命的各種技術的總稱。12表面科學與工程的學科特點表面科學與工程學科涉及面廣，信息量大，是多種學科相互交叉、滲透與融合形成的一門綜合性學科。它以表面科學為理

5、論基礎，利用各種物理的、化學的、物理化學的、電化學的、冶金的以及機械的方法和技術，使材料表面得到我們所期望的成分、組織、性能或絢麗多彩的外觀。13表面科學與工程的實質(zhì)其實質(zhì)就是要達到和滿足一種特殊的表面功能，并使表面和基體性能達到最佳的配合 。因此它是一種節(jié)材、節(jié)能的新型工程技術，是對各學科成果的綜合運用。表面科學與工程是一個跨學科、跨行業(yè)、跨世紀的新興領域；表面科學與工程所涉及的各門學科之間互相彌補、互相滲透、互相交融，日臻完善，逐漸形成一門別具特色和有著自己模式的新興學科。14表面科學與工程的研究目的對于金屬或非金屬材料來說，表面科學與工程的主要研究目的是： 1、提高材料抵御環(huán)境作用的能力

6、； 2、賦予材料表面各種類型的功能特性， 包括光、電、磁等各種物理和化學性能。 1516表面工程的技術特點表面工程技術既可對材料表面改性，制備多功能的涂、鍍、滲、覆層，成倍延長機件的壽命：又可對產(chǎn)品進行裝飾；還可對廢舊機件進行修復，歸納起來，表面工程技術具有如下的技術特點： 17特點一：在廉價的基體材料上，對表面施以各種處理，使其獲得多功能性(防腐、耐磨、耐熱、耐高溫、耐疲勞、耐輻射、抗氧化以及光、熱、磁、電等特殊功能）、裝飾性表面。例如復合滲硼可以成倍提高材料的耐磨性、熱疲勞性、紅硬性以及耐蝕性。某些表面處理能使其整體材料得到難以獲得的微晶、非晶態(tài)等特殊晶型。18特點二： 表面涂層或改性層甚

7、薄，從微米級到毫米級，但卻起到了大量昂貴的整體材料難以達到的效果。大幅度節(jié)材、節(jié)能、節(jié)省資源。19特點三：延長使用壽命作為機件、構件的預保護，使之能承受腐蝕與磨損；并使高溫機件、構件的耐熱性大大提高，延長了使用壽命；作為廢舊機件的修復，可使機件的壽命成倍延長。例如電站的空氣預熱鋼管不經(jīng)處理，壽命僅有數(shù)月，經(jīng)滲鋁處理后壽命至少達10年，產(chǎn)生很大的經(jīng)濟效益。20總之，表面工程技術是一種內(nèi)涵深、外延廣、滲透力強、影響面寬的綜合而通用性的工程技術，表面工程技術已擴滲入信息技術、生物技術、新材料技術、新能源技術、海洋開發(fā)技術、航空航天技術中，構成了一個光彩奪目的新科技群。表面工程技術具有實用性、科學性、

8、先進性、廣泛性、裝飾性、修復性、經(jīng)濟性。表面工程技術其發(fā)展前景十分誘人。統(tǒng)計表明其產(chǎn)生的經(jīng)濟效益是技術本身投資的89倍。211.2 表面科學與工程的發(fā)展歷程人類使用表面工程技術具有悠久的歷史，但在19世紀60年代末才形成一門表面科學，并由此得到快速發(fā)展。這是因為：一方面人們在廣泛使用和不斷試驗的過程中積累了豐富的經(jīng)驗，形成了各種表面工程技術的原型；另一方面自60年代末形成的表面科學使表面工程進入了一個新的發(fā)展時期。22表面技術具有悠久的歷史作為表面工程的技術基礎，表面技術的發(fā)展歷史已很悠久；遠古時期我們的祖先就懂得用各類植物油漆進行表面防腐處理。公元前三世紀，我國已采用汞齊鎏金技術在金屬表面上

9、鍍金以增加其美觀性與防腐性。但是，表面工程概念的提出只是近20年的事情。23汞齊鎏金24近代的表面工程技術可分為表面改性技術、薄膜技術和涂層技術三大類，按表面層的形成原理可細分為20多種。這些技術隨著科學技術的進步，其內(nèi)涵不斷拓展，成為現(xiàn)代表面工程的重要支柱。其中，20世紀60年代以后形成的物理氣相沉積、化學氣相沉積和離子注入技術現(xiàn)已廣泛應用于電子工業(yè)中。可以說，沒有這些表面工程技術就沒有現(xiàn)在的計算機和通信手機。25表面工程概念的提出 1983年英國教授首先提出了表面工程的概念，并組建了英國伯明翰大學沃福森表面工程研究所；1985年創(chuàng)辦了表面工程國際刊物。1986年10月國際熱處理聯(lián)合會決定接

10、受表面工程的概念，并把自己的會名改為國際熱處理及表面工程聯(lián)合會。26國內(nèi)表面工程的發(fā)展 與此同時、國內(nèi)表面工程的研究也得到了迅速發(fā)展，在中國機械工程學會的大力支持下，中國機械工程學會表面工程研究所于1987年在北京成立；1988年12月在北京召開全國首屆表面工程現(xiàn)狀與未來研討會。同年創(chuàng)辦了中國的表面工程期刊，現(xiàn)改版為國內(nèi)外公開發(fā)行的中國表面工程。1993年成立了中國機械工程學會表面工程分會，以后在國內(nèi)召開了多次國際和全國性的表面工程學術會議。27武漢材料保護研究所成立于1952年，機械部武漢熱處理研究所更名于1976年，機械部武漢材料保護研究所基礎研究室：磨損、腐蝕應用研究室：熱處理、熱噴涂、

11、涂料與涂裝、電化學、電鍍、轉(zhuǎn)化膜、防銹、分析中心、電器儀表刊物：材料保護等數(shù)種刊物公司與工程中心28 近幾年，由于表面工程技術產(chǎn)生了顯著的效益，全國各地以表面工程命名的企業(yè)應運而生，形成了技術含量高，規(guī)模化生產(chǎn)的企業(yè)。并且、許多設備制造與修理工廠，也引進了多項表面技術，用于提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。29表面科學與工程相關的中文期刊雜志 近幾年有關表面工程方面的書籍或手冊已有多種版本，這些書籍的出版對推動表面工程的研究、普及推廣及指導生產(chǎn)起到了重要的基礎作用。中國表面工程、材料保護、腐蝕與防護、金屬熱處理、表面技術、摩擦學學報、腐蝕學學報、電鍍與涂飾。焊接、機械工程學報30與表面現(xiàn)象有關的一些

12、表面技術介紹 廣義地說，由于自然界存在的表面現(xiàn)象或過程隨處可見，因而與其直接有關的重要表面技術還有許多，現(xiàn)舉例如下：31（1）表面濕潤和反濕潤技術濕潤是一種重要的表面現(xiàn)象，人們有時要求液體在固體表面上有高度潤濕性(如親水性)，而有的卻要求有不濕潤性(如憎水性) ，這就需要人們在各種條件下采用表面濕潤和反濕潤技術。32例如洗滌：洗滌：即除去粘在固體基質(zhì)表面上的污垢，雖然固體基質(zhì)和污垢是各種各樣的，但能否洗凈的基本條件是：洗滌液能濕潤且直接附著在基質(zhì)的污垢上，繼而能侵入污垢基質(zhì)界面，削弱兩者之間的附著力，使污垢完全脫離基質(zhì)形成膠粒而飄浮在洗滌液介質(zhì)中。33礦物浮選是借氣泡力來浮起礦石的一種物質(zhì)分離

13、和選別礦物技術。所使用的浮選劑是由捕集劑、起泡劑、pH調(diào)節(jié)劑、抑制劑和活化劑等配制的。而其中主要成分捕集劑的加入，是使浮游礦石的表面變成疏水性，從而能粘附于氣泡上或由疏水性低密度介質(zhì)濕潤而浮起。34例如礦物浮選例如親水箔在空調(diào)行業(yè)中廣泛用到各種鋁箔，它們主要用于冷熱對流和能量交換；凝聚過程中的冷卻水粘附在鋁箔表面，形成水滴阻礙了能量交換；水滴的凝聚和蒸發(fā)是冷熱交換的一個重要環(huán)節(jié)，直接影響到空調(diào)器的效率；親水箔是對鋁箔的表面進行改性（親水涂料），使水能在空調(diào)表面充分鋪展，從而提高熱交換效率。35（2）表面催化技術早在18世紀末科學家就已發(fā)現(xiàn)固體表面不僅能吸附某些物質(zhì)，而且有的可使它們在表面上的化

14、學反應速度大大加快。催化劑指能夠提高反應速率，加快到達化學平衡，而本身在反應終了時并不消耗的物質(zhì)。催化是催化劑在化學反應過程中所起的作用和發(fā)生的有關現(xiàn)象的總稱?，F(xiàn)代表面催化技術已經(jīng)有了很大的發(fā)展，在工業(yè)上獲得廣泛而重要的應用。36催化是一種表面過程在固氣體系中催化反應的主要步驟是：反應物在表面上化學吸附；吸附分子經(jīng)表面擴散相遇；表面反應或鍵重排；反應產(chǎn)物脫吸。微觀研究表明：催化劑在不同位置具有不同的激活能，臺階、扭折或雜質(zhì)、缺陷所在處構成活性中心，這說明表面狀態(tài)對催化作用影響顯著。37（3）膜技術膜，是指選擇滲透物質(zhì)的二維材料。膜是把兩個物相空間隔開而又使兩者互相關聯(lián)，發(fā)生質(zhì)量和能量傳輸過程的

15、一個中間介質(zhì)相。膜在結構上可以是多孔或是致密的。實際上生物體有許多這種膜，例如細胞膜、基膜、復膜和皮膚等，起著滲透、分離物質(zhì)、保護機體和參與生命過程的作用。38（4）表面化學技術這種表面技術涉及面很廣，尤其是涉及到固液界面的許多電現(xiàn)象或過程，如電解、電鍍、電化學反應、腐蝕和防腐等等，它們已為大家所熟悉。實際上還有一些極其重要的表面電化學技術，例如與許多生物現(xiàn)象有關的細胞膜電勢和生物電流膜技術。研究表明：細胞膜內(nèi)外電化學位不等于零，如果生物體系建立了完全的熱平衡過程，則意味著生命的終止。 39表面技術 由低到高 不斷進步例1、表面涂敷技術的發(fā)展涂料與涂裝技術： 天然樹脂酚醛樹脂醇酸樹脂 從手工涂

16、裝各種涂裝設備：靜電噴漆、高壓無漆噴涂、電泳涂裝熱噴涂技術： 噴涂方法：新工藝、新技術 功能性涂層：耐磨、防蝕、導電、絕緣41例2、金屬材料表面強化技術的進步 金屬材料一般是以合金的形式進行使用，金屬具有良好的強度與塑性配合，優(yōu)良的加工性，許多金屬還具有優(yōu)異的物理特性，因而應用非常廣泛。但是，金屬材料的表面在外界環(huán)境的作用下亦容易發(fā)生各類磨損、腐蝕、氧化和疲勞等破壞，這方面造成的損失是十分巨大的。42此外，許多零部件要求的表面性能與心部性能之間存在著一定的矛盾，整體處理時往往兩者不能兼顧。因此，金屬材料的表面強化技術受到了人們的高度重視。43金屬表面形變強化噴丸、滾壓表面熱處理和化學熱處理物理

17、氣相沉積和化學氣相沉積離子束、電子束、激光束三束技術44金屬材料的表面強化技術由低到高1.3 表面工程迅速發(fā)展的原因?qū)＜覀冾A言，表面工程將成為本世紀工業(yè)發(fā)展的關鍵技術之一。表面工程迅速而富有成效的發(fā)展，有其深刻的歷史背景。歸納起來可分為以下幾個方面：45一、表面工程的屬性 是其迅速發(fā)展的基礎表面工程具有學科的綜合性、手段的多樣性、廣泛的功能性、潛在的創(chuàng)新性、環(huán)境的保護性、很強的實用性和巨大的增效性，因而受到各行各業(yè)的重視。表面工程不是各種表面技術的簡單組合，而是具有豐富內(nèi)涵的系統(tǒng)工程。表面工程是經(jīng)表面預處理后，通過表面涂覆、表面處理、表面改性或多種表面技術復合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面

18、的形態(tài)、化學成分、組織結構和應力狀態(tài)等，以獲得所需表面性能的系統(tǒng)工程。46表面工程是以表面科學為理論基礎，以表面和界面行為為研究對象，首先把相互依存、相互分工的零件基體與表面構成一個系統(tǒng)，同時又綜合了失效分析、表面技術、涂覆層性能、表面工程技術設計、表面涂層材料開發(fā)、預處理和后加工、表面檢測技術、表面質(zhì)量控制、使用壽命評估、表面施工管理與維護、技術經(jīng)濟分析、三廢處理、技術創(chuàng)新和重大工程實踐等多項內(nèi)容。47 隨著科學技術與工業(yè)的發(fā)展，“工程”一詞已不限于建筑行業(yè)中的具體項目，它已成為自然科學學科的一部分。它和基礎研究并駕齊驅(qū)，成為學科中的兩大支柱。表面工程概念的提出是表面科學向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化的要求，

19、是人們對表面技術認識上的一次飛躍。48機械設計的選材原則 所面臨的問題機械零件在設計時的選材原則主要是保證強度、剛度、抗疲勞性能；而零件的表面卻要承擔摩擦磨損、介質(zhì)腐蝕等功能；零件設計所選的材質(zhì)（簡稱母材或基材）以及熱處理之后的表面性能，有時能夠滿足表面負荷的要求，多數(shù)情況下則不能滿足要求，這就需要對基材表面的某些部位單獨進行表面處理。49表面工程所具有的功能表面工程可以提高零件表面的耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞性、抗氧化性、防輻射性；既有辦法改善零件表面的傳熱性，又有辦法改善零件表面的隔熱性；既有辦法改善零件表面的導電性，又有辦法改善零件表面的絕緣性；既有辦法改善零件表面的導磁性，又有辦法改善零

20、件表面的磁屏蔽性；50既有辦法改善零件表面的反光性和增光性，又有辦法改善零件表面的吸波性；既有辦法改善零件表面的粘著性，又有辦法改善零件表面的不粘性；既有辦法改善零件表面的吸油性，又有辦法改善零件表面的干磨性；既有辦法提高零件表面摩擦系數(shù)，又有辦法降低零件表面的摩擦系數(shù)；既有辦法使零件表面具有親水性，又有辦法使零件表面具有疏水性等等。 表面工程的功能還可列舉很多，如用于減輕機械振動、用于降低噪聲、用于密封、用于改善釬焊性、用于化學催化反應、用于金屬染色等等。機械零部件表面經(jīng)處理后，可以滿足各種功能要求，由于技術含量的增加，必然帶來效益的增長。52表面工程的經(jīng)濟性采用表面工程措施的費用，一般只占

21、產(chǎn)品價格的510，卻可以大幅度地提高產(chǎn)品的性能及附加值，從而獲得更高的利潤；采用表面工程措施的平均效益高達520倍以上。根據(jù)英國科技開發(fā)中心的調(diào)查報告，英國主要依靠表面工程而獲得的產(chǎn)值每年超過50100億英鎊，其它工業(yè)化國家的情況也基本相似。53二、現(xiàn)代工業(yè)的需求是表面工程迅速發(fā)展的動力 現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對機電產(chǎn)品提出了更高的要求；這些要求包括體積要小巧，外形要美觀，而且能在高溫、高速、重載以及腐蝕性介質(zhì)、惡劣環(huán)境下可靠、持續(xù)地工作。這些要求推動著表面工程的發(fā)展。54 航空航天工業(yè)的需求促進了能夠制備耐熱、隔熱涂層的等離子噴涂技術發(fā)展；海上鉆井平臺的需求促進了鋼結構表面防腐技術的發(fā)展。 現(xiàn)代汽車

22、不僅是集現(xiàn)代工業(yè)成就之大成的工業(yè)產(chǎn)品，更是技術與藝術完善結合的藝術品，其間以汽車涂裝技術為代表的表面工程，為汽車的發(fā)展發(fā)揮了巨大的作用。55 在電子信息技術中，表面工程可提供關鍵的薄膜材料及功能器件。如在超大規(guī)模集成電路中理想的功能材料是采用化學氣相沉積獲得的金剛石薄膜，它具有極為優(yōu)異的導熱性。高介電性和半導體性能。采用氣相沉積、電鍍、刷鍍等表面技術可以獲得非晶態(tài)薄膜或涂層。非晶硅薄膜具有優(yōu)良的光吸收能力，而且可以大面積涂覆，成本也比較低，是理想的光電轉(zhuǎn)換材料。56軍工產(chǎn)業(yè)的隱形技術一外形，我們知道的隱形飛機，隱形軍艦，形狀都是怪怪的57二吸波涂層這是一種特殊的涂料，他可以將射到自己身上的雷達

23、波全部吸收掉，而不是偏轉(zhuǎn)或者反射回去，這樣一來雷達的接收機還是無法收到回波，一樣發(fā)現(xiàn)不了飛機。但它的缺點是只能吸收一定頻率范圍內(nèi)的雷達波58三、資源與環(huán)境保護的緊迫性是促進表面工程迅速發(fā)展的時代要求表面工程能大量節(jié)約能源、節(jié)省資源，適合我國國情，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，因此受到黨和政府的關心、扶持及廣大科技工作者的積極參與。59腐蝕和磨損所造成的損失 據(jù)統(tǒng)計，世界鋼產(chǎn)量的1% 由于腐蝕而損失，機電產(chǎn)品提前失效的原因70屬于腐蝕和磨損。據(jù)估計，我國每年因腐蝕造成的損失至少達到2700億元，占國民生產(chǎn)總值的24。腐蝕和磨損不僅導致材料本身的損失，而且提高了維修成本、由于機器停產(chǎn)的損失往往是其自身的數(shù)十

24、倍60表面工程最大優(yōu)勢是能夠以多種方法制備出優(yōu)于基材性能的表面功能薄層。該薄層厚度一般從幾十微米到幾毫米，僅占工件厚度的幾百分之一到幾十分之一，卻使工件具有了比基材更高的耐磨性、抗腐蝕性和耐高溫性能。61四、現(xiàn)代科技成果為表面工程的迅速發(fā)展提供了技術支撐表面工程是在表面物理、表面化學和固體力學理論基礎上，融匯了現(xiàn)代摩擦學、腐蝕與防護、材料學、電子學以及環(huán)境工程的有關成果而發(fā)展起來的。因此、現(xiàn)代科學技術的發(fā)展促進了表面工程的技術進步。62 隨著計算機的廣泛應用，表面技術的設備自動化程度不斷提高，并可用數(shù)值模擬的方法，進行表面工程技術設計。推廣機械化、自動化方面的研究成果來改進表面涂層制備方法，提

25、高效率和質(zhì)量，特別在加工復雜形狀零件及危害操作者身體健康的場合將十分有用。63 隨著新能源、材料等技術的發(fā)展，表面工程技術也得到不斷的發(fā)展。例如：隨著離子束、電子束、激光束三束技術的發(fā)展，高密度能源的使用成本將越來越低，而高密度能源可以使表面涂覆時的變形更小、效率更高、質(zhì)量更好。例如：利用激光表面強化技術，可以制出經(jīng)久耐用的缸套、軋輥、模具。64 納米材料的研究成為世界范圍內(nèi)新的熱點，并逐漸進入實用化的階段。采用納米級材料添加劑的減摩技術可以在摩擦部件動態(tài)工作中智能地修復零件表面的缺陷，實現(xiàn)材料磨損部位原位自動修復，并使裂紋自愈合。又如用電刷鍍制備含納米金剛石粉末涂層的方法可以用來修復模具，延

26、長使用壽命，是模具修復的一項突破。其它各種陶瓷材料、非晶態(tài)材料、高分子材料等也將不斷地被應用于表面工程中。1.4 表面工程技術的分類與簡介1.4.1 表面工程技術的分類國家自然科學基金委員會將表面技術歸納為以下三個方面：表面涂鍍層技術、表面改性技術、表面處理技術661、表面涂鍍層技術：也稱表面覆蓋層技術，即在基體材料表面形成一層新的覆蓋層。包括電鍍、電刷鍍、化學鍍、涂裝、粘結、堆焊、熔結、熱噴涂、塑料粉末涂敷、熱浸涂、搪瓷涂敷、陶瓷涂敷、真空蒸鍍、濺射鍍。離子鍍、化學氣相沉積、離子束合成薄膜技術等。此外，還有其他形式的覆蓋層，例如包箔，貼片的整體覆蓋層，緩蝕劑的暫時覆蓋層等。672、表面改性技

27、術：是指通過改變基體金屬材料表面層的化學成分，以達到改變金屬表面結構和性能之目的的工程技術。如化學熱處理、等離子擴滲處理、離子注入表面改性等。683、表面處理技術：指在不改變基體金屬表面化學成分的情況下，使其組織與結構發(fā)生變化，從而改變其性能。主要有噴丸強化、表面熱處理等。69表面工程技術可以從不同的角度進行歸納、分類按照作用原理，表面工程技術可以分為以下四種基本類型（1）原子沉積（2）顆粒沉積（3）整體覆蓋（4）表面改性70（1）原子沉積原子沉積：沉積物以原子、離子、分子和粒子集團等原子尺度的粒子形態(tài)在表面形成覆蓋層。如：電鍍化學鍍物理氣相沉積化學氣相沉積71（2）顆粒沉積沉積物以宏觀尺度的

28、顆粒形態(tài)在材料表面上形成覆蓋層熱噴涂搪瓷涂敷等72（3）整體覆蓋它是將涂敷材料于同一時間內(nèi)施加于材料表面。包箔熱浸涂73（4）表面改性用各種物理、化學等方法處理表面，使之組成、結構發(fā)生變化，從而使性能發(fā)生改變表面熱處理化學熱處理激光表面處理電子束表面處理離子注入等741.4.2 各類表面工程技術簡介一、表面涂鍍層技術751、電鍍它是利用電解作用，即把具有導電性能的工件表面與電解質(zhì)溶液接觸，并作為陰極，通過外電流的作用，在工件表面沉積與基體牢固結合的鍍覆層。該鍍覆層主要是各種金屬和合金。單金屬鍍層有鋅、鎘、銅、鎳、鉻、錫、銀、金、鈷、鐵等數(shù)十種；合金鍍層有鋅銅、鎳鐵、鋅鎳鐵等一百多種。電鍍方式也

29、有多種，有槽鍍、滾鍍、刷鍍等。電鍍在工業(yè)上使用廣泛。76、電刷鍍它是電鍍的一種特殊方法，又稱接觸鍍、選擇鍍、涂鍍、無槽電鍍等。其設備主要由電源、刷鍍工具和輔助設備組成，是在陽極表面裹上棉花或絳綸棉絮等吸水材料，使其吸飽鍍液，然后在作為陰極的零件上往復運動，使鍍層牢固沉積在工件表面上。它不需將整個工件浸入電鍍?nèi)芤褐?，所以能完成許多槽鍍不能完成或不容易完成的電鍍工作。77、化學鍍又稱“不通電”鍍，即在無外電流通過的情況下，利用還原劑將電解質(zhì)溶液中的金屬離子化學還原在呈活性催化的工件表面，沉積出與基體牢固接合的鍍覆層。工件可以是金屬，也可以是非金屬。鍍覆層主要是金屬和合金，最常用的是鎳和銅。78、涂

30、裝它是用一定的方法將涂料涂覆于工件表面而形成涂膜的全過程。涂料為有機混合物，一般由成膜物質(zhì)、顏料、溶劑和助劑組成，可以涂裝在各種金屬、陶瓷、塑料、木材、水泥、玻璃等制品上。涂膜具有保護、裝飾或特殊性能（如絕緣、防腐標志等），應用十分廣泛。79、粘貼它是用粘結劑將各種材料或制件連接成為一個牢固整體的方法，稱為粘結或粘合。粘結劑有天然膠粘劑和合成膠粘劑，目前高分子合成膠粘劑已獲得廣泛的應用。80、堆焊它是在金屬零件表面或邊緣，熔焊上耐磨、耐蝕或特殊性能的金屬層；用于修復外形不合格的金屬零件及產(chǎn)品，提高使用壽命，降低生產(chǎn)成本；或者用它制造雙金屬零部件。81、熔結它與堆焊相似，也是在材料或工件表面熔敷

31、金屬涂層，但用的涂敷金屬是一些以鐵、鎳、鈷為基，含有強脫氧元素硼和硅而具有自熔性和熔點低于基體的自熔性合金，所用的工藝是真空熔敷、激光熔敷和噴涂熔敷等828、熱噴涂它是將金屬、合金、合金陶瓷材料加熱到熔融或部分熔融，以高的動能使其霧化成微粒并噴至工件表面、形成牢固的涂覆層。熱噴涂的方法有多種，按熱源可分為火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂和爆炸噴涂等，經(jīng)過噴涂的工件表面具有耐磨、耐熱、耐蝕等功能。839、塑料粉末涂敷利用塑料具有耐蝕、絕緣、美觀等優(yōu)點，將各種添加了防老化劑、流平劑、增韌劑、固化劑、顏料、填料等的粉末塑料，通過一定的方法，牢固地涂敷在工件表面，主要起保護和裝飾的作用。塑料粉末是依靠熔

32、融或靜電引力等方式附著在被涂工件表面，然后依靠熱熔融、流平、濕潤和反應固化成膜8410、電火花涂敷這是一種直接利用電能的高密度能量對金屬表面進行涂敷處理的工藝。即通過電極材料與金屬零部件表面的火花放電作用，把作為火花放電極的導電材料（如WC、TiC）熔滲于表面層，從而形成含電極材料的合金化涂層；提高工件表面的性能，而工件內(nèi)部組織和性能不改變。8511、熱浸鍍它是將工件浸在熔融的液態(tài)金屬中，使工件表面發(fā)生一系列物理和化學反應，取出后表面形成金屬鍍層。工件金屬的熔點必須高于鍍層金屬的熔點。常用的金屬有錫、鋅、鋁、鉛等。熱浸鍍工藝包括表面預處理、熱浸鍍和后處理三部分。熱浸鍍的主要目的是提高工件的防護

33、能力，延長使用壽命。8612、搪瓷涂敷搪瓷涂敷是一種主要施于鋼板、鑄鐵或鋁制品表面的玻璃涂層，可起良好的防護和裝飾作用。搪瓷涂料通常是精制玻璃料分散在水中的懸浮液，也可以是干粉狀。涂敷方法有浸涂、淋涂、電沉積、噴涂、靜電噴涂等。該涂層為無機物成分，并融結于基體，故與一般的有機物涂層不同。8713陶瓷涂敷陶瓷涂層是以氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、氮化物、金屬陶瓷和其他無機物為基底的高溫涂層，用于金屬表面主要在室溫和高溫起耐蝕、耐磨等作用。主要涂敷方法有刷涂、浸涂、噴涂、電泳涂和各種熱噴涂等等。有的陶瓷涂層有光、電、生物等功能。8814、真空蒸鍍它是將工件放入真空室，并用一定的方法加熱鍍膜材料，

34、使其蒸化或升華，飛至工件表面凝聚成膜。工件材料可以是金屬、半導體、絕緣體乃至塑料、紙張、織物等，而鍍膜材料也很廣泛，包括金屬合金、化合物、半導體和一些有機聚合物等；加熱方式有電阻、高頻感應、電子束、激光、電弧加熱等。8915、濺射鍍它是將工件放入真空室，并用正離子轟擊作為陰極的靶（鍍膜材料），使靶材中的原子、分子逸出，飛至工件表面凝聚成膜。濺射粒子的能量約為10eV左右，為熱蒸發(fā)粒子的100倍。濺射鍍膜的致密性和結合強度較好，基片溫度較低，但成本較高。9016、離子鍍它是將工件放入真空室，并利用氣體放電原理將部分氣體和蒸發(fā)源（鍍膜材料）逸出的氣相粒子電離，在離子轟擊的同時，把蒸發(fā)物或其反應產(chǎn)物

35、沉積在工件表面成膜。該技術是一種等離子體增強的物理氣相沉積，鍍膜致密，結構牢固，可在工件溫度低于550時得到良好的鍍層，繞鍍性也較好。9117、化學氣相沉積（CVD）它是將工件放入密封室，加熱到一定溫度，同時通入反應氣體，利用室內(nèi)氣相化學反應在工件表面沉積成膜。（SiH4+O2SiO2+2H2 ）源物質(zhì)除氣態(tài)外，也可以是液態(tài)和固態(tài)。所采用的化學反應有多種類型，如熱分解、氫還原、金屬還原、化學輸運反應、等離子體激發(fā)反應、光激發(fā)反應等等。工件加熱方式有電阻、高頻感應、紅外線加熱等。9218、化學轉(zhuǎn)化膜化學轉(zhuǎn)化膜的實質(zhì)是金屬處于特定情況下人為控制的腐蝕產(chǎn)物；即金屬與特定的腐蝕液接觸；并在一定條件下發(fā)

36、生化學反應，形成能保護金屬不易受水和其它腐蝕介質(zhì)影響的膜層?；瘜W轉(zhuǎn)化膜是由金屬基底直接參與成膜反應而生成的，因而膜與基底的結合力比電鍍層要好得多。9319暫時性覆蓋處理 它是把緩蝕劑配制的緩蝕材料，在工件需要防銹的情況下，暫時性覆蓋于表面。如工序間防銹油，可剝性涂料等94二、表面改性技術951、化學熱處理它是將金屬或合金工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表面，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝。按滲入的元素可分為滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲金屬等等。滲入元素可以是固體、液體和氣體。但都要經(jīng)過介質(zhì)中化學反應、外擴散、相界面化學反應和工件中擴散四個過程。962、等離

37、子擴滲處理又稱離子轟擊熱處理，是指在通常大氣壓力下的特定氣氛中利用工件（陰極）和陽極之間的輝光放電進行熱處理的工藝。常見的有離子滲氮、離子滲碳、離子碳氮共滲等。等離子擴滲的優(yōu)點是滲劑簡單，無公害，滲層較深、脆性較小，工件變形小，對鋼鐵材料適用面廣，工作周期短。973、激光表面處理它是利用激光的高亮度、高方向性和高單色性的三大特點，對材料表面進行各種處理，顯著改善其組織結構和性能。主要處理方法有激光非晶化、激光熔覆、激光合金化、激光沖擊硬化。984、電子束表面處理通常由電子槍陰極燈絲加熱后發(fā)射帶負電的高能電子流，通過一個環(huán)狀的陽極，經(jīng)加速射向工件表面使其產(chǎn)生相變硬化、熔覆和合金化等作用，淬火后可

38、獲得細晶組織等。995、高密度太陽能表面處理太陽能取之不盡，并且是清潔能源，可用來進行表面處理。例如對鋼鐵零部件的太陽能表面淬火，是利用聚焦的高密度太陽能對工件表面進行局部加熱，約在至幾秒內(nèi)使之達到相變溫度以上，進行奧氏體化，然后急冷，使表面硬化。1006、離子注入表面改性它是將所需的氣體或固體蒸氣在真空系統(tǒng)中電離，引出離子束后，用數(shù)千電子伏至數(shù)十萬電子伏加速直接注入材料，達到一定深度，從而改變材料表面的成分和結構，達到改善性能的目的。其優(yōu)點是注入元素不受材料固溶度限制，適應于各種材料，工藝和質(zhì)量易控制，注入層和基體之間沒有不連續(xù)界面。其缺點是注入層不深，對復雜形狀的工件注入有困難。101三、

39、表面處理技術1021、噴丸強化它是在受噴材料的再結晶溫度下進行的一種冷加工方法；加工過程由彈丸在很高的速度下撞擊受噴工件表面而完成。噴丸可用于表面清理、光整加工、噴丸校形、噴丸強化等。其中噴丸強化不同于一般的噴丸工藝，它要求在噴丸過程中嚴格控制參數(shù)，使工件在受噴后具有預期的表面形貌、表面組織結構和殘余應力，從而大幅度的提高疲勞強度和抗腐蝕能力1032、表面熱處理它是指對工件表面層進行熱處理，以改善其組織和性能的工藝。主要方法有感應加熱淬火、火焰加熱表面淬火、接觸電阻加熱淬火、電解液淬火、脈沖加熱淬火，激光熱處理和電子束加熱處理等。104四、復合表面技術復合表面技術是在同一對象中綜合運用兩種或多

40、種表面技術；復合表面技術是表面技術的一個重要發(fā)展趨勢；復合表面技術能夠解決采用單一表面技術的局限性。105目前已開發(fā)的復合表面處理技術等離子噴涂激光輻照熱噴涂噴丸化學熱處理電鍍激光淬火化學熱處理化學熱處理氣相沉積1061.5 表面工程的應用領域一、表面工程應用的廣泛性1.表面工程的應用遍及各行各業(yè)2.應用目的：耐蝕、耐磨、修復、強化、裝飾等；也可以是光、電、磁、聲、熱、化學、生物等方面的應用；3.所涉及的材料：金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料、復合材料；107二、表面工程應用的重要性材料的磨損、腐蝕、疲勞斷裂等，一般都是從表面開始的，而它們帶來的破壞是十分驚人的；隨著經(jīng)濟和科學技術的發(fā)

41、展，對各種產(chǎn)品抵御環(huán)境作用能力和長期運行的可靠性、穩(wěn)定性提出了更高的要求；而在許多情況下，構件、元器件的性能和質(zhì)量，主要取決于材料表面的性能和質(zhì)量；1083許多產(chǎn)品的性能主要取決于表面的特性和狀態(tài)，而表面很薄，用材量十分少，因此表面技術可實現(xiàn)用最低的經(jīng)濟成本來實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品；4應用表面技術，有可能在廣闊的領域中生產(chǎn)各種新材料和新器件。109三、表面技術在結構材料以及工程構件和機械零部件上的應用結構材料主要用來制造工程建筑中的構件、機械裝備中的零部件以及工具、模具等，在性能上以力學性能為主，同時在許多場合又要求兼有良好的耐蝕性和裝飾性；表面技術在這方面主要起著防護、耐磨、強化、修復、裝飾等重要作用

42、110四、表面工程技術在功能材料和元器件上的應用材料的許多功能和性能與表面組織結構密切相關，因而通過各種表面技術可制備或改進一系列功能材料及其元器件；如改變材料的光學特性、電學特性、聲學特性、磁學特性、熱學特性、化學特性等；以及實現(xiàn)這些特性之間的功能轉(zhuǎn)換。111五、表面工程技術在人類適應、保護和優(yōu)化環(huán)境方面的一些應用表面技術在人類適應、保護和優(yōu)化環(huán)境方面有著一系列的應用；并且其重要性日益突出。茲舉例如下：1121、凈化大氣人類在生產(chǎn)和生活中，使用了各種燃料、原料，產(chǎn)生大量的CO2、NO2、SO2 等有害氣體，引起溫室效應和酸雨，嚴重危害了地球環(huán)境，因此要設法回收、分解和替代它們。用涂覆和氣相沉

43、積等表面技術制成的觸媒載體等是其有效途徑之一。1132凈化水質(zhì)膜材料是重要的凈化水質(zhì)的材料，可用來處理污水。化學提純、水質(zhì)軟化、海水淡化等等，這方面的表面技術正在迅速發(fā)展。1143抗菌滅菌 有些材料具有凈化環(huán)境的功能。其中，二氧化鈦光催化劑很引人注目。它可以將一些污染的物質(zhì)分解掉，使之無害，同時又因有粉狀、粒狀和薄膜等形狀而易于利用。研究發(fā)現(xiàn)：過渡金屬Ag、Pt、Cu、Zn等元素能增強TiO2的光催化作用，而且有抗菌、滅菌作用（特別是 Ag和 Cu）。1154吸附雜質(zhì)用一些表面技術制成的吸附劑，可以除去空氣、水、溶液中的有害成分；以及具有除臭、吸濕等作用。例如在氨基甲酸乙酸泡沫上涂覆鐵粉，經(jīng)燒

44、結后成為除臭劑，用于冰箱、廚房、廁所、汽車內(nèi)。1165去除藻類污垢運用表面化學原理，制成特定的組合電極；例如 ClCu組合電極；用來除去發(fā)電廠沉淀池、熱交換器、管道等內(nèi)部的藻類污垢。1176活化功能遠紅外光具有活化空氣和水的功能，而活化的空氣和水有利于人的健康。例如在水凈化器中加上能活化水的遠紅外陶瓷涂層裝置，取得很好的效果，已經(jīng)投人實際應用。1187生物醫(yī)學具有一定的理化性質(zhì)和生物相容性的生物醫(yī)學材料已受到人們的高度重視，而使用醫(yī)用涂層可在保持基體材料特性的基礎上，或增進基體表面的生物學性質(zhì)，或阻隔基材離子向周圍組織溶出擴散，或提高基體表面的耐磨性、絕緣性等，從而有力地促進了生物醫(yī)學材料的發(fā)

45、展。例如在金屬材料上涂以生物陶瓷、用作人造骨、人造牙、植入裝置導線的絕緣層等等。目前制備醫(yī)用涂層的表面技術有等離子噴涂、氣相沉積、離子注入、電泳等。119 8治療疾病 用表面技術和其他技術制成的磁性涂層敷在人體的一定穴位，有治療疼痛、高血壓等功能。涂敷駐極體膜，具有促進骨裂愈合等功能。有人認為，頻譜儀、遠紅外儀等設備能發(fā)出一定的波與生物體細胞發(fā)生共振，促進血液循環(huán)，活化細胞，治療某些疾病。1209綠色能源目前大量使用的能源往往有嚴重的污染，因此今后要大力推廣綠色能源，如太陽能電池、磁流體發(fā)電、熱電半導體、海浪發(fā)電、風能發(fā)電等，以保護人類環(huán)境。表面技術是許多綠色能源裝置如太陽能電池、太陽能集熱管

46、、半導體制冷器等制造的重要基礎和關鍵技術之一。12110優(yōu)化環(huán)境表面技術將在人類控制自然、優(yōu)化環(huán)境上起很大的作用。例如人們正在積極研究能調(diào)光、調(diào)溫的“智慧窗”。即通過涂敷或鍍膜等方法，使窗可按人的意愿來調(diào)節(jié)光的透過率和光照溫度。1221.6 表面科學與工程的發(fā)展動向一、研究復合表面技術在單一表面技術發(fā)展的同時，綜合運用兩種或多種表面技術的復合表面技術有了迅速的發(fā)展。復合表面技術通過最佳協(xié)同效應使工件材料表面體系在技術指標、可靠性、壽命、質(zhì)量和經(jīng)濟性等方面獲得最佳的效果，克服了單一表面技術存在的局限性，解決了一系列工業(yè)關鍵技術和高新技術發(fā)展中特殊的技術問題。強調(diào)多種表面工程技術的復合，是表面工程

47、的重要特色之一。123目前，復合表面工程技術的研究和應用已取得了重大進展如熱噴涂和激光重熔的復合、熱噴涂與刷鍍的復合、化學熱處理與電鍍的復合、表面涂覆強化與噴丸強化的復合、表面強化與固體潤滑層的復合、多層薄膜技術的復合、金屬材料基體與非金屬表面復合、鍍鋅或磷化與有機漆的復合、滲碳與鈦沉積的復合、物理和化學氣相沉積同時進行離子注入等等。124伴隨復合表面工程技術的發(fā)展，梯度涂層技術也獲得較大發(fā)展，以適應不同涂覆層之間的性能過渡。復合表面工程技術將在新世紀中不斷得到發(fā)展，今后將根據(jù)產(chǎn)品的需要進一步綜合研究運用各種表面工程技術的組合，解決工程中的難題，以期達到最佳的優(yōu)化效果。125二、完善表面工程設

48、計體系 表面工程設計：是針對工程對象的工況條件和設備中零部件等壽命的要求，綜合分析可能的失效形式與表面工程的進展水平，正確選擇表面技術或多種表面技術的復合，合理確定涂層材料及工藝；并且預測使用壽命，評估技術經(jīng)濟性，進行必要的模擬實驗，并編寫表面工程技術設計書和工藝卡片。126目前的狀況 目前，表面工程技術設計仍基本停留在經(jīng)驗設計階段。有些行業(yè)和企業(yè)針對自己的工程問題開發(fā)出了表面工程技術設計軟件，但局限性很大。隨著計算機技術、仿真技術和虛擬技術的發(fā)展，建立有我國特色的表面工程技術設計體系既有條件又迫在眉睫。127表面工程技術設計的過程基于經(jīng)驗的不斷積累力爭按預定的技術和經(jīng)濟指標進行設計逐步形成一

49、種借助于數(shù)據(jù)庫、知識庫、推理機為工具，通過演繹和歸納等科學方法，而能獲得最佳效益的設計系統(tǒng)128三、開發(fā)多種功能涂層 表面工程大量的任務是使零件、構件的表面延緩腐蝕、減少磨損、延長疲勞壽命。隨著工業(yè)的發(fā)展，在治理這三種失效之外提出了許多特殊的表面功能要求。129例如艦船上甲板需要有防滑涂層，現(xiàn)代軍事裝備需要有隱身涂層，太陽能取暖和發(fā)電設備中需要高效的吸熱涂層和光電轉(zhuǎn)換涂層，錄音機中需要有磁記錄鍍膜、不粘鍋中需要有氟樹脂涂層、建筑業(yè)中的玻璃幕墻需要有陽光控制膜等等。此外，隔熱涂層、導電涂層、減振涂層、降噪涂層、催化涂層、金屬染色技術等也有廣泛的用途。在制備功能涂層方面，表面工程可大顯身手四、研究開發(fā)新型涂層材料 表面涂層材料是表面技術解決工程問題的重要物質(zhì)基礎。當前發(fā)展的涂層新材料，有些是單獨配制或熔煉而成的，有些則是在表面技術的加工過程中形成的，后一類涂層材料的誕生，進一步顯示了表面工程的特殊功能。131 轎車涂裝技術中新發(fā)展的第五代陰極電泳涂料（EDS），其泳透力比前幾代進一步提高，有機溶劑、顏料含量降低，已不含有害金屬鉛，代表了陰極電泳涂料的發(fā)展趨勢。以聚氯乙烯樹脂為主要基料與增塑劑配成的無溶劑涂料，構成了現(xiàn)代汽車涂裝中所用的抗沖擊涂料和焊縫密封膠，有效地防止了車身底板和焊縫出現(xiàn)過早腐蝕，并保證了車身的密封性。132粘結固體潤滑涂