表面工程技术序论

1、§1 序 论§1.1 表面工程技术一、基本定义表面：固体与气体，或液体与气体的交界面（固体与固体、固体与液体、液体与液体的交界面称为界面）。几何表面在几何意义上只有二维尺度、厚度为零的理想面。物理表面表面几个原子层厚度的部分，其结构、成分和机体部分有很大的不同，“表面物理”、“表面化学”、“表面与界面物理”是以表面和界面为研究对象的基础学科。二、表面的重要性大部分材料在应用时是通过表面起作用的，如摩擦性、腐蚀性能、裂纹的产生及扩展、疲劳断裂等均与表面有关。因此，材料表面的性质对材料的使用性能有着重要的作用，有时候甚至起着决定性作用。三、表面工程技术及其应用1、表面工程技术就

2、是运用各种物理、化学和机械工艺过程来改变材料表面的形态、化学成分、组织结构或应力状态，使其具有某种特殊性能，从而满足特定的使用要求。如：2、表面工程技术的应用表面防护类：（1）耐高温隔热、防火涂层耐高温、低热导率的氧化物。主要有Al2O3、CrO2、ThO2。用在航空发动机、火箭和导弹的喷管、推力室、航天器等方面。烧蚀涂层有良好的隔热能力，同时还有大的热容量、热辐射系数，在高温下升华，把热量带走，主要有有机物加石英纤维、陶瓷纤维、碳纤维制作的复合涂层。用在航天器（返回仓）。温控涂层用在人造卫星表面（温度在200+200）,使卫星内部温度变化不大，保证仪表的正常工作。（2）防腐蚀舰船用涂料海洋生

3、物的附着给舰船带来极大的危害，一方面会增加船体自重和船体摩擦阻力，使舰船航速明显下降，增加燃料消耗；另一方面会加速船体腐蚀，缩短舰船使用寿命。汞、砷等的化合物（毒性太大，被淘汰）>氧化亚铜为毒料，松香、沥青、乙烯树脂、氯化橡胶为基料的防污涂料>有机锡化合物应用到防污涂料中（能单独使用也能与氧化亚铜配合使用，具有广谱性和长效性，但当海水中有机锡含量高于0.1ppm时，将严重影响海洋生物的生长、繁殖，并会导致海洋生物遗传变异。因此，国际海事机构（IMO）1997年决定2003年1月1日起禁止在新造船舶上使用有机锡防污涂料，2008年1月1日起全面禁止在所有船舶上使用有机锡防污涂料）在船

4、体表面喷涂主要是锌、铝及其合金（例如85%Zn15%Al合金）来防腐，并与环氧沥青、环氧云铁、铝粉氯化橡胶和磷酸锌四种涂料涂层组成复合涂层。（3）耐磨损车床、刀具、钻头在使用中受到磨损，表面涂覆耐磨涂层可大大提高寿命。如：表面激光熔覆TiC/Ni基合金复合耐磨涂层；用火焰喷吐WC涂层；制备TiN涂层。钻井泵、发动机缸套、火电厂磨煤机的磨盘、磨辊在高速运动下极易磨损，可通过涂渡硬质涂层（Cr）、表面渗碳、渗硼、渗氮、淬火等技术提高其耐磨性。（4）抗疲劳如汽车车轴经过长期使用会产生疲劳、引起断裂，很容易造成事故。分析疲劳断裂的断口特征，可以发现99.9%断口的裂纹源位于零件的表层或次表层，而裂纹源

5、位于零件内部只是个别现象。强化零件表层或次表层就能有效地提高零件的抗疲劳能力，减少疲劳断裂带来的危害。通常使用喷丸强化技术可以使金属表面强度增加。（5）装饰表面装饰提高产品美观性，喷塑，涂料等。（6）防辐射紫外、X射线等的防辐射涂层。表面功能类：（7）声声表面滤波器是在一块具有压电效应的材料基片上蒸发一层金属膜，然后经光刻，在两端各形成一对叉指形电极组成。当在发射换能器上加上信号电压后，就在输人叉指电极间形成一个电场使压电材料发生机械振动（即超声波）以超声波的形式向左右两边传播，向边缘一侧的能量由吸声材料所吸收。在接收端，由接收换能器将机械振动再转化为电信号，并由叉指形电极输出）（8）光增透、

6、增反、滤波，薄膜波导等（9）电IT产业中，微电子制造业中大量使用的薄膜技术、表面氧化技术。（10）磁计算机硬盘表面的存储介质是铁磁性薄膜；飞机隐身涂层多采用铁氧体磁性耗能雷达吸波材料，如LiCd铁氧体、LiZn铁氧体和陶瓷铁氧体等一系列涂料，涂覆在飞机机体表面。§1.2 表面工程技术的基本特征综合性 交叉性 复合性表面工程技术在表面物理与表面化学的理论基础上，融会了材料学、摩擦学、力学、失效与防护、金属热处理、焊接、腐蚀与防护、光学、电子、生物、医学、环境、能源等学科。如：（1）对太阳能进行波段选择性吸收、反射、透射的涂层材料，可以使可见光透过、红外线反射，可以大大提高室内的保温效果

7、；大量能源利用设备采用表面合金涂层，提高了导热或绝热性能，大大降低了能耗。涉及到了材料的选择、制备、光学、太阳能利用等领域。（2）表面工程技术是微电子与信息技术发展的重要支柱，计算机的集成电路、光盘读写头、显示器、存储器、接口，以及光缆、卫星，表面技术遍及信息网络的各个角落。涉及到电子、信息、材料等领域。（3）生物芯片在基因图谱识别与地址图谱编制中，其识别和分辨率的高低很大程度上取决于传感器的表面材料。涉及到了生物、医学、材料、电子、信息等。§1.3 表面工程技术的发展表面工程技术是一门古老而新兴的学科。一、瓷釉：1、商代 3000年前（公元前16世纪）出现了青釉；2、周代 出现了琉

8、璃；琉璃（1）是指用各种颜色的人造水晶(含24%的氧化铅)为原料，用水晶脱蜡铸造法高温烧结而成的艺术作品。琉璃被誉为中国五大名器之首（金银、玉翠、琉璃、陶瓷、青铜）、佛家七宝之一。（2）指用铝和钠的硅酸化合物烧制成的釉料，常见的有绿色和金黄色两种，多加在黏土的外层，烧制成缸、盆、砖瓦等。3、唐朝（1000多年）发展到“唐三彩”。唐三彩：唐代彩陶的釉色有很多种，如浅黄、赭黄、浅绿、深绿、天蓝、褐红、茄紫等，但主要以黄、绿、白（或绿、赭、蓝）三色为主，所以称之为“三彩”。采用二次烧成法。首先使用白色粘土作胎，在窑内经过10001100的素烧，经过冷却，再于胎上绘以各种釉料入窑进行釉烧。唐三彩是一种

9、低温（850-950）釉陶器，用含有铜（釉为绿色）、铁（赭黄色）、锰（紫色）、钴（蓝色）、锑（浅黄）等作釉料着色剂，并加入铅、铝作助熔剂。其釉色互相渗化，加上年代久远，部分颜色发生变化并产生新色，具有较高的装饰艺术水平。但由于实用性较差，唐三彩主要用于随葬，即明器和俑。二、青铜器和木器表面的防绣、防腐技术湖北荆州楚墓中出土的越王剑（青铜剑），经地下2000年埋藏后还光彩绚丽、锋利无比，北京钢铁研究总院的柯俊院士用质子X射线荧光研究发现表面被镀上了一层含铬的金属，有5的硫，是表面防腐处理的结果；秦始皇墓二号坑出土的16把青铜剑同样保存完好、锋利无比，是因为表面涂覆铬的氧化物抗氧化涂层。还有在木头

10、（比如土葬用的棺材）表面涂刷桐油来防腐、防虫蛀。铬盐氧化处理方法，是近代才出现的先进工艺，德国在1937年，美国在1950年先后发明并申请了专利。铬是一种极耐腐蚀的稀有金属，地球岩石中含铬量很低，提取十分不易。再者，铬还是一种耐高温的金属，它的溶点大约在4000。三、“表面工程”的概念于1984年才由英国伯明翰大学的Tom Bell教授首次提出随即得到了全世界广泛的重视（1）有光表面工程的大事记：ü 1986年，国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程联合会联合会ü 1987年，中国机械工程协会表面工程研究所成立ü 1988年，表面工程创刊，1997年更名为中国

11、表面工程ü 1989年起，全国表面工程学术交流会每两年召开一次，2007年在佳木斯。ü 2000年，“堆焊与热喷涂专业委员会”更名为“堆焊及表面工程专业委员会”（2）在20多年的时间里，表面工程技术得到了快速的发展。ü 从单一表面工程技术发展到复合表面工程技术再到纳米表面工程技术ü 形成独立的材料表面工程学科：表面工程基础理论：表面失效分析、表面摩擦与磨损、表面腐蚀与防护、表面界面结合与复合；复合表面工程技术：复合表面技术、表面改性技术、表面涂层技术、表面薄膜技术、化学转化膜技术等；表面加工技术：表面质量检测与控制技术：表面工程设计：§1.4

12、表面工程技术的意义一、良好的节能、节材效果（1）中国主要支柱产业部门每年因机器磨损失效所造成的损失在400亿元人民币以上，而通过表面技术改善润滑，降低磨损可能带来的经济效益约占国民经济总产值的2以上。如三峡工程中的各种钢铁闸门，占大坝全长的72。既要防止酸雨和海蜊子等水中微生物的侵蚀，又要抵抗泥沙的冲刷。使用长效复合涂层可确保其使用寿命达到20年以上。（2）“十一五”规划强调：“我国要加快建设资源节约型、环境友好型社会，大力发展循环经济。”建设节约型社会、构建循环经济的主要原则是“4R”原则（Reduce、Reuse、Recycle、Remanufacture）。ü 再制造是其中最重

13、要且最活跃的要素。ü 表面工程技术是再制造的重要组成技术。ü 再制造工程是废旧设备高技术修复、改造的产业化。ü 再制造的重要特征是再制造后的产品的质量和性能达到甚至超过新品，成本只为新品的50%、节能60%、节材70%，对环境的不良影响显著降低。ü 再制造产品不是二手产品而属于新品。ü 再制造是先进制造的组成部分，也属于绿色制造。ü 再制造也是维修工程的组成部分，是维修发展的高级阶段。ü 我国已把表面工程作为一项重要内容，2010年长远发展规划，将作为一项重大的节能措施大力组织实施。二、节约贵重材料、节约成本在电子器件、电力

14、设备中，许多电极材料要求优良导电性、稳定的电阻以及优良的耐蚀性、可加工性、热稳定性等。由于金及金的合金具有上述优良性质，被广泛地应用。若把金做成薄膜电极则可极大的节约成本。三、实现材料表面复合化，解决单一材料无法解决的问题许多情况下，对材料的性能不能同时满足多种要求。轴承：整体要求韧性好、抗弯强度高，而颈部要求硬度高，而许多材料不能同时满足齿轮：表面要求硬度高，芯部要求韧性好刀具：刃部要求硬度高，其他部位要求韧性好用来制造上述部件的合金钢强度高、韧性好，但硬度低，可以在表面涂覆TiN、TiC、CNx等硬质膜来满足。四、促进新兴工业、高新技术的发展在电子信息技术中，表面工程可为其提供关键的薄膜材

15、料及功能器件ü 利用真空溅射镀膜的方法，通过荷能离子束轰击Si靶材，使靶材表面的原子飞逸出来，然后在大规模集成电路中以SiO2为基的绝缘衬底上生长Si的薄膜技术已得到应用。ü 金刚石薄膜具有极为优异的导热性、高介电性和半导体性能，是制作超大规模集成电路中最理想的功能材料，它主要是采用化学气相沉积的方法制备。ü 通过在人造生物器官中注入钛等离子可以大大提高器官的适应性，解决了人造器官与人体肌肉生物相容性的难题。ü 人造骨、关节、牙齿、皮肤、血管等人造生物材料已经开发成功，用等离子弧加热法喷涂制造人工齿根的技术也已得到应用。五、提高产品质量表面工程在制造、在

16、制造产业中的应用对提高产品寿命、性能有着重要的作用北京邮票厂从瑞士进口的七色机是高速轮转印邮票机，一个辊筒原来只能打50150万张，之后孔的质量严重下降，不能继续使用。近年来，七色机主要由于打孔器辊筒质量的原因，每年只能完成1000万张左右，而且还需要经常更换辊筒。清华大学和北京机电研究院利用高能量密度激光对邮票打孔器的辊筒的表层辐照，其表层被迅速加热至奥氏体化温度以上，并在激光停止辐射后快速自淬火得到马氏体组织，实现了固态相变硬化，即激光淬火，一个辊筒就可以打1000万张，每年直接经济效益为250500万元。六、对产品进行装饰，使富丽堂皇、美观大方，生活需要ü 如金丝边眼镜框、手表链呈金黄色，美观大方，是在表面镀了一层TiN薄膜ü 各种金属制品，如铝制暖气片、铝制天花板、钢制扶手等，通过表面喷塑或喷漆，可以克服冰冷、坚硬的感觉，还可以防止以外化伤。七、表面工程技术还具有重要的学术价值，促进了材料、机械、物理、化学等学科的发展（待补充）§1.5 表面工程技术的分类一、按工艺分类（13类）电镀、化学镀、热