第14章 纳米表面工程技术设计(刘世参)

1、第14章 纳米表面工程技术设计14.1 概述 纳米表面工程技术设计是通过对纳米材料、纳米技术的合理运用，在零件结构设计之后，为保证零件表面服役性能的一种技术设计，对于需要修理或再制造的零件表面，则是一种恢复或提高零件表面二次服役性能的技术设计。纳米表面工程技术设计的主要内容是运用纳米表面工程的研究成果和成熟技术，根据零件表面的运行环境状况，提出对表面层或表面层体系的技术要求，选择获得零件表面性能的工艺手段和材料，编制合理的制备工艺，提出表面质量检测标准等。在整个机械产品的失效中，零件表面失效占有极其重要的份额。腐蚀失效从零件表面起始，摩擦磨损失效使零件表面尺寸发生变化，疲劳裂纹失效由零件表面向

2、内扩展，零件变形失效也可以看作是零件表面相对于定位基准的位移。传统的机械设计偏重于部件的结构设计及零件刚度、强度的核算，不太重视零件表面的技术设计，即使有所考虑，也是采用比较单一的表面强化技术手段，而且选材的范围偏窄，致使一些机械往往由于其中的某个零件的某一局部表面失效，而造成整机的停运或报废。据文献介绍，世界钢产量的1/10由于腐蚀而损失，机电产品提前失效的原因70%属于表面腐蚀和磨损。所以通过对零件表面的技术设计减少腐蚀与磨损的损失具有十分重要的意义。纳米材料、纳米技术在表面工程中的应用，为提高零件表面的服役性能提供了新的技术措施，为使表面性能适应现代机电产品在高温、高速、重载、重腐蚀介质

3、下可靠工作提供了保证，为解决传统表面工程难以解决的表面抗失效难题开辟了新的途径，更为重要的是纳米表面工程为高新技术产业中各种功能薄膜（如光学薄膜、微电子薄膜、光电子学薄膜、集成光学薄膜、信息存储膜和防护功能薄膜）的制备，以及相应产品的开发（半导体芯片、微电阻电容、显示器、传感器、微机电系统）提供了新的手段。纳米表面工程的研究当前尚属起步阶段，因而还无法构建起纳米表面工程技术设计的完整体系，本章只对现有的纳米表面工程研究成果进行归纳，重点对表面涂覆层技术设计中的关键环节进行分析，为较合理地运用这些成果提供设计思路。14.2 表面技术设计的基本原则表面技术设计的基本原则是满足零件表面服役性能的要求

4、、经济性好和有利于环境保护。14.2.1 满足零件表面服役的性能要求零件表面的服役性能包括力学性能、物理化学性能和环保性能。力学性能有表面涂覆层与基体的结合强度、表面耐磨性 、表面耐腐蚀性、表面抗疲劳性等。物理化学性能有摩擦系数、磁学性能、电学性能、光学性能、光电转换性能等。环保性能是指从表面涂覆层制备到使用再到零件退役的全周期都要有利于环境保护零件表面服役性能是表面功能与表面寿命的综合性指标。功能与寿命密不可分。机械产品的整体结构不同、使用要求不同、工况条件不同，因而对零件的服役寿命有不同的要求。零件表面的服役寿命可分为以下几类：(1)、 一过性的寿命例如为了改善制造和装配条件而进行的工艺性

5、表面处理，它们对零件表面的处理质量要求可靠，但对使用寿命要求较短,制造过程和装配工序结束，表面性能失去意义；（2）、 与零件等寿命要求零件表面的服役寿命与所依附的零件服役寿命相等，在零件寿命到期后，或进行修理，或列入报废；（3）、 与整机维修期等寿命表面服役寿命与整个机械的维修间隔期间相吻合，则最能有效地节省维修工时，降低维修成本。尽管维修方式经历了“计划维修视情维修先进维修预知维修”四个发展阶段，但是每种机电产品迟早需要进行维修，在对整个机械进行系统分析和样机试验的基础上，总能确定一个大致的维修间隔期。另外从维修体制来分析，根据维修的难易程度可分为基层级中继级基地级，每种维修级别都对应相应的

6、维修间隔期，零件表面的服役寿命以达到基地级维修的间隔时限为最佳。（4）、 迁延性寿命例如表面强化后的模具表面、切削刀具刀刃等，这些表面服役的寿命希望越长越好。此外，机械设备中的易损件、常备消耗件，希望这些零件表面的服役寿命也越长越好，它能保证零件和整机长期正常运行，大大减小维修工时，从而降低运行成本，即使整机到达寿命终止，这类零件还可以更换到同类机械上继续使用。（5）、 可再制造性循环寿命零件表面出现失效是不可避免的，只是失效期长或短的问题，在零件表面技术设计时，既要满足一定期限的性能要求，又要考虑为下一次的修理或再制造创造有利条件，使零件工作表面不断更新，而零件本体尽量较长时间使用。14.2

7、.2 经济性好经济性的好坏是个相对概念。一是不同表面技术之间的比较，即结合具体的表面处理技术和材料进行经过表面处理与未经表面处理两种情况的经济性比较和不同处理技术、处理材料之间的经济性比较。在进行这种经济性的比较中最基本的原则是从设备全寿命周期费用的观点出发，进行成本与效能分析。二是对于选择出的性能/价格比优异的表面处理技术，衡量在整个产品的成本体系中是否可以接受。分析性能/价格比一般遵循以下三条准则：（1） 延寿准则，即： CT/CHTTTH （141）式中 CT经表面强化处理的零件成本CH未经表面强化的零件成本TT经表面强化的零件使用寿命TH未经表面强化零件使用寿命如果CT/CH越小，TT

8、/TH越大，则说明该表面处理技术的经济性越好。（2） 省钱准则，即：CSTCPH （14-2）式中 CST对零件表面强化处理的成本CPH-设备在一定检修期内，未经表面处理的零件因表面失效发生的全部维修费用CPH比CST越大，说明性能价格比越好。在运用式14-2分析经济性时，应进行多个检修期的性能价格评比，例如，对设备小修期、中修期、大修期分阶段进行费效分析，期望检修期越长，对应的性能价格比越优异。（3）、可靠性准则，即： KTKH （14-3）式中KT对零件经表面强化处理后的表面功能可靠性 KH零件未经表面强化处理的表面功能可靠性对于地面设备、民用设备，可用式14-1或14-2两条准则进行比较

9、。但对于航空航天器、军用装备及民用重要设备还应从可靠性准则进行比较，如果这些设备（装备）在运行的关键时刻发生表面失效，则造成的经济损失、战斗损伤及社会影响是巨大的。14.2.3 有利于环境保护表面工程的本身是一种有利于保护环境、节能、节材的绿色科技，但是各种具体的技术或多或少地对环境或对操作者的安全存在一定的负面影响。人类进入21世纪之后，保护环境、节约资源的任务更加迫切，坚持可持续发展战略的意义更加重大，加强对操作者的安全防护又是贯彻以人为本的重要体现。在表面工程技术设计中，坚持有利于环境保护的原则，就是在满足性能要求、经济又合理的多种表面处理方案中，尽量选用耗能、耗水少和污染小的方案，并在

10、表面处理工艺中制订完善的安全防护措施。14.3 表面技术设计的基本程序表面技术设计的基本程序见图14-1分析工况条件分析失效形式提出表面层的性能要求选择表面处理技术选择表面处理材料进行技术经济分析确定表面处理方案编制表面处理工艺图14-1 表面技术设计程序框图14.4 分析零件表面的工况条件和失效形式14.4.1 零件表面的工况条件零件表面工况条件主要包括：载荷大小及类别、与摩擦副之间的相对运动速度、工作环境温度与压力、工作介质、润滑情况等。14.4.2 零件表面的失效 磨损和腐蚀是零件表面失效的两种主要形式。14.4.2.1 磨损失效零件表面磨损失效按磨损机理可分为四类，即粘附磨损、磨粒磨损

11、、表面疲劳磨损和腐蚀磨损。判断这四类磨损的常用方法是观察磨损表面的外观，这四类磨损的外观特征见表14-1。表14-1 磨损类别与外观特征磨损类别表面外观特征粘附磨损磨粒磨损疲劳磨损腐蚀磨损锥刺、鳞尾、麻点擦伤、沟纹、条痕裂纹、麻点反应产物、点蚀 实际的磨损过程不可能仅是一种磨损机理形态，而往往是多种磨损机理形态的复合。表14-2列出了在不同摩擦学体系中，各类磨损所占的比例。表14-2 各类磨损在不同摩擦学体系中的比例相互作用组元相对运动类型磨损形式各种磨损机理所占比例粘附磨损磨粒磨损疲劳磨损腐蚀磨损固体对固体（有或无润滑）滑动滚动旋动撞击、冲击振动凿削刻划滑动磨损滚动磨损自旋磨损冲击磨损微动磨

12、损凿削磨损划伤磨损2512.52512.52512.502512.52512.52512.502512.52512.5257587.52562.52562.525012.5固体对固体加颗粒滑动滚动碾磨磨粒滑动磨损磨粒滚动磨损高应力碾碎性磨损12.525012.512.512.575062.507525固体对液体加颗粒流动磨粒侵蚀012.57512.5固体对气体加颗粒平行喷射斜向喷射垂直喷射磨粒侵蚀磨粒侵蚀加冲击侵蚀冲击侵蚀00012.512.512.57543.7512.512.543.7575固体对液体撞击流动液滴冲击侵蚀液体侵蚀气蚀00012.512.512.500087.587.587.

13、5固体对气体流动烧蚀各类磨损对表面材料性能的要求见表14-3序号磨损类型要求材料具备的性能1粘附磨损互相接触的相配材料溶解度应较低。 在工作表面温度下，抗热氧化能力好，表面能低2磨料磨损有比磨料更硬的表面，较高的加工硬化能力3疲劳磨损高硬度，高韧性。精加工时加工性能好，流线性好，要去除硬的非金属夹杂物，表面无微裂纹4腐蚀磨损无钝化作用时，要提高其抗腐蚀介质能力，兼有抗腐蚀和抗磨损性能表14-3 各类磨损对表面材料性能的要求14.4.2.2 腐蚀失效按其腐蚀形态可分为全面（或均匀）腐蚀或局部腐蚀，导致腐蚀失效的主要是后者。局部腐蚀又可分为点腐蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀、磨损腐蚀

14、、应力腐蚀和腐蚀疲劳、氢损伤等。图14-2示出主要腐蚀形态示意图。应力腐蚀断裂是在拉应力和腐蚀环境共同作用下所引起的部件失效；腐蚀疲劳是金属在循环交变应力作用下产生破裂； 磨蚀是由于腐蚀流体以及金属和流体间的相对运动而共同引起的金属破坏； 气泡腐蚀是由于真空泡的形成和破裂所产生的气化作用所导致的金属表面的局部破坏；图14-2 主要腐蚀形态示意图微动腐蚀或摩擦氧化是在两种材料界面承受轻微的相对运动或滑动时所发生的腐蚀，典型的相对运动是振动；氢损伤是一种非常特殊的腐蚀动形式，要在非常特殊的条件下才能发生。氢损伤是由于金属表面生成的原子态氢所引起的。 在一般情况下，局部腐蚀比全面腐蚀的危险性大得多，

15、常常造成失效甚至灾难性事故，因而引起了广泛的注意并促使人们从不同角度进行深入地研究。14.5 纳米表面技术的分类及功用现阶段可以实用的纳米表面技术及其主要功用见表14-4。(详细内容见本书有关章节) 表14-4 实用纳米表面技术及功用纳米表面技术功 用纳米复合电刷镀提高镀层的强度和抗疲劳性能，制备常温和高温耐磨镀层，制备低摩擦系数镀层，恢复尺寸。纳米热喷涂提高喷涂层的强度和韧性，制备抗磨、抗热疲劳和隔热涂层，恢复尺寸。气相沉积纳米薄膜制备高性能的光、电、热、声、磁功能薄膜及硬膜、超硬膜。纳米固体润滑提高固体润滑膜的强度和韧性，制备高性能减摩抗磨固体润滑膜。纳米涂料改善涂料的工艺性、耐候性和耐划

16、伤性，制备抗紫外线涂层、热障涂层、隐身涂层、磁屏蔽涂层、抗静电涂层、抗菌防污涂层、防雾透明涂层、阻燃涂层等。纳米粘涂提高粘涂层的强度，制备抗磨损、抗腐蚀、抗气蚀涂层，恢复尺寸，用于密封、堵漏。纳米自修复润滑剂降低摩擦系数，提高表面光滑度和耐磨性并能在机件运行中自行修补尺寸磨耗。金属纳米化加工提高表面硬度和屈服强度，提高表面化学元素的渗入浓度和深度，形成金属表面纳米化。14.6 纳米表面技术的选用合理地选择能满足零件整体性能和表面服役要求的表面技术，是表面技术设计中的重要环节。表面技术的种类很多，许多功用又相近，结合具体的零件和工况条件选择出优化的表面技术必须关注以下4个方面。14.6.1 表面

17、技术对零件整体性能的影响表面技术对零件整体性能的影响主要有热影响、氢脆影响和机械影响。不同的表面技术及不同的预处理方法对零件整体性能有不同的影响。（1）热影响进行表面技术处理时，零件的温度见表14-5。在选择表面技术时要分析温度对零件变形、对原来热处理性质以及对零件表面氧化的影响。热影响在选择表面技术时是占有权重较大的因素，往往据此能很快划分出可供选择的技术范围。表14-5 表面处理时的零件温度表面技术零件的温度（）备 注纳米复合电刷镀常 温纳米热喷涂常温或预热100150化学气相沉积CVD8001200温度与沉积的元素有关金属有机化合物气相沉积MOCVD500800物理气相沉积PVD2004

18、00纳米涂装常 温纳米粘涂常 温金属表面纳米化加工常 温（2）氢脆影响在电镀时，镀液中的氢离子会还原成氢原子，一部分氢原子会成为氢气逸出，一部分渗入到镀层中使镀层产生氢应力，还有一部分氢原子渗入到零件中而使零件“氢脆”。例如在钢铁零件表面槽镀镍的过程中，没有光亮剂的镀镍溶液零件渗氢量约为60100cm3/100g，有光亮剂的镀镍溶液零件渗氢量比没有光亮剂的高1倍。由于各种电沉积元素的析出电位和镀液介质不同，析氢量或者说对钢质零件的“氢脆”影响亦不同，按“氢脆”的影响程度排序：镀锌镀镉镀镍。另外钢质零件外表面如果有阳极保护镀层，则在零件工作过程中，钢质基材表面也会析氢，氢渗入基体后与承载应力的共

19、同作用，可能导致高强钢发生“氢脆断裂”，这种由于表面镀层腐蚀而导致的环境“氢脆”称为“后脆”。“氢脆”或“后脆”对钢质零件的影响程度主要与钢质零件的抗拉强度有关，强度越高，对氢脆越敏感。其次与零件的工作温度有关，工作温度增高，氢脆敏感性增强。几种槽镀镀层对钢质零件的强度和零件工作温度的限用条件见表14-6表14-6 几种镀层的限用条件镀 种钢质零件的抗拉强度零件的使用温度镀 锌不得大于1240MPa不得大于250镀 镉不得大于230镀 镍不得大于250300电刷镀的镀积速度比槽镀快46倍，在操作过程中又是通过镀笔与工件往复运动不断沉积出镀层，因而，电刷镀对零件的氢脆影响低于槽镀。在电刷镀技术中

20、，还专门配制有低氢脆镀液，并制定有减少氢脆的工艺措施，如电净电压定在812V、采用反向电流、镀积底层和工作层时相对提高工作电压、尽量提高镀积速度等。有了这些措施，电刷镀已允许应用到飞机着陆装置和飞机上其它的高强钢零件。在选用纳米电刷镀镀积高强钢零件时，建议按相关标准先进行氢脆试验。（3）机械影响机械影响主要与表面预处理的方法有关。对于有偶件配合的表面，为了制备一定厚度的涂覆层，需事前对待处理表面磨削掉一部分金属，结果会使轴颈稍微变细、孔壁稍微变薄，在选择表面技术时需要评估这种预加工对零件的强（刚）度的影响是否允许。为了提高热喷涂涂层与基体金属的结合强度，需对表面进行粗糙化处理。如果采用在表面车

21、螺纹或电火花拉毛的方法，则会对零件的强度尤其抗疲劳强度造成影响。如果采用喷砂预处理则对基体没有负面影响。14.6.2 涂覆层及表面改性层的尺寸涂覆层及表面改性层的尺寸问题，一是出于工作要求，即在零件服役的寿命周期内耐磨层应有多大，防腐层应具备多厚，功能薄膜及纳米化层工作厚度应是多少等；二是出于工艺可达性，即纳米表面技术在制配涂覆层及改性层时，工艺上能达到的最佳厚度及最大厚度。在表面技术设计时，应找出工作要求厚度与可实现厚度之间的结合点，从而确定出涂覆层或改性层的厚度尺寸。并可据此提出有涂覆层零件的预加工量和涂覆层形成后的光整加工余量。不同的表面技术制备出的涂覆层及改性层的厚度见表14-7。表1

22、4-7 当前纳米表面技术制备出的涂覆层及改性层厚度表面技术涂覆层及改性层的厚度（mm）最佳厚度最大厚度纳米电刷镀镍镀层0.150.2纳米热喷涂0.20.510气相沉积0.0010.0030.1纳米粘涂0.210金属纳米化加工纳米化结构表层0.020.1一般的规律是，随着涂覆层厚度的增加，涂覆层的内应力加大，从而影响涂覆层自身的机械性能以及涂覆层与基体之间的结合强度。所谓最佳厚度是指工艺上容易实现、应用场合较多、综合机械性能又没有明显下降时的厚度。对于要求厚度较大的场合，可以采用设置“夹心层”的办法制备出复合式的涂覆层，以降低涂覆层内应力。在表面工程的术语中，有无膜、薄膜与厚膜之分。无膜是指通过

23、金属表面纳米化加工或离子注入或热渗扩等技术只改变表面的成分、组织结构，从而改变了表面的性能，零件表面没有尺寸变化，这类表面技术可称为表面改性技术。关于薄膜与厚膜有两种划分方法，一种是以膜的厚度来界定，如有的学者提出：小于25mm的膜称为薄膜，大于25mm的膜称为厚膜。笔者支持按功能进行分类的提法，即把各种保护性膜称厚膜（如耐磨层、耐腐蚀层、抗氧化层、隔热层等），而把各种功能膜称为薄膜（如光学膜、微电子膜、信息储存膜等）。本书又将薄膜、厚膜统称为涂覆层。14.6.3 涂覆层与基体的结合强度在选择表面技术时，必须考虑涂覆层与基体的结合是否牢靠，是否满足工作条件需要。涂覆层与基体金属的结合强度见表1

24、4-8。表14-8 涂覆层与基体金属的结合强度表面技术涂覆层与基体的结合强度纳米复合电刷镀冲击法60纳米等离子喷涂3080MPa纳米超音速火焰喷涂4090MPa纳米电弧喷涂2040MPa物理气相沉积高速钢上离子镀TiN,膜厚2m3m，对应结合力为220285MPa级纳米粘涂热粘2040MPa；冷粘1020MPa涂覆层与基体的结合强度，与涂覆层的制备工艺有重要的关联，前面列举的结合强度数值，是在严格执行预处理规范和严格执行涂覆层制配工艺的条件下获得的。不执行预处理规范和不正当的操作工艺就难获得理想的结合性能。涂覆层与基体的结合强度，还和零件材质的线胀系数、涂覆层材质的线胀系数之间的差异相关联。如

25、果二者的线胀系数差别较大，则结合强度下降。为了解决这一问题，通常采用附加过渡层的办法解决，对于大多数零件采用先制备底层，再制备工作层的方法，对于重要零件或线胀系数差别很大的零件，可采用逐步改变涂层成份的方法（通常称为梯度涂覆层）来保证结合性能。在气相沉积和电沉积技术中，十分强调镀层与基体材料的晶格类型。共格界面的结合强度最好，部分共格界面的结合强度次之，无相互作用的晶格界面结合强度最差。这一规律同样适用于多层、多相的复合涂覆层体系。涂覆层与基体的结合强度虽然是选择和论证表面技术时的一项重要指标，但不应追求结合强度越高越好，主要是看能否满足工作要求。定性地说，对于有润滑的动配合表面，有微动磨损的

26、静配合表面，摩擦副为金属或橡胶的密封面、气体或液体的冲刷面，上述纳米热喷涂技术、纳米复合电刷镀技术、纳米气相沉积技术以及纳米粘涂技术所制备的涂覆层，其结合性能都能满足工况要求，但是不能用于高接触应力交变负荷的齿轮齿面、轧钢机轧辊表面以及挖掘机铲齿、铲刃表面等。从定量上分析，一是涂覆层与基体之间的剪切强度应小于工作时表面受到的剪切力，二是为防止涂覆层在工作时变形，应计算出涂覆层在工作时的接触压力。例如青铜涂覆层的接触压力上限定为1.7MPa,大约是青铜屈服强度的14。阀门上工具钢类材质的涂覆层的接触压力上限规定为140MPa，大约是其强度极限的46。由于金属纳米化加工是在零件本身基材上制备出表面

27、纳米结构层，因而可以适用于轧辊表面，而且可使轧辊的使用寿命成倍提高。14.6.4 常用纳米表面技术的生产效率生产效率是影响生产成本的重要因素，在运用纳米表面技术在现场进行应急抢修时也是一个重要的时间因素。表14-9列出了纳米表面技术与生产率有关的数据。表14-9 几种纳米表面技术的生产率表面技术与生产率相关的因素沉积速率自动化生产与批量生产能力现场作业的适应性备注电刷镀镍基镀液12.7m/min单件生产、手工作业适合等离子喷涂110/h单件生产、半自动化或手工作业不适合沉积速率与喷涂材料及工艺规范有关超音速火焰喷涂不适合高速电弧喷涂适合化学气相沉积12m/h小件可批量生产、半自动化作业不适合还

28、需考虑真空釜的抽气时间及缓冷开釜时间；沉积速率与沉积的元素有关物理气相沉积450m/h粘涂单件生产、手工作业适合取决于涂胶时间和固化时间金属纳米化加工50m/60min可小批量生产、半自动化作业不适合14.7 选择表面处理材料选择表面技术是解决制备涂覆层的手段问题，选择表面处理材料则是解决涂覆层的表面性能问题。当前纳米表面工程技术比较成熟和应用得最多的技术途径是在涂覆层中添加纳米颗粒，以改善涂覆层的性能。因此表面处理材料由两部分组成，一是涂覆层主体材料，或称基料，二是纳米颗粒的材料种类及添加量。两种材料之间有时还存在相容性问题。在纳米复合镀和粘涂、涂装技术中，首先要将纳米颗粒进行干分散处理，然

29、后添加在镀液或胶中调匀。对于等离子喷涂和高速气流喷涂还要进行造粒，即将纳米颗粒制成适合于喷涂的“喂料”，高速电弧喷涂需要制成含纳米颗粒的粉芯丝材。纳米颗粒复合电刷镀材料体系及性能见表14-10，纳米等离子喷涂材料体系及性能见表14-11，纳米复合硬膜材料体系及性能见本书表5-1，纳米功能薄膜材料体系见表14-12。表14-10 纳米颗粒复合电刷镀材料体系及性能涂覆层材料体系镀液中纳米颗粒添加量g/L纳米颗粒粒度nm镀层硬度HV相对耐磨性耐疲劳周次×106（300f/2下）镀层适应工作温度Ni040045011.20200以下n-Al2O3/Ni203030806607002.22.5

30、1.98400以下n-TiO2/Ni5806401.92.21.47n-SiO2/Ni6506902.02.41.48n-ZrO2/Ni6306801.52.01.55n-SiC/Ni6006401.62.0400以下n-Dia/Ni6106501.41.8400以下表14-11 纳米等离子喷涂材料体系及性能喷涂种类材料种类纳米颗粒尺寸/nm喂料尺寸/m涂层与基体结合强度/MPa涂层硬度/HV0.2摩擦系数/孔隙率/%等离子喷涂Al2O3/ TiO22080101003080100012000.8510WC/Co150017000.5表14-12纳米功能薄膜的材料体系薄膜名称体系晶粒尺寸/膜层

31、厚度（nm）应用电学宽带隙薄膜金刚石，c-BN，DLC，AlN，SiC非晶态微米晶场发射器件铁电薄膜BaTiO3(BTO)，Pb(Zr,Ti)O3(PZT)，SrTiO3(STO)，(Ba, Sr)TiO3(BST),(Pb,La)(Zr,Ti)O3(BLZT)，ZnO，AlN，ZnO/AlN20-70nm电容器，薄膜传感器，微型压电电机，铁电随机存储器，光波导，热释电红外探测器铁电/超导多层膜BaTiO3(BTO)/YBa2Cu3O7-（YBCO），PZT/YBCO50-230nm微波器件，超导场效应晶体管光学光电发射薄膜Ag-Ce2O，Ag-BaO5-80nm光电转换发光薄膜Ge，Si/G

32、e，Si/ SiO2,Ge/SiO2， Si/ SixGe1-x ，ZnO2<10nm发光器件，激光器件磁学巨磁电阻膜Co/Cu，Fe/Ag，Fe/Mo， Co/Mn/Co，CoNi/Cu，CoxAg1-x/Ag，Co/Al，NixFe1-x/Mo0.2-4nm高密度磁头，磁电阻随机存储器，磁电阻传感器庞磁电阻膜Pr1-xSrxMnO320-300nm半导体、超导磁光效应膜TbFeCo，GdTbFeCo，Pt/Co，MnBiAl，0.3-40nm磁光盘信息存储稀土铁基硬磁膜Nd2Fe14B，Sm2Fe17Nix，Sm2Fe17Cx，（Sm2Fe17）x（1-x）Cy，0.2-60nm硬磁

33、薄膜声学声表面波薄膜Al2(Nb2O6)3，硅酸铝，金刚石<100nm滤波器件，缓时器件热学纳米太阳能吸热膜SnxAlyNzOw10-80nm太阳能换热器14.8复合表面技术的运用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（也称第二代表面技术）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，是表面工程的重要特色。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

34、复合、热喷涂与刷镀的复合、化学热处理与电镀的复合等。即使同一种表面技术，在其发展历程中也同样存在着博采众长与其它技术相互交叉的趋势。以离子注入为例：在用于半导体材料掺杂的离子注入基础上发展起来的束线离子注入技术可大大改善零件表面的耐磨性、耐疲劳性和光、电、磁性能。为了克服功能膜层比较薄的缺点，学者们将蒸镀、溅射镀膜技术与束线离子注入技术相结合发展了离子辅助镀膜（IAC）或离子束辅助沉积（IBAD）技术，既克服了一般镀膜技术中膜基结合不良的缺点，又将膜层厚度从原来的0.2m提高到了几微米甚至几十微米。由于束线离子注入存在着固有的视线限制，无法处理形状复杂或者较为大型的零件，近10年来国内外兴起了

35、等离子体浸没离子注入（PIII）技术，将工件浸没在等离子体中，能全方位处理形状复杂的零件，也能方便地处理大和重的工件。该技术在材料表面改性方面取得了巨大的成功。而沿着束线离子注入技术路线发展起来的MeVVA等离子体源，可以向金属表面注入金属离子，并在航空航天零部件的抗高温腐蚀方面取得了令人满意的效果。最近，一些研究者又综合了PIII和MeVVA二者的优点，实现了金属等离子体浸没离子注入与沉积（MePIIID）。这项技术既可进行纯金属等离子沉积，又可进行金属等离子体注入，还可任意改变二者的比例，为离子注入技术在表面改性方面的应用开拓了更为广阔的空间。纳米表面技术的研究成果丰富了复合表面技术的内涵

36、，也为表面技术设计中提高表面性能、降低生产成本、加快表面处理速度以及节省能源开辟了新途径。卢柯等学者对经过表面纳米化加工的纯铁进行渗氮处理试验，发现和传统渗氮处理工艺相比，渗氮处理温度由原来的500下降到300，处理的时间由原来的24h缩短到9h。这一成果是渗氮处理技术的重大创新，其意义是减小了渗氮处理对零件整体性能的热影响、提高了生产效率、节省了能源。材料表面经过纳米化加工后，获得了层厚约50mm的纳米晶，晶粒中含有大量晶界可以作为氮原子扩散的便捷通道，而且从热力学的观点分析，纳米结构层中在晶界和晶粒内部以非平衡缺陷的形式储存了过多能量，为氮化物的生成提供了额外动力。在此机理的作用下，还发现

37、铬、铝在纳米化层中的扩散速度亦明显增强，并可使扩散处理温度大幅度降低。这一实例展现了纳米复合表面技术广阔的前景。14.9 确定表面技术设计方案的方法在按前几节表面技术设计程序进行分析的基础上，可以提出若干个方案，通过联想对比和试验确定出优化方案。14.9.1联想对比法联想对比法是创新设计中的一个重要方法，在确定表面技术设计方案时经常用到。在联想对比中，首先要剖析老机型、旧零件的工况条件和失效形式及失效度，分析因果关系，明确改进思路。还可以联想对比同类和不同类的机械表面处理效果。表面工程已广泛应用于各个行业，学习其它行业的应用情况，了解工况条件相近的零件表面失效情况及防治措施对正确选择表面技术和表面材料有重要的参考价值。而飞机、汽车以及军用装备尤其具有代表性，是善于吸纳先进表面