表面科学和工程技术介绍

1、表面科学和工程技术介绍1周次2012年度教学安排二第1章 表面科学与工程概论三第2章 材料的表面与界面 四第3章 摩擦学基本理论 五第4章 金属腐蚀的基本理论 六第5章 热喷涂技术 七第6章 电镀技术 八第7章涂料与涂装技术第10章 表面转化膜技术九第11章气相沉积技术第12章 高能束表面改性技术 十考试 表面科学与工程学科的重要性表面科学的进步是国家繁荣的象征表面工程的发展促进了产品质量的提高表面技术是高附加值的技术，能够产生巨大的经济效益表面技术的发展能够带动相关行业的技术进步3第一章 表面科学与工程概论1.1 表面科学与工程的涵义1.2 表面科学与工程的发展历程1.3 表面工程迅速发展的

2、原因1.4 表面工程技术的分类与简介1.5 表面工程的应用领域1.6 表面科学与工程的发展动向41.1 表面科学与工程的涵义表面科学与工程包括表面科学与表面工程两个方面；表面科学注重于材料表面和界面的理论研究，主要研究材料表界面的性能，材料表界面的失效机理；表面科学针对材料表面失效的两种主要形式：磨损与腐蚀行为及其对材料表面的破坏机制进行研究和分析。5表面科学奠定了表面工程的基础和应用理论现代表面工程技术的基础理论是表面科学，它包括：表面分析技术、表面物理、 表面化学三个分支。 6表面分析基础方面有：表面的原子排列结构、原子类型、电子能态结构等，表面分析是揭示表面现象的微观实质和各种动力学过程

3、的必要手段。 7表面分析与测试技术各种表面分析仪器和测试技术的出现，不仅为揭示材料本性和发展新的表面技术提供了坚实的基础，而且为生产上合理使用或选择合适的表面技术，分析和防止表面故障，改进工艺设备，提供了有力的手段8表面物理和表面化学分别是研究任何两相之间的界面上发生的物理和化学过程的科学。从理论体系来看，它们包括微观理论与宏观理论：一方面在原子、分子水平上研究表面的组成，原子结构及输运现象、电子结构与运动及其对表面宏观性质的影响；另一方面在宏观尺度上，从能量的角度研究各种表面现象。9表面分析技术、表面物理、表面化学之间的关系实际上，这三个分支是不但不能截然分开，而且相互依存和相互补充。表面科

4、学不仅有重要的基础研究意义，而且与许多技术科学密切相关，在应用上有非常重要的实际意义。10表面科学为表面工程提供了应用理论表面失效分析、摩擦与磨损理论、表面腐蚀与防护理论、表面结合与复合理论等等、它们对表面工程的发展和应用有着直接的、重要的影响。11表面工程表面工程也称为“表面技术”、“表面处理”或“表面改性”，表面工程是应用物理、化学、机械等方法改变固体材料表面状态、表面成分或表面组织结构，获得所要求的性能，以提高产品的可靠性或延长其使用寿命的各种技术的总称。12表面科学与工程的学科特点表面科学与工程学科涉及面广，信息量大，是多种学科相互交叉、渗透与融合形成的一门综合性学科。它以表面科学为理

5、论基础，利用各种物理的、化学的、物理化学的、电化学的、冶金的以及机械的方法和技术，使材料表面得到我们所期望的成分、组织、性能或绚丽多彩的外观。13表面科学与工程的实质其实质就是要达到和满足一种特殊的表面功能，并使表面和基体性能达到最佳的配合 。因此它是一种节材、节能的新型工程技术，是对各学科成果的综合运用。表面科学与工程是一个跨学科、跨行业、跨世纪的新兴领域；表面科学与工程所涉及的各门学科之间互相弥补、互相渗透、互相交融，日臻完善，逐渐形成一门别具特色和有着自己模式的新兴学科。14表面科学与工程的研究目的对于金属或非金属材料来说，表面科学与工程的主要研究目的是： 1、提高材料抵御环境作用的能力

6、； 2、赋予材料表面各种类型的功能特性， 包括光、电、磁等各种物理和化学性能。 1516表面工程的技术特点表面工程技术既可对材料表面改性，制备多功能的涂、镀、渗、覆层，成倍延长机件的寿命：又可对产品进行装饰；还可对废旧机件进行修复，归纳起来，表面工程技术具有如下的技术特点： 17特点一：在廉价的基体材料上，对表面施以各种处理，使其获得多功能性(防腐、耐磨、耐热、耐高温、耐疲劳、耐辐射、抗氧化以及光、热、磁、电等特殊功能）、装饰性表面。例如复合渗硼可以成倍提高材料的耐磨性、热疲劳性、红硬性以及耐蚀性。某些表面处理能使其整体材料得到难以获得的微晶、非晶态等特殊晶型。18特点二： 表面涂层或改性层甚

7、薄，从微米级到毫米级，但却起到了大量昂贵的整体材料难以达到的效果。大幅度节材、节能、节省资源。19特点三：延长使用寿命作为机件、构件的预保护，使之能承受腐蚀与磨损；并使高温机件、构件的耐热性大大提高，延长了使用寿命；作为废旧机件的修复，可使机件的寿命成倍延长。例如电站的空气预热钢管不经处理，寿命仅有数月，经渗铝处理后寿命至少达10年，产生很大的经济效益。20总之，表面工程技术是一种内涵深、外延广、渗透力强、影响面宽的综合而通用性的工程技术，表面工程技术已扩渗入信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术、海洋开发技术、航空航天技术中，构成了一个光彩夺目的新科技群。表面工程技术具有实用性、科学性、

8、先进性、广泛性、装饰性、修复性、经济性。表面工程技术其发展前景十分诱人。统计表明其产生的经济效益是技术本身投资的89倍。211.2 表面科学与工程的发展历程人类使用表面工程技术具有悠久的历史，但在19世纪60年代末才形成一门表面科学，并由此得到快速发展。这是因为：一方面人们在广泛使用和不断试验的过程中积累了丰富的经验，形成了各种表面工程技术的原型；另一方面自60年代末形成的表面科学使表面工程进入了一个新的发展时期。22表面技术具有悠久的历史作为表面工程的技术基础，表面技术的发展历史已很悠久；远古时期我们的祖先就懂得用各类植物油漆进行表面防腐处理。公元前三世纪，我国已采用汞齐鎏金技术在金属表面上

9、镀金以增加其美观性与防腐性。但是，表面工程概念的提出只是近20年的事情。23汞齐鎏金24近代的表面工程技术可分为表面改性技术、薄膜技术和涂层技术三大类，按表面层的形成原理可细分为20多种。这些技术随着科学技术的进步，其内涵不断拓展，成为现代表面工程的重要支柱。其中，20世纪60年代以后形成的物理气相沉积、化学气相沉积和离子注入技术现已广泛应用于电子工业中。可以说，没有这些表面工程技术就没有现在的计算机和通信手机。25表面工程概念的提出 1983年英国教授首先提出了表面工程的概念，并组建了英国伯明翰大学沃福森表面工程研究所；1985年创办了表面工程国际刊物。1986年10月国际热处理联合会决定接

10、受表面工程的概念，并把自己的会名改为国际热处理及表面工程联合会。26国内表面工程的发展 与此同时、国内表面工程的研究也得到了迅速发展，在中国机械工程学会的大力支持下，中国机械工程学会表面工程研究所于1987年在北京成立；1988年12月在北京召开全国首届表面工程现状与未来研讨会。同年创办了中国的表面工程期刊，现改版为国内外公开发行的中国表面工程。1993年成立了中国机械工程学会表面工程分会，以后在国内召开了多次国际和全国性的表面工程学术会议。27武汉材料保护研究所成立于1952年，机械部武汉热处理研究所更名于1976年，机械部武汉材料保护研究所基础研究室：磨损、腐蚀应用研究室：热处理、热喷涂、

11、涂料与涂装、电化学、电镀、转化膜、防锈、分析中心、电器仪表刊物：材料保护等数种刊物公司与工程中心28 近几年，由于表面工程技术产生了显著的效益，全国各地以表面工程命名的企业应运而生，形成了技术含量高，规模化生产的企业。并且、许多设备制造与修理工厂，也引进了多项表面技术，用于提高产品质量，降低生产成本。29表面科学与工程相关的中文期刊杂志 近几年有关表面工程方面的书籍或手册已有多种版本，这些书籍的出版对推动表面工程的研究、普及推广及指导生产起到了重要的基础作用。中国表面工程、材料保护、腐蚀与防护、金属热处理、表面技术、摩擦学学报、腐蚀学学报、电镀与涂饰。焊接、机械工程学报30与表面现象有关的一些

12、表面技术介绍 广义地说，由于自然界存在的表面现象或过程随处可见，因而与其直接有关的重要表面技术还有许多，现举例如下：31（1）表面湿润和反湿润技术湿润是一种重要的表面现象，人们有时要求液体在固体表面上有高度润湿性(如亲水性)，而有的却要求有不湿润性(如憎水性) ，这就需要人们在各种条件下采用表面湿润和反湿润技术。32例如洗涤：洗涤：即除去粘在固体基质表面上的污垢，虽然固体基质和污垢是各种各样的，但能否洗净的基本条件是：洗涤液能湿润且直接附着在基质的污垢上，继而能侵入污垢基质界面，削弱两者之间的附着力，使污垢完全脱离基质形成胶粒而飘浮在洗涤液介质中。33矿物浮选是借气泡力来浮起矿石的一种物质分离

13、和选别矿物技术。所使用的浮选剂是由捕集剂、起泡剂、pH调节剂、抑制剂和活化剂等配制的。而其中主要成分捕集剂的加入，是使浮游矿石的表面变成疏水性，从而能粘附于气泡上或由疏水性低密度介质湿润而浮起。34例如矿物浮选例如亲水箔在空调行业中广泛用到各种铝箔，它们主要用于冷热对流和能量交换；凝聚过程中的冷却水粘附在铝箔表面，形成水滴阻碍了能量交换；水滴的凝聚和蒸发是冷热交换的一个重要环节，直接影响到空调器的效率；亲水箔是对铝箔的表面进行改性（亲水涂料），使水能在空调表面充分铺展，从而提高热交换效率。35（2）表面催化技术早在18世纪末科学家就已发现固体表面不仅能吸附某些物质，而且有的可使它们在表面上的化

14、学反应速度大大加快。催化剂指能够提高反应速率，加快到达化学平衡，而本身在反应终了时并不消耗的物质。催化是催化剂在化学反应过程中所起的作用和发生的有关现象的总称。现代表面催化技术已经有了很大的发展，在工业上获得广泛而重要的应用。36催化是一种表面过程在固气体系中催化反应的主要步骤是：反应物在表面上化学吸附；吸附分子经表面扩散相遇；表面反应或键重排；反应产物脱吸。微观研究表明：催化剂在不同位置具有不同的激活能，台阶、扭折或杂质、缺陷所在处构成活性中心，这说明表面状态对催化作用影响显著。37（3）膜技术膜，是指选择渗透物质的二维材料。膜是把两个物相空间隔开而又使两者互相关联，发生质量和能量传输过程的

15、一个中间介质相。膜在结构上可以是多孔或是致密的。实际上生物体有许多这种膜，例如细胞膜、基膜、复膜和皮肤等，起着渗透、分离物质、保护机体和参与生命过程的作用。38（4）表面化学技术这种表面技术涉及面很广，尤其是涉及到固液界面的许多电现象或过程，如电解、电镀、电化学反应、腐蚀和防腐等等，它们已为大家所熟悉。实际上还有一些极其重要的表面电化学技术，例如与许多生物现象有关的细胞膜电势和生物电流膜技术。研究表明：细胞膜内外电化学位不等于零，如果生物体系建立了完全的热平衡过程，则意味着生命的终止。 39表面技术 由低到高 不断进步例1、表面涂敷技术的发展涂料与涂装技术： 天然树脂酚醛树脂醇酸树脂 从手工涂

16、装各种涂装设备：静电喷漆、高压无漆喷涂、电泳涂装热喷涂技术： 喷涂方法：新工艺、新技术 功能性涂层：耐磨、防蚀、导电、绝缘41例2、金属材料表面强化技术的进步 金属材料一般是以合金的形式进行使用，金属具有良好的强度与塑性配合，优良的加工性，许多金属还具有优异的物理特性，因而应用非常广泛。但是，金属材料的表面在外界环境的作用下亦容易发生各类磨损、腐蚀、氧化和疲劳等破坏，这方面造成的损失是十分巨大的。42此外，许多零部件要求的表面性能与心部性能之间存在着一定的矛盾，整体处理时往往两者不能兼顾。因此，金属材料的表面强化技术受到了人们的高度重视。43金属表面形变强化喷丸、滚压表面热处理和化学热处理物理

17、气相沉积和化学气相沉积离子束、电子束、激光束三束技术44金属材料的表面强化技术由低到高1.3 表面工程迅速发展的原因专家们预言，表面工程将成为本世纪工业发展的关键技术之一。表面工程迅速而富有成效的发展，有其深刻的历史背景。归纳起来可分为以下几个方面：45一、表面工程的属性 是其迅速发展的基础表面工程具有学科的综合性、手段的多样性、广泛的功能性、潜在的创新性、环境的保护性、很强的实用性和巨大的增效性，因而受到各行各业的重视。表面工程不是各种表面技术的简单组合，而是具有丰富内涵的系统工程。表面工程是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面处理、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面

18、的形态、化学成分、组织结构和应力状态等，以获得所需表面性能的系统工程。46表面工程是以表面科学为理论基础，以表面和界面行为为研究对象，首先把相互依存、相互分工的零件基体与表面构成一个系统，同时又综合了失效分析、表面技术、涂覆层性能、表面工程技术设计、表面涂层材料开发、预处理和后加工、表面检测技术、表面质量控制、使用寿命评估、表面施工管理与维护、技术经济分析、三废处理、技术创新和重大工程实践等多项内容。47 随着科学技术与工业的发展，“工程”一词已不限于建筑行业中的具体项目，它已成为自然科学学科的一部分。它和基础研究并驾齐驱，成为学科中的两大支柱。表面工程概念的提出是表面科学向生产力转化的要求，

19、是人们对表面技术认识上的一次飞跃。48机械设计的选材原则 所面临的问题机械零件在设计时的选材原则主要是保证强度、刚度、抗疲劳性能；而零件的表面却要承担摩擦磨损、介质腐蚀等功能；零件设计所选的材质（简称母材或基材）以及热处理之后的表面性能，有时能够满足表面负荷的要求，多数情况下则不能满足要求，这就需要对基材表面的某些部位单独进行表面处理。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、耐腐蚀性、抗疲劳性、抗氧化性、防辐射性；既有办法改善零件表面的传热性，又有办法改善零件表面的隔热性；既有办法改善零件表面的导电性，又有办法改善零件表面的绝缘性；既有办法改善零件表面的导磁性，又有办法改善零

20、件表面的磁屏蔽性；50既有办法改善零件表面的反光性和增光性，又有办法改善零件表面的吸波性；既有办法改善零件表面的粘着性，又有办法改善零件表面的不粘性；既有办法改善零件表面的吸油性，又有办法改善零件表面的干磨性；既有办法提高零件表面摩擦系数，又有办法降低零件表面的摩擦系数；既有办法使零件表面具有亲水性，又有办法使零件表面具有疏水性等等。 表面工程的功能还可列举很多，如用于减轻机械振动、用于降低噪声、用于密封、用于改善钎焊性、用于化学催化反应、用于金属染色等等。机械零部件表面经处理后，可以满足各种功能要求，由于技术含量的增加，必然带来效益的增长。52表面工程的经济性采用表面工程措施的费用，一般只占

21、产品价格的510，却可以大幅度地提高产品的性能及附加值，从而获得更高的利润；采用表面工程措施的平均效益高达520倍以上。根据英国科技开发中心的调查报告，英国主要依靠表面工程而获得的产值每年超过50100亿英镑，其它工业化国家的情况也基本相似。53二、现代工业的需求是表面工程迅速发展的动力 现代工业的发展对机电产品提出了更高的要求；这些要求包括体积要小巧，外形要美观，而且能在高温、高速、重载以及腐蚀性介质、恶劣环境下可靠、持续地工作。这些要求推动着表面工程的发展。54 航空航天工业的需求促进了能够制备耐热、隔热涂层的等离子喷涂技术发展；海上钻井平台的需求促进了钢结构表面防腐技术的发展。 现代汽车

22、不仅是集现代工业成就之大成的工业产品，更是技术与艺术完善结合的艺术品，其间以汽车涂装技术为代表的表面工程，为汽车的发展发挥了巨大的作用。55 在电子信息技术中，表面工程可提供关键的薄膜材料及功能器件。如在超大规模集成电路中理想的功能材料是采用化学气相沉积获得的金刚石薄膜，它具有极为优异的导热性。高介电性和半导体性能。采用气相沉积、电镀、刷镀等表面技术可以获得非晶态薄膜或涂层。非晶硅薄膜具有优良的光吸收能力，而且可以大面积涂覆，成本也比较低，是理想的光电转换材料。56军工产业的隐形技术一外形，我们知道的隐形飞机，隐形军舰，形状都是怪怪的57二吸波涂层这是一种特殊的涂料，他可以将射到自己身上的雷达

23、波全部吸收掉，而不是偏转或者反射回去，这样一来雷达的接收机还是无法收到回波，一样发现不了飞机。但它的缺点是只能吸收一定频率范围内的雷达波58三、资源与环境保护的紧迫性是促进表面工程迅速发展的时代要求表面工程能大量节约能源、节省资源，适合我国国情，符合可持续发展战略，因此受到党和政府的关心、扶持及广大科技工作者的积极参与。59腐蚀和磨损所造成的损失 据统计，世界钢产量的1% 由于腐蚀而损失，机电产品提前失效的原因70属于腐蚀和磨损。据估计，我国每年因腐蚀造成的损失至少达到2700亿元，占国民生产总值的24。腐蚀和磨损不仅导致材料本身的损失，而且提高了维修成本、由于机器停产的损失往往是其自身的数十

24、倍60表面工程最大优势是能够以多种方法制备出优于基材性能的表面功能薄层。该薄层厚度一般从几十微米到几毫米，仅占工件厚度的几百分之一到几十分之一，却使工件具有了比基材更高的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温性能。61四、现代科技成果为表面工程的迅速发展提供了技术支撑表面工程是在表面物理、表面化学和固体力学理论基础上，融汇了现代摩擦学、腐蚀与防护、材料学、电子学以及环境工程的有关成果而发展起来的。因此、现代科学技术的发展促进了表面工程的技术进步。62 随着计算机的广泛应用，表面技术的设备自动化程度不断提高，并可用数值模拟的方法，进行表面工程技术设计。推广机械化、自动化方面的研究成果来改进表面涂层制备方法，提

25、高效率和质量，特别在加工复杂形状零件及危害操作者身体健康的场合将十分有用。63 随着新能源、材料等技术的发展，表面工程技术也得到不断的发展。例如：随着离子束、电子束、激光束三束技术的发展，高密度能源的使用成本将越来越低，而高密度能源可以使表面涂覆时的变形更小、效率更高、质量更好。例如：利用激光表面强化技术，可以制出经久耐用的缸套、轧辊、模具。64 纳米材料的研究成为世界范围内新的热点，并逐渐进入实用化的阶段。采用纳米级材料添加剂的减摩技术可以在摩擦部件动态工作中智能地修复零件表面的缺陷，实现材料磨损部位原位自动修复，并使裂纹自愈合。又如用电刷镀制备含纳米金刚石粉末涂层的方法可以用来修复模具，延

26、长使用寿命，是模具修复的一项突破。其它各种陶瓷材料、非晶态材料、高分子材料等也将不断地被应用于表面工程中。1.4 表面工程技术的分类与简介1.4.1 表面工程技术的分类国家自然科学基金委员会将表面技术归纳为以下三个方面：表面涂镀层技术、表面改性技术、表面处理技术661、表面涂镀层技术：也称表面覆盖层技术，即在基体材料表面形成一层新的覆盖层。包括电镀、电刷镀、化学镀、涂装、粘结、堆焊、熔结、热喷涂、塑料粉末涂敷、热浸涂、搪瓷涂敷、陶瓷涂敷、真空蒸镀、溅射镀。离子镀、化学气相沉积、离子束合成薄膜技术等。此外，还有其他形式的覆盖层，例如包箔，贴片的整体覆盖层，缓蚀剂的暂时覆盖层等。672、表面改性技

27、术：是指通过改变基体金属材料表面层的化学成分，以达到改变金属表面结构和性能之目的的工程技术。如化学热处理、等离子扩渗处理、离子注入表面改性等。683、表面处理技术：指在不改变基体金属表面化学成分的情况下，使其组织与结构发生变化，从而改变其性能。主要有喷丸强化、表面热处理等。69表面工程技术可以从不同的角度进行归纳、分类按照作用原理，表面工程技术可以分为以下四种基本类型（1）原子沉积（2）颗粒沉积（3）整体覆盖（4）表面改性70（1）原子沉积原子沉积：沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在表面形成覆盖层。如：电镀化学镀物理气相沉积化学气相沉积71（2）颗粒沉积沉积物以宏观尺度的

28、颗粒形态在材料表面上形成覆盖层热喷涂搪瓷涂敷等72（3）整体覆盖它是将涂敷材料于同一时间内施加于材料表面。包箔热浸涂73（4）表面改性用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成、结构发生变化，从而使性能发生改变表面热处理化学热处理激光表面处理电子束表面处理离子注入等741.4.2 各类表面工程技术简介一、表面涂镀层技术751、电镀它是利用电解作用，即把具有导电性能的工件表面与电解质溶液接触，并作为阴极，通过外电流的作用，在工件表面沉积与基体牢固结合的镀覆层。该镀覆层主要是各种金属和合金。单金属镀层有锌、镉、铜、镍、铬、锡、银、金、钴、铁等数十种；合金镀层有锌铜、镍铁、锌镍铁等一百多种。电镀方式也

29、有多种，有槽镀、滚镀、刷镀等。电镀在工业上使用广泛。76、电刷镀它是电镀的一种特殊方法，又称接触镀、选择镀、涂镀、无槽电镀等。其设备主要由电源、刷镀工具和辅助设备组成，是在阳极表面裹上棉花或绦纶棉絮等吸水材料，使其吸饱镀液，然后在作为阴极的零件上往复运动，使镀层牢固沉积在工件表面上。它不需将整个工件浸入电镀溶液中，所以能完成许多槽镀不能完成或不容易完成的电镀工作。77、化学镀又称“不通电”镀，即在无外电流通过的情况下，利用还原剂将电解质溶液中的金属离子化学还原在呈活性催化的工件表面，沉积出与基体牢固接合的镀覆层。工件可以是金属，也可以是非金属。镀覆层主要是金属和合金，最常用的是镍和铜。78、涂

30、装它是用一定的方法将涂料涂覆于工件表面而形成涂膜的全过程。涂料为有机混合物，一般由成膜物质、颜料、溶剂和助剂组成，可以涂装在各种金属、陶瓷、塑料、木材、水泥、玻璃等制品上。涂膜具有保护、装饰或特殊性能（如绝缘、防腐标志等），应用十分广泛。79、粘贴它是用粘结剂将各种材料或制件连接成为一个牢固整体的方法，称为粘结或粘合。粘结剂有天然胶粘剂和合成胶粘剂，目前高分子合成胶粘剂已获得广泛的应用。80、堆焊它是在金属零件表面或边缘，熔焊上耐磨、耐蚀或特殊性能的金属层；用于修复外形不合格的金属零件及产品，提高使用寿命，降低生产成本；或者用它制造双金属零部件。81、熔结它与堆焊相似，也是在材料或工件表面熔敷

31、金属涂层，但用的涂敷金属是一些以铁、镍、钴为基，含有强脱氧元素硼和硅而具有自熔性和熔点低于基体的自熔性合金，所用的工艺是真空熔敷、激光熔敷和喷涂熔敷等828、热喷涂它是将金属、合金、合金陶瓷材料加热到熔融或部分熔融，以高的动能使其雾化成微粒并喷至工件表面、形成牢固的涂覆层。热喷涂的方法有多种，按热源可分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和爆炸喷涂等，经过喷涂的工件表面具有耐磨、耐热、耐蚀等功能。839、塑料粉末涂敷利用塑料具有耐蚀、绝缘、美观等优点，将各种添加了防老化剂、流平剂、增韧剂、固化剂、颜料、填料等的粉末塑料，通过一定的方法，牢固地涂敷在工件表面，主要起保护和装饰的作用。塑料粉末是依靠熔

32、融或静电引力等方式附着在被涂工件表面，然后依靠热熔融、流平、湿润和反应固化成膜8410、电火花涂敷这是一种直接利用电能的高密度能量对金属表面进行涂敷处理的工艺。即通过电极材料与金属零部件表面的火花放电作用，把作为火花放电极的导电材料（如WC、TiC）熔渗于表面层，从而形成含电极材料的合金化涂层；提高工件表面的性能，而工件内部组织和性能不改变。8511、热浸镀它是将工件浸在熔融的液态金属中，使工件表面发生一系列物理和化学反应，取出后表面形成金属镀层。工件金属的熔点必须高于镀层金属的熔点。常用的金属有锡、锌、铝、铅等。热浸镀工艺包括表面预处理、热浸镀和后处理三部分。热浸镀的主要目的是提高工件的防护

33、能力，延长使用寿命。8612、搪瓷涂敷搪瓷涂敷是一种主要施于钢板、铸铁或铝制品表面的玻璃涂层，可起良好的防护和装饰作用。搪瓷涂料通常是精制玻璃料分散在水中的悬浮液，也可以是干粉状。涂敷方法有浸涂、淋涂、电沉积、喷涂、静电喷涂等。该涂层为无机物成分，并融结于基体，故与一般的有机物涂层不同。8713陶瓷涂敷陶瓷涂层是以氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、氮化物、金属陶瓷和其他无机物为基底的高温涂层，用于金属表面主要在室温和高温起耐蚀、耐磨等作用。主要涂敷方法有刷涂、浸涂、喷涂、电泳涂和各种热喷涂等等。有的陶瓷涂层有光、电、生物等功能。8814、真空蒸镀它是将工件放入真空室，并用一定的方法加热镀膜材料，

34、使其蒸化或升华，飞至工件表面凝聚成膜。工件材料可以是金属、半导体、绝缘体乃至塑料、纸张、织物等，而镀膜材料也很广泛，包括金属合金、化合物、半导体和一些有机聚合物等；加热方式有电阻、高频感应、电子束、激光、电弧加热等。8915、溅射镀它是将工件放入真空室，并用正离子轰击作为阴极的靶（镀膜材料），使靶材中的原子、分子逸出，飞至工件表面凝聚成膜。溅射粒子的能量约为10eV左右，为热蒸发粒子的100倍。溅射镀膜的致密性和结合强度较好，基片温度较低，但成本较高。9016、离子镀它是将工件放入真空室，并利用气体放电原理将部分气体和蒸发源（镀膜材料）逸出的气相粒子电离，在离子轰击的同时，把蒸发物或其反应产物

35、沉积在工件表面成膜。该技术是一种等离子体增强的物理气相沉积，镀膜致密，结构牢固，可在工件温度低于550时得到良好的镀层，绕镀性也较好。9117、化学气相沉积（CVD）它是将工件放入密封室，加热到一定温度，同时通入反应气体，利用室内气相化学反应在工件表面沉积成膜。（SiH4+O2SiO2+2H2 ）源物质除气态外，也可以是液态和固态。所采用的化学反应有多种类型，如热分解、氢还原、金属还原、化学输运反应、等离子体激发反应、光激发反应等等。工件加热方式有电阻、高频感应、红外线加热等。9218、化学转化膜化学转化膜的实质是金属处于特定情况下人为控制的腐蚀产物；即金属与特定的腐蚀液接触；并在一定条件下发

36、生化学反应，形成能保护金属不易受水和其它腐蚀介质影响的膜层。化学转化膜是由金属基底直接参与成膜反应而生成的，因而膜与基底的结合力比电镀层要好得多。9319暂时性覆盖处理 它是把缓蚀剂配制的缓蚀材料，在工件需要防锈的情况下，暂时性覆盖于表面。如工序间防锈油，可剥性涂料等94二、表面改性技术951、化学热处理它是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。按渗入的元素可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等等。渗入元素可以是固体、液体和气体。但都要经过介质中化学反应、外扩散、相界面化学反应和工件中扩散四个过程。962、等离

37、子扩渗处理又称离子轰击热处理，是指在通常大气压力下的特定气氛中利用工件（阴极）和阳极之间的辉光放电进行热处理的工艺。常见的有离子渗氮、离子渗碳、离子碳氮共渗等。等离子扩渗的优点是渗剂简单，无公害，渗层较深、脆性较小，工件变形小，对钢铁材料适用面广，工作周期短。973、激光表面处理它是利用激光的高亮度、高方向性和高单色性的三大特点，对材料表面进行各种处理，显著改善其组织结构和性能。主要处理方法有激光非晶化、激光熔覆、激光合金化、激光冲击硬化。984、电子束表面处理通常由电子枪阴极灯丝加热后发射带负电的高能电子流，通过一个环状的阳极，经加速射向工件表面使其产生相变硬化、熔覆和合金化等作用，淬火后可

38、获得细晶组织等。995、高密度太阳能表面处理太阳能取之不尽，并且是清洁能源，可用来进行表面处理。例如对钢铁零部件的太阳能表面淬火，是利用聚焦的高密度太阳能对工件表面进行局部加热，约在至几秒内使之达到相变温度以上，进行奥氏体化，然后急冷，使表面硬化。1006、离子注入表面改性它是将所需的气体或固体蒸气在真空系统中电离，引出离子束后，用数千电子伏至数十万电子伏加速直接注入材料，达到一定深度，从而改变材料表面的成分和结构，达到改善性能的目的。其优点是注入元素不受材料固溶度限制，适应于各种材料，工艺和质量易控制，注入层和基体之间没有不连续界面。其缺点是注入层不深，对复杂形状的工件注入有困难。101三、

39、表面处理技术1021、喷丸强化它是在受喷材料的再结晶温度下进行的一种冷加工方法；加工过程由弹丸在很高的速度下撞击受喷工件表面而完成。喷丸可用于表面清理、光整加工、喷丸校形、喷丸强化等。其中喷丸强化不同于一般的喷丸工艺，它要求在喷丸过程中严格控制参数，使工件在受喷后具有预期的表面形貌、表面组织结构和残余应力，从而大幅度的提高疲劳强度和抗腐蚀能力1032、表面热处理它是指对工件表面层进行热处理，以改善其组织和性能的工艺。主要方法有感应加热淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热淬火、电解液淬火、脉冲加热淬火，激光热处理和电子束加热处理等。104四、复合表面技术复合表面技术是在同一对象中综合运用两种或多

40、种表面技术；复合表面技术是表面技术的一个重要发展趋势；复合表面技术能够解决采用单一表面技术的局限性。105目前已开发的复合表面处理技术等离子喷涂激光辐照热喷涂喷丸化学热处理电镀激光淬火化学热处理化学热处理气相沉积1061.5 表面工程的应用领域一、表面工程应用的广泛性1.表面工程的应用遍及各行各业2.应用目的：耐蚀、耐磨、修复、强化、装饰等；也可以是光、电、磁、声、热、化学、生物等方面的应用；3.所涉及的材料：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料；107二、表面工程应用的重要性材料的磨损、腐蚀、疲劳断裂等，一般都是从表面开始的，而它们带来的破坏是十分惊人的；随着经济和科学技术的发

41、展，对各种产品抵御环境作用能力和长期运行的可靠性、稳定性提出了更高的要求；而在许多情况下，构件、元器件的性能和质量，主要取决于材料表面的性能和质量；1083许多产品的性能主要取决于表面的特性和状态，而表面很薄，用材量十分少，因此表面技术可实现用最低的经济成本来实现优质产品；4应用表面技术，有可能在广阔的领域中生产各种新材料和新器件。109三、表面技术在结构材料以及工程构件和机械零部件上的应用结构材料主要用来制造工程建筑中的构件、机械装备中的零部件以及工具、模具等，在性能上以力学性能为主，同时在许多场合又要求兼有良好的耐蚀性和装饰性；表面技术在这方面主要起着防护、耐磨、强化、修复、装饰等重要作用

42、110四、表面工程技术在功能材料和元器件上的应用材料的许多功能和性能与表面组织结构密切相关，因而通过各种表面技术可制备或改进一系列功能材料及其元器件；如改变材料的光学特性、电学特性、声学特性、磁学特性、热学特性、化学特性等；以及实现这些特性之间的功能转换。111五、表面工程技术在人类适应、保护和优化环境方面的一些应用表面技术在人类适应、保护和优化环境方面有着一系列的应用；并且其重要性日益突出。兹举例如下：1121、净化大气人类在生产和生活中，使用了各种燃料、原料，产生大量的CO2、NO2、SO2 等有害气体，引起温室效应和酸雨，严重危害了地球环境，因此要设法回收、分解和替代它们。用涂覆和气相沉

43、积等表面技术制成的触媒载体等是其有效途径之一。1132净化水质膜材料是重要的净化水质的材料，可用来处理污水。化学提纯、水质软化、海水淡化等等，这方面的表面技术正在迅速发展。1143抗菌灭菌 有些材料具有净化环境的功能。其中，二氧化钛光催化剂很引人注目。它可以将一些污染的物质分解掉，使之无害，同时又因有粉状、粒状和薄膜等形状而易于利用。研究发现：过渡金属Ag、Pt、Cu、Zn等元素能增强TiO2的光催化作用，而且有抗菌、灭菌作用（特别是 Ag和 Cu）。1154吸附杂质用一些表面技术制成的吸附剂，可以除去空气、水、溶液中的有害成分；以及具有除臭、吸湿等作用。例如在氨基甲酸乙酸泡沫上涂覆铁粉，经烧

44、结后成为除臭剂，用于冰箱、厨房、厕所、汽车内。1165去除藻类污垢运用表面化学原理，制成特定的组合电极；例如 ClCu组合电极；用来除去发电厂沉淀池、热交换器、管道等内部的藻类污垢。1176活化功能远红外光具有活化空气和水的功能，而活化的空气和水有利于人的健康。例如在水净化器中加上能活化水的远红外陶瓷涂层装置，取得很好的效果，已经投人实际应用。1187生物医学具有一定的理化性质和生物相容性的生物医学材料已受到人们的高度重视，而使用医用涂层可在保持基体材料特性的基础上，或增进基体表面的生物学性质，或阻隔基材离子向周围组织溶出扩散，或提高基体表面的耐磨性、绝缘性等，从而有力地促进了生物医学材料的发

45、展。例如在金属材料上涂以生物陶瓷、用作人造骨、人造牙、植入装置导线的绝缘层等等。目前制备医用涂层的表面技术有等离子喷涂、气相沉积、离子注入、电泳等。119 8治疗疾病 用表面技术和其他技术制成的磁性涂层敷在人体的一定穴位，有治疗疼痛、高血压等功能。涂敷驻极体膜，具有促进骨裂愈合等功能。有人认为，频谱仪、远红外仪等设备能发出一定的波与生物体细胞发生共振，促进血液循环，活化细胞，治疗某些疾病。1209绿色能源目前大量使用的能源往往有严重的污染，因此今后要大力推广绿色能源，如太阳能电池、磁流体发电、热电半导体、海浪发电、风能发电等，以保护人类环境。表面技术是许多绿色能源装置如太阳能电池、太阳能集热管

46、、半导体制冷器等制造的重要基础和关键技术之一。12110优化环境表面技术将在人类控制自然、优化环境上起很大的作用。例如人们正在积极研究能调光、调温的“智慧窗”。即通过涂敷或镀膜等方法，使窗可按人的意愿来调节光的透过率和光照温度。1221.6 表面科学与工程的发展动向一、研究复合表面技术在单一表面技术发展的同时，综合运用两种或多种表面技术的复合表面技术有了迅速的发展。复合表面技术通过最佳协同效应使工件材料表面体系在技术指标、可靠性、寿命、质量和经济性等方面获得最佳的效果，克服了单一表面技术存在的局限性，解决了一系列工业关键技术和高新技术发展中特殊的技术问题。强调多种表面工程技术的复合，是表面工程

47、的重要特色之一。123目前，复合表面工程技术的研究和应用已取得了重大进展如热喷涂和激光重熔的复合、热喷涂与刷镀的复合、化学热处理与电镀的复合、表面涂覆强化与喷丸强化的复合、表面强化与固体润滑层的复合、多层薄膜技术的复合、金属材料基体与非金属表面复合、镀锌或磷化与有机漆的复合、渗碳与钛沉积的复合、物理和化学气相沉积同时进行离子注入等等。124伴随复合表面工程技术的发展，梯度涂层技术也获得较大发展，以适应不同涂覆层之间的性能过渡。复合表面工程技术将在新世纪中不断得到发展，今后将根据产品的需要进一步综合研究运用各种表面工程技术的组合，解决工程中的难题，以期达到最佳的优化效果。125二、完善表面工程设

48、计体系 表面工程设计：是针对工程对象的工况条件和设备中零部件等寿命的要求，综合分析可能的失效形式与表面工程的进展水平，正确选择表面技术或多种表面技术的复合，合理确定涂层材料及工艺；并且预测使用寿命，评估技术经济性，进行必要的模拟实验，并编写表面工程技术设计书和工艺卡片。126目前的状况 目前，表面工程技术设计仍基本停留在经验设计阶段。有些行业和企业针对自己的工程问题开发出了表面工程技术设计软件，但局限性很大。随着计算机技术、仿真技术和虚拟技术的发展，建立有我国特色的表面工程技术设计体系既有条件又迫在眉睫。127表面工程技术设计的过程基于经验的不断积累力争按预定的技术和经济指标进行设计逐步形成一

49、种借助于数据库、知识库、推理机为工具，通过演绎和归纳等科学方法，而能获得最佳效益的设计系统128三、开发多种功能涂层 表面工程大量的任务是使零件、构件的表面延缓腐蚀、减少磨损、延长疲劳寿命。随着工业的发展，在治理这三种失效之外提出了许多特殊的表面功能要求。129例如舰船上甲板需要有防滑涂层，现代军事装备需要有隐身涂层，太阳能取暖和发电设备中需要高效的吸热涂层和光电转换涂层，录音机中需要有磁记录镀膜、不粘锅中需要有氟树脂涂层、建筑业中的玻璃幕墙需要有阳光控制膜等等。此外，隔热涂层、导电涂层、减振涂层、降噪涂层、催化涂层、金属染色技术等也有广泛的用途。在制备功能涂层方面，表面工程可大显身手四、研究开发新型涂层材料 表面涂层材料是表面技术解决工程问题的重要物质基础。当前发展的涂层新材料，有些是单独配制或熔炼而成的，有些则是在表面技术的加工过程中形成的，后一类涂层材料的诞生，进一步显示了表面工程的特殊功能。131 轿车涂装技术中新发展的第五代阴极电泳涂料（EDS），其泳透力比前几代进一步提高，有机溶剂、颜料含量降低，已不含有害金属铅，代表了阴极电泳涂料的发展趋势。以聚氯乙烯树脂为主要基料与增塑剂配成的无溶剂涂料，构成了现代汽车涂装中所用的抗冲击涂料和焊缝密封胶，有效地防止了车身底板和焊缝出现过早腐蚀，并保证了车身的密封性。132粘结固体润滑涂