表面工程与技术复习题

填空题固体表面吸附分为物理吸附、化学吸附两类。物理吸附中表面与被吸附质间的力是范德华力。在化学吸附中，吸附质与固体表面形成了化学键，强度比范德华力大得多。2.液体在固体表面上铺展的现象，称为润湿现象，一般用润湿角θ来描述润湿程度，θ减小，润湿性增长。3.电镀是运用（电解（原理或方式））使金属或合金沉积在工件表面，形成均匀、致密、结合力良好的金属层的过程，电镀时被镀工件作为（阴极）。4.电解液使阴极工作镀层厚度均匀分布的能力叫做叫做分散能力，影响分散能力的原因包括电化学原因和几何原因。5.形成化学转换膜的措施有两类。电化学措施为阳极氧化，化学措施为化学氧化，磷盐酸盐处理，铬酸盐处理，草酸盐处理。6.热喷涂（采用多种热源使涂层材料加热熔化或半熔化），然后用（高速气体使涂层材料分散细化）并以很高的速度喷射到事先准备好的工件表面上形成覆层的过程。7.化学镀是一种在催化条件下发生的氧化还原反应过程。化学镀溶液有金属离子、络合剂、还原剂、稳定剂和缓冲剂等构成。8.高能量密度的粒子束（简称高能束）是指高密度光子，电子，离子构成的激光束，电子束，离子束。9.气相沉积技术可分为（物理气相沉积）、（化学气相沉积），其中（物理气相沉积）包括（蒸发镀膜）（溅射镀膜）和（离子镀膜）。二．判断题1.互相接触的物体相对运动时产生的阻力，称为摩擦。两接触体之间的体现接触面积越大，摩擦力越大。（N）2．材料硬度提高，耐磨性增强。（Y）3.电子转移环节的阻力所导致的极化称为浓差极化。（N）4.电镀时阳极发生的副反应重要是析氢反应。（N）5.两种金属的原则电位相近，电镀合金时它们就能金属共沉积。（N）6.阴极和电解液的相对运动可以采用阴极移动，通入压缩空气搅拌，电解液循环流动等方式，得到较小的沉积速度（N）7.镀光亮镍不需要在电解液中加入光亮剂。（N）8.用周期换向电源电镀每个周期中工件作为阳极的时间比作为阴极的时间长得多。（N）9.铝及其合金的阳极氧化条件规定膜的生成速度等于膜的溶解速度。（N）10.粉末法渗铝法的渗铝剂由铝粉合金粉、Al2O3粉、氯化铵构成，其中Al2O3粉的作用是提供渗铝的来源。（N）三.名词解释（5*6）1.表面工程:将材料的表面与基体一起作为一种系统进行设计，运用多种表面技术，是材料的表面获得材料自身没有而又但愿具有的性能的系统工程。2.表面张力：液相表面有一种使其向液相内部收缩、表面积缩小的趋势的力即为表面张力。3.热喷涂：用专用设备把某种固体材料溶化并使其雾化，加速喷射到机件表面，形成一层特制薄膜，以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的一种工艺措施。4.化学镀：在水溶液中通过氧化还原反应在具有催化活性的金属表面沉积金属或合金涂层5.复合电镀：在电镀液中添加固体不溶微粒，通过电解作用，使镀液中的金属离子和固体微粒共沉积并均匀的分布在基体表层上形成复合涂层。6.脉冲电镀：运用脉冲电流，使电镀液中的金属离子通过电解作用沉积在基体表层形成涂层。7.物理气相沉积：通过物理作用，使气态或蒸气态的物质以物理作用力形式与集体结合而形成涂层。8.化学气相沉积：运用气态或蒸气态的物质在气相或气固界面上反应生成固态沉积物的技术。9.化学转化膜：是金属与特定的腐蚀液接触而在一定条件下发生化学反应，由于浓差极化作用和阴极极化作用等，使金属表面生成一层附着力良好的，能保护金属不易受水和其他腐蚀介质影响的化合物膜。10.钝化：金属在具有铬酸或铬酸盐的溶液中形成膜的过程称为钝化。11.磷化将金属制件浸入具有磷酸和可溶性磷酸盐的溶液中进行处理（或采用喷淋措施），使金属表面生成一层难溶的、附着良好的磷酸盐膜。12.准转化型磷化使用含游离磷酸和加速剂的重金属（锌、锰、铁）磷酸二氢盐溶液，钢铁表面上得到的是由重金属的磷酸一氢盐或正磷酸盐构成的膜，称为假转化膜（或准转化型磷化）。13.激光熔覆激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，并运用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的措施，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。14.离子注入离子注入技术是将从离子源中引出的低能离子束加速成具有几万到几十万电子伏特的高能离子束后注入到固体材料表面，形成特殊物理、化学或机械性能表面改性层。15.溅射镀膜在真空室内用正离子（一般是Ar+）轰击阴极（沉积材料做的靶），将其原子溅射出，迁移到基片（工件）上沉积形成镀层。四.简答题1.简述真空蒸发镀膜原理及其基本过程。答：在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体（称为衬底或基片）表面，凝结形成固态薄膜。真空蒸发镀膜的三种基本过程(1)热蒸发过程是由凝聚相转变为气相（固相或液相→气相）的相变过程。每种蒸发物质在不一样温度时有不相似的饱和蒸气压；蒸发化合物时，其组分之间发生反应，其中有些组分以气态或蒸气进入蒸发间。(2)气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运，即这些粒子在环境气氛中的飞行过程。飞行过程中与真空室内残存气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均自由程及蒸发源到基片之间的距离，常称源基距。(3)蒸发原子或分子在基片表面上的淀积过程，即是蒸气凝聚、成核、核生长、形成持续薄膜。2.简述热喷涂的基本过程。<1>预处理：包括去油、除锈、表面粗糙化。<2>喷涂：重要考虑这几种方面，它们都会影响到喷涂质量：①喷涂热源条件：燃料种类及和氧混合的比例。②材料输送：输送气体种类、速度和流量以及输送位置和角度。③喷涂材料：材料成分，物理性质，粉末形状、粒度，线料或棒料直径等。④机件：基体成分，基体温度、性能、表面处理措施。⑤喷涂操作：喷枪与机件距离，喷枪或机件移动速度，喷枪与机件的角度，喷涂气体介质等。<3>涂后处理：涂后要立即进行封闭处理或热处理。<4>精加工：喷涂后，涂层尺寸并不精确，需留有加工余量，进行磨削加工。3.简述铝和铝合金的阳极氧化工艺环节1、原理：以铝或铝合金制品为阳极，置于电解质溶液中进行通电处理，运用电解作用使其表面形成氧化铝薄膜的过程,称为铝及铝合金的阳极氧化处理。总反应：2Al＋3H2O→Al2O3＋6H++6e-。2、详细过程：电流通过时，阴极上，2H++2e-→H2，放出氢气；阳极上，4OH--4e-→2H2O+O2，析出的氧不仅是分子态的氧，还包括原子氧和离子氧，一般在反应中以分子氧表达。作为阳极的铝被其上析出的氧所氧化，形成无水的氧化铝膜，生成的氧并不是所有与铝作用，一部分以气态的形式析出。3、阳极过程：(1)Al→Al3++3e-(2)2H2O→O2+4H++4e-(3)3O2+4Al→2Al2O3……Al2O3膜生成(4)Al2O3+6H+→2Al3++3H2O……Al2O3膜溶解(3)，(4)是互相竞争的反应，但当(3)，(4)的反应速率相等时，即表达Al2O3膜的生成与消失速率相似，膜厚不再增长，虽然延长氧化时间，都不再有变化。二、铝和铝合金的阳极氧化工艺环节（一）表面预处理1、脱脂阐明：操作溫度50℃，将工件轻轻放入脱脂槽中，打开计时器，注意勿碰撞桶槽，时间届时将工件轻轻取出移至下一环节。目的：清除工件表面的油污。2、碱洗阐明：使用脱脂剂，操作溫度50℃,将工件轻轻放入碱洗槽中，打开计时器，注意勿碰撞桶槽，时间届时将工件轻轻取出移至下一环节。目的：将工件表面的氧化层清除，使其裸露纯净的金属基体。3、酸洗阐明：使用硝酸，操作温度常温，将工件轻轻放入酸洗槽中，打开计时器，,注意勿碰撞桶槽，时间届时将工件轻轻取出移至下一环节。目的：将工件表面的脏污清除。4、化抛阐明：使用磷酸，操作溫度92℃，将工件挂具轻轻放入化抛槽中，打开计时器并做左右旋转，注意勿碰撞桶槽，时间届时将工件轻轻取出移至下一环节。目的：对工件表面进行化学抛光增长光泽，由此決定阳极氧化后的光泽。（二）表面处理5、阳极氧化阐明：使用硫酸，操作溫度21℃，自动线将飞靶移至阳极槽并将挂架放入，定期器自动计时，当定期器时间完毕，自动将飞靶移至下一桶槽作业。目的：将工件表面转化为一层氧化膜，这层膜具有防护性装饰性以及某些其他功能特性。6、染色阐明：使用染料，操作溫度55℃，自动线将飞靶移至染色槽并将挂架放入，定期器自动计时，当定期器时间完毕，自动将飞靶移至下一桶槽作业。目的：根据客户颜色规定生产出光鲜亮丽的颜色。7、封孔阐明：使用封孔剂，操作溫度95℃，自动线将飞靶移至封孔槽并将挂架放入，定期器自动计时，当定期器时间完毕，自动将飞靶移至下一桶槽作业。目的：（１）.防止阳极氧化膜外观变坏。（２）.提高阳极氧化腊的耐磨性。（３）.最大程度的提高阳极氧化膜的耐点蚀性能。（４）.使染色氧化膜的退色降到最低程度。（５）.提高阳极氧化膜的抗侵蚀能力。（６）.提高阳极氧化膜的电绝缘性能，尤其是潮湿环境的绝缘性。8、干燥阐明：操作溫度50℃，自动线将飞靶移至烘干槽并将挂架放入，定期器自动计时，当定期器时间完毕，自动将飞靶移至下一作业。目的：将工件表面的水份烘干。4.简述化学转化膜的用途。①防锈防锈用化学转化膜重要用于如下两种状况：（1）对部件有一般的防锈规定，如涂防锈油等，转化膜作为底层很薄时即可应用；（2）对部件有较高的防锈规定，部件又不受挠曲、冲击等外力作用，转化膜规定均匀致密，且以厚者为佳。②耐磨耐磨用化学转化膜广泛地应用于金属与金属面互相摩擦的部位。表面上的磷酸盐膜层具有很小的摩擦系数，因此减少了金属面间的摩擦阻力。这种磷酸盐膜层还具有良好的吸油作用，在金属接触面间产生了一缓冲层，从化学和机械两个方面保持了基体，从而减小磨损。③涂装底层作为涂装底层的化学膜规定膜层致密、质地均匀、薄厚合适、晶粒细小。④塑性加工金属材料表面形成磷酸盐膜后再进行塑性加工，例如进行钢管、钢丝等冷拉伸，是磷酸盐膜层最新的应用领域之一。采用这种措施对钢材进行拉拔时可以减小拉拔力，延长拉拔模具寿命，减少拉拔次数。该法在挤出工艺、深拉延工艺等多种冷加工方面均有广泛的应用。⑤绝缘等功能性膜磷酸盐膜层是电的不良导体，因此很早就用它作为硅钢板绝缘层。这种绝缘层的特点是占空系数小，耐热性良好，并且在冲裁加工时可减少工具的磨损等。用溶胶一凝胶制得的膜，目前大多是功能性的。6.简述热喷涂技术的原理和特点。原理:用专用设备把某种固体材料熔化并使其雾化,加速喷射到机件表面,形成一特制薄层,以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的一种工艺措施。实际上就是用一种热源，如电弧、离子弧或燃气燃烧的火焰等将粉状或丝状的固体材料加热熔融或软化，并用热源自身的动力或外加高速气流雾化，使喷涂材料的熔滴以一定的速度喷向通过预处理洁净的工件表面形成涂层。特点:①取材范围广:几乎所有的金属,合金,陶瓷都可以作为喷涂材料,塑料、尼龙等有机高分子材料也可以作为喷涂料。②可用于多种基体:在金属,陶瓷器具,玻璃,石膏,甚至布,纸等固体都可以进行喷涂。③可使基体保持较低温度,基材变形小：一般温度可控制在30-200℃,从而保证基体不变形、不弱化。④工效高:操作程序少,速度快,如对同样厚度的膜层,时间比电镀用的少得多。⑤被喷涂物件的大小一般不受限制：既可对大型设备进行大面积喷涂，也可对工件的局部进行喷涂；既可喷涂零件，又可对制成后的构造物进行喷涂。⑥涂层厚度轻易控制：薄着可为几十微米，厚者可为几毫米。⑦可赋予一般材料以特殊的表面性能:耐磨,耐蚀,抗氧化,耐热,导电,绝缘等.⑧成本低,经济效益明显：但目前该技术仍存在着结合力低,孔隙率较高,均匀性差等缺陷，有待于深入发展。7.简述塑料电镀的基本过程和设备。答：（1）基本过程，=1\*GB3①清洁，清除塑料成型过程中留下的污物及指纹，可用碱剂洗净再用酸浸中和及水洗洁净。=2\*GB3②溶剂处理，使塑料表面能湿润以便与下一环节的调整剂作用。=3\*GB3③调整处理，将塑料表面粗化成内锁的凹洞以使镀层密着住不易剥离，也称为化学粗化。=4\*GB3④敏感化，将还原剂吸附在表面，使离子吸附于塑料表面具有还原性表面。=5\*GB3⑤成核，将具有催化性物质如金、吸附于敏感化（还原性）的表面，经还原作用结核成具有催化性的金属种子然后可以用无电镀上金属。（2）设备，塑料电镀机。8.简述刷镀与槽镀的区别刷镀的基本过程是用裹有包套浸渍特种镀液的镀笔（阳极）贴合在工件（阴极）的被镀部位并做相对运动形成镀层，刷镀电源串接于两级之间。为了稳定地向工件表面液层提供足够的被镀金属离子，高浓度的刷镀液直接泵送或自然回流阴阳极之间。

刷镀与槽镀相比：

(1)无电镀槽，设备简朴，不受零件尺寸的限制；

(2)电镀工艺简化，如：不需要包扎绝缘等；(3)镀层种类多：均匀、不均匀镀层等；

(4)沉积速度快，是有槽电镀的10～15倍，由此而得名。节省能源与工时。(5)镀后一般不要加工，镀层厚度可控制。9.简述离子注入材料表面的强化机理。解答：1离子注入基体表面的碰撞过程在离子注入过程中，被电离的离子在电场作用下加速运动，离子靠着自身获得的动能进入基体表面，并与表层晶体中原子核和电子发生碰撞，碰撞过程中，离子不停消耗其能量，离子的运动方向不停发生偏析，伴随其能量不停减少，最终停留在基体表层晶体内。1.1核碰撞注入离子与基体表层晶体内原子核的碰撞是个弹性碰撞过程。成果使固体中产生离子大角度散射和晶体中产生辐射损伤等。在离子能量比较低时，核碰撞起重要作用。1.2电子碰撞注入离子与基体表层晶体内电子(束缚电子和自由电子)的碰撞是个非弹性碰撞过程。成果也许引起离子激发原子中的电子或原子获得电子、电离或X射线发射。在离子能量较高时，电子碰撞是重要的。2离子注入强化机理2.1辐照损伤强化2.2弥散强化2.3沉淀强化2.4固溶强化2.5相构造强化2.6喷丸强化10.简述电镀的工艺过程。解答：电镀的工艺过程重要有如下流程；酸浸：重要作用是清除板面的氧化层，防止水份带入铜缸而影响硫酸的含量。清洁剂：这种清洁剂是酸性的，重要作用是清除板面的指纹、油污等其他残存物，保持板面清洁，实际上目前供PCB使用之酸性清洁剂，没有任何一种真正能清除较严重的指纹。故对油脂、手指印应以防止为重：并且须注意对镀阻层的相容性与同线中其他药液间的匹配性，及减少表面为张力，排除孔内气泡的能力。微蚀：由于多种干膜阻剂均有添加剂深入铜层的附著力增进剂，故在此一环节应清除20~50u〞的铜，才能保证为新鲜铜层，以获得良好的附著力。水洗：重要作用是将板面及孔内残留的药水洗洁净。镀铜：镀铜的药水中重要有硫酸铜、硫酸、氯离子、污染物、其他添加剂等成分11.简述发生化学气相沉积（CVD）反应必须满足的三个挥发性条件。为了适应CVD技术的需要，一般对原料，产物及反应类型等也有一定的规定。（1）反应原料是气体或易挥发成蒸汽的液态或固态物质。（2）反应易于生成所需要的沉积物而其他副产物保留在气相排出或易于分离（3）整个操作易于控制12.简述3类着色的机理，并给出简朴示意图。参照答案：金属表面着色的措施重要有电解发色法、化学染色法和电解着色法。这三种措施的着色机理不一样，发色体沉积的部位也互不相似。如图所示。图11－1

不一样着色措施发色体沉积的部位1.电解发色法电解发色是阳极氧化和着色过程在同一溶液中完毕，在铝合金上直接形成彩色的氧化膜。因此，电解发色法也称为电极着色一步法。发色体在多孔层的夹壁中或发色体的胶体粒子分布在多孔层的夹壁中，如图11－1a、b所示。电解发色是由于光线被膜层选择吸取了某些特定的波长，剩余波长部分被反射引起的。选择吸取与合金元素在膜层中的氧化状态或电解液成分与氧化膜中物质结合的状态有关。电解发色膜产生颜色的原因，虽然有种种解释，但似乎无明确结论。材料成分、溶液种类、氧化膜厚度以及操作条件等都对它有重要影响。2.化学染色法铝制品的阳极氧化膜用无机或有机染料都能进行浸渍着色。发色体沉积在氧化膜孔隙的上部。如图11－1c。最适合于染色的氧化膜，是经硫酸阳极氧化而得到的氧化膜。被浸渍着色的膜厚应为10～15微米。用于日用零件的装饰或防护时，在化学或电化学抛光后产生的膜（3～5微米）也能进行着色处理。有关有机染料着色机理有三种解释:①有机染料分子与膜内铅的化合物发生化学结合；②膜的重要成分氧化铝物理吸附，即氧化膜孔隙中物理吸附了沉淀的色料；③机械填充于膜的微孔之中。有机染料浸渍着色的氧化膜产生的颜色是由于光的吸取产生的。3.电解着色法（电解着色二部法）

铝或铝合金通过阳极氧化后，浸入更贵的金属盐溶液粒里，通过使用交流电进行极化或用直流电进行阴极极化来进行着色。在电场作用下，使金属离子在氧化膜孔隙的底部被还原沉积，成果使铝及其合金着色。因此，金属发色体沉积在多孔层的孔隙底部。如图11－1d和图11－2所示。图11－2

电解着色过程示意图电解着色法产生颜色的原因：由于氧化膜孔里沉积的镍、钴、锡、铜、银等金属颗粒直径不均匀所导致的。由于颗粒的分布，使得散射光的波长范围很宽，因此氧化膜看起来呈棕色。在着色时间较长时，有更多的金属沉积，且金属胶体的粒径分布更广，氧化膜呈黑色。在金属胶体粒径分布很狭窄时，可以产生像蓝、绿或红这样的基色。电沉积金属的粒径分布伴随金属的种类不一样而不一样，用硫酸镍可以得到粉红色、绿色、紫色和蓝色。铝在较低电压下进行硫酸阳极氧化时，阻挡层薄，阻挡层厚度差异也小，这时电沉积的粒度均匀，散射光