精選表面工程技術(shù)

1、Materials Surface Engineering材料表面工程張湘輝Z2014.09.051.材料表面工程技術(shù). 王振延，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社. 2.材料表面工程導(dǎo)論. 趙文軫，西安交通大學(xué)出版社. 4.表面工程. 徐濱士，劉世參，機械工業(yè)出版社.3.表面工程. 劉新田，河南大學(xué)出版社.5. Surface Engineering. ASM Handbook, Vol. 5, 1994.參考文獻2Company Logo一些有用的資源3Company Logo材料表面工程技術(shù) 概論1表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ)2表面淬火和表面形變強化技術(shù)3熱噴涂技術(shù)4 電鍍和化學(xué)鍍5氣相沉積技術(shù)6高能

2、束表面改性技術(shù)74Company Logo學(xué)習(xí)本課程的目的和要求學(xué)習(xí)掌握表面工程技術(shù)的基本理論和基本特點。能夠根據(jù)工程的需要選擇相應(yīng)的表面工程技術(shù)或幾種技術(shù)的組合，選擇所用材料和制定最佳工藝，解決工程問題。具備基本的研究與開發(fā)表面工程新技術(shù)的能力。5Company Logo材料表面工程 第一章 概論6Company Logo第一章 材料表面工程概論主要內(nèi)容：1.1 表面工程的概述1.2 表面工程技術(shù)的功能與分類1.3表面工程的科學(xué)體系1.4表面工程技術(shù)的應(yīng)用1.5表面工程技術(shù)的發(fā)展趨勢7Company Logo1.1 表面工程 （Surface Engineering）“Surface Eng

3、ineering is treatment of the surface and near-surface regions of a material to allow the surface to perform functions that are distinct from those functions demanded from the bulk of the material” -from ASM Metal Handbook“Solids are composed of a bulk material covered by a surface. The surface which

4、 bounds the bulk material is called the Surface phase. Surface engineering involves altering the properties of the Surface Phase in order to reduce the degradation over time. ” - from Wikipedia“材料表面工程是材料表面處理技術(shù)的總稱”-趙文軫8Company Logo表面工程技術(shù)源遠流長9“承旋”，酒器，東漢建武年間，現(xiàn)藏于北京故宮博物院獸形盒硯，東漢制，出土于1980年陜西臨潼姜寨新石器時代墓葬品，由石

5、硯、盒身、盒蓋三部分組成 中國古代的鎏金工藝 9Company Logo表面工程技術(shù)源遠流長世界三大名刃之一日本刀的覆土燒刃 10Company Logo1.1 表面工程1.1.1表面技術(shù)及其發(fā)展背景 19世紀(jì)工業(yè)革命以來，為適應(yīng)高強度、高硬度和耐磨、耐蝕、耐高溫等特殊要求，需不斷開發(fā)各種特殊的合金材料，但這些材料往往價格昂貴。因此，人們試圖采用各種表面技術(shù)對普通鋼材表面進行加工，改變其表面性能，以適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境。 另外，磨損、腐蝕等失效都是首先發(fā)生在材料表面，通過對材料表面進行有效處理，可極大地提高材料壽命。基于這樣的背景，逐步形成了一門新興學(xué)科表面工程學(xué)。11Company Logo1

6、.1.1 表面工程技術(shù)發(fā)展背景 磨損、腐蝕、斷裂是機械零件工程構(gòu)建的三大主要破壞形式。前二者造成經(jīng)濟損失占很大比重。數(shù) 據(jù)磨損美國：美國國家材料政策委員會向美國國 會提出的一份報告： 摩擦磨損引起的損失1000億美元/年；德國：1983年，前聯(lián)邦德國調(diào)查，摩擦磨損損失287億馬克；英國：摩擦磨損損失51500英鎊/年；12Company Logo腐蝕美國：國家標(biāo)準(zhǔn)局1978年調(diào)查： 1975年腐蝕損失達820億美元，占國民生產(chǎn)總值的4.9%； 1995年腐蝕損失達3000億美元；中國：1983年調(diào)查：腐蝕損失400億元/年腐蝕和磨損均是發(fā)生于機件表面的材料流失過程，其他形式的失效過程有許多也是

7、從表面開始延緩和控制表面破壞的方法促進了表面工程學(xué)的發(fā)展與形成13Company Logo表面工程技術(shù)的背景 表面工程概念的提出始于20世紀(jì)80年代。1983年英國TBel教授首先提出了表面工程的概念。表面工程學(xué)科發(fā)展的重要標(biāo)志是1983年英國伯明翰大學(xué)沃福森表面工程研究所的建立和1985年國際刊物表面工程的發(fā)行。1986年10月國際熱處理聯(lián)合會決定接受表面工程的概念，并把自己的會名改為國際熱處理及表面工程聯(lián)合會。14Company Logo表面工程技術(shù)的背景表面工程形成一門獨立的學(xué)科是近 20 來年的事： 1983年 表面工程的概念被首次提出 1986年 國際熱處理聯(lián)合會更名為國際熱處理與表

8、面工程聯(lián)合會 1987年 中國機械工程學(xué)會表面工程研究所成立 1988年表面工程雜志創(chuàng)刊，后更名為中國表面工程 2000年 全國焊接學(xué)會原“堆焊與熱噴涂專業(yè)委員會”正式更名為“堆焊及表面工程專業(yè)委員會”。目前，全世界范圍內(nèi)，表面工程的應(yīng)用已取得巨大的經(jīng)濟效益，而且也逐漸發(fā)展成為橫跨多個學(xué)科的邊緣性、綜合性、復(fù)合型學(xué)科15Company Logo表面技術(shù)的定義 Raw materialenergyProductProductSurface EngineeringGood product+16Company Logo1.1.2 表面技術(shù)的定義表面工程學(xué)圍繞腐蝕、摩擦與磨損和功能特性（聲，光，磁，電

9、的轉(zhuǎn)換）三大因素，成為80年代后期重點發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，形成表面工程學(xué)。定義為滿足特定的工程需求，使材料表面或零部件表面具有特殊的成分，結(jié)構(gòu)和性能(或功能)的化學(xué)，物理方法與工藝。17Company Logo從廣義上講，表面技術(shù)是直接與各種表面現(xiàn)象或過程有關(guān)的，能為人類造?；虮蝗藗兝玫募夹g(shù)。任何表面在通常情況下實際上都是界面。兩種不同相之間的交界，稱為界面，在任何兩相界面上都可以發(fā)生復(fù)雜的物理或化學(xué)現(xiàn)象，總稱為表面現(xiàn)象。固體材料的界面有三種：表面 固體材料與氣體或液體的分界面。晶界（或亞晶界） 多晶體內(nèi)部成分、結(jié)構(gòu)相同而取向不同晶粒（或亞晶）之間的界面。相界 固體材料中成分、結(jié)構(gòu)不同的兩相

10、之間的界面。表面技術(shù)主要包括：表面覆蓋（在材料的表面施加各種覆蓋層）、表面改性、表面加工以及表面濕潤、表面催化、膜技術(shù)等。18Company Logo1.1.3 表面工程學(xué)的內(nèi)涵表面改性技術(shù)；1表面合成材料技術(shù)；3表面加工技術(shù)；2提高耐磨性、耐蝕性、抗高溫氧化性能、裝飾性，或具有特殊功能（如電性能、磁性能和光電性能等）能夠在材料表面加工或制作各種功能結(jié)構(gòu)元器件的有關(guān)技術(shù)。如光刻技術(shù)、離子刻蝕技術(shù)等 表面加工三維合成技術(shù)；4即借助各種手段在材料表面合成新材料的技術(shù)，如納米粒子制備過程中的表面工程技術(shù)、離子注入等快速成型制造上述幾個要點的組合或綜合；519Company Logo內(nèi)涵擴展表面工程技

11、術(shù)所涉及的基材包括幾乎所有的工程材料，如金屬、陶瓷、半導(dǎo)體材料、高分子材料、混凝土、木材和各類復(fù)合材料等，所涉及的工藝方法數(shù)以百計，各具特點。經(jīng)過內(nèi)涵擴展以后的表面工程技術(shù)，由單純的表面改性擴展到表面加工和合成新材料等領(lǐng)域，涵蓋材料科學(xué)、物理、化學(xué)、冶金、機械、電子與生物等領(lǐng)域，成為新型的、名副其實的交叉學(xué)科。20Company Logo1.1.3 、使用表面技術(shù)的目的1.提高材料抵御環(huán)境的能力，同時具有裝飾的效果。通過使用表面技術(shù)，可以提高材料在各種介質(zhì)（如空氣、淡水、海水、土壤、酸、堿、鹽等）中的耐蝕性，還可以提高材料表面的硬度，從而提高材料的耐磨性以及耐疲勞性。有不銹鋼鏡面板;不銹鋼絲紋

12、板;不銹鋼刻花板;不銹鋼彩色板;著色鋁合金制品;彩色鋼板;金屬表面的仿金電鍍層等。21Company Logo1.1.3、 使用表面技術(shù)的目的2.賦予材料表面某種功能特性。包括光、熱、電、磁、聲、吸附、分離等各種物理和化學(xué)特性。3.實施特定的表面加工來制造構(gòu)件、零部件和元器件等。4.修補金屬表面的缺陷和磨損普遍采用熱噴涂技術(shù)修復(fù)磨損件。刷鍍是修補金屬表面磨損比較廉價的手段。特點是設(shè)備簡單，操作靈活，適于野外和現(xiàn)場修復(fù)，特別是對于大型、精密設(shè)備的現(xiàn)場不解體修復(fù)，更具有獨特的優(yōu)點。目前刷鍍技術(shù)已廣泛用于修復(fù)加工超差件，以及工件表面磨損、凹坑和斑蝕等缺陷部位。22Company Logo1.1.4、

13、表面技術(shù)迅速發(fā)展的原因首先，表面工程技術(shù)的屬性是其迅速發(fā)展的基礎(chǔ)。表面工程具有學(xué)科的綜合性、手段的多樣性、廣泛的功能性、潛在的創(chuàng)新性、環(huán)境的保護性、很強的實用性和巨大的增效性。因而受到各行各業(yè)的重視。表面工程技術(shù)既可對材料表面改性，制備多功能（防腐、耐磨、耐熱、耐高溫、耐疲勞、耐輻射、抗氧化以及光、熱、磁、電等特殊功能）的涂、鍍、滲、覆層，成倍延長機件的壽命；又可對產(chǎn)品進行裝飾；還可對廢舊機件進行修復(fù)。采用表面工程措施的費用，一般雖然占產(chǎn)品價格的510，卻可以大幅度地提高產(chǎn)品的性能及附加值，從而獲得更高的利潤，采用表面工程措施的平均效益高達520倍以上。23Company Logo1.1.4

14、表面技術(shù)迅速發(fā)展的原因其次，現(xiàn)代工業(yè)的需求是表面工程迅速發(fā)展的動力?，F(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對機電產(chǎn)品提出了更高的要求，體積要小巧，外形要美觀，而且能在高溫、高速、重載以及腐蝕介質(zhì)、惡劣環(huán)境下可靠持續(xù)地工作。24Company Logo問題：汽車輕量化鋁合金表面耐磨問題突出表面耐磨涂層問題1：25Company Logo 火箭發(fā)動機的尾噴管內(nèi)壁和燃燒室：需承受20003300溫度和巨大的熱焰流沖擊；飛船或者洲際導(dǎo)彈的頭部錐體和翼前沿：由于具有幾十倍的音速，并與大氣層摩擦，即所謂氣動加熱，其溫度高達40005000：問題2：問題：絕大多數(shù)的金屬和合金不能承受如此高的溫度。26Company Logo 依靠

15、各種形式的隔熱涂層、防火涂層和燒蝕涂層。解決問題的方法： 隔熱防火涂層是熱導(dǎo)率低的氧化物：氧化鋁、氧化鋯、氧化釷等。 燒蝕涂層：有機材料加石英纖維、陶瓷纖維或碳纖維。27Company Logo28Company Logo問題： 人造衛(wèi)星在宇宙中的溫度控制衛(wèi)星表面受太陽照射的一面溫度可達+200，沒有被太陽照射的一面溫度可低到-200問題3：29Company Logo解決問題的方法：在太陽能的利用中，必須利用涂層來吸收太陽光譜中所有波段的能量。 如用電子束蒸鍍的金屬陶瓷層Co-Al2O3作為太陽能吸熱器，使對太陽能的吸收率可達95%30Company Logo美國B-2隱形轟炸機表面為具有良

16、好吸波性能的碳纖維復(fù)合材料31Company Logo第三，環(huán)境保護的緊迫性是促進表面工程迅速發(fā)展的時代要求。 表面工程能大量節(jié)約能源、節(jié)省資源、保護和優(yōu)化環(huán)境。 表面工程最大優(yōu)勢是能夠以多種方法制備出優(yōu)于基材性能的表面功能薄層。該薄層厚度一般從幾十微米到幾毫米，僅占工件厚度的幾百分之一到幾十分之一，卻使工件具有了比基材更高的耐磨性、抗腐蝕性和耐高溫性能。32Company Logo在熱工設(shè)備及高溫環(huán)境下，用表面處理技術(shù)在設(shè)備、管道及部件上施加隔熱涂層，可減少熱損失。 在高、中溫爐內(nèi)壁涂以遠紅外輻射涂層可節(jié)電約30。 用表面沉積鉻層的塑料部件替代汽車上某些金屬部件如鉻板等，可減輕汽車質(zhì)量，增加

17、單位燃料平均行駛里程，也可間接收到節(jié)能的效果。 廣泛應(yīng)用的電鍍工藝產(chǎn)生大量工業(yè)廢水，造成環(huán)境污染，沉積新技術(shù)可部份取代電鍍，有利于環(huán)境保護。 33Company Logo韓國“美女”都是人造的？ 34Company Logo隆鼻材料35Company Logo為了改善人工植入材料與肌體的生物相容性，需在植入材料制成的器件上沉積第三種材料的薄膜。36Company Logo第四，現(xiàn)代科技成果為表面工程的迅速發(fā)展提供了技術(shù)支撐。計算機的廣泛應(yīng)用和推廣，提高了表面工程技術(shù)設(shè)備的自動化程度，改善了表面涂層的制備效率和質(zhì)量，使得表面工程技術(shù)設(shè)計可用數(shù)值模擬方法。新能源和新材料等技術(shù)的發(fā)展，加速了表面工程

18、技術(shù)的發(fā)展。37Company Logo例如，離子束、電子束和激光束三束技術(shù)的發(fā)展，使得具有高效率和高質(zhì)量的高密度能源的表面涂覆和強化的成本越來越低； 采用納米級材料添加劑的減摩技術(shù)可以在摩擦部件動態(tài)工作中智能地修復(fù)零件表面的缺陷，實現(xiàn)材料磨損部位原位自動修復(fù)，并使裂紋自愈合； 用電刷鍍制備含納米金剛石粉末涂層的方法可以用來修復(fù)模具，延長使用壽命，是模具修復(fù)的一項突破；各種陶瓷材料、非晶態(tài)材料、高分子材料等也將不斷地被應(yīng)用于表面工程中。38Company Logo航天飛機外殼的防熱材料和涂層：如美國洛克希德導(dǎo)彈與航天公司開發(fā)了一種LI-900全氧化硅絕熱氈特性：1） 重量輕，整個體積的95%都

19、是空的。2）為防水、耐蝕以及散熱，表面加涂了一種碳化硅涂層，該涂層可把90%的入射熱反射掉，而剩下10%幾乎都被氧化硅氈所隔絕。39Company Logo3）兼有裝飾和防護功能；4）化學(xué)氣相沉積，物理氣相沉積，掩模，光刻等表面薄膜沉積技術(shù)和表面細微加工是制造大規(guī)模集成電路的基礎(chǔ)；5）生成型制造法是以表面加工為基礎(chǔ)； 1）作用于表面，對基材組織與性能影響不大； 2）采用表面技術(shù)替代整體合金化；1.1.5 表面工程的特點與意義6）可以在表面制備整體合金化難以做到的特殊性能合金。40Company Logo6)表面工程技術(shù)已成為裝備新材料的重要方法。 5) 計算機技術(shù)與材料科學(xué)、精密機械和數(shù)控技術(shù)

20、相結(jié)合，使二維的表面處理技術(shù)發(fā)展成為三維零件制造技術(shù)，創(chuàng)造了全新的制造方法-生長型制造法。1.1.5 表面工程的特點與意義表面工程技術(shù)具有舉足輕重的作用！世界各發(fā)達國家均對表面工程高度重視： 如美國工程科學(xué)院早在幾年前為美國國會提供的2000年前集中力量加強發(fā)展的9項新科學(xué)技術(shù)中，有關(guān)材料方面的僅有材料表面科學(xué)與表面技術(shù)的研究。41Company Logo第一章 緒 論第三節(jié) 表面工程技術(shù)的分類 根據(jù)表面工程技術(shù)的特點，將其分為：表面改性、表面加工、表面加工三維成型、表面合成新技術(shù)等。一、表面改性技術(shù) 表面改性技術(shù)主要指賦予材料表面以特定的物理、化學(xué)性能的表面工程技術(shù)。根據(jù)工藝特點的不同分：1

21、、表面組織轉(zhuǎn)化技術(shù)： 不改變材料的表面成分，只通過改變表面組織結(jié)構(gòu)特征或應(yīng)力狀體來改變材料性能。 如：激光表面淬火和退火、感應(yīng)加熱淬火、噴丸、滾壓等表面加工硬化技術(shù)1.2 表面工程技術(shù)的分類42Company Logo第一章 緒 論第三節(jié) 表面工程技術(shù)的分類 主要利用外加涂層或鍍層的性能使基材表面性能優(yōu)化、基材不參與或者很少參與涂層反應(yīng)。如：氣相沉積技術(shù)：物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積化學(xué)溶液沉積：電鍍、化學(xué)鍍、電刷鍍化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)：磷化、陽極氧化、金屬表面彩色化技術(shù)現(xiàn)代涂裝技術(shù)、熱噴涂、噴焊技術(shù)、堆焊技術(shù)等2、表面涂鍍技術(shù)43Company Logo第一章 緒 論第三節(jié) 表面工程技術(shù)的分類 主要

22、利用外來材料與基材相混合，形成成分即不同于基材也不同于添加材料的表面合金化層。如：熱擴滲技術(shù)、離子注入技術(shù)、激光表面合金化技術(shù)等3、表面合金化和摻雜技術(shù)44Company Logo第一章 緒 論第三節(jié) 表面工程技術(shù)的分類 主要指在材料表面（不大于100m）區(qū)域內(nèi)進行各種形狀或尺寸的精密、微細加工，使其成為具有各種功能的零部件的技術(shù)。如：光刻和腐蝕技術(shù)、離子束精密刻蝕技術(shù)等二、表面微細加工技術(shù)45Company Logo第一章 緒 論三、表面三維成型技術(shù)-快速原型制造 通過計算機控制，在材料表面不斷實現(xiàn)特定形狀的涂鍍加工與堆積，形成三維零部件的快速原型制造技術(shù)。如：各類模具的無?？焖僦圃?6Co

23、mpany Logo第一章 緒 論第三節(jié) 表面工程技術(shù)的分類 主要指采用特定的表面工程技術(shù)，在材料表面合成常規(guī)工藝方法無法獲得的新材料，或者利用材料的表面加工過程獲得全新材料的工藝。如：各類模具的無?？焖僦圃焖?、表面合成新材料技術(shù)47Company Logo1.3表面工程技術(shù)的學(xué)科體系表面工程技術(shù)可以從不同的角度進行歸納分類。從材料科學(xué)的角度，按沉積物的尺寸進行，表面工程技術(shù)可以分為以下三種基本類型：（1）原子沉積。以原子、離子、分子和粒子基團等原子尺度的粒子形態(tài)在基體上凝聚，然后成核、長大，最終形成薄膜。被吸附的粒子處于快冷的非平衡態(tài)，沉積層中有大量結(jié)構(gòu)缺陷。沉積層常和基體反應(yīng)生成復(fù)雜的界面

24、層。凝聚成核及長大的模式，決定著涂層的顯微結(jié)構(gòu)和晶型。電鍍、化學(xué)鍍、真空蒸鍍、濺射、離子鍍、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、等離子聚合、分子束外延等均屬這類。 48Company Logo（2）顆粒沉積。以宏觀尺度的熔化液滴或細小固體顆粒在外力作用下于基體材料表面凝聚、沉積或燒結(jié)。涂層的顯微結(jié)構(gòu)取決于顆粒的凝固或燒結(jié)情況。熱噴涂、搪瓷涂敷等都屬這類。（2）整體覆蓋。欲涂覆的材料于同一時間施加于基體表面。如包箔、貼片、熱浸鍍、涂刷、堆焊等。（3）表面改性。用離子處理、表面熱處理、機械處理及化學(xué)處理等方法處理表面，改變材料表面的組成及性質(zhì)。如化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、噴丸強化、激光表面處理、電子束表面處理、離子注入

25、等。49Company Logo實際上，表面工程技術(shù)有著廣泛的涵義，綜合來看，大致上可分為以下幾個部分：（1）表面工程基礎(chǔ)理論。它主要有表面失效分析理論、表面摩擦與磨損理論、表面腐蝕與防護理論、表面(界面)結(jié)合與復(fù)合理論等。它對表面工程技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用有著直接的、重要的影響。 50Company Logo（2）表面處理技術(shù)。它又包括表面覆蓋技術(shù)、表面改性技術(shù)和復(fù)合表面處理技術(shù)三部分。表面覆蓋技術(shù)主要有電鍍、電刷鍍、化學(xué)鍍、涂裝、粘結(jié)、堆焊、熔結(jié)、熱噴涂、塑料涂敷、電火花涂敷、熱浸鍍、搪瓷涂敷、陶瓷涂敷、真空蒸鍍、濺射鍍、離子鍍、化學(xué)氣相沉積、分子束外延、離子束合成薄膜技術(shù)、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、熱燙印和

26、暫時性覆蓋處理等。表面改性技術(shù)主要有噴丸強化、表面擴滲、表面熱處理、激光表面處理、電子束表面處理、高密度太陽能表面處理和離子注入等。復(fù)合表面處理技術(shù)是綜合運用兩種或更多種表面處理技術(shù)。 51Company Logo（3）表面加工技術(shù)。它主要有表面預(yù)處理加工、表面層的機械加工和表面層的特種加工等。 （4）表面分析和測試技術(shù)。它主要有表面形貌和顯微組織結(jié)構(gòu)的分析、表面成分分析、表面原子排列結(jié)構(gòu)分析、表面原子動態(tài)和受激態(tài)分析和表面的電子結(jié)構(gòu)分析等。（5）表面工程技術(shù)設(shè)計。它主要有表面層材料設(shè)計、表面層結(jié)構(gòu)設(shè)計、表面工藝設(shè)計和表面工程經(jīng)濟分析等。 （52Company Logo1.4表面工程技術(shù)的應(yīng)用

27、一、表面技術(shù)在結(jié)構(gòu)材料上的應(yīng)用材料根據(jù)所起的作用大致可以分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。結(jié)構(gòu)材料主要用來制造工程建筑中的構(gòu)件、機械裝備中的零部件以及工具、模具等，在性能上以力學(xué)性能為主，同時在許多場合又要求兼有良好的耐蝕性和裝飾性。表面技術(shù)在這方面主要起著防護、耐磨、強化、修復(fù)、裝飾等重要作用。53Company Logo表面防護主要指材料表面防止化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕等能力。腐蝕問題是普遍存在的。據(jù)統(tǒng)計，世界現(xiàn)存鋼鐵及金屬設(shè)備每年的腐蝕率約為10%，金屬腐蝕的直接損失占國民生產(chǎn)總值的1%，而發(fā)達國家高達2%4%，超過水災(zāi)、火災(zāi)、地震和颶風(fēng)等所造成的總和。金屬腐蝕的間接損失不易計算，一般認為至少為

28、直接損失的35倍。 解決腐蝕問題的常用方法主要有：用價廉的金屬定期更換舊的腐蝕件； 使用表面技術(shù)或改變材料表面的成分和結(jié)構(gòu)或施加覆蓋層來顯著提高材料或制件的防護能力。使用表面技術(shù)防止腐蝕是現(xiàn)代防腐的主要和根本方法。54Company Logo耐磨主要指材料在一定摩擦條件下抵抗磨損的能力。同腐蝕一樣，磨損也是從表面開始的，因此，采用各種表面技術(shù)是提高材料或制件耐磨性的有效途徑之一。強化主要指通過各種表面強化處理來提高材料表面抵御除腐蝕和磨損之外的環(huán)境作用的能力。疲勞破壞也是從材料表面開始的，通過各種表面技術(shù)可以顯著提高材料疲勞強度。通過合理選材和表面強化處理，可以滿足許多制品的表面強度和硬度高、

29、心部韌性好的長使用壽命的要求。55Company Logo在工程上，許多零部件因表面強度、硬度、耐磨性等不足而逐漸磨損、剝落、銹蝕，使外形變小以致尺寸超差或強度降低，最后不能使用。許多表面技術(shù)如堆焊、電刷鍍、熱噴涂、電鍍、粘結(jié)等，具有修復(fù)功能，不僅可修復(fù)尺寸精度，而且往往還可提高表面性能，延長使用壽命。 56Company Logo表面裝飾主要包括光亮（鏡面、全光亮、亞光、光亮緞狀，無光亮緞狀等）、色澤（各種顏色和多彩等）、花紋（各種平面花紋，刻花和浮雕等）、仿照（仿貴金屬、仿大理石、仿花崗石等）多方面特性。用恰當(dāng)?shù)谋砻婕夹g(shù)，可對各種材料表面裝飾，不僅方便、高效，而且美觀、經(jīng)濟，故應(yīng)用廣泛。

30、57Company Logo二、表面技術(shù)在功能材料和元器件上的應(yīng)用功能材料主要指那些具有優(yōu)良的物理、化學(xué)和生物等功能及其相互轉(zhuǎn)化的功能，而被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。功能材料常用來制造各種裝備中具有獨特功能的核心部件。功能材料與結(jié)構(gòu)材料相比，除了兩者性能上的差異和用途不同之外，另一個重要特點是材料通常與元器件“一體化”，即功能材料常以元器件形式對其性能進行評價。確切地說，并非結(jié)構(gòu)材料以外的材料都可稱為功能材料。58Company Logo材料的許多性質(zhì)和功能與表面組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因而通過各種表面技術(shù)可制備或改進一系列功能材料及其元器件。由于表面技術(shù)有了很大的改進，材料表面成分和結(jié)構(gòu)可得到嚴(yán)

31、格的控制，同時又能進行高精度的微細加工，因而許多電子元器件不僅可做得越來越小，大大縮小了產(chǎn)品的體積和減輕了重量，而且生產(chǎn)的重復(fù)性、成品率和產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性都獲得顯著提高。59Company Logo例如：使用表面技術(shù)可制備或改進具有光學(xué)特性的功能材料及其元器件。如具有光的反射性的反射鏡，具有光的防反射性的防眩零件，具有光的增透性的激光材料增透膜，具有光選擇通過的反射紅外線、透過可見光的透明隔熱膜，具有分光性的用多層介質(zhì)膜組成的分光鏡，具有光選擇吸收的太陽能選擇吸收膜，具有偏光性的起偏器，能發(fā)光的光致發(fā)光材料，具有光記憶的薄膜光致材料等。60Company Logo例如：使用表面技術(shù)可制備或

32、改進具有電學(xué)特性的功能材料及其元器件。如具有導(dǎo)電性的表面導(dǎo)電玻璃，具有超導(dǎo)性的用表面擴散制成的Nb-Sn線材，具有約瑟夫遜效應(yīng)的約瑟夫遜器件，具有各種電阻特性的膜電阻材料，具有絕緣性的絕緣涂層，具有半導(dǎo)性的半導(dǎo)體材料（膜），具有波導(dǎo)性的波導(dǎo)管，具有低接觸電阻特性的開關(guān)等。61Company Logo例如：使用表面技術(shù)可制備或改進具有磁學(xué)特性的功能材料及其元器件。如具有存儲記憶的磁泡材料，具有磁記錄的磁記錄介質(zhì)，具有電磁屏蔽的電磁屏蔽材料等。使用表面技術(shù)可制備或改進具有聲學(xué)特性的功能材料及其元器件。如具有聲反射和聲吸收的吸聲涂層，具有聲表面波的聲表面波器件等。62Company Logo例如：使

33、用表面技術(shù)可制備或改進具有熱學(xué)特性的功能材料及其元器件。如具有導(dǎo)熱性的散熱材料，具有熱反射性的熱反射鍍膜玻璃，具有耐熱性和蓄熱性的集熱板，具有熱膨脹性的雙金屬溫度計，具有保溫性和絕緣性的保溫材料，具有耐熱性的耐熱涂層，具有吸熱性的吸熱材料等。使用表面技術(shù)可制備或改進具有化學(xué)特性的功能材料及其元器件。如具有選擇過濾性的分離膜材料，具有活性的活性劑，具有耐蝕性的防護涂層，具有防沾污性的醫(yī)療器件，具有殺菌性的餐具鍍銀等。63Company Logo例如：使用表面技術(shù)可制備或改進具有功能特性的功能材料及其元器件。如能進行光電轉(zhuǎn)換的薄膜太陽能電池，能進行電光轉(zhuǎn)換的電致發(fā)光器件，能進行熱電轉(zhuǎn)換的電阻式溫度

34、傳感器，能進行電熱轉(zhuǎn)換的薄膜加熱器，能進行光熱轉(zhuǎn)換的選擇性涂層，能進行力熱轉(zhuǎn)換的減振膜，能進行力電轉(zhuǎn)換的電容式壓力傳感器，能進行磁光轉(zhuǎn)換的磁光存貯器，能進行光磁轉(zhuǎn)換的光磁記錄材料等。64Company Logo三、表面技術(shù)在人類適應(yīng)、保護和優(yōu)化環(huán)境方面的應(yīng)用用涂覆和氣相沉積等表面技術(shù)制成的觸媒載體等是凈化大氣的材料，可用來有效地處理CO2、NO2、SO2等有害氣體。用表面技術(shù)制成的膜材料是重要的凈化水質(zhì)的材料，可用來處理污水、化學(xué)提純、水質(zhì)軟化、海水淡化等。65Company LogoTiO2光催化劑具有凈化環(huán)境的功能，可以將一些污染的物質(zhì)分解掉，使之無害，同時又因有粉狀、粒狀和薄膜等形狀而易

35、于利用。過渡金屬Ag、Pt、Cu、Zn等元素能增強TiO2的光催化作用，而且有抗菌和滅菌作用，特別是Ag和Cu。日本已利用表面技術(shù)開發(fā)出一種把具有吸附蛋白質(zhì)能力的磷灰石生長在TiO2表面而制成的高功能TiO2復(fù)合材料。它能夠完全分解吸附的菌類物質(zhì)，不僅可以半永久性使用，而且還可以制成纖維和紙，用作廣泛的抗菌材料。66Company Logo用表面技術(shù)制成的吸附劑，可以除去空氣、水、溶液中的有害成分，并且具有除臭、吸濕等作用。在氨基甲酸乙酰泡沫上涂覆鐵粉，經(jīng)燒結(jié)后成為除臭劑，用于冰箱、廚房、廁所、汽車內(nèi)。用表面化學(xué)原理制成特定的組合電極，可用來除去發(fā)電廠沉淀池、熱交換器、管道等內(nèi)部的藻類污垢。遠

36、紅外光具有活化空氣和水的功能，而活化的空氣和水有利于人的健康。在水凈化器中加上能活化水的遠紅外陶瓷涂層裝置，取得很好的效果，已經(jīng)投入實際應(yīng)用。67Company Logo具有一定的理化性質(zhì)和生物相容性的生物醫(yī)學(xué)材料已受到人們的高度重視，而使用醫(yī)用涂層可在保持基體材料特性的基礎(chǔ)上，或增進基體表面的生物學(xué)性質(zhì)，或阻隔基材離子向周圍組織溶出擴散，或提高基體表面的耐磨性、絕緣性等，有力促進了生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展。在金屬材料上涂以生物陶瓷、用作人造骨、人造牙、植入裝置導(dǎo)線的絕緣層等等。68Company Logo目前大量使用的能源往往有嚴(yán)重的污染，因此今后要大力推廣綠色能源，如太陽能電池、磁流體發(fā)電、熱電

37、半導(dǎo)體、海浪發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電等，以保護人類環(huán)境。表面技術(shù)是許多綠色能源裝置如太陽能電池、太陽能集熱管、半導(dǎo)體制冷器等制造的重要基礎(chǔ)之一。用表面技術(shù)和其他技術(shù)制成的磁性涂層敷在人體的一定穴位，有治療疼痛、高血壓等功能。涂敷駐極體膜，具有促進骨裂愈合等功能。69Company Logo四、表面技術(shù)在研究和生產(chǎn)新型材料中的應(yīng)用利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在低壓或常壓條件就可制得的金剛石薄膜新材料（過去制備金剛石材料在高溫高壓下進行），為金剛石結(jié)構(gòu)，硬度高達80100GPa，室溫?zé)釋?dǎo)率為銅的2.7倍，有較好的絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性，在很寬的光波段范圍內(nèi)透明，有比Si、GaAs等半導(dǎo)體材料更寬的禁帶寬度，在微電子技

38、術(shù)、超大規(guī)模集成電路、光學(xué)、光電子等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景，有可能是Ge、Si、GaAs以后的新一代的半導(dǎo)體材料。70Company Logo利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備的類金剛石碳膜新材料，是一種具有非晶態(tài)和微晶結(jié)構(gòu)的含氫碳化膜，其一些性能接近金剛石膜，如高硬度、高熱導(dǎo)率、高絕緣性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、從紅外到紫外的高光學(xué)透過率等，可考慮用作光學(xué)器件上保護膜和增透膜、工具的耐磨層、真空潤滑層等。利用氣相沉積技術(shù)制備的立方氮化硼薄膜新材料，為立方結(jié)構(gòu)，硬度僅次于金剛石，而耐氧化性、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于金剛石，具有高電阻率、高熱導(dǎo)率，摻入某些雜質(zhì)可成為半導(dǎo)體，目前正逐步用于半導(dǎo)體、電路基板、光電開關(guān)及

39、耐磨、耐熱、耐蝕涂層。71Company Logo利用表面技術(shù)制備的超微顆粒型新材料，尺寸范圍大致為1100nm，（大于10m的顆粒稱為微粉，小于1nm的顆粒稱為原子團簇，處于1100nm的顆粒稱為納米微粒），其表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和量子效應(yīng)，使其在光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、化學(xué)等方面有著許多奇異的特性，如能顯著提高許多顆粒型材料的活性和催化率，增大磁性顆粒的磁記錄密度，提高化學(xué)電池、燃料電池和光化學(xué)電池的效率，增大對不同波段電磁波的吸收能力等，它也可作為添加劑，制成導(dǎo)電的合成纖維、橡膠、塑料或者成為藥劑的載體，提高藥效等。72Company Logo將利用表面技術(shù)制成的小于15nm的超微

40、顆粒在高壓下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后制成的具有超細組織的納米固體新材料，按材料屬性可分為納米金屬材料、納米陶瓷材料、納米復(fù)合材料和納米半導(dǎo)體材料等，其界面體積分數(shù)很高，界面處原子間距分布與同成分普通固體材料有很大的差異，如納米陶瓷有一定的塑性，可進行擠壓和軋制，然后退火使晶粒尺寸長大到微米量級，又變成普通陶瓷；納米陶瓷有優(yōu)良的導(dǎo)熱性；納米金屬有更高的強度等，因而有廣泛的應(yīng)用。73Company Logo利用表面技術(shù)制備的梯度功能新材料，是連續(xù)、平穩(wěn)變化的非均質(zhì)材料，其組織連續(xù)變化，材料的功能隨之變化，用于航空、航天領(lǐng)域，可有效地解決熱應(yīng)力緩和問題，獲得耐熱性與力學(xué)強度都優(yōu)異的新功能，還

41、可望在核工業(yè)、生物、傳感器、發(fā)動機等許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。74Company Logo1.5表面工程技術(shù)的發(fā)展趨勢 一、研究復(fù)合表面技術(shù)在單一表面技術(shù)發(fā)展的同時，綜合運用兩種或多種表面技術(shù)的復(fù)合表面技術(shù)（也稱第二代表面技術(shù)）有了迅速的發(fā)展。復(fù)合表面技術(shù)通過最佳協(xié)同效益使工件材料表面體系在技術(shù)指標(biāo)、可靠性、壽命、質(zhì)量和經(jīng)濟性等方面獲得最佳的效果，克服了單一表面技術(shù)存在的局限性，解決了一系列工業(yè)關(guān)鍵技術(shù)和高新技術(shù)發(fā)展中特殊的技術(shù)問題。強調(diào)多種表面工程技術(shù)的復(fù)合，是表面工程的重要特色之一。75Company Logo目前，復(fù)合表面工程技術(shù)的研究和應(yīng)用已取得了重大進展，如熱噴涂和激光重熔的復(fù)合、熱噴涂

42、與刷鍍的復(fù)合、化學(xué)熱處理與電鍍的復(fù)合、表面涂覆強化與噴丸強化的復(fù)合、表面強化與固體潤滑層的復(fù)合、多層薄膜技術(shù)的復(fù)合、金屬材料基體與非金屬表面復(fù)合、鍍鋅或磷化與有機漆的復(fù)合、滲碳與鈦沉積的復(fù)合、物理和化學(xué)氣相沉積同時進行離子注入等等。伴隨復(fù)合表面工程技術(shù)的發(fā)展，梯度涂層技術(shù)也獲得較大發(fā)展，以適應(yīng)不同涂覆層之間的性能過渡。復(fù)合表面工程技術(shù)將在新世紀(jì)中不斷得到發(fā)展，今后將根據(jù)產(chǎn)品的需要進一步綜合研究運用各種表面工程技術(shù)的組合，解決工程中的難題，以期達到最佳的優(yōu)化效果。76Company Logo二、完善表面工程技術(shù)設(shè)計體系表面工程技術(shù)設(shè)計是針對工程對象的工況條件和設(shè)備中零部件等壽命的要求，綜合分析可

43、能的失效形式與表面工程的進展水平，正確選擇表面技術(shù)或多種表面技術(shù)的復(fù)合，合理確定涂層材料及工藝，預(yù)測使用壽命，評估技術(shù)經(jīng)濟性，必要時進行模擬實驗，并編寫表面工程技術(shù)設(shè)計書和工藝卡片。目前，表面工程技術(shù)設(shè)計仍基本停留在經(jīng)驗設(shè)計階段。有些行業(yè)和企業(yè)針對自己的工程問題開發(fā)出了表面工程技術(shù)設(shè)計軟件，但局限性很大。隨著計算機技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬技術(shù)的發(fā)展，建立有我國特色的表面工程技術(shù)設(shè)計體系既有條件又迫在眉睫。77Company Logo 三、開發(fā)多種功能涂層表面工程大量的任務(wù)是使零件、構(gòu)件的表面延緩腐蝕、減少磨損、延長疲勞壽命。隨著工業(yè)的發(fā)展，在治理這三種失效之外提出了許多特殊的表面功能要求。例如艦船

44、上甲板需要有防滑涂層，現(xiàn)代裝備需要有隱身涂層，軍隊官兵需要防激光致盲的鍍膜眼鏡，太陽能取暖和發(fā)電設(shè)備中需要高效的吸熱涂層和光電轉(zhuǎn)換涂層，錄音機中需要有磁記錄鍍膜、建筑業(yè)中的玻璃幕墻需要有陽光控制膜等等。此外，隔熱涂層、導(dǎo)電涂層、減振涂層、降噪涂層、催化涂層、金屬染色技術(shù)等也有廣泛的用途。在制備功能涂層方面，表面工程也可大顯身手。78Company Logo四、研究開發(fā)新型涂層材料表面涂層材料是表面技術(shù)解決工程問題的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)前發(fā)展的涂層新材料，有些是單獨配制或熔煉而成的，有些則是在表面技術(shù)的加工過程中形成的，后一類涂層材料的誕生，進一步顯示了表面工程的特殊功能。轎車涂裝技術(shù)中新發(fā)展的第五

45、代陰極電泳涂料（ED5），其泳透力比前幾代進一步提高，有機溶劑、顏料含量降低，且不含有害金屬鉛，代表了陰極電泳涂料的發(fā)展趨勢。79Company Logo以聚氯乙烯樹脂為主要基料與增塑劑配成的無溶劑涂料，構(gòu)成了現(xiàn)代汽車涂裝中所用的抗石擊涂料和焊縫密封膠，有效地防止了車身底板和焊縫出現(xiàn)過早腐蝕，并保證了車身的密封性。粘結(jié)固體潤滑涂層材料，在解決航空航天等軍工高科技領(lǐng)域特殊工況條件下的機械磨損、潤滑、粘著冷焊等摩擦學(xué)問題中發(fā)揮了重要作用，并在民用真空機械、低溫設(shè)備上有廣闊的用途。80Company Logo五、深化表面工程基礎(chǔ)理論和測試方法的研究摩擦學(xué)是表面工程的重要基礎(chǔ)理論之一，近10年來，針對

46、具體的工程問題，摩擦學(xué)工作者作出了出色的成果，在摩擦副失效點判定、磨損失效的主要模式、磨損失效原因分析及對策等方面積累了豐富的經(jīng)驗，并在重大工程問題上作出了重要貢獻。當(dāng)前研究摩擦學(xué)問題的手段越來越齊全、先進，可以模擬各種條件進行試驗研究，這些試驗手段和已積累的研究方法、評估標(biāo)準(zhǔn)，有力地支持了表面工程的發(fā)展。81Company Logo在腐蝕學(xué)研究方面，針對大氣腐蝕、海洋環(huán)境腐蝕、化工儲罐腐蝕、高溫環(huán)境腐蝕、地下長輸管線腐蝕、熱交換設(shè)備腐蝕、建筑物中的鋼筋水泥腐蝕等，應(yīng)用各種現(xiàn)代材料進行了腐蝕機理和防護效果研究，提出了從結(jié)構(gòu)到材料到維護一整套防腐治理措施。這些研究成果，對表面工程技術(shù)設(shè)計有很大的

47、參考價值。82Company Logo無論用什么表面技術(shù)在零件表面上制備涂覆層，必須掌握涂覆層與基體的結(jié)合強度、涂覆層的內(nèi)應(yīng)力等力學(xué)性能。這是表面工程技術(shù)設(shè)計的核心參數(shù)之一，也是研究和改進表面技術(shù)的重要依據(jù)。對于涂覆層厚度大于0.15mm的膜層（如熱噴涂涂層），尚可用傳統(tǒng)的機械方法進行測試，但是對于涂覆層厚度小于0.15mm的膜層（如氣相沉積幾微米的膜層），傳統(tǒng)的機械方法已無能為力。而氣相沉積技術(shù)又發(fā)展得很快，應(yīng)用面越來越廣，這就使研究新的測試方法更加緊迫。83Company Logo近10年，一些學(xué)者用劃痕法、射線衍射法、納米壓入法、基片彎曲法等思路和手段對薄膜的力學(xué)行為進行了深入研究，取得

48、了長足的進步，但要達到形成相對嚴(yán)密自成體系的評價方法和技術(shù)指標(biāo)尚有較大差距。84Company Logo六、擴展表面工程的應(yīng)用領(lǐng)域表面工程已經(jīng)在機械產(chǎn)品、信息產(chǎn)品、家電產(chǎn)品和建筑裝飾中獲得富有成效的應(yīng)用。但是其深度廣度仍很不夠，不了解和不應(yīng)用表面工程的單位和產(chǎn)品仍很普遍。表面工程的優(yōu)越性和潛在效益仍未很好發(fā)揮，需要作大量的宣傳推廣工作。面對中國加入世貿(mào)組織，通過推廣應(yīng)用表面工程提高產(chǎn)品的質(zhì)量和競爭力，也應(yīng)是主要的舉措之一。85Company Logo七、積極為國家巨大工程建設(shè)服務(wù)在新型軍用飛機的研制過程中，先進的膠粘技術(shù)、特種熱處理技術(shù)、表面改性技術(shù)、薄膜技術(shù)以及涂層技術(shù)都發(fā)揮了重要作用。吸波

49、材料的研制成功為裝備隱形提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。離子注入、離子刻蝕和電子曝光技術(shù)的結(jié)合，形成了集成電路微細加工技術(shù)，成為制作超大規(guī)模集成電路的重要技術(shù)基礎(chǔ)。在長江三峽大壩全長2309.47m中鋼鐵結(jié)構(gòu)閘門就占全長的72。在三峽工程中，所有機械設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)、水工閘門以及隧洞、橋梁、公路、碼頭、儲運設(shè)備都離不開表面工程。從表面技術(shù)和涂覆材料的選擇、噴涂工藝的制定到表面電化學(xué)保護等，都在三峽重大裝備研制項目中占有重要地位。86Company Logo八、向自動化、智能化的方向邁進在表面處理時，自動化程度最高的是汽車行業(yè)和微電子行業(yè)。以神龍汽車公司的車身涂裝線為例，涂裝工藝采用三涂層體系（3C3B），

50、即電泳低漆涂層、中間涂層、面漆涂層，涂層總厚度為110130m。涂裝廠房為三層，一層為輔助設(shè)備層，二層為工藝層，三層為空調(diào)機組層。廠房是全封閉式，通過空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)工藝層內(nèi)的溫度和濕度，并始終保持室內(nèi)對環(huán)境的微正壓，保持室內(nèi)清潔度，各工序間自動控制，流水作業(yè)，確保涂裝高質(zhì)量。87Company Logo九、降低對環(huán)保的負面效應(yīng)從宏觀上講，表面工程對節(jié)能、節(jié)材、環(huán)境保護有重大效能，但是對具體的表面技術(shù)，如涂裝、電鍍、熱處理等均有“三廢”的排放問題，仍會造成一定程度的污染。現(xiàn)在，有氰電鍍已經(jīng)基本上被無氰電鍍所代替，一些有利于環(huán)保的鍍液相繼被研制出來。當(dāng)前，在表面工程領(lǐng)域，提出了封閉循環(huán)，達到零排放目

51、標(biāo)。陰極電泳后的清洗，國際先進的做法是采用超濾系統(tǒng)（UF）與反滲透系統(tǒng)（RO）聯(lián)合的全封閉清洗，為零排放奠定了基礎(chǔ)。但國內(nèi)使用這些設(shè)備的廠家尚少。磷化處理中的廢渣，現(xiàn)在可以壓濾成渣塊，但還不能逆向處理為有用之物，只能填埋。至于一些中小企業(yè)，距上述目標(biāo)，相距很遠。因此，表面工程在降低對環(huán)保負面效應(yīng)方面，仍是任務(wù)艱巨。88Company Logo1.材料表面工程技術(shù)為什么能得到社會的重視獲得迅速發(fā)展？2.表面工程技術(shù)的目的和作用是什么？3.為什么說表面工程是一個多學(xué)科的邊緣學(xué)科？思考題89Company LogoThank You !9、靜夜四無鄰，荒居舊業(yè)貧。2022/8/242022/8/24Wednesday, August 24, 202210、雨中黃葉樹，燈下白頭人。2022/8/242022/8/242022/8/248/24/2022 7:11:23 PM11、以我獨沈久，愧君相見頻。2