第八章 表面處理

第八章表面處理1第一頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四1納米表面工程的內(nèi)涵在開展相關(guān)理論研究與實踐應(yīng)用的基礎(chǔ)上，“納米表面工程”這一新的概念和領(lǐng)域應(yīng)運而生。2000年，徐濱士等人在《中國機械工程》雜志上首先提出了“納米表面工程”的概念。2002年國際表面工程學(xué)科創(chuàng)始人、中國工程院外籍院士、英國伯明翰大學(xué)T.Bell教授訪華時對納米表面工程的提法給予充分的肯定，并確定與中國學(xué)者聯(lián)合開展納米表面工程的研究工作。第八章納米表面工程

2第二頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四1納米表面工程的內(nèi)涵納米表面工程是以納米材料和其他低維非平衡材料為基礎(chǔ)，通過特定的加工技術(shù)和手段，對固體表面進行強化、改性、超精細(xì)加工或賦予表面新功能的系統(tǒng)工程。產(chǎn)生機敏表面、納米智能表面和表面納米器件。（潛艇蒙皮、坦克外殼）簡言之，納米表面工程就是將納米材料和納米技術(shù)與表面工程交叉、復(fù)合、綜合并開發(fā)應(yīng)用。第八章納米表面工程

3第三頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四1納米表面工程的內(nèi)涵與傳統(tǒng)的表面工程相比，其特點是：取決于基體性能的因素被弱化，表面處理、改性和功能化的自由度擴大，表面加工技術(shù)的作用更加突出，產(chǎn)品的附加值更高。第八章納米表面工程

4第四頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四1納米表面工程的內(nèi)涵第八章納米表面工程

什么是“納米表面”納米量級厚度的薄膜表面含有納米顆粒與原子團族表面含有納米碳管復(fù)合納米表面5第五頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四2納米表面工程產(chǎn)生的背景

隨著納米科技的發(fā)展，微機電系統(tǒng)的設(shè)計、制造日益增多，制造技術(shù)以由亞微米層次進入到原子、分子級的納米層次。納米機器人、納米鉗、納米電機、……，此類機電系統(tǒng)涉及到大量的表面科學(xué)表面技術(shù)問題，且隨著尺寸減小和表面效應(yīng)的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的的表面設(shè)計和加工方法以不再適應(yīng)。第八章納米表面工程

6第六頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四2納米表面工程產(chǎn)生的背景要求材料在特殊情況，如超高溫/低溫、超高壓、高真空、強氧化還原或腐蝕環(huán)境以及存在輻射、聲吸收、信號屏蔽、承受點載荷等條件下服役的情況越來越多，由于納米材料在力、電、聲、光、熱、磁方面表現(xiàn)出與宏觀材料不同的特性。因此傳統(tǒng)材料表面納米化顯得特別重要。第八章納米表面工程

7第七頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四3實現(xiàn)表面納米化的三種途徑在金屬材料表面獲得納米結(jié)構(gòu)表層主要途徑有三種：表面涂覆或沉積方法、表面自身納米化方法和混合納米化方法。（1）表面涂覆或沉積方法首先利用納米粉體制備技術(shù)獲得具有納米尺度的顆粒，再將這些顆粒通過表面技術(shù)固結(jié)在材料的表面，形成一個與基體化學(xué)成分相同（或不同）的納米結(jié)構(gòu)表層。第八章納米表面工程

8第八頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四納米固體薄膜制備技術(shù)直流濺射射頻濺射磁控濺射離子束濺射真空蒸發(fā)濺射沉積離子鍍物理氣相沉積（PVD）化學(xué)氣相沉積

（CVD）分子束外延

（MBE）氣相沉積電鍍法溶膠-凝膠法電阻加熱感應(yīng)加熱電子束加熱激光加熱直流二極型離子鍍射頻放電離子鍍等離子體離子鍍

HFCVD

PECVD

LECVD

9第九頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四3實現(xiàn)表面納米化的三種途徑

這種材料的主要特征是：納米結(jié)構(gòu)表層內(nèi)晶粒大小比較均勻、晶粒尺寸可以控制；表層與基體之間存在著明顯得界面；材料的外形尺寸較處理前有所增加。許多常規(guī)表面涂層和沉積技術(shù)都具有開發(fā)納米表面膜層的潛力，如PVD、CVD、電解沉積等。通過工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以控制納米結(jié)構(gòu)表層的厚度和納米晶粒的尺寸，整個工藝過程的關(guān)鍵是實現(xiàn)表層與基體之間以及表層納米顆粒之間的牢固結(jié)合。第八章納米表面工程

10第十頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四3實現(xiàn)表面納米化的三種途徑目前，這些技術(shù)經(jīng)過不斷地發(fā)展和完善，已比較成熟。（2）表面自身納米化方法對于多晶材料，采用非平衡處理方法增加材料表面的自由能，可以使粗晶組織逐漸細(xì)化至納米量級。這種材料的主要特征是：晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大；納米結(jié)構(gòu)表層與基體之間沒有明顯的界面；處理前后材料的外形尺寸基本不變。第八章納米表面工程

11第十一頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四3實現(xiàn)表面納米化的三種途徑由非平衡實現(xiàn)表面納米化主要有兩種方法，即表面機械（加工）處理法和非平衡熱力學(xué)法，不同方法所采用的工藝和由其導(dǎo)致納米化的微觀機理均存在著較大的差異。（3）混合納米化方法在制備熱噴涂層、電刷鍍層、粘結(jié)層等表面工程涂覆層時，在基質(zhì)層中復(fù)合納米顆粒以改變涂覆層本身的綜合性能或制備出特殊的功能涂層。第八章納米表面工程

12第十二頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四3實現(xiàn)表面納米化的三種途徑目前，較為成熟的使用納米表面工程技術(shù)制備的表面涂覆層主要屬于這種方式。第八章納米表面工程

13第十三頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四4.實用納米表面技術(shù)圍繞以上途徑開展研究，當(dāng)前已經(jīng)開發(fā)出多種實用的納米表面工程技術(shù)。（1）納米薄膜制備技術(shù)薄膜技術(shù)是通過某些特定工藝（常用濺射法），在物體表面沉積附著一層或者多層與基體材料材質(zhì)不同的薄膜，使物體表面具有與基體材料不同性能的技術(shù)。第八章納米表面工程

14第十四頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四4.實用納米表面技術(shù)（1）納米薄膜制備技術(shù)按薄膜的用途，可以將其分為功能性薄膜和保護性薄膜兩大類。兩大類中又有納米多層膜和納米復(fù)合膜之分。納米多層膜一般是由兩種厚度在納米尺度上的不同材料層交替排列而成的涂層體系。第八章納米表面工程

15第十五頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四4.實用納米表面技術(shù)（1）納米薄膜制備技術(shù)由于膜層在納米量級上排列的周期性，兩種材料具有一個基本固定的超點陣周期，雙層厚度為5～10nm，一些涂層在X射線衍射圖上產(chǎn)生了附加的超點陣峰，對這些涂層又稱之為納米超點陣涂層。納米復(fù)合膜是由兩相或兩相以上的固態(tài)物質(zhì)組成的薄膜材料，其中至少有一相是納米晶，其他相可以是納米晶，也可以是非晶態(tài)。第八章納米表面工程

16第十六頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四4.實用納米表面技術(shù)（2）納米熱噴涂技術(shù)熱噴涂是表面工程領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的技術(shù)，在各種新型熱噴涂技術(shù)[如超音速火焰噴涂（HVOF）、高速電弧噴涂、氣體爆燃式噴涂、電熔爆炸噴涂、超音速等離子噴涂、真空等離子噴涂等不斷涌現(xiàn)的同時，納米熱噴涂技術(shù)已成為熱噴涂技術(shù)新的發(fā)展方向。第八章納米表面工程

17第十七頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四4.實用納米表面技術(shù)（2）納米熱噴涂技術(shù)熱噴涂納米涂層組成可分為三類：單一納米顆粒材料的復(fù)合體系，特別是陶瓷或金屬陶瓷顆粒的復(fù)合體系具有重要的作用和意義。目前，完全的納米材料涂層離普及及應(yīng)用還有相當(dāng)距離。大部分的研究開發(fā)工作集中在在傳統(tǒng)涂覆層技術(shù)基礎(chǔ)上，添加復(fù)合納米材料，可在較低成本情況下，使涂覆層功能得到顯著提高。第八章納米表面工程

18第十八頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四熱噴涂法制備NC納米粒子（0D-n）：質(zhì)量太小，不能直接噴涂；噴涂過程中被燒結(jié)。液相分散噴霧合成法，原位生成噴霧合成法，機械研磨合成法。納米結(jié)構(gòu)喂料(NanostrucyuredFeedstock,NF)納米結(jié)構(gòu)喂料的制備19第十九頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四液相分散噴霧合成法納米顆粒含納米顆粒的糊狀材料納米喂料水溶性粘結(jié)劑超音速分散熱空氣吹干+熱噴涂法制備NC20第二十頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四原位生成噴霧合成法

按液相合成法在液相中先生成納米粒子，通過過濾、滲透、反滲透及超離心等手段除出納米粒子以外的組分，再加入液相介質(zhì)何其它組分，用液相噴霧分散法獲得NF。熱噴涂法制備NC21第二十一頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四

通過機械研磨、機械合金、高能球磨等方法直接將微米粉或非晶金屬箔加工成NF。具體為：在干燥的高真空料機內(nèi)通入保護氣體（Ar,N2）；或在CH3OH和液氮介質(zhì)中通過對磨球/粉體比、磨球數(shù)量和尺寸、球磨能量、球磨溫度、介質(zhì)等參數(shù)的控制，對粉末粒子反復(fù)進行熔結(jié)、斷裂過程，使晶粒不斷細(xì)化，達到納米尺寸。除去CH3OH和液氮介質(zhì)后，0D-n會因自身的靜電引力自行團聚成微米級的納米結(jié)構(gòu)喂料。機械研磨合成法熱噴涂法制備NC22第二十二頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四NC組裝高速氧-燃?xì)鈬娡浚℉VOF）Jet-Kote噴槍結(jié)構(gòu)1-燃燒室，2-粉末入口，3-燃?xì)馔ǖ溃?-送粉通道，5-冷卻水道，6-噴嘴。123456345O2(H2,C3H6,C3H8)23第二十三頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四4.實用納米表面技術(shù)（2）納米熱噴涂技術(shù)例如，美國納米材料公司通過特殊粘結(jié)處理制成專用熱噴涂納米粉，用等離子噴涂方法獲得了納米結(jié)構(gòu)的Al2O3/TiO2涂層，該涂層致密度達95％～98％，結(jié)合強度比傳統(tǒng)噴涂粉末涂層提高2～3倍，表明納米結(jié)構(gòu)涂層具有良好的性能。研究表明，采用熱噴涂技術(shù)制備的納米結(jié)構(gòu)涂層性能優(yōu)異，在一些貴重、關(guān)鍵零件的應(yīng)用方面具有良好前景。第八章納米表面工程

24第二十四頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四4.實用納米表面技術(shù)（3）納米顆粒復(fù)合電刷鍍技術(shù)電刷技術(shù)是表面工程的重要組成部分，該技術(shù)具有設(shè)備輕便、工藝靈活、鍍覆速度快、鍍層種類多等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于機械零件表面修復(fù)與強化，尤其適用于現(xiàn)場及野外搶修。近年來，納米級顆粒材料在電刷鍍技術(shù)中的應(yīng)用，使芾惡化電刷鍍技術(shù)在高溫耐磨及抗接觸疲勞載荷領(lǐng)域呈現(xiàn)出強大生命力。第八章納米表面工程

25第二十五頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四4.實用納米表面技術(shù)（3）納米顆粒復(fù)合電刷鍍技術(shù)在電刷鍍鍍液中添加納米顆粒時制備的復(fù)合鍍層的摩擦性能有較大改善。在快速鎳鍍層中分別添加納米AL2O3、SiC、金剛石粉，通過對納米粉進行表面改性處理，有效地提高了納米粉在鎳基復(fù)合鍍層中的共沉積量，顯著的改善了納米粉在鍍層中的均勻程度。第八章納米表面工程

26第二十六頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四4.實用納米表面技術(shù)（3）納米顆粒復(fù)合電刷鍍技術(shù)在不同的加熱溫度下，表現(xiàn)出比傳統(tǒng)快速鎳刷鍍層更好的顯微硬度和抗微動磨損性能。其中添加納米AL2O3復(fù)合鍍層的使用溫度達400℃，且在此溫度下復(fù)合鍍層的顯微值為HV600，抗接觸疲勞循環(huán)次數(shù)由傳統(tǒng)鍍層的2×105提高到2×106，提高了一個數(shù)量級。納米電刷鍍技術(shù)可用于設(shè)備貴重零部件的修復(fù)與再制造。第八章納米表面工程

27第二十七頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四4.實用納米表面技術(shù)（4）納米減摩自修復(fù)添加劑技術(shù)機械部件的磨損，主要發(fā)生在邊界潤滑和混合潤滑狀態(tài)下，而潤滑油添加劑，特別是摩擦改進劑是降低其摩擦磨損最有效的途徑之一，也是國外表面工程中的重要發(fā)展方向。在一定溫度、壓力、摩擦力作用下，表面產(chǎn)生劇烈摩擦和塑性變形，納米顆粒在摩擦表面沉積，并與摩擦表面作用，填補表面微觀溝谷，從而形成一層具有抗磨減摩作用的修復(fù)膜。第八章納米表面工程

28第二十八頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四4.實用納米表面技術(shù)（4）納米減摩自修復(fù)添加劑技術(shù)通過發(fā)動機臺架試驗，該技術(shù)可使整車的動力性、經(jīng)濟性以及尾氣排放都得到改善，燃油消耗率也降低了5％～10％。（5）納米固體潤滑干膜技術(shù)固體潤滑技術(shù)是將固體物質(zhì)涂（鍍）于摩擦界面，以降低摩擦，減少磨損的技術(shù)。與常用的液體潤滑相比，固體潤滑技術(shù)不需要相應(yīng)的潤滑設(shè)備和裝置，不存在泄漏問題。第八章納米表面工程

29第二十九頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四4.實用納米表面技術(shù)（5）納米固體潤滑干膜技術(shù)

固體潤滑技術(shù)不僅擴充了潤滑油、脂的應(yīng)用范圍，而且彌補了潤滑油、脂的缺陷。例如，加入納米AL2O3顆粒，使固體潤滑干膜的摩擦系數(shù)增大，耐磨性提高。某重載車輛平面彈子滾道部位，采用納米固體潤滑干膜對其進行處理后，涂層能有效地隔絕腐蝕介質(zhì)，同時涂層起到較好的減摩潤滑作用。該技術(shù)可用于特殊情況下，貴重零部件的減摩、耐磨。第八章納米表面工程

30第三十頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四4.實用納米表面技術(shù)（6）納米粘結(jié)劑技術(shù)表面粘涂與粘結(jié)技術(shù)是指以高分子聚合物與一些特殊功能填料（如石墨、二硫化鉬、金屬粉末、陶瓷粉末和纖維）組成的復(fù)合材料涂覆于零件表面實現(xiàn)特定用途（如耐磨、抗蝕、絕緣、導(dǎo)電、保溫、防輻射等）的一種表面工程技術(shù)。第八章納米表面工程

31第三十一頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四4.實用納米表面技術(shù)（6）納米粘結(jié)劑技術(shù)納米材料因其優(yōu)異的特性，在表面粘涂與粘結(jié)技術(shù)領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。例如，含金剛石的納米膠粘劑具有優(yōu)異的耐磨性和很高的粘結(jié)強度。實驗表明，隨著納米級金剛石粉在膠粘劑中加入量的增加，涂層的耐磨性提高，當(dāng)加入量為8％時，耐磨性是未添加的2.2倍，拉伸強度可達50MPa，比未添加的提高27.5％。第八章納米表面工程

32第三十二頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四4.實用納米表面技術(shù)（7）納米涂裝技術(shù)

納米復(fù)合涂料是指將納米顆粒用于涂料中所得到的一類具有抗輻射、耐老化、剝離強度高或具有某些特殊功能的涂料。例如，50～120nm球狀TiO2對衰減300～400nm的紫外線有明顯效果；納米SiO2具有極強的紫外線反射能力，對波長400nm以內(nèi)的紫外線反射率達70％以上，是一種極好的抗老化添加劑；60nm的ZnO吸收300～400nm紫外線能力強。尤其是納米隱身涂料在軍事上有重要的應(yīng)用價值。第八章納米表面工程

33第三十三頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四4.實用納米表面技術(shù)（8）金屬表面納米化金屬表面納米晶化可以通過不同方法實現(xiàn)。例如，應(yīng)用超聲沖子沖擊工藝，可在Fe或不銹鋼表面獲得晶粒平均尺寸為10～20nm的表面層。超聲沖子沖擊450s后純Fe表面層的顯微組織形成了結(jié)晶位向為任意取向的納米晶相，晶粒平均尺寸為10nm，而Fe的原始晶粒尺寸約為50ｕm。第八章納米表面工程

34第三十四頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四4.實用納米表面技術(shù)（8）金屬表面納米化該技術(shù)的優(yōu)點之一是可以在復(fù)雜形狀零部件表面獲得納米晶表面層。該技術(shù)將為整體材料的納米晶化處理提供一個基本途徑，此項工作具有重大的創(chuàng)新意義。以上8個方面雖然已進入實用化階段，但仍有廣闊的研究空間，許多深層次的理論問題也有待探討。第八章納米表面工程

35第三十五頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四5納米表面工程的優(yōu)越性納米材料和納米技術(shù)在表面工程中的應(yīng)用存在巨大的機遇，同時面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。納米表面工程必須同時具備兩個條件。一是應(yīng)用的固體顆粒直徑必須處于納米尺度（1～100nm）;二是納米材料在表面性能上有大幅度的改善或發(fā)生突變。第八章納米表面工程

36第三十六頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四5納米表面工程的優(yōu)越性

與傳統(tǒng)表面工程相比，納米表面工程的優(yōu)越性如下：（1）賦予表面新的服役性能納米材料的奇異特性保證了納米表面工程涂覆層的優(yōu)異性能。一是體現(xiàn)在涂覆層本身性能的提升上，如涂覆層的拉伸強度、屈服極限和抗接觸疲勞性能大幅度提高；二是體現(xiàn)在涂覆層的功能提升方面。納米表面工程的出現(xiàn)，解決了許多傳統(tǒng)表面工程技術(shù)解決不了的表面問題。第八章納米表面工程

37第三十七頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四5納米表面工程的優(yōu)越性（1）賦予表面新的服役性能例如，高性能納米聲、光、電、磁膜及超硬膜的制備；再如，納米原位動態(tài)自修復(fù)技術(shù)由于納米顆粒材料的作用能夠在金屬摩擦副表面形成修復(fù)薄膜，能夠在工作狀態(tài)下完成金屬摩擦副德原位動態(tài)修復(fù)，延長了零部件的服役壽命。第八章納米表面工程

38第三十八頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四5納米表面工程的優(yōu)越性（2）使零件設(shè)計時的選材發(fā)生重要變化

在納米表面工程中，在許多情況下，傳統(tǒng)意義上的基體材料有時只起載體作用，納米表面工程涂覆層成為實現(xiàn)其功能或性能的主體。例如，高速鋼刀具可以改為強度、韌性高的材質(zhì)，通過在刀刃表面沉積納米超硬膜來實現(xiàn)切削功能；耐蝕材料和抗高溫材料也可以改為普通材質(zhì)，通過對與介質(zhì)接觸的表面實施納米化處理而起到抗蝕、抗高溫作用等。第八章納米表面工程

39第三十九頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四5納米表面工程的優(yōu)越性（3）為表面工程的復(fù)合提供新途徑納米表面工程能夠為表面工程技術(shù)的復(fù)合提高一跳新的途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，金屬表面的納米化，賦予了基質(zhì)表層優(yōu)異性能。表面納米化與離子滲氮技術(shù)結(jié)合，使?jié)B氮工藝由原來的在500℃條件下處理24h轉(zhuǎn)變?yōu)?00℃條件下的處理9h。第八章納米表面工程

40第四十頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四6納米表面工程中的科學(xué)問題當(dāng)前納米表面工程的科學(xué)問題主要有如下幾點。（1）納米材料的表面效應(yīng)、界面效應(yīng)對納米材料本身和納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能等影響的機理問題。隨著顆粒直徑的變小，比表面積將會顯著地增加，高的比表面使處理表面的原子數(shù)越來越多，同時表面能迅速增加，從而使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定。第八章納米表面工程

41第四十一頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四6納米表面工程中的科學(xué)問題這些表面原子一遇到其他原子會很快結(jié)合使其穩(wěn)定化，這就是活化的原因。這種表面原子的活性不但引起納米顆粒表面原子輸運和構(gòu)型變化，同時也引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化。納米材料具有非常大的界面，界面的原子排列相當(dāng)混亂，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出很好的韌性與一定的延展性。第八章納米表面工程

42第四十二頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四6納米表面工程中的科學(xué)問題對納米材料的表面、界面效應(yīng)特性的形成機理進行深入研究和表征，有助于對納米材料進行有效的表面改性、界面優(yōu)化設(shè)計和控制，進而解決諸如納米顆粒材料的團聚問題、吸附問題，介觀、微觀和宏觀材料的交互作用問題等。目前微米級材料的性能已有很多報道，但是納米級材料的性能研究結(jié)果報道較少，這就為表面工程中選用納米材料帶來困難。第八章納米表面工程

43第四十三頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四6納米表面工程中的科學(xué)問題（2）宏觀材料的表面納米化及其對材料表面改性的作用機理

在納米表面工程中，采用不同的手段進行宏觀材料的表面納米化是表面改性的重要途徑，其基本原理和方法需要深入研究。例如：不同尺度、不同層次的宏觀、微觀及介觀下的材料過渡設(shè)計及闡述相應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系，如涂層、梯度功能材料、復(fù)合超薄膜；表面納米化改性設(shè)計過程中涉及的微結(jié)構(gòu)形成熱力學(xué)和動力學(xué)過程。第八章納米表面工程

44第四十四頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四6納米表面工程中的科學(xué)問題（3）宏觀環(huán)境中介觀材料的行為和作用機理問題例如含納米顆粒的復(fù)合電刷鍍技術(shù)中，納米顆粒在多相離子體系中的鍍液的分散、穩(wěn)定機制；復(fù)合鍍層納米顆粒沉積機理和對鍍層組織結(jié)構(gòu)的影響機理以及納米顆粒與基體的相容性、匹配性等問題。第八章納米表面工程

45第四十五頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義21世紀(jì)是納米科技時代，納米材料和納米科技將在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上滲入國民工業(yè)和人民生活的各個領(lǐng)域?，F(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品追求性能先進、經(jīng)濟耐用、節(jié)能節(jié)材、有利于環(huán)保。實現(xiàn)這些目標(biāo)，納米表面工程將可以大顯身手，為社會發(fā)展和科技進步作出貢獻。第八章納米表面工程

46第四十六頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（1）納米表面工程與制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新十六大報告明確指出：“堅持以信息化帶動工業(yè)化，以信息化促進工業(yè)化，走出一條科技含量高、經(jīng)濟效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、人力資源優(yōu)勢得到充分發(fā)揮的新型工業(yè)化路子?！秉h中央提出的新興工業(yè)化道路，就是充分運用最新科技成果和依靠科技進步的工業(yè)化。第八章納米表面工程

47第四十七頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（1）納米表面工程與制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新2001年中國工程院組織了25位院士和40多位專家對我國制造業(yè)的現(xiàn)狀、作用、地位及發(fā)展趨勢和對策進行了調(diào)查研究，寫出了《新世紀(jì)如何提高和發(fā)展我國制造業(yè)的研究報告》（簡稱《報告》），并于2002年7月向社會公布，摘要發(fā)表?！秷蟾妗分赋?，處于工業(yè)中心地位的制造業(yè)，特別是裝備制造業(yè)，是國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，是工業(yè)化、現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)動機和動力源。第八章納米表面工程

48第四十八頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（1）納米表面工程與制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新

沒有先進的制造業(yè)去不斷地、持續(xù)地武裝、改造和提升各產(chǎn)業(yè)部門的裝備和生產(chǎn)運行水平，實現(xiàn)對環(huán)境友好的可持續(xù)發(fā)展，就談不上什么現(xiàn)代化。對中國這樣的人口大國，在現(xiàn)存的不平等不合理的世界秩序中，沒有自己強大的制造業(yè)，要實現(xiàn)工業(yè)化和可靠的現(xiàn)代化是不可能的。第八章納米表面工程

49第四十九頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（1）納米表面工程與制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新《報告》建議今后10～20年內(nèi)中國應(yīng)下定決心，采取一切可能的措施，在對外開放的環(huán)境中，建立強大的制造業(yè)。納米表面工程是采用納米材料和納米技術(shù)，針對零件失效的形式、特征和機理，綜合運用各種納米表面工程技術(shù)進行防護的工程。納米表面工程既是先進制造技術(shù)的重要組成部分，又促進了先進制造技術(shù)的發(fā)展。第八章納米表面工程

50第五十頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（1）納米表面工程與制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新納米表面工程可以有效提升傳統(tǒng)的表面工程技術(shù)，大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能。納米表面工程技術(shù)的應(yīng)用與傳統(tǒng)表面技術(shù)相比，使工件具有更高的耐磨、抗腐蝕和耐高溫等性能，同時可以賦予材料表面更優(yōu)異的功能性能。納米表面工程的研究及其技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用將有利于推動我國先進制造技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。第八章納米表面工程

51第五十一頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（1）納米表面工程與制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新納米表面工程的實施將可以促進機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和功能的提升，對提高機械設(shè)備零部件及儀器儀表的性能、質(zhì)量，增強產(chǎn)品競爭力，促進國內(nèi)外引進設(shè)備零部件的國產(chǎn)化及在節(jié)能節(jié)材等諸多方面將發(fā)揮巨大作用。第八章納米表面工程

52第五十二頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（2）納米表面工程與機械維修技術(shù)和再制造技術(shù)創(chuàng)新納米表面工程技術(shù)是機械零部件高性能維修和再制造工程的關(guān)鍵技術(shù)，能夠解決許多過去不能解決的裝備某些零件維修難題。機械維修伴隨著機械制造，有制造就要有維修。第八章納米表面工程

53第五十三頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（2）納米表面工程與機械維修技術(shù)和再制造技術(shù)創(chuàng)新近20年來，一方面由于人們環(huán)保意識的增強，“用后丟棄”的觀念開始向“再制造”的觀念轉(zhuǎn)變；另一方面，由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使原先的原樣修復(fù)變成為可實現(xiàn)超過原始性能的改進性修復(fù)，由原先的被動修理變?yōu)橹圃炫c維修納入設(shè)備和零部件的設(shè)計、制造與運行的全壽命過程，以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材、低污染為目的地主動維修的系統(tǒng)工程。第八章納米表面工程

54第五十四頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（2）納米表面工程與機械維修技術(shù)和再制造技術(shù)創(chuàng)新再制造是一種適用生態(tài)及經(jīng)濟需要的高級循環(huán)形式，再制造業(yè)是一個新興的產(chǎn)業(yè)。再制造的目的是將舊機電產(chǎn)品修復(fù)成與原新品性能相當(dāng)或高于新品的再制造產(chǎn)品。工業(yè)專家認(rèn)為，再制造產(chǎn)品與原新品的原料耗費量之比為1:5～9。第八章納米表面工程

55第五十五頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（2）納米表面工程與機械維修技術(shù)和再制造技術(shù)創(chuàng)新

德國StuttgartFraunhofer研究所研究表明，每年全球再制造業(yè)的能量節(jié)省與5個核電站的發(fā)電量相當(dāng)；再制造已經(jīng)被認(rèn)可為減少“溫室效應(yīng)”氣體排放量工作的一部分；消費者購買再制造產(chǎn)品將比購買新品少花50％～75％的錢?？傊僦圃炷軐⒁粋€國家的能源和資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為一個國家的經(jīng)濟和環(huán)境利益。第八章納米表面工程

56第五十六頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（2）納米表面工程與機械維修技術(shù)和再制造技術(shù)創(chuàng)新中國對再制造工程的研究應(yīng)用尚處于起步階段。但是，再制造工程已經(jīng)受到了國務(wù)院、中國工程院、軍隊系統(tǒng)等有關(guān)部門的重視，并將再制造工程設(shè)計及成形技術(shù)列入國家“十五”先進制造技術(shù)發(fā)展前瞻和國家自然科學(xué)基金機械學(xué)科優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。我國已經(jīng)建立了汽車發(fā)動機再制造生產(chǎn)線。第八章納米表面工程

57第五十七頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（2）納米表面工程與機械維修技術(shù)和再制造技術(shù)創(chuàng)新維修與再制造的技術(shù)難度并不亞于新品制造，它是使尺寸成形的損傷零件在不致使零件變形和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能發(fā)生改變以及有時加工定位的基準(zhǔn)已經(jīng)被破壞等眾多約束條件下來恢復(fù)其表面性能。所以在維修與再制造過程中會遇到許多難題，納米表面工程是解決這些難題的一種有效手段。第八章納米表面工程

58第五十八頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（2）納米表面工程與機械維修技術(shù)和再制造技術(shù)創(chuàng)新對廢舊機電產(chǎn)品實施再制造必須依賴于先進的材料成形與加工技術(shù)。納米表面工程技術(shù)作為再制造的關(guān)鍵技術(shù)，不但可以恢復(fù)零件表面尺寸和形狀，而且還可以顯著提高其表面性能，達到對零部件性能升級的目的。第八章納米表面工程

59第五十九頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（2）納米表面工程與機械維修技術(shù)和再制造技術(shù)創(chuàng)新

例如，納米表面工程技術(shù)在發(fā)動機再制造、機床再制造及裝備貴重零部件、難修復(fù)零部件維修的應(yīng)用中，均提升了產(chǎn)品性能，解決了原來無法解決或難以解決的維修課題，取得了良好經(jīng)濟效益和社會效益。采用納米電刷鍍技術(shù)再制造斯太爾發(fā)動機連桿、凸輪軸、曲軸、缸套等零件，可以顯著提高零件表面性能，延長其服役壽命。第八章納米表面工程

60第六十頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（2）納米表面工程與機械維修技術(shù)和再制造技術(shù)創(chuàng)新綜合運用納米電速度技術(shù)、納米粘結(jié)劑技術(shù)及納米潤滑減摩技術(shù)可以成功地對表面發(fā)生機械損傷的機床零部件實現(xiàn)再制造，并節(jié)約維修成本。納米表面工程的研究及其在維修和再制造中的運用，將促進高科技維修技術(shù)和再制造技術(shù)的發(fā)展。第八章納米表面工程

61第六十一頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（3）納米表面工程與節(jié)約能源、資源據(jù)統(tǒng)計，世界鋼產(chǎn)量的1/10由于腐蝕而損失；機電產(chǎn)品提前失效原因的70％屬于腐蝕和磨損；機電產(chǎn)品制造和使用中大約1/3的能源直接消耗于摩擦磨損。我國機電系統(tǒng)1990年調(diào)查27個省市約400個企業(yè)，腐蝕損失達116億元，磨損損失與之相近，1996年石化系統(tǒng)做過調(diào)查統(tǒng)計，我國每年腐蝕損失約1800億元。第八章納米表面工程

62第六十二頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（3）納米表面工程與節(jié)約能源、資源納米表面工程最大的優(yōu)勢是能夠借助納米材料和納米科技的最新成果及傳統(tǒng)表面工程技術(shù)，以多種方法制備出性能優(yōu)于基體材料性能的表面涂層或薄層，其厚度一般從幾十微米到幾毫米，僅占工件整體厚度的幾百分之一到幾十分之一，卻使工件具有了比基體材料更高的耐磨性、抗腐蝕性和耐高溫性等。第八章納米表面工程

63第六十三頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（3）納米表面工程與節(jié)約能源、資源

采用納米表面工程技術(shù)，可以利用較低的成本費用而大幅度地提高產(chǎn)品的性能及附加值，從而獲得更高的利潤。根據(jù)英國科技開發(fā)中心的調(diào)查報告，英國主要依靠傳統(tǒng)表面工程而獲得的產(chǎn)值每年超過50億～100億英鎊，其他工業(yè)化國家的情況也基本相同。納米表面工程技術(shù)的發(fā)展及推廣應(yīng)用，符合當(dāng)今國際上“綠色工程”的發(fā)展趨勢。將可以獲得更大的經(jīng)濟效益和社會效益。第八章納米表面工程

64第六十四頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（4）納米表面工程與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展納米表面工程可以為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供先進技術(shù)工藝支持。納米表面工程的發(fā)展以及納米材料在表面工程中反饋的問題，將為納米科技的發(fā)展提供新目標(biāo)。應(yīng)用氣相沉積、磁控濺射等表面工程技術(shù)可以制備具有超常規(guī)力學(xué)性能的薄膜及功能性薄膜、金剛石薄膜。第八章納米表面工程

65第六十五頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（4）納米表面工程與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展類金剛石薄膜作為一種新型的功能材料，在金屬切削加工、超高速計算機芯片、半導(dǎo)體、微波器件的散熱元件以及光學(xué)窗口等領(lǐng)域已得到初步應(yīng)用，并顯示出無與倫比的優(yōu)越性。納米超硬及硬質(zhì)薄膜的發(fā)展和應(yīng)用，可以為計算機技術(shù)、電子技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展提供有力的技術(shù)支持。第八章納米表面工程

66第六十六頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（4）納米表面工程與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

利用納米復(fù)合層的隱身性能，把納米表面工程技術(shù)應(yīng)用于先進的武器裝備，提高其作戰(zhàn)性能和生存能力，有效促進了高科技軍事技術(shù)的發(fā)展。同時，航空航天、電工電子、計算機等各領(lǐng)域中高新技術(shù)的發(fā)展將不斷拓寬納米表面工程的研究領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域，展現(xiàn)納米表面工程的作用和價值。納米表面工程和各領(lǐng)域中高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展相互促進。第八章納米表面工程

67第六十七頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（5）納米表面工程與人民生活的改善納米表面工程研究及其技術(shù)開發(fā)應(yīng)用雖然目前尚處于初期階段，但是，納米表面工程技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)滲入到人民生活的多個方面。納米顆粒材料應(yīng)用于表面涂層中，發(fā)揮其清潔殺菌、吸收紫外線和紅外波及其他功能性能、提高涂層質(zhì)量和壽命等方面的功效，有效改善人民的生活質(zhì)量。第八章納米表面工程

68第六十八頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四7發(fā)展納米表面工程的意義（5）納米表面工程與人民生活的改善例如，納米涂料、納米薄膜、納米復(fù)合涂層等已經(jīng)開始應(yīng)用于建筑、化工、紡織、機械、醫(yī)療及生物工程等人民日常生活的多個領(lǐng)域。第八章納米表面工程

69第六十九頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四8納米表面工程的最新進展第八章納米表面工程

表面納米超薄膜表面超微圖形超光滑表面70第七十頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四1.納米單層膜2.納米多層疊膜3.有序分子膜表面納米超薄膜零磨損、超滑：DLC、Ni-P非晶膜、LB潤滑膜；功能膜：光-電、壓-電、磁性膜、ICchips、….。8納米表面工程的最新進展第八章納米表面工程

71第七十一頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四

Filmsofsinglelayer

Ti(N,C,CN)

(V,Al,Nb)N

Ni-Cualloys

Al2O3,SiC

Cu,Ni,Al,Ag,Au,Diam.,DLC第八章納米表面工程

72第七十二頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四DLCcoatedamagneticthin-filmdiskLiquidlubricant1-2nmDLC10-30nmMagneticcoating25-75nmAl-Mg/10mNiPorGlass-ceramic0.78-1.3mmThesurfaceofstretched(12%)videotapewithDLC-layerwithathicknessof30nm.Thesurfaceofstretched(12%)videotapewithoutDLC-layer.73第七十三頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四YSZ(yttrium-stabilizedZrO2)bicrystalZnO/YSZ/ZnO/YSZ/ZnOinternalfilms.?V.Roddatis,JournalofCrystalGrowth220(2000)515-521.Thesolid-phaseintergrowth(SPI)process74第七十四頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四SchematicdiagramofanewtriodestructureofFEDwithcarbonnanotubeemitters.DiamondandRelatedMaterials10(2001)1705.復(fù)合納米表面——器件Gate:Alwithathicknessof0.15mmandaline-widthof400mm.13mmCathode:Alwithathicknessof0.15mmandaline-widthof390mm.200mmspaceAnode:PhosphorcoatedITOglass75第七十五頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四有序分子膜LB膜（Langmuir-Blodgett）SA膜（self-assembledmono-ormulti-layer）MD膜（moleculardepositionfilm）

通過固液界面具有反應(yīng)活性的不同頭尾基的化學(xué)吸附或化學(xué)反應(yīng)，在基片上形成化學(xué)鍵連接、緊密排列的有序單層或多層膜?！胺肿雍Y”:空隙只允許一定尺寸的分子通過。用作化學(xué)傳感器，其靈敏度比普通材料高500倍。納米智能薄膜:空隙可隨條件的變化或根據(jù)靠近的分子特征而開閉。利用陰陽離子間的靜電相互作用力，通過相反離子體系的交替分子沉積制備而成的層狀有序超薄膜。將氣液界面上的單分子層的膜通過物理機械過程轉(zhuǎn)移到固體基片上。76第七十六頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四表面超微圖形加工技術(shù)

襯底硅光刻SiO2膜光致抗蝕劑掩模版襯底硅紫外光(193nm)涂光致抗蝕劑曝光顯影襯底硅腐蝕襯底硅去膠襯底硅SiO2光刻技術(shù)77第七十七頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四

當(dāng)前的光刻技術(shù)，采用193nm曝光波長，可實現(xiàn)大于100nm線寬的圖形。下一代光刻技術(shù)，*157nm曝光，小于50nm線寬圖形。

再下一代光刻技術(shù)，**126nm曝光。*德國的CarlZeiss公司美國的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室、SVGL公司日本的尼康公司荷蘭的ASML公司**德國的CarlZeiss公司美國的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室光刻技術(shù)——IC產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)78第七十八頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四0246810mm用AFM機械刻蝕原理刻寫的亞微米尺寸的唐詩STM技術(shù)在Si(111)面上形成的“中國”字樣。最鄰近硅原子間的距離為0.4nm。

納米量級結(jié)構(gòu)的制作是納米技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。我國SPM系統(tǒng)在Au-Pd合金膜表面上機械刻畫出的最小線寬為25nm。79第七十九頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四超光滑表面超光滑表面（Ultrosmoothsurfaces）1）表面粗糙度小于1nm的表面（應(yīng)用于光學(xué)器件、窗口等）2）表面晶格的完整性的表面（應(yīng)用于功能光電器件：InP,HgCdTe的完整晶體表面）拋光液：納米顆粒（含n-MoS2,n-Al2O3,n-SiO2,n-Cr2O3,）+潤滑油。80第八十頁，共九十頁，編輯于2023年，星期四9納米表面工程展望納米表面工程近期的發(fā)展思路是：在繼承表面工程的豐碩成果基礎(chǔ)上，擴展開發(fā)傳統(tǒng)表面技術(shù)與納米表面技術(shù)之間的復(fù)合，圍繞材料的納米化表面三條途徑開發(fā)新技術(shù)、新工藝和新材料，攻克納米表面工程中的難點，引導(dǎo)納米表面工程迅速健康發(fā)展，積極推廣納米表面工程的研究成果，為我國現(xiàn)代化建設(shè)作出貢獻。第八章納米表面工程

81第八十一頁，共九十頁，編輯于2023年，星期