玻璃表面改性課件

1、玻璃的表面改性 第1頁，共54頁。第2頁，共54頁。二.玻璃的表面處理1.目的控制玻璃表面凹凸程度，形成光滑面或散光面。如化學(xué)蝕刻、毛蝕、化學(xué)拋光等。改變玻璃表面薄層組成，改善表面性質(zhì)，如表面著色。 第3頁，共54頁。在玻璃表面形成新的物質(zhì)薄層，以得到新的性質(zhì)。如表面導(dǎo)電玻璃、表面憎水玻璃等。.方法： （）玻璃化學(xué)蝕刻用氫氟酸溶掉玻璃表面層硅氧膜。 第4頁，共54頁。（）化學(xué)拋光用氫氟酸破壞表面原有硅氧膜，形成新的硅氧膜，提高表面光潔度、透光度?；瘜W(xué)拋光兩種方法：單純化學(xué)侵蝕，配合機械研磨為了不在玻璃表面留有雜質(zhì)，通常加入硫酸，溶解侵蝕生成物。 第5頁，共54頁。（）表面金屬鍍層在玻璃表面鍍上

2、一層金屬膜，例如反射鏡、保溫瓶、導(dǎo)電玻璃等等。 常用化學(xué)方法（還原法、水解法）和真空沉積法（如真空蒸發(fā)鍍膜，真空電子槍蒸鍍，陰極濺射鍍膜）。第6頁，共54頁。（）表面導(dǎo)電膜在玻璃表面鍍上過渡金屬氧化物或金屬薄膜，使其具有良好導(dǎo)電性。 制造方法包括熱噴霧法，浸漬法，真空沉積法，還原法等。第7頁，共54頁。（）表面憎水薄層：在表面施加硅有機化合物等鍍層，起到憎水作用。用于高濕度下的觀察窗、電氣絕緣材料、防止玻璃表面漏電、防止風(fēng)化。常用聚硅酮作為憎水涂層。制備方法：噴霧法、浸漬法等。第8頁，共54頁。（）表面著色：高溫下，用著色離子的金屬、熔鹽、鹽類的糊狀膏涂覆在玻璃表面，使著色離子與玻璃中的離子發(fā)

3、生交換，進入玻璃表層內(nèi)著色。第9頁，共54頁。（）光學(xué)薄膜增透膜減少光的反射，增加光的透射。原理：利用膜與玻璃中反射光的相位干涉使反射光線相互抵消。條件：膜的厚度為/4，或/4的奇數(shù)倍。第10頁，共54頁。反光膜：提高光線的反射率。常見的是銀、鋁涂層。分光膜：薄膜在一定波長范圍內(nèi)具有一定的反射率與透射率，可以將入射光分為反射與透射兩部分。第11頁，共54頁。濾光膜吸收、干涉原理中性密度濾光膜：在一個很寬的光譜內(nèi)，均勻的降低入射光束強度的濾光膜。由單層金屬制成。截止濾光膜：特征曲線干涉截止：長波通、短波通帶通濾光膜：只允許一定寬度光波通過的濾光片。第12頁，共54頁。第三節(jié)三束表面改性三束指：激

4、光束、離子束、電子束。 采用三束對材料表面進行改性具有如下特點： 激光束的能量密度大，被處理的材料表面向里能夠產(chǎn)生1068K/cm的溫度梯度，從而使表面薄層迅速熔化。 第13頁，共54頁。 由于溫度梯度大，這樣冷的基體又會使熔化部分以10611K/s的速度冷卻，這種極高的加熱和冷卻速度，可在材料表面制得微晶、非晶及其它一些奇特的、熱平衡相圖上不存在的亞穩(wěn)合金（非平衡相），從而賦予材料表面以特殊的性能。第14頁，共54頁。利用離子束注入技術(shù)，可把異類原子直接引入表面層中進行表面合金化。 三束用于材料表面處理時，由于加熱速度極快，所以基材的整體溫度在加熱過程中可以不受影響。 第15頁，共54頁。一

5、.激光束表面改性技術(shù)應(yīng)用光學(xué)透鏡將激光束聚集到很高的功率密度與很高的溫度，照射各種材料表面，借助于材料的自身傳導(dǎo)冷卻，來實現(xiàn)材料表面改性的方法。第16頁，共54頁。.激光束的產(chǎn)生某些具有亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)的物質(zhì)（如氦、氖、二氧化碳）受外界能量激發(fā)時，使其處于亞穩(wěn)態(tài)能級的原子數(shù)目大于處于低能級的原子數(shù)目，具有這種特性的物質(zhì)稱為激活介質(zhì)。 第17頁，共54頁。第18頁，共54頁。.激光束的特點（）高功率密度（高亮度）：經(jīng)過光學(xué)透鏡聚集后，功率密度可達1014/cm2，焦斑中心的溫度可達幾千度至幾萬度，比太陽的表面亮度高1010倍。（）方向性好：激光可認為是近似平行光束，因為激光束的發(fā)散角小到0.1mr

6、ad，是其它光源無法達到的。 第19頁，共54頁。（）高單色性： 激光源發(fā)出的激光束具有相同的位向與波長，光譜線寬可調(diào)節(jié)到10-7，比其它單色性最好光源的光譜寬度小幾個數(shù)量級。 第20頁，共54頁。.激光束表面處理的特點 （）激光束處理后的材料表面的化學(xué)均勻性很高，晶粒細小，因而表面硬度高，耐磨性好。 （）在激光處理表面處理過程中，表面層發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而存在殘余壓應(yīng)力，提高疲勞強度。 第21頁，共54頁。（）與常規(guī)熱處理相比，激光表面處理在不損失韌性的情況獲得了高的表面性能。 （）處理部位可任意選擇，例如盲孔、槽溝等特殊部位均可采用激光進行處理。（）輸入能量少，熱變形小。 第22頁，共54頁。

7、（）能量密度高，加工時間短。 （）激光處理后，表面光潔度高，只需少量的表面加工。 （）工藝過程無需真空、無化學(xué)污染。 第23頁，共54頁。.常見的激光表面處理工藝： 激光表面淬火、表面合金化、熔覆、非晶化、沖擊硬化及晶粒細化等。（）激光表面淬火： 也稱為激光相變強化，指碳鋼或合金鋼在室溫下經(jīng)激光輻射，表層被迅速加熱至奧氏體化溫度以上，在激光停止輻射后，快速自冷淬火得到馬氏體組織的一種工藝方法。 第24頁，共54頁。激光表面淬火對材料的性能有如下影響：硬度升高。改善疲勞性能。鋼經(jīng)激光表面淬火后，表層發(fā)生馬氏體相變而體積膨脹，從而在表層形成殘余壓應(yīng)力，可大大提高疲勞強度。第25頁，共54頁。提高耐

8、磨性能。激光表面淬火后，表層晶粒明顯細化，有利于提高韌性綜合性能指標，同時硬度升高，可顯著提高耐磨性。殘余應(yīng)力。第26頁，共54頁。（）激光表面合金化： 預(yù)涂在材料表面的混合元素粉末，在激光束的輻射下熔化，并向基材推移，直到預(yù)涂粉末與界面處的基材達到熔化。激光停止輻射后，熔化區(qū)自界面處向表面冷卻，最后獲得與基材達到冶金結(jié)合的合金涂層。 第27頁，共54頁。（）激光熔覆： 將預(yù)先配好的合金粉末，預(yù)涂到基材表面。在激光的輻射下，混合粉末熔化形成熔池，直到基材表面微熔。激光停止輻射后，熔化區(qū)凝固，并在界面處與基材達到冶金結(jié)合。第28頁，共54頁。與激光表面合金化的差異為：激光熔覆過程中不是將預(yù)涂混合

9、粉末與基材元素混合，只是在界面處與基材冶金結(jié)合。激光熔覆的目的是提高零部件表面的耐磨、耐熱與耐腐蝕性能。第29頁，共54頁。（）激光非晶化： 是指金屬表面在激光束輻照下熔化并快速冷卻，熔化的合金在快速凝固過程中來不及結(jié)晶，從而在表面形成厚度為110m的非晶 ，這種非晶薄層不僅具有高強度、高韌度、高耐磨性和高耐蝕性，而且具有獨特的電磁性和氧化性。 第30頁，共54頁。（5）激光沖擊硬化： 是指金屬表面在激光束輻照下迅速汽化，在表面原子逸出期間，發(fā)生動量脈沖而產(chǎn)生了強的機械沖擊波和應(yīng)力波，使表面硬化。第31頁，共54頁。（6）激光晶粒細化： 是指利用激光束輻照，使材料表面微熔而快速冷卻，獲得微細晶

10、粒，從而改善表面質(zhì)量，提高硬度與耐磨性等機械性能。第32頁，共54頁。二.離子束表面強化 離子束注入，是指把所需要元素的原子電離成離子，并使其在幾十至幾百千伏的電壓下進行加速，進而轟擊零部件表面，使離子注入表層一定深度的真空處理工藝技術(shù)。 第33頁，共54頁。.離子注入的基本過程 首先，以氣態(tài)形式存在的原子或分子被電離成離子，離子在幾萬伏至幾十萬伏電壓的加速系統(tǒng)中獲得高能量。具有高能量的離子束轟擊零部件表面，離子注入表面后，與零部件內(nèi)部的原子和電子發(fā)生各種碰撞：第34頁，共54頁。注入離子與基體原子的原子核發(fā)生彈性碰撞，使基體產(chǎn)生離子大角度散射或受到輻射損傷，此過程稱為核碰撞。注入離子與基體內(nèi)

11、的電子發(fā)生非彈性再碰撞，使原子失去或獲得電子而發(fā)生電離或產(chǎn)生X射線，此過程稱為電子碰撞。注入離子在上述多次碰撞后，耗盡自身能量而停止運動，保留在基體表層中。第35頁，共54頁。.提高材料機械性能的基本原理（）損傷強化：在離子注入過程中，高能量的離子與組成基體的原子核發(fā)生彈性碰撞，從而使晶格受到損傷畸變而得到強化。 當(dāng)碰撞傳遞給晶格原子的能量大于晶格原子的結(jié)合能時，將使其發(fā)生移位而形成空位。 第36頁，共54頁。（）間隙固溶強化： 一些非金屬元素如N、C、B注入金屬表層，在金屬的晶格中處于間隙位置，使晶格產(chǎn)生畸變，阻礙位錯運動，提高表面層的強度與硬度。第37頁，共54頁。（）偏聚強化： 若基體中

12、存在位錯，則在位錯附近能量較高，若注入原子半徑較小的原子（如C、N原子），這些原子往往偏聚在位錯附近，降低位錯能量狀態(tài)，這樣在外力的施加過程中位錯不易起動，從而提高屈服強度。 第38頁，共54頁。（）沉淀強化： 當(dāng)注入元素的含量超過其固溶度時，注入元素與基體中的某些元素以化合物的形式在基體中彌散沉淀析出，化合物尺寸較小，形成彈性應(yīng)力場，從而提高表面硬度。第39頁，共54頁。（）殘余壓應(yīng)力： 零部件表面注入離子后，由于表層的體積增大而形成殘余壓應(yīng)力，使其在疲勞載荷的作用下，裂紋不容易在表面產(chǎn)生與擴展，從而提高疲勞強度。 第40頁，共54頁。.改變材料表面化學(xué)性能的原理（）表面鈍化層： 在鋼基體表

13、面注入易產(chǎn)生鈍化元素，如Cr、Al、Si、Ta等元素，使表層的化學(xué)成分接近于耐腐蝕鋼的化學(xué)成分，從而在腐蝕過程中形成鈍化膜而提高耐腐蝕性。第41頁，共54頁。（）表面惰性層： 注入惰性元素，如Cu、Ni等，形成抗腐蝕性強的惰性表層，提高表層的化學(xué)穩(wěn)定性，改善耐腐蝕性能。（）單相結(jié)構(gòu)表層： 由于高能量離子束的注入作用，可獲得冶金方法得不到的單相固溶體。表層的單相組織結(jié)構(gòu)避免了不同相之間的電極電位差，從而提高耐腐蝕性能。第42頁，共54頁。（）表面層非晶化： 采用重離子，以較大的能量進行注入，使基體表層的原子周期性排列結(jié)構(gòu)被打亂，形成非晶態(tài)。在非晶相中不存在晶界、位錯等缺陷，降低表層的微電池數(shù)目，

14、提高耐腐蝕性能。第43頁，共54頁。（）表面氧化膜致密與增厚： 離子注入的撞擊使表層的溫度升高，使原子擴散速度增加，從而使已形成的氧化膜致密并增厚，該致密膜往往與基體之間的結(jié)合強度高，對表面的腐蝕起到良好的保護作用。第44頁，共54頁。.離子束注入工藝技術(shù)的優(yōu)缺點 （）優(yōu)點：由于注入的離子能量很高，因此，離子注入的過程是非熱力學(xué)平衡過程，可將在熱力學(xué)上與基體不互溶的元素注入基體中。因此，可選擇任意元素注入任意基體材料中。第45頁，共54頁。由于離子注入是高能量輸入的動力學(xué)過程，因此獲得的表面層組成相不受傳統(tǒng)的熱力學(xué)限制，可獲得其它方法得不到的新合金相。離子注入表層與基體材料無明顯界面，使力學(xué)性

15、能在注入層至基材為連續(xù)過渡，保證了注入層與基材之間具有良好的動力學(xué)匹配性，避免了表面層的破裂與剝落。第46頁，共54頁。離子注入為常溫真空表面處理技術(shù)，因此，零部件經(jīng)表面處理后，無變形，無氧化，保持的尺寸精度和表面狀態(tài)。第47頁，共54頁。（）缺點 離子注入層薄離子束從發(fā)射至零部件表面為直線行進，因此，不能處理復(fù)雜的凹腔表面。由于離子注入需在真空下進行，因此，零部件的尺寸受到真空室尺寸的限制。離子注入設(shè)備比較昂貴，因此工藝成本較高。第48頁，共54頁。三.電子束表面改性處理.電子束的產(chǎn)生及其材料表層的作用 電子由電子槍陰極發(fā)射后，在加速電壓的作用下，速度高達光束的2/3。高速電子束經(jīng)電磁透鏡聚集后輻照在待處理的工件表面。第49頁，共54頁。第50頁，共54頁。當(dāng)高速電子束照射到金屬表面時，電子能達到金屬表面一定深度，與基體金屬的原子核及電子發(fā)生相互作用。電子與原子核的碰撞可看作為彈性碰撞，因此能量傳遞主要是通過電子與金屬表層電子碰撞完成的。所傳遞的能量立即以熱能形式傳給金屬表層電子，從而使被處理金屬的表層溫度迅速升高。第51頁，共54頁。.電子束表面處理的主要特點（1）加熱和冷卻速度快。 將金屬材料表面由室溫加熱至奧氏體化溫度或熔化溫度僅需千分之幾秒，其冷卻速度可達到106108/s （2）工件經(jīng)電子束表面處理后的變形很小，幾乎