納米表面工程學(xué)習(xí)教案

1、納米納米(n m)表面工程表面工程第一頁，共34頁。3 實現(xiàn)表面納米化的三種途徑 在金屬材料表面獲得納米結(jié)構(gòu)表層主要途徑有三種：（1）表面涂覆或沉積方法 首先利用納米粉體制備技術(shù)獲得具有納米尺度的顆粒，再將這些(zhxi)顆粒通過表面技術(shù)固結(jié)在材料的表面，形成一個與基體化學(xué)成分相同（或不同）的納米結(jié)構(gòu)表層。第九章 納米(n m)表面工程 第1頁/共34頁第二頁，共34頁。3 實現(xiàn)表面(biomin)納米化的三種途徑 這種材料的主要特征是：納米結(jié)構(gòu)表層內(nèi)晶粒大小比較均勻、晶粒尺寸可以控制；表層與基體之間存在著明顯得界面；材料的外形尺寸較處理前有所增加。 許多常規(guī)表面(biomin)涂層和沉積技術(shù)

2、都具有開發(fā)納米表面(biomin)膜層的潛力，如PVD、CVD、電解沉積等。通過工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以控制納米結(jié)構(gòu)表層的厚度和納米晶粒的尺寸，整個工藝過程的關(guān)鍵是實現(xiàn)表層與基體之間以及表層納米顆粒之間的牢固結(jié)合。第九章 納米(n m)表面工程 第2頁/共34頁第三頁，共34頁。3 實現(xiàn)表面納米化的三種途徑 目前，這些技術(shù)經(jīng)過不斷地發(fā)展和完善，已比較成熟。（2）表面自身(zshn)納米化方法 對于多晶材料，采用非平衡處理方法增加材料表面的自由能，可以使粗晶組織逐漸細(xì)化至納米量級。這種材料的主要特征是：晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大；納米結(jié)構(gòu)表層與基體之間沒有明顯的界面；處理前后材料的外形尺寸基本不變。

3、第九章 納米(n m)表面工程 第3頁/共34頁第四頁，共34頁。3 實現(xiàn)表面納米化的三種途徑 由非平衡實現(xiàn)表面納米化主要有兩種方法，即表面機械（加工）處理法和非平衡熱力學(xué)法，不同方法所采用的工藝和由其導(dǎo)致納米化的微觀機理均存在著較大的差異。（3）混合納米化方法 在制備熱噴涂層、電刷鍍層、粘結(jié)層等表面工程涂覆層時，在基質(zhì)層中復(fù)合納米顆粒(kl)以改變涂覆層本身的綜合性能或制備出特殊的功能涂層。第九章 納米(n m)表面工程 第4頁/共34頁第五頁，共34頁。3 實現(xiàn)表面(biomin)納米化的三種途徑 目前，較為成熟的使用納米表面(biomin)工程技術(shù)制備的表面(biomin)涂覆層主要屬于

4、這種方式。第九章 納米(n m)表面工程 第5頁/共34頁第六頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù) 圍繞(wiro)以上途徑開展研究，當(dāng)前已經(jīng)開發(fā)出多種實用的納米表面工程技術(shù)。（1）納米薄膜制備技術(shù) 薄膜技術(shù)是通過某些特定工藝（常用濺射法），在物體表面沉積附著一層或者多層與基體材料材質(zhì)不同的薄膜，使物體表面具有與基體材料不同性能的技術(shù)。第九章 納米(n m)表面工程 第6頁/共34頁第七頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（1）納米薄膜制備技術(shù) 按薄膜的用途，可以將其分為功能性薄膜和保護性薄膜兩大類。兩大類中又有納米多層膜和納米復(fù)合膜之分。納米多層膜一般是由兩種厚度(hud)在納米尺度上的不同

5、材料層交替排列而成的涂層體系。第九章 納米(n m)表面工程 第7頁/共34頁第八頁，共34頁。4. 實用納米表面(biomin)技術(shù)（1）納米薄膜制備技術(shù) 由于膜層在納米量級上排列的周期性，兩種材料具有一個基本固定的超點陣周期，雙層厚度為510nm，一些涂層在X射線衍射圖上產(chǎn)生了附加的超點陣峰，對這些涂層又稱之為納米超點陣涂層。納米復(fù)合膜是由兩相或兩相以上的固態(tài)物質(zhì)組成的薄膜材料，其中至少有一相是納米晶，其他相可以是納米晶，也可以是非晶態(tài)。第九章 納米(n m)表面工程 第8頁/共34頁第九頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（1）納米薄膜制備技術(shù) 眾所周知(zhng su zhu zh)，

6、鍍鋅經(jīng)常作為鋼鐵材料表面的有效保護涂層，它的耐腐蝕性決定了鍍層的使用壽命。HE Jian-ping等在電鍍液中添加CeO2納米顆粒后，所得鍍層中CeO2的含量為O.22,此時鍍鋅層的耐蝕性比純鋅鍍層的提高了40 60，分析其原因，認(rèn)為這是由于CeO 2納米顆粒的存在使得電鍍層的微觀結(jié)構(gòu)更加均勻、細(xì)密，并使得晶面生長的擇優(yōu)取向由純鋅的(101)和(103)變?yōu)閱我坏?101)所致。第九章 納米(n m)表面工程 第9頁/共34頁第十頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（1）納米薄膜制備技術(shù) 利用氣相沉積法制備納米結(jié)構(gòu)的超硬復(fù)合薄膜是由Veprek等人于1995年提出的，從此，與此相似(xin s

7、)的許多硬質(zhì)薄膜被開發(fā)出來。西安交通大學(xué)的馬勝利等人利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積技術(shù)(PECVD)，通過合理控制電壓、電流密度、壓強和沉積溫度等參數(shù)，在不銹鋼基底上成功制備出納米復(fù)合膜Ti1-xAIxN-Si3N4。第九章 納米(n m)表面工程 第10頁/共34頁第十一頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（1）納米薄膜制備技術(shù) 這種納米結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜有著很高的紅硬性(yngxng)，在1000時仍能保持高硬度。分析表明，薄膜的這一優(yōu)異特性主要是由納米結(jié)構(gòu)相形成的。第九章 納米(n m)表面工程 第11頁/共34頁第十二頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（1）納米薄膜制備技術(shù) 清華大學(xué)在利用C

8、NTs（碳納米管）熔覆制備表面材料(cilio)方面取得了卓有成效的研究結(jié)果。魏秉慶等用激光熔覆和后續(xù)淬火處理對以45鋼為基體的CNTs涂層進行改性，在基體表面形成了CNTs-45鋼復(fù)合材料(cilio)。研究發(fā)現(xiàn)，用激光進行輻照后，CNTs與Fe發(fā)生反應(yīng)而生成Fe3C，表面變成亞共晶合金化層，而CNTs的結(jié)構(gòu)可保留下來，保溫一定時間淬火后表面硬度可達70 HRC ，同時具有優(yōu)異的耐磨性和表面耐腐蝕性。第九章 納米(n m)表面工程 第12頁/共34頁第十三頁，共34頁。4. 實用納米表面(biomin)技術(shù)（2）納米熱噴涂技術(shù) 熱噴涂是表面(biomin)工程領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛的技術(shù)，在各種

9、新型熱噴涂技術(shù)-如超音速火焰噴涂（HVOF）、高速電弧噴涂、氣體爆燃式噴涂、電熔爆炸噴涂、超音速等離子噴涂、真空等離子噴涂等不斷涌現(xiàn)的同時，納米熱噴涂技術(shù)已成為熱噴涂技術(shù)新的發(fā)展方向。第九章 納米(n m)表面工程 第13頁/共34頁第十四頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（2）納米熱噴涂技術(shù) 熱噴涂納米涂層組成可分為三類： 單一納米顆粒材料的復(fù)合體系，特別是陶瓷或金屬陶瓷顆粒的復(fù)合體系具有重要的作用和意義。目前，完全的納米材料涂層離普及及應(yīng)用還有相當(dāng)距離(jl)。大部分的研究開發(fā)工作集中在在傳統(tǒng)涂覆層技術(shù)基礎(chǔ)上，添加復(fù)合納米材料，可在較低成本情況下，使涂覆層功能得到顯著提高。第九章 納米(

10、n m)表面工程 第14頁/共34頁第十五頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（2）納米熱噴涂技術(shù) 例如，美國納米材料公司通過特殊粘結(jié)處理制成專用熱噴涂納米粉，用等離子噴涂方法獲得了納米結(jié)構(gòu)的Al2O3/TiO2涂層，該涂層致密度達9598，結(jié)合強度比傳統(tǒng)噴涂粉末涂層提高23倍，表明納米結(jié)構(gòu)涂層具有良好的性能。研究表明，采用熱噴涂技術(shù)制備的納米結(jié)構(gòu)涂層性能優(yōu)異，在一些貴重、關(guān)鍵(gunjin)零件的應(yīng)用方面具有良好前景。第九章 納米(n m)表面工程 第15頁/共34頁第十六頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（3）納米顆粒復(fù)合(fh)電刷鍍技術(shù) 電刷技術(shù)是表面工程的重要組成部分，該技術(shù)具有設(shè)

11、備輕便、工藝靈活、鍍覆速度快、鍍層種類多等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于機械零件表面修復(fù)與強化，尤其適用于現(xiàn)場及野外搶修。近年來，納米級顆粒材料在電刷鍍技術(shù)中的應(yīng)用，使芾惡化電刷鍍技術(shù)在高溫耐磨及抗接觸疲勞載荷領(lǐng)域呈現(xiàn)出強大生命力。第九章 納米(n m)表面工程 第16頁/共34頁第十七頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（3）納米顆粒復(fù)合電刷鍍技術(shù) 在電刷鍍鍍液中添加納米顆粒時制備的復(fù)合鍍層的摩擦性能有較大改善。在快速鎳鍍層中分別添加納米Al2O3、SiC、金剛石粉，通過(tnggu)對納米粉進行表面改性處理，有效地提高了納米粉在鎳基復(fù)合鍍層中的共沉積量，顯著的改善了納米粉在鍍層中的均勻程度。第九章 納

12、米(n m)表面工程 第17頁/共34頁第十八頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（3）納米顆粒復(fù)合電刷鍍技術(shù) 在不同的加熱溫度下，表現(xiàn)出比傳統(tǒng)快速鎳刷鍍層更好的顯微硬度和抗微動磨損性能。其中添加納米Al2O3復(fù)合鍍層的使用溫度達400，且在此溫度下復(fù)合鍍層的顯微值為HV600，抗接觸疲勞循環(huán)次數(shù)由傳統(tǒng)鍍層的2105提高到2106，提高了一個數(shù)量級。納米電刷鍍技術(shù)可用于設(shè)備(shbi)貴重零部件的修復(fù)與再制造。第九章 納米(n m)表面工程 第18頁/共34頁第十九頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（3）納米顆粒復(fù)合電刷鍍技術(shù) 在刷鍍液中加入納米顆粒，可以得到一種(y zhn)質(zhì)量更佳的復(fù)合

13、鍍層。如把80-100 nm的Al2O3 ，70-80 nm的ZrO2 和30-40 nm的SiO2加入到電刷鍍液中作為加強相，然后在A3鋼基體上刷鍍。掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，加入納米顆粒后鍍層中的晶粒更加均勻、致密。第九章 納米(n m)表面工程 第19頁/共34頁第二十頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（3）納米顆粒復(fù)合電刷鍍技術(shù) 在性能測試中，含有一定納米顆粒加強相的鍍層顯微硬度(yngd)明顯提高，當(dāng)納米顆粒的濃度超過某一范圍時，顯微硬度(yngd)的提高不再明顯。在高溫硬度(yngd)測試中發(fā)現(xiàn)。刷鍍層中納米顆粒的存在能夠減緩硬度(yngd)隨溫度升高時的下降，尤其是在300400 內(nèi)。

14、對于提高刷鍍層的耐磨性，納米顆粒的加強作用同樣是明顯的。第九章 納米(n m)表面工程 第20頁/共34頁第二十一頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（4）納米減摩自修復(fù)添加劑技術(shù) 機械部件的磨損，主要發(fā)生在邊界潤滑和混合潤滑狀態(tài)下，而潤滑油添加劑，特別是摩擦改進劑是降低其摩擦磨損最有效的途徑之一，也是國外表面工程中的重要發(fā)展(fzhn)方向。在一定溫度、壓力、摩擦力作用下，表面產(chǎn)生劇烈摩擦和塑性變形，納米顆粒在摩擦表面沉積，并與摩擦表面作用，填補表面微觀溝谷，從而形成一層具有抗磨減摩作用的修復(fù)膜。第九章 納米(n m)表面工程 第21頁/共34頁第二十二頁，共34頁。4. 實用納米(n m)

15、表面技術(shù)（4）納米(n m)減摩自修復(fù)添加劑技術(shù) 通過發(fā)動機臺架試驗，該技術(shù)可使整車的動力性、經(jīng)濟性以及尾氣排放都得到改善，燃油消耗率也降低了510。（5）納米(n m)固體潤滑干膜技術(shù) 固體潤滑技術(shù)是將固體物質(zhì)涂（鍍）于摩擦界面，以降低摩擦，減少磨損的技術(shù)。與常用的液體潤滑相比，固體潤滑技術(shù)不需要相應(yīng)的潤滑設(shè)備和裝置，不存在泄漏問題。第九章 納米(n m)表面工程 第22頁/共34頁第二十三頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（5）納米固體潤滑干膜技術(shù) 固體潤滑技術(shù)不僅擴充(kuchng)了潤滑油、脂的應(yīng)用范圍，而且彌補了潤滑油、脂的缺陷。例如，加入納米Al2O3顆粒，使固體潤滑干膜的摩擦系

16、數(shù)增大，耐磨性提高。某重載車輛平面彈子滾道部位，采用納米固體潤滑干膜對其進行處理后，涂層能有效地隔絕腐蝕介質(zhì)，同時涂層起到較好的減摩潤滑作用。該技術(shù)可用于特殊情況下，貴重零部件的減摩、耐磨。第九章 納米(n m)表面工程 第23頁/共34頁第二十四頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（6）納米粘結(jié)劑技術(shù) 表面粘涂與粘結(jié)技術(shù)是指以高分子聚合物與一些特殊功能填料（如石墨、二硫化鉬、金屬粉末、陶瓷(toc)粉末和纖維）組成的復(fù)合材料涂覆于零件表面實現(xiàn)特定用途（如耐磨、抗蝕、絕緣、導(dǎo)電、保溫、防輻射等）的一種表面工程技術(shù)。第九章 納米(n m)表面工程 第24頁/共34頁第二十五頁，共34頁。4. 實

17、用納米表面技術(shù)(jsh)（6）納米粘結(jié)劑技術(shù)(jsh) 納米材料因其優(yōu)異的特性，在表面粘涂與粘結(jié)技術(shù)(jsh)領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。例如，含金剛石的納米膠粘劑具有優(yōu)異的耐磨性和很高的粘結(jié)強度。實驗表明，隨著納米級金剛石粉在膠粘劑中加入量的增加，涂層的耐磨性提高，當(dāng)加入量為8時，耐磨性是未添加的2.2倍，拉伸強度可達50MPa，比未添加的提高27.5。第九章 納米(n m)表面工程 第25頁/共34頁第二十六頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（7）納米涂裝技術(shù) 納米復(fù)合涂料是指將納米顆粒(kl)用于涂料中所得到的一類具有抗輻射、耐老化、剝離強度高或具有某些特殊功能的涂料。例如，50120n

18、m球狀TiO2對衰減300400nm的紫外線有明顯效果；納米SiO2具有極強的紫外線反射能力，對波長400nm以內(nèi)的紫外線反射率達70以上，是一種極好的抗老化添加劑；60nm的ZnO吸收300400nm紫外線能力強。尤其是納米隱身涂料在軍事上有重要的應(yīng)用價值。第九章 納米(n m)表面工程 第26頁/共34頁第二十七頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（8）金屬表面納米化 大多數(shù)材料在服役時的失穩(wěn)始于其表面。因此只要在材料的表面制備出一定厚度的納米結(jié)構(gòu)表層，即實現(xiàn)表面納米化，就能夠通過表面組織和性能(xngnng)的優(yōu)化提高材料的整體力學(xué)性能(xngnng)和環(huán)境服役行為。尤其是材料表面的自身

19、納米化方法，使得晶粒尺寸在厚度方向逐漸增大，并且納米結(jié)構(gòu)層與基體之間沒有明顯界面，處理前后材料外形尺寸基本不變。第九章 納米(n m)表面工程 第27頁/共34頁第二十八頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（8）金屬表面納米化 對于多晶材料，采用非平衡處理方法增加材料表面的自由能。可以使粗晶組織細(xì)化達到納米量級，非平衡方法包括機械(加工(ji gng)處理法和非平衡熱力學(xué)法。盧柯院士使用表面機械研磨處理(SMAT)技術(shù)，以及一些常規(guī)的表面處理技術(shù)如噴丸和沖擊等在純鐵、低碳鋼、不銹鋼和鋁基合金等常規(guī)金屬材料上制備出納米結(jié)構(gòu)表層。第九章 納米(n m)表面工程 第28頁/共34頁第二十九頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（8）金屬表面納米化 例如，應(yīng)用超聲沖子沖擊工藝，可在Fe或不銹鋼表面獲得晶粒平均尺寸為1020nm的表面層。超聲沖子沖擊450s后純Fe表面層的顯微組織(zzh)形成了結(jié)晶位向為任意取向的納米晶相，晶粒平均尺寸為10nm，而Fe的原始晶粒尺寸約為50m。第九章 納米(n m)表面工程 第29頁/共34頁第三十頁，共34頁。4. 實用納米表面技術(shù)（8）金屬表面納米化 表面納米化改變了材料表面的組織和結(jié)構(gòu)，這不僅有效地改進了材料的性能，而且對材料整體的性能也產(chǎn)生了一定的影響。以低碳鋼