表面工程技術(shù)概論

表面工程技術(shù)概論主要授課內(nèi)容第一章

表面工程技術(shù)概論（2學(xué)時(shí)）知識(shí)點(diǎn)：表面技術(shù)的涵義、表面技術(shù)的目的、表面技術(shù)的分類、表面技術(shù)的應(yīng)用概況。第二章

表面科學(xué)的某些基本概念和理論（2學(xué)時(shí)）第三章

熱噴涂技術(shù)（2學(xué)時(shí)）知識(shí)點(diǎn)：熱噴涂。第四章

電鍍和化學(xué)鍍（2學(xué)時(shí)）知識(shí)點(diǎn)：電鍍、電刷鍍、化學(xué)鍍。第五章

氣相沉積技術(shù)（2學(xué)時(shí)）知識(shí)點(diǎn)：真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍、化學(xué)氣相沉積。第2頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天主要授課內(nèi)容第六章

表面改性技術(shù)（6學(xué)時(shí)）知識(shí)點(diǎn)：金屬表面形變強(qiáng)化、表面熱處理、金屬表面化學(xué)熱處理、等離子體表面處理、激光表面處理、電子束表面處理、離子注入表面改性。第七章

化學(xué)轉(zhuǎn)化膜（2學(xué)時(shí)）知識(shí)點(diǎn)：氧化處理、鋁及鋁合金的陽(yáng)極氧化。第八章表面分析和表面性能的檢測(cè)（2學(xué)時(shí)）知識(shí)點(diǎn)：表面分析、表面分析儀器、表面性能檢測(cè)。第3頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.1表面技術(shù)的含義第一章表面技術(shù)概論表面技術(shù)的含義：表面技術(shù)是指通過(guò)表面涂覆、表面改性或多種表面技術(shù)復(fù)合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)，以獲得所需表面性能。

第4頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.1表面技術(shù)的含義第一章表面技術(shù)概論表面技術(shù)的目的：①提高材料抵御環(huán)境作用的能力。②賦予材料表面某種功能特性，包括光、電、磁、熱、聲、吸附、分離等各種物理和化學(xué)性能。③實(shí)施特定的表面加工來(lái)制造構(gòu)件、零部件和元器件等。

第5頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.1表面技術(shù)的含義第一章表面技術(shù)概論表面技術(shù)的實(shí)施方法：1.施加各種覆蓋層

如各種涂層技術(shù)，包括電鍍、電刷鍍、化學(xué)鍍、涂裝、粘結(jié)、堆焊、熔結(jié)、熱噴涂、塑料粉末涂敷、熱浸涂、搪瓷涂敷、陶瓷涂敷、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、分子束外延制膜和離子束合成薄膜技術(shù)等。此外，還有其他形式的覆蓋層，例如各種金屬經(jīng)氧化和磷化處理后的膜層、包箔、貼片的整體覆蓋層，緩蝕劑的暫時(shí)覆蓋層。第6頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.1表面技術(shù)的含義第一章表面技術(shù)概論表面技術(shù)的實(shí)施方法：2.表面改性：用機(jī)械、物理、化學(xué)等方法，改變材料表面的形貌、化學(xué)成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)，即采用各種表面改性技術(shù)。主要有噴丸強(qiáng)化、表面熱處理、化學(xué)熱處理、等離子擴(kuò)滲處理、激光表面處理、電子束表面處理、高密度太陽(yáng)能表面處理和離子注入表面改性等。

第7頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.1表面技術(shù)的含義第一章表面技術(shù)概論表面技術(shù)的實(shí)施方法：第8頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2表面技術(shù)的分類第一章表面技術(shù)概論表面技術(shù)的分類：按照其作用原理，將其分為以下4種基本類型：①原子沉積。沉積物以原子、離子、分子和粒子集團(tuán)等原子尺度的粒子形態(tài)在材料表面上形成覆蓋層，如電鍍、化學(xué)鍍、物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積等。②顆粒沉積。沉積物以宏觀尺度的顆粒形態(tài)在材料表面上形成覆蓋層，如熱噴涂、搪瓷涂敷等。第9頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2表面技術(shù)的分類第一章表面技術(shù)概論表面技術(shù)的分類：按照其作用原理，將其分為以下4種基本類型：③整體覆蓋。它是將涂覆材料于同一時(shí)間施加于材料表面，如堆焊、熱浸涂、包箔、貼片和涂刷等。④表面改性。它是用各種物理、化學(xué)等方法處理表面，使之組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變性能，如等離子表面處理、化學(xué)熱處理、激光表面處理、電子束表面處理和離子注入等。第10頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2表面技術(shù)的分類第一章表面技術(shù)概論廣義表面技術(shù)包括：①表面技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用理論。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)3部分。③表面加工技術(shù)。④表面分析和測(cè)試技術(shù)。⑤表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)。

第11頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2表面技術(shù)的分類第一章表面技術(shù)概論表面技術(shù)的基礎(chǔ)理論表面技術(shù)的基礎(chǔ)理論是表面科學(xué)，包括表面分析技術(shù)、表面物理和表面化學(xué)3個(gè)分支。（1）表面分析的基本方面有表面的原子排列結(jié)構(gòu)、原子類型和電子能態(tài)結(jié)構(gòu)等，是揭示表面現(xiàn)象的微觀實(shí)質(zhì)和各種動(dòng)力學(xué)過(guò)程的必要手段。（2）表面物理和表面化學(xué)分別是研究任何兩相之間的界面上發(fā)生的物理和化學(xué)過(guò)程的科學(xué)。第12頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2表面技術(shù)的分類第一章表面技術(shù)概論表面技術(shù)的基礎(chǔ)理論從理論體系來(lái)看，它們包括微觀理論與宏觀理論。微觀理論：在原子、分子水平上研究表面的組成，原子排列結(jié)構(gòu)及輸運(yùn)現(xiàn)象，電子結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)及其對(duì)表面宏觀性質(zhì)的影響；宏觀理論：在宏觀尺度上，從能量的角度研究各種表面現(xiàn)象。第13頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2表面技術(shù)的分類第一章表面技術(shù)概論表面技術(shù)的應(yīng)用理論包括：（1）表面失效分析（2）摩擦與磨損理論（3）表面腐蝕與防護(hù)理論（4）表面結(jié)合與復(fù)合理論第14頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2表面技術(shù)的分類第一章表面技術(shù)概論表面處理技術(shù)------表面覆蓋技術(shù)

這項(xiàng)技術(shù)的種類很多，目前主要有下列22類：1.電鍍；2.電刷鍍；3.化學(xué)鍍；4.涂裝；5.粘結(jié)；6.堆焊；7.熔結(jié)；8.熱噴涂；9.電火花涂敷；10.熱浸鍍；11.搪瓷涂敷；12.陶瓷涂敷；13.真空蒸鍍；14.濺射鍍；15.離子鍍；16.化學(xué)氣相沉積；17.分子束外延；19.化學(xué)轉(zhuǎn)化膜；21.溶膠-凝膠膜。第15頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2表面技術(shù)的分類第一章表面技術(shù)概論表面處理技術(shù)------表面改性技術(shù)目前大致可分為以下幾類：1.噴丸強(qiáng)化；2.表面熱處理；3.化學(xué)熱處理；4.等離子擴(kuò)滲處理；5.激光表面處理；6.電子束表面處理；7.離子注入表面改性。

第16頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2表面技術(shù)的分類第一章表面技術(shù)概論表面處理技術(shù)------復(fù)合表面處理技術(shù)

綜合運(yùn)用兩種或更多種表面技術(shù)的復(fù)合表面處理。如等離子噴涂與激光輻照復(fù)合、熱噴涂與噴丸復(fù)合、化學(xué)熱處理與電鍍復(fù)合、激光淬火與化學(xué)熱處理復(fù)合、化學(xué)熱處理與氣相沉積復(fù)合等。

第17頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2表面技術(shù)的分類第一章表面技術(shù)概論表面加工技術(shù)表面加工技術(shù)主要用于微電子器件的微細(xì)加工，是一種加工尺度從亞微米到毫微米量級(jí)的制造微小尺寸元器件或薄膜圖形的先進(jìn)制造技術(shù)，主要包括：(1)光刻：光子束、電子束和離子束的微細(xì)加工；(2)鍍膜：化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、分子束外延和熱氧化的薄膜制造；(3)刻蝕：濕法刻蝕、濺射刻蝕和等離子刻蝕等圖形刻蝕；(4)摻雜：離子注入擴(kuò)散等摻雜技術(shù)。第18頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2表面技術(shù)的分類第一章表面技術(shù)概論第19頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2表面技術(shù)的分類第一章表面技術(shù)概論由氧化、淀積、離子注入或蒸發(fā)形成新的薄膜或膜層曝光刻蝕硅片測(cè)試和封裝用掩膜版重復(fù)20-30次第20頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2表面技術(shù)的分類第一章表面技術(shù)概論表面分析和測(cè)試技術(shù)利用各種表面分析儀器和測(cè)試技術(shù)對(duì)表面進(jìn)行分析研究，包括：（1）表面形貌和顯微組織結(jié)構(gòu)分析：光學(xué)顯微鏡（OM）、透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）（2）表面成分分析：電子探針微區(qū)分析（EPMA）（3）表面原子排列結(jié)構(gòu)分析：電子衍射儀（LEED）、掃描隧道顯微鏡（STM)、原子力顯微鏡（AFM）。（4）表面原子動(dòng)態(tài)和受激態(tài)分析：紅外光譜（IR)、拉曼散射譜（RAMAN)。（5）表面的電子結(jié)構(gòu)分析：紫外光電子譜（UPS)。第21頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2表面技術(shù)的分類第一章表面技術(shù)概論表面分析和測(cè)試技術(shù)分析儀器和技術(shù)可大致分為顯微鏡和分析譜儀兩大類。顯微鏡有光學(xué)顯微鏡、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、高壓電子顯微鏡、分析電子顯微鏡、場(chǎng)離子顯微鏡、場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡、聲學(xué)顯微鏡、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡等。第22頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2表面技術(shù)的分類第一章表面技術(shù)概論表面分析和測(cè)試技術(shù)分析儀器和技術(shù)可大致分為顯微鏡和分析譜儀兩大類。分析譜儀是利用各種探針激發(fā)源（入射粒子）與材料表面物質(zhì)相互作用以產(chǎn)生各種發(fā)射譜（出射粒子），然后進(jìn)行記錄、處理和分析。如低能電子衍射、俄歇電子能譜、電子損失譜、電子能量損失譜、離子微探針質(zhì)量分析、離子中和譜、X射線光電子譜、紅外吸收譜和拉曼散射譜等。第23頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.2表面技術(shù)的分類第一章表面技術(shù)概論表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，借助數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)等工具，通過(guò)演繹和歸納等科學(xué)方法，而能獲得最大效益的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。包括：①材料表面鍍涂層或處理層的成分、結(jié)構(gòu)、厚度、結(jié)合強(qiáng)度以及各種要求的性能。②基體材料的成分、結(jié)構(gòu)和狀態(tài)等。③實(shí)施表面處理或加工的流程、設(shè)備、工藝和檢驗(yàn)等。④綜合的管理、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等分析設(shè)計(jì)。第24頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章表面技術(shù)概論表面技術(shù)應(yīng)用目的（1）加強(qiáng)材料表面保護(hù)，降低材料表面的腐蝕、磨損、氧化、疲勞斷裂，延長(zhǎng)材料的使用壽命。（2）節(jié)約材料。表面層薄，用材少，可以以最低的經(jīng)濟(jì)成本來(lái)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)表層與基體性能的最佳配合。（3）制備新材料和新器件。生產(chǎn)金剛石薄膜、多層膜，各種功能器件。1.3表面技術(shù)的應(yīng)用第25頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章表面技術(shù)概論一、結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用

結(jié)構(gòu)材料是用于制造建筑工程構(gòu)件、機(jī)械零部件以及工具、模具等的材料，要求具有高的強(qiáng)度、硬度及耐磨性等力學(xué)性能，在許多場(chǎng)合又要求有良好的耐蝕性和裝飾性。表面技術(shù)用于結(jié)構(gòu)材料主要起防護(hù)、耐磨、強(qiáng)化、修復(fù)、裝飾等重要作用。

1.3表面技術(shù)的應(yīng)用第26頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章表面技術(shù)概論1材料防護(hù)

主要指材料表面防止化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕的能力。采用各種表面技術(shù)，如改變材料表面的成分和結(jié)構(gòu)以及施加各種覆蓋層來(lái)顯著提高材料的防護(hù)能力。1.3表面技術(shù)的應(yīng)用第27頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章表面技術(shù)概論2提高材料耐磨性

耐磨性是指材料在一定的摩擦條件下抵抗磨損（磨料、粘著、疲勞腐蝕、沖蝕、氣蝕）的能力。磨損是材料3種主要失效形式之一。磨損與材料特性以及載荷、速度、溫度等外界條件有關(guān)。磨損是從材料表面開(kāi)始的，表面技術(shù)是提高材料耐磨性的有效途徑之一。

1.3表面技術(shù)的應(yīng)用第28頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章表面技術(shù)概論3表面強(qiáng)化

指通過(guò)各種表面強(qiáng)化處理來(lái)提高材料表面抵御除腐蝕和磨損以外的環(huán)境作用的能力。如抗疲勞破壞的能力。疲勞破壞也是從材料表面開(kāi)始的。在最大應(yīng)力低于屈服應(yīng)力條件下疲勞裂紋也能成核和擴(kuò)展，從而導(dǎo)致災(zāi)難性斷裂事故。采用表面熱處理、化學(xué)熱處理、噴丸、滾壓、激光表面處理等表面技術(shù)，可以顯著提高材料的疲勞強(qiáng)度。1.3表面技術(shù)的應(yīng)用第29頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章表面技術(shù)概論4表面修復(fù)

許多機(jī)器的零部件因表面強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐蝕性等不足而逐漸磨損、剝落、銹蝕，最后失效。利用堆焊、電刷鍍、熱噴涂、電鍍、粘結(jié)等表面技術(shù)，往往不僅能修復(fù)尺寸精度，而且能恢復(fù)或提高表面性能，保證生產(chǎn)運(yùn)行，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益也是十分可觀的。

1.3表面技術(shù)的應(yīng)用第30頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章表面技術(shù)概論5表面裝飾

表面裝飾主要包括光亮（鏡面，全光亮，亞光，光亮緞狀，無(wú)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，浮雕等）、仿照（仿貴金屬，仿大理石，仿花崗石等）等多方面特性。用恰當(dāng)?shù)谋砻婕夹g(shù)可裝飾各種材料表面，不僅方便、高效，而且美觀、經(jīng)濟(jì)，故應(yīng)用廣泛，并形成了很大的產(chǎn)業(yè)。1.3表面技術(shù)的應(yīng)用第31頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章表面技術(shù)概論二、功能材料應(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，而被用于非結(jié)構(gòu)目的的高技術(shù)材料。這類材料常用來(lái)制造各種裝備中具有獨(dú)特功能的核心部件，并往往與元器件“一體化”，即常以元器件形式對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。所用的表面技術(shù)主要有氣相沉積、涂裝、電鍍、化學(xué)鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化處理等。1.3表面技術(shù)的應(yīng)用第32頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章表面技術(shù)概論三、生活環(huán)境應(yīng)用1）大氣凈化；2）水質(zhì)凈化；3）抗菌滅菌；4）吸附雜質(zhì)；5）去除藻類污垢；6）活化功能；7）生物醫(yī)學(xué)；8）治療疾病；9）綠色能源；10）優(yōu)化環(huán)境

1.3表面技術(shù)的應(yīng)用第33頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章表面技術(shù)概論四、新材料開(kāi)發(fā)應(yīng)用

新型材料又稱先進(jìn)材料，為高技術(shù)的一個(gè)組成部分。它們是正在發(fā)展的、具有優(yōu)異性能的材料，也是新技術(shù)發(fā)展中所必需的物質(zhì)基礎(chǔ),對(duì)今后技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。表面技術(shù)在研制和生產(chǎn)新型材料方面是十分重要的。

1.3表面技術(shù)的應(yīng)用第34頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章表面技術(shù)概論1金剛石薄膜（DiamondFilm）

它可以用熱化學(xué)氣相沉積（TCVD）和等離子體化學(xué)氣相沉積（PCVD）等技術(shù)在低壓或常壓條件下制得。這種材料硬度高，室溫導(dǎo)熱性好，絕緣，穩(wěn)定，在很寬的光波范圍內(nèi)透明，并有較寬的禁帶寬度。在微電子技術(shù)、超大規(guī)模集成電路、光學(xué)、電子學(xué)等方面有良好的應(yīng)用前景。還有可能是Ge、Si、GaAs之后的新一代半導(dǎo)體材料。1.3表面技術(shù)的應(yīng)用第35頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章表面技術(shù)概論2類金剛石碳膜（DiamondLikeCarbonFilm）

它是一種具有非晶態(tài)和微晶結(jié)構(gòu)的含氫碳膜，通常用低能量的碳?xì)浠衔锝?jīng)等離子體分解或碳離子束沉積技術(shù)制得。這種材料的一些性能接近金剛石膜，具有良好的硬度、導(dǎo)熱、絕緣、光透過(guò)性能?？捎米鞴鈱W(xué)器件保護(hù)膜和增透膜、工具的耐膜層、真空潤(rùn)滑層。

1.3表面技術(shù)的應(yīng)用第36頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章表面技術(shù)概論3立方氮化硼膜（CubicBoronNitrideFilm）

它主要用氣相沉積方法制得，硬度僅次于金剛石，而耐氧化、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性比金剛石膜更好，并且具有高電阻率、高熱導(dǎo)率，摻入某些雜質(zhì)可成為半導(dǎo)體。可用于半導(dǎo)體、電路基板、光電開(kāi)關(guān)，以及用于耐磨、耐蝕、耐熱涂層。1.3表面技術(shù)的應(yīng)用第37頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章表面技術(shù)概論4超導(dǎo)薄膜（SuperconductingFilm）

如YBaCuO膜等，主要用真空蒸發(fā)、濺射、分子束外延等方法制備，沉積后為非晶態(tài)，經(jīng)高溫氧化處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂休^高轉(zhuǎn)變溫度的晶態(tài)薄膜。

1.3表面技術(shù)的應(yīng)用第38頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章表面技術(shù)概論5LB薄膜（LangmuirBlodgettFilm）

它是有機(jī)分子器件的主要材料，由羧酸及其鹽、脂肪酸烷基族以及染料、蛋白質(zhì)等有機(jī)物構(gòu)成的分子薄膜。1.3表面技術(shù)的應(yīng)用第39頁(yè),共44頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章表面技術(shù)概論6超微顆粒型材料它用氣相沉積等