表面科學(xué)與工程概論

1表面科學(xué)與工程SurfaceScienceandEngineering授課教師：高志湖南長(zhǎng)沙人單位：機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院E-mail:gaozhi@公共郵箱：ecustsurface@163.com

密碼surface2012級(jí)研究生周一/1～2+5～6，研6032表面科學(xué)與工程課程介紹所涉及的對(duì)象：表面理論：表面科學(xué)應(yīng)用：表面工程將我們的視線從整體轉(zhuǎn)向表面注意到表面問(wèn)題的復(fù)雜性和重要性周次2012年度教學(xué)安排二第1章表面科學(xué)與工程概論三第2章

材料的表面與界面

四第3章

摩擦學(xué)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(shù)

七第6章

電鍍技術(shù)

八第7章

涂料與涂裝技術(shù)第10章表面轉(zhuǎn)化膜技術(shù)九第11章氣相沉積技術(shù)第12章

高能束表面改性技術(shù)

十考試

4表面科學(xué)與工程學(xué)科的重要性表面科學(xué)的進(jìn)步是國(guó)家繁榮的象征表面工程的發(fā)展促進(jìn)了產(chǎn)品質(zhì)量的提高表面技術(shù)是高附加值的技術(shù)，能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益表面技術(shù)的發(fā)展能夠帶動(dòng)相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步5第一章表面科學(xué)與工程概論§1.1表面科學(xué)與工程的涵義§1.2表面科學(xué)與工程的發(fā)展歷程§1.3表面工程迅速發(fā)展的原因§1.4表面工程技術(shù)的分類與簡(jiǎn)介§1.5表面工程的應(yīng)用領(lǐng)域§1.6表面科學(xué)與工程的發(fā)展動(dòng)向6§1.1表面科學(xué)與工程的涵義表面科學(xué)與工程包括表面科學(xué)與表面工程兩個(gè)方面；表面科學(xué)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(jī)理；表面科學(xué)針對(duì)材料表面失效的兩種主要形式：磨損與腐蝕行為及其對(duì)材料表面的破壞機(jī)制進(jìn)行研究和分析。7表面科學(xué)奠定了表面工程的基礎(chǔ)和應(yīng)用理論現(xiàn)代表面工程技術(shù)的基礎(chǔ)理論是表面科學(xué)，它包括：表面分析技術(shù)、表面物理、表面化學(xué)三個(gè)分支。

8表面分析基礎(chǔ)方面有：表面的原子排列結(jié)構(gòu)、原子類型、電子能態(tài)結(jié)構(gòu)等，表面分析是揭示表面現(xiàn)象的微觀實(shí)質(zhì)和各種動(dòng)力學(xué)過(guò)程的必要手段。

9表面分析與測(cè)試技術(shù)各種表面分析儀器和測(cè)試技術(shù)的出現(xiàn)，不僅為揭示材料本性和發(fā)展新的表面技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，而且為生產(chǎn)上合理使用或選擇合適的表面技術(shù)，分析和防止表面故障，改進(jìn)工藝設(shè)備，提供了有力的手段10表面物理和表面化學(xué)分別是研究任何兩相之間的界面上發(fā)生的物理和化學(xué)過(guò)程的科學(xué)。從理論體系來(lái)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(jié)構(gòu)及輸運(yùn)現(xiàn)象、電子結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)及其對(duì)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。11表面分析技術(shù)、表面物理、表面化學(xué)

之間的關(guān)系實(shí)際上，這三個(gè)分支是不但不能截然分開(kāi)，而且相互依存和相互補(bǔ)充。表面科學(xué)不僅有重要的基礎(chǔ)研究意義，而且與許多技術(shù)科學(xué)密切相關(guān)，在應(yīng)用上有非常重要的實(shí)際意義。12表面科學(xué)為表面工程提供了應(yīng)用理論表面失效分析、摩擦與磨損理論、表面腐蝕與防護(hù)理論、表面結(jié)合與復(fù)合理論等等、它們對(duì)表面工程的發(fā)展和應(yīng)用有著直接的、重要的影響。13表面工程表面工程也稱為“表面技術(shù)”、“表面處理”或“表面改性”，表面工程是應(yīng)用物理、化學(xué)、機(jī)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(jié)構(gòu)，獲得所要求的性能，以提高產(chǎn)品的可靠性或延長(zhǎng)其使用壽命的各種技術(shù)的總稱。14表面科學(xué)與工程的學(xué)科特點(diǎn)表面科學(xué)與工程學(xué)科涉及面廣，信息量大，是多種學(xué)科相互交叉、滲透與融合形成的一門綜合性學(xué)科。它以表面科學(xué)為理論基礎(chǔ)，利用各種物理的、化學(xué)的、物理化學(xué)的、電化學(xué)的、冶金的以及機(jī)械的方法和技術(shù)，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。15表面科學(xué)與工程的實(shí)質(zhì)其實(shí)質(zhì)就是要達(dá)到和滿足一種特殊的表面功能，并使表面和基體性能達(dá)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(shù)，是對(duì)各學(xué)科成果的綜合運(yùn)用。表面科學(xué)與工程是一個(gè)跨學(xué)科、跨行業(yè)、跨世紀(jì)的新興領(lǐng)域；表面科學(xué)與工程所涉及的各門學(xué)科之間互相彌補(bǔ)、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(xué)科。16表面科學(xué)與工程的研究目的對(duì)于金屬或非金屬材料來(lái)說(shuō)，表面科學(xué)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；

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(xué)性能。

1718表面工程的技術(shù)特點(diǎn)表面工程技術(shù)既可對(duì)材料表面改性，制備多功能的涂、鍍、滲、覆層，成倍延長(zhǎng)機(jī)件的壽命：又可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行裝飾；還可對(duì)廢舊機(jī)件進(jìn)行修復(fù)，歸納起來(lái)，表面工程技術(shù)具有如下的技術(shù)特點(diǎn)：

19特點(diǎn)一：在廉價(jià)的基體材料上，對(duì)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(fù)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。20特點(diǎn)二：

表面涂層或改性層甚薄，從微米級(jí)到毫米級(jí)，但卻起到了大量昂貴的整體材料難以達(dá)到的效果。大幅度節(jié)材、節(jié)能、節(jié)省資源。21特點(diǎn)三：延長(zhǎng)使用壽命作為機(jī)件、構(gòu)件的預(yù)保護(hù)，使之能承受腐蝕與磨損；并使高溫機(jī)件、構(gòu)件的耐熱性大大提高，延長(zhǎng)了使用壽命；作為廢舊機(jī)件的修復(fù)，可使機(jī)件的壽命成倍延長(zhǎng)。例如電站的空氣預(yù)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(dá)10年，產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益。22總之，表面工程技術(shù)是一種內(nèi)涵深、外延廣、滲透力強(qiáng)、影響面寬的綜合而通用性的工程技術(shù)，表面工程技術(shù)已擴(kuò)滲入信息技術(shù)、生物技術(shù)、新材料技術(shù)、新能源技術(shù)、海洋開(kāi)發(fā)技術(shù)、航空航天技術(shù)中，構(gòu)成了一個(gè)光彩奪目的新科技群。表面工程技術(shù)具有實(shí)用性、科學(xué)性、先進(jìn)性、廣泛性、裝飾性、修復(fù)性、經(jīng)濟(jì)性。表面工程技術(shù)其發(fā)展前景十分誘人。統(tǒng)計(jì)表明其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益是技術(shù)本身投資的8～9倍。23§1.2表面科學(xué)與工程的發(fā)展歷程人類使用表面工程技術(shù)具有悠久的歷史，但在19世紀(jì)60年代末才形成一門表面科學(xué)，并由此得到快速發(fā)展。這是因?yàn)椋阂环矫嫒藗冊(cè)趶V泛使用和不斷試驗(yàn)的過(guò)程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，形成了各種表面工程技術(shù)的原型；另一方面自60年代末形成的表面科學(xué)使表面工程進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。24表面技術(shù)具有悠久的歷史作為表面工程的技術(shù)基礎(chǔ)，表面技術(shù)的發(fā)展歷史已很悠久；遠(yuǎn)古時(shí)期我們的祖先就懂得用各類植物油漆進(jìn)行表面防腐處理。公元前三世紀(jì)，我國(guó)已采用汞齊鎏金技術(shù)在金屬表面上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。汞齊鎏金2526近代的表面工程技術(shù)可分為表面改性技術(shù)、薄膜技術(shù)和涂層技術(shù)三大類，按表面層的形成原理可細(xì)分為20多種。這些技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(jì)60年代以后形成的物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積和離子注入技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)中?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有這些表面工程技術(shù)就沒(méi)有現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)和通信手機(jī)。27表面工程概念的提出1983年英國(guó)T.Bell教授首先提出了表面工程的概念，并組建了英國(guó)伯明翰大學(xué)沃福森表面工程研究所；1985年創(chuàng)辦了《表面工程》國(guó)際刊物。1986年10月國(guó)際熱處理聯(lián)合會(huì)決定接受表面工程的概念，并把自己的會(huì)名改為國(guó)際熱處理及表面工程聯(lián)合會(huì)。28國(guó)內(nèi)表面工程的發(fā)展

與此同時(shí)、國(guó)內(nèi)表面工程的研究也得到了迅速發(fā)展，在中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)的大力支持下，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)表面工程研究所于1987年在北京成立；1988年12月在北京召開(kāi)全國(guó)首屆表面工程現(xiàn)狀與未來(lái)研討會(huì)。同年創(chuàng)辦了中國(guó)的《表面工程》期刊，現(xiàn)改版為國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行的《中國(guó)表面工程》。1993年成立了中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)表面工程分會(huì)，以后在國(guó)內(nèi)召開(kāi)了多次國(guó)際和全國(guó)性的表面工程學(xué)術(shù)會(huì)議。29武漢材料保護(hù)研究所成立于1952年，機(jī)械部武漢熱處理研究所更名于1976年，機(jī)械部武漢材料保護(hù)研究所基礎(chǔ)研究室：磨損、腐蝕應(yīng)用研究室：熱處理、熱噴涂、涂料與涂裝、電化學(xué)、電鍍、轉(zhuǎn)化膜、防銹、分析中心、電器儀表刊物：材料保護(hù)等數(shù)種刊物公司與工程中心30

近幾年，由于表面工程技術(shù)產(chǎn)生了顯著的效益，全國(guó)各地以表面工程命名的企業(yè)應(yīng)運(yùn)而生，形成了技術(shù)含量高，規(guī)?；a(chǎn)的企業(yè)。并且、許多設(shè)備制造與修理工廠，也引進(jìn)了多項(xiàng)表面技術(shù)，用于提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。31表面科學(xué)與工程

相關(guān)的中文期刊雜志

近幾年有關(guān)表面工程方面的書籍或手冊(cè)已有多種版本，這些書籍的出版對(duì)推動(dòng)表面工程的研究、普及推廣及指導(dǎo)生產(chǎn)起到了重要的基礎(chǔ)作用?！吨袊?guó)表面工程》、《材料保護(hù)》、《腐蝕與防護(hù)》、《金屬熱處理》、《表面技術(shù)》、《摩擦學(xué)學(xué)報(bào)》、《腐蝕學(xué)學(xué)報(bào)》、《電鍍與涂飾》?！逗附印?、《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》32與表面現(xiàn)象有關(guān)的一些表面技術(shù)介紹

廣義地說(shuō)，由于自然界存在的表面現(xiàn)象或過(guò)程隨處可見(jiàn)，因而與其直接有關(guān)的重要表面技術(shù)還有許多，現(xiàn)舉例如下：33（1）表面濕潤(rùn)和反濕潤(rùn)技術(shù)濕潤(rùn)是一種重要的表面現(xiàn)象，人們有時(shí)要求液體在固體表面上有高度潤(rùn)濕性(如親水性)，而有的卻要求有不濕潤(rùn)性(如憎水性)，這就需要人們?cè)诟鞣N條件下采用表面濕潤(rùn)和反濕潤(rùn)技術(shù)。34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(rùn)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。35礦物浮選是借氣泡力來(lái)浮起礦石的一種物質(zhì)分離和選別礦物技術(shù)。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(rùn)而浮起。例如——礦物浮選36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(duì)流和能量交換；凝聚過(guò)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(gè)重要環(huán)節(jié)，直接影響到空調(diào)器的效率；親水箔是對(duì)鋁箔的表面進(jìn)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。37（2）表面催化技術(shù)早在18世紀(jì)末科學(xué)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?cè)诒砻嫔系幕瘜W(xué)反應(yīng)速度大大加快。催化劑指能夠提高反應(yīng)速率，加快到達(dá)化學(xué)平衡，而本身在反應(yīng)終了時(shí)并不消耗的物質(zhì)。催化是催化劑在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中所起的作用和發(fā)生的有關(guān)現(xiàn)象的總稱?，F(xiàn)代表面催化技術(shù)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(yīng)用。38催化是一種表面過(guò)程在固——?dú)怏w系中催化反應(yīng)的主要步驟是：反應(yīng)物在表面上化學(xué)吸附；吸附分子經(jīng)表面擴(kuò)散相遇；表面反應(yīng)或鍵重排；反應(yīng)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(tái)階、扭折或雜質(zhì)、缺陷所在處構(gòu)成活性中心，這說(shuō)明表面狀態(tài)對(duì)催化作用影響顯著。39（3）膜技術(shù)膜，是指選擇滲透物質(zhì)的二維材料。膜是把兩個(gè)物相空間隔開(kāi)而又使兩者互相關(guān)聯(lián)，發(fā)生質(zhì)量和能量傳輸過(guò)程的一個(gè)中間介質(zhì)相。膜在結(jié)構(gòu)上可以是多孔或是致密的。實(shí)際上生物體有許多這種膜，例如細(xì)胞膜、基膜、復(fù)膜和皮膚等，起著滲透、分離物質(zhì)、保護(hù)機(jī)體和參與生命過(guò)程的作用。40（4）表面化學(xué)技術(shù)這種表面技術(shù)涉及面很廣，尤其是涉及到固——液界面的許多電現(xiàn)象或過(guò)程，如電解、電鍍、電化學(xué)反應(yīng)、腐蝕和防腐等等，它們已為大家所熟悉。實(shí)際上還有一些極其重要的表面電化學(xué)技術(shù)，例如與許多生物現(xiàn)象有關(guān)的細(xì)胞膜電勢(shì)和生物電流——膜技術(shù)。研究表明：細(xì)胞膜內(nèi)外電化學(xué)位不等于零，如果生物體系建立了完全的熱平衡過(guò)程，則意味著生命的終止。

表面技術(shù)

由低到高

不斷進(jìn)步42例1、表面涂敷技術(shù)的發(fā)展涂料與涂裝技術(shù)：天然樹(shù)脂——酚醛樹(shù)脂——醇酸樹(shù)脂從手工涂裝——各種涂裝設(shè)備：靜電噴漆、高壓無(wú)漆噴涂、電泳涂裝熱噴涂技術(shù)：噴涂方法：新工藝、新技術(shù)功能性涂層：耐磨、防蝕、導(dǎo)電、絕緣43例2、金屬材料表面強(qiáng)化技術(shù)的進(jìn)步

金屬材料一般是以合金的形式進(jìn)行使用，金屬具有良好的強(qiáng)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(yīng)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。44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(shí)往往兩者不能兼顧。因此，金屬材料的表面強(qiáng)化技術(shù)受到了人們的高度重視。45金屬表面形變強(qiáng)化——噴丸、滾壓表面熱處理和化學(xué)熱處理物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積離子束、電子束、激光束——三束技術(shù)金屬材料的表面強(qiáng)化技術(shù)由低到高46§1.3表面工程迅速發(fā)展的原因?qū)＜覀冾A(yù)言，表面工程將成為本世紀(jì)工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)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(lái)可分為以下幾個(gè)方面：47一、表面工程的屬性

是其迅速發(fā)展的基礎(chǔ)表面工程具有學(xué)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(hù)性、很強(qiáng)的實(shí)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(shù)的簡(jiǎn)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(yù)處理后，通過(guò)表面涂覆、表面處理、表面改性或多種表面技術(shù)復(fù)合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)等，以獲得所需表面性能的系統(tǒng)工程。48表面工程是以表面科學(xué)為理論基礎(chǔ)，以表面和界面行為為研究對(duì)象，首先把相互依存、相互分工的零件基體與表面構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)又綜合了失效分析、表面技術(shù)、涂覆層性能、表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)、表面涂層材料開(kāi)發(fā)、預(yù)處理和后加工、表面檢測(cè)技術(shù)、表面質(zhì)量控制、使用壽命評(píng)估、表面施工管理與維護(hù)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、三廢處理、技術(shù)創(chuàng)新和重大工程實(shí)踐等多項(xiàng)內(nèi)容。49

隨著科學(xué)技術(shù)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(xiàng)目，它已成為自然科學(xué)學(xué)科的一部分。它和基礎(chǔ)研究并駕齊驅(qū)，成為學(xué)科中的兩大支柱。表面工程概念的提出是表面科學(xué)向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化的要求，是人們對(duì)表面技術(shù)認(rèn)識(shí)上的一次飛躍。50機(jī)械設(shè)計(jì)的選材原則

所面臨的問(wèn)題機(jī)械零件在設(shè)計(jì)時(shí)的選材原則主要是保證強(qiáng)度、剛度、抗疲勞性能；而零件的表面卻要承擔(dān)摩擦磨損、介質(zhì)腐蝕等功能；零件設(shè)計(jì)所選的材質(zhì)（簡(jiǎn)稱母材或基材）以及熱處理之后的表面性能，有時(shí)能夠滿足表面負(fù)荷的要求，多數(shù)情況下則不能滿足要求，這就需要對(duì)基材表面的某些部位單獨(dú)進(jìn)行表面處理。51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(dǎo)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(dǎo)磁性，又有辦法改善零件表面的磁屏蔽性；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。53

表面工程的功能還可列舉很多，如用于減輕機(jī)械振動(dòng)、用于降低噪聲、用于密封、用于改善釬焊性、用于化學(xué)催化反應(yīng)、用于金屬染色等等。機(jī)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(shù)含量的增加，必然帶來(lái)效益的增長(zhǎng)。54表面工程的經(jīng)濟(jì)性采用表面工程措施的費(fèi)用，一般只占產(chǎn)品價(jià)格的5％－10％，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(rùn)；采用表面工程措施的平均效益高達(dá)5－20倍以上。根據(jù)英國(guó)科技開(kāi)發(fā)中心的調(diào)查報(bào)告，英國(guó)主要依靠表面工程而獲得的產(chǎn)值每年超過(guò)50－100億英鎊，其它工業(yè)化國(guó)家的情況也基本相似。55二、現(xiàn)代工業(yè)的需求是表面工程迅速發(fā)展的動(dòng)力

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)機(jī)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(dòng)著表面工程的發(fā)展。56

航空航天工業(yè)的需求促進(jìn)了能夠制備耐熱、隔熱涂層的等離子噴涂技術(shù)發(fā)展；海上鉆井平臺(tái)的需求促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)表面防腐技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)代汽車不僅是集現(xiàn)代工業(yè)成就之大成的工業(yè)產(chǎn)品，更是技術(shù)與藝術(shù)完善結(jié)合的藝術(shù)品，其間以汽車涂裝技術(shù)為代表的表面工程，為汽車的發(fā)展發(fā)揮了巨大的作用。57

在電子信息技術(shù)中，表面工程可提供關(guān)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(xué)氣相沉積獲得的金剛石薄膜，它具有極為優(yōu)異的導(dǎo)熱性。高介電性和半導(dǎo)體性能。采用氣相沉積、電鍍、刷鍍等表面技術(shù)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。軍工產(chǎn)業(yè)的隱形技術(shù)一外形，我們知道的隱形飛機(jī)，隱形軍艦，形狀都是怪怪的58二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(dá)波全部吸收掉，而不是偏轉(zhuǎn)或者反射回去，這樣一來(lái)雷達(dá)的接收機(jī)還是無(wú)法收到回波，一樣發(fā)現(xiàn)不了飛機(jī)。但它的缺點(diǎn)是只能吸收一定頻率范圍內(nèi)的雷達(dá)波5960三、資源與環(huán)境保護(hù)的緊迫性是促進(jìn)表面工程迅速發(fā)展的時(shí)代要求表面工程能大量節(jié)約能源、節(jié)省資源，適合我國(guó)國(guó)情，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，因此受到黨和政府的關(guān)心、扶持及廣大科技工作者的積極參與。61腐蝕和磨損所造成的損失

據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界鋼產(chǎn)量的1%由于腐蝕而損失，機(jī)電產(chǎn)品提前失效的原因70％屬于腐蝕和磨損。據(jù)估計(jì)，我國(guó)每年因腐蝕造成的損失至少達(dá)到2700億元，占國(guó)民生產(chǎn)總值的2％～4％。腐蝕和磨損不僅導(dǎo)致材料本身的損失，而且提高了維修成本、由于機(jī)器停產(chǎn)的損失往往是其自身的數(shù)十倍62表面工程最大優(yōu)勢(shì)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。63四、現(xiàn)代科技成果為表面工程的迅速發(fā)展提供了技術(shù)支撐表面工程是在表面物理、表面化學(xué)和固體力學(xué)理論基礎(chǔ)上，融匯了現(xiàn)代摩擦學(xué)、腐蝕與防護(hù)、材料學(xué)、電子學(xué)以及環(huán)境工程的有關(guān)成果而發(fā)展起來(lái)的。因此、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了表面工程的技術(shù)進(jìn)步。64

隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，表面技術(shù)的設(shè)備自動(dòng)化程度不斷提高，并可用數(shù)值模擬的方法，進(jìn)行表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)。推廣機(jī)械化、自動(dòng)化方面的研究成果來(lái)改進(jìn)表面涂層制備方法，提高效率和質(zhì)量，特別在加工復(fù)雜形狀零件及危害操作者身體健康的場(chǎng)合將十分有用。65

隨著新能源、材料等技術(shù)的發(fā)展，表面工程技術(shù)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(shù)的發(fā)展，高密度能源的使用成本將越來(lái)越低，而高密度能源可以使表面涂覆時(shí)的變形更小、效率更高、質(zhì)量更好。例如：利用激光表面強(qiáng)化技術(shù)，可以制出經(jīng)久耐用的缸套、軋輥、模具。

納米材料的研究成為世界范圍內(nèi)新的熱點(diǎn)，并逐漸進(jìn)入實(shí)用化的階段。采用納米級(jí)材料添加劑的減摩技術(shù)可以在摩擦部件動(dòng)態(tài)工作中智能地修復(fù)零件表面的缺陷，實(shí)現(xiàn)材料磨損部位原位自動(dòng)修復(fù)，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(lái)修復(fù)模具，延長(zhǎng)使用壽命，是模具修復(fù)的一項(xiàng)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(yīng)用于表面工程中。67§1.4表面工程技術(shù)的分類與簡(jiǎn)介§1.4.1表面工程技術(shù)的分類國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)將表面技術(shù)歸納為以下三個(gè)方面：表面涂鍍層技術(shù)、表面改性技術(shù)、表面處理技術(shù)681、表面涂鍍層技術(shù)：也稱表面覆蓋層技術(shù)，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(xué)鍍、涂裝、粘結(jié)、堆焊、熔結(jié)、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(xué)氣相沉積、離子束合成薄膜技術(shù)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(shí)覆蓋層等。692、表面改性技術(shù)：是指通過(guò)改變基體金屬材料表面層的化學(xué)成分，以達(dá)到改變金屬表面結(jié)構(gòu)和性能之目的的工程技術(shù)。如化學(xué)熱處理、等離子擴(kuò)滲處理、離子注入表面改性等。703、表面處理技術(shù)：指在不改變基體金屬表面化學(xué)成分的情況下，使其組織與結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變其性能。主要有噴丸強(qiáng)化、表面熱處理等。71表面工程技術(shù)可以從不同的角度進(jìn)行歸納、分類按照作用原理，表面工程技術(shù)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72（1）原子沉積原子沉積：沉積物以原子、離子、分子和粒子集團(tuán)等原子尺度的粒子形態(tài)在表面形成覆蓋層。如：電鍍化學(xué)鍍物理氣相沉積化學(xué)氣相沉積73（2）顆粒沉積沉積物以宏觀尺度的顆粒形態(tài)在材料表面上形成覆蓋層熱噴涂搪瓷涂敷等74（3）整體覆蓋它是將涂敷材料于同一時(shí)間內(nèi)施加于材料表面。包箔熱浸涂75（4）表面改性用各種物理、化學(xué)等方法處理表面，使之組成、結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使性能發(fā)生改變表面熱處理化學(xué)熱處理激光表面處理電子束表面處理離子注入等76§1.4.2各類表面工程技術(shù)簡(jiǎn)介一、表面涂鍍層技術(shù)771、電鍍它是利用電解作用，即把具有導(dǎo)電性能的工件表面與電解質(zhì)溶液接觸，并作為陰極，通過(guò)外電流的作用，在工件表面沉積與基體牢固結(jié)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。電鍍方式也有多種，有槽鍍、滾鍍、刷鍍等。電鍍?cè)诠I(yè)上使用廣泛。78２、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(wú)槽電鍍等。其設(shè)備主要由電源、刷鍍工具和輔助設(shè)備組成，是在陽(yáng)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(fù)運(yùn)動(dòng)，使鍍層牢固沉積在工件表面上。它不需將整個(gè)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。79３、化學(xué)鍍又稱“不通電”鍍，即在無(wú)外電流通過(guò)的情況下，利用還原劑將電解質(zhì)溶液中的金屬離子化學(xué)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。80４、涂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(guò)程。涂料為有機(jī)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(hù)、裝飾或特殊性能（如絕緣、防腐標(biāo)志等），應(yīng)用十分廣泛。81５、粘貼它是用粘結(jié)劑將各種材料或制件連接成為一個(gè)牢固整體的方法，稱為粘結(jié)或粘合。粘結(jié)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(yīng)用。82６、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(fù)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。83７、熔結(jié)它與堆焊相似，也是在材料或工件表面熔敷金屬涂層，但用的涂敷金屬是一些以鐵、鎳、鈷為基，含有強(qiáng)脫氧元素硼和硅而具有自熔性和熔點(diǎn)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848、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(dòng)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(guò)噴涂的工件表面具有耐磨、耐熱、耐蝕等功能。859、塑料粉末涂敷利用塑料具有耐蝕、絕緣、美觀等優(yōu)點(diǎn)，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(guò)一定的方法，牢固地涂敷在工件表面，主要起保護(hù)和裝飾的作用。塑料粉末是依靠熔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(rùn)和反應(yīng)固化成膜8610、電火花涂敷這是一種直接利用電能的高密度能量對(duì)金屬表面進(jìn)行涂敷處理的工藝。即通過(guò)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(dǎo)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。8711、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(xué)反應(yīng)，取出后表面形成金屬鍍層。工件金屬的熔點(diǎn)必須高于鍍層金屬的熔點(diǎn)。常用的金屬有錫、鋅、鋁、鉛等。熱浸鍍工藝包括表面預(yù)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(hù)能力，延長(zhǎng)使用壽命。8812、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(hù)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(wú)機(jī)物成分，并融結(jié)于基體，故與一般的有機(jī)物涂層不同。8913．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(wú)機(jī)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。9014、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，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(dǎo)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(dǎo)體和一些有機(jī)聚合物等；加熱方式有電阻、高頻感應(yīng)、電子束、激光、電弧加熱等。9115、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(jié)合強(qiáng)度較好，基片溫度較低，但成本較高。9216、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(shí)，把蒸發(fā)物或其反應(yīng)產(chǎn)物沉積在工件表面成膜。該技術(shù)是一種等離子體增強(qiáng)的物理氣相沉積，鍍膜致密，結(jié)構(gòu)牢固，可在工件溫度低于550℃時(shí)得到良好的鍍層，繞鍍性也較好。9317、化學(xué)氣相沉積（CVD）它是將工件放入密封室，加熱到一定溫度，同時(shí)通入反應(yīng)氣體，利用室內(nèi)氣相化學(xué)反應(yīng)在工件表面沉積成膜。（SiH4+O2——SiO2+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(xué)反應(yīng)有多種類型，如熱分解、氫還原、金屬還原、化學(xué)輸運(yùn)反應(yīng)、等離子體激發(fā)反應(yīng)、光激發(fā)反應(yīng)等等。工件加熱方式有電阻、高頻感應(yīng)、紅外線加熱等。9418、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的實(shí)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)生化學(xué)反應(yīng)，形成能保護(hù)金屬不易受水和其它腐蝕介質(zhì)影響的膜層?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化膜是由金屬基底直接參與成膜反應(yīng)而生成的，因而膜與基底的結(jié)合力比電鍍層要好得多。9519．暫時(shí)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(shí)性覆蓋于表面。如工序間防銹油，可剝性涂料等96二、表面改性技術(shù)971、化學(xué)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(xué)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(guò)介質(zhì)中化學(xué)反應(yīng)、外擴(kuò)散、相界面化學(xué)反應(yīng)和工件中擴(kuò)散四個(gè)過(guò)程。982、等離子擴(kuò)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(yáng)極之間的輝光放電進(jìn)行熱處理的工藝。常見(jiàn)的有離子滲氮、離子滲碳、離子碳氮共滲等。等離子擴(kuò)滲的優(yōu)點(diǎn)是滲劑簡(jiǎn)單，無(wú)公害，滲層較深、脆性較小，工件變形小，對(duì)鋼鐵材料適用面廣，工作周期短。993、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(diǎn)，對(duì)材料表面進(jìn)行各種處理，顯著改善其組織結(jié)構(gòu)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。1004、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(fù)電的高能電子流，通過(guò)一個(gè)環(huán)狀的陽(yáng)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，淬火后可獲得細(xì)晶組織等。1015、高密度太陽(yáng)能表面處理太陽(yáng)能取之不盡，并且是清潔能源，可用來(lái)進(jìn)行表面處理。例如對(duì)鋼鐵零部件的太陽(yáng)能表面淬火，是利用聚焦的高密度太陽(yáng)能對(duì)工件表面進(jìn)行局部加熱，約在0.5s至幾秒內(nèi)使之達(dá)到相變溫度以上，進(jìn)行奧氏體化，然后急冷，使表面硬化。1026、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(wàn)電子伏加速直接注入材料，達(dá)到一定深度，從而改變材料表面的成分和結(jié)構(gòu)，達(dá)到改善性能的目的。其優(yōu)點(diǎn)是注入元素不受材料固溶度限制，適應(yīng)于各種材料，工藝和質(zhì)量易控制，注入層和基體之間沒(méi)有不連續(xù)界面。其缺點(diǎn)是注入層不深，對(duì)復(fù)雜形狀的工件注入有困難。103三、表面處理技術(shù)1041、噴丸強(qiáng)化它是在受噴材料的再結(jié)晶溫度下進(jìn)行的一種冷加工方法；加工過(guò)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(qiáng)化等。其中噴丸強(qiáng)化不同于一般的噴丸工藝，它要求在噴丸過(guò)程中嚴(yán)格控制參數(shù)，使工件在受噴后具有預(yù)期的表面形貌、表面組織結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力，從而大幅度的提高疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕能力1052、表面熱處理它是指對(duì)工件表面層進(jìn)行熱處理，以改善其組織和性能的工藝。主要方法有感應(yīng)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。106四、復(fù)合表面技術(shù)復(fù)合表面技術(shù)是在同一對(duì)象中綜合運(yùn)用兩種或多種表面技術(shù)；復(fù)合表面技術(shù)是表面技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)；復(fù)合表面技術(shù)能夠解決采用單一表面技術(shù)的局限性。107目前已開(kāi)發(fā)的復(fù)合表面處理技術(shù)等離子噴涂——激光輻照熱噴涂——噴丸化學(xué)熱處理——電鍍激光淬火——化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理——?dú)庀喑练e108§1.5表面工程的應(yīng)用領(lǐng)域一、表面工程應(yīng)用的廣泛性1.表面工程的應(yīng)用遍及各行各業(yè)2.應(yīng)用目的：耐蝕、耐磨、修復(fù)、強(qiáng)化、裝飾等；也可以是光、電、磁、聲、熱、化學(xué)、生物等方面的應(yīng)用；3.所涉及的材料：金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料、復(fù)合材料；109二、表面工程應(yīng)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(kāi)始的，而它們帶來(lái)的破壞是十分驚人的；隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)各種產(chǎn)品抵御環(huán)境作用能力和長(zhǎng)期運(yùn)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(gòu)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；1103．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(shù)可實(shí)現(xiàn)用最低的經(jīng)濟(jì)成本來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品；4．應(yīng)用表面技術(shù)，有可能在廣闊的領(lǐng)域中生產(chǎn)各種新材料和新器件。111三、表面技術(shù)在結(jié)構(gòu)材料以及工程構(gòu)件和機(jī)械零部件上的應(yīng)用結(jié)構(gòu)材料主要用來(lái)制造工程建筑中的構(gòu)件、機(jī)械裝備中的零部件以及工具、模具等，在性能上以力學(xué)性能為主，同時(shí)在許多場(chǎng)合又要求兼有良好的耐蝕性和裝飾性；表面技術(shù)在這方面主要起著防護(hù)、耐磨、強(qiáng)化、修復(fù)、裝飾等重要作用112四、表面工程技術(shù)在功能材料和元器件上的應(yīng)用材料的許多功能和性能與表面組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因而通過(guò)各種表面技術(shù)可制備或改進(jìn)一系列功能材料及其元器件；如改變材料的光學(xué)特性、電學(xué)特性、聲學(xué)特性