表面工程技術序論

1、§1 序 論§1.1 表面工程技術一、基本定義表面：固體與氣體，或液體與氣體的交界面（固體與固體、固體與液體、液體與液體的交界面稱為界面）。幾何表面在幾何意義上只有二維尺度、厚度為零的理想面。物理表面表面幾個原子層厚度的部分，其結(jié)構(gòu)、成分和機體部分有很大的不同，“表面物理”、“表面化學”、“表面與界面物理”是以表面和界面為研究對象的基礎學科。二、表面的重要性大部分材料在應用時是通過表面起作用的，如摩擦性、腐蝕性能、裂紋的產(chǎn)生及擴展、疲勞斷裂等均與表面有關。因此，材料表面的性質(zhì)對材料的使用性能有著重要的作用，有時候甚至起著決定性作用。三、表面工程技術及其應用1、表面工程技術就

2、是運用各種物理、化學和機械工藝過程來改變材料表面的形態(tài)、化學成分、組織結(jié)構(gòu)或應力狀態(tài)，使其具有某種特殊性能，從而滿足特定的使用要求。如：2、表面工程技術的應用表面防護類：（1）耐高溫隔熱、防火涂層耐高溫、低熱導率的氧化物。主要有Al2O3、CrO2、ThO2。用在航空發(fā)動機、火箭和導彈的噴管、推力室、航天器等方面。燒蝕涂層有良好的隔熱能力，同時還有大的熱容量、熱輻射系數(shù)，在高溫下升華，把熱量帶走，主要有有機物加石英纖維、陶瓷纖維、碳纖維制作的復合涂層。用在航天器（返回倉）。溫控涂層用在人造衛(wèi)星表面（溫度在200+200）,使衛(wèi)星內(nèi)部溫度變化不大，保證儀表的正常工作。（2）防腐蝕艦船用涂料海洋生

3、物的附著給艦船帶來極大的危害，一方面會增加船體自重和船體摩擦阻力，使艦船航速明顯下降，增加燃料消耗；另一方面會加速船體腐蝕，縮短艦船使用壽命。汞、砷等的化合物（毒性太大，被淘汰）>氧化亞銅為毒料，松香、瀝青、乙烯樹脂、氯化橡膠為基料的防污涂料>有機錫化合物應用到防污涂料中（能單獨使用也能與氧化亞銅配合使用，具有廣譜性和長效性，但當海水中有機錫含量高于0.1ppm時，將嚴重影響海洋生物的生長、繁殖，并會導致海洋生物遺傳變異。因此，國際海事機構(gòu)（IMO）1997年決定2003年1月1日起禁止在新造船舶上使用有機錫防污涂料，2008年1月1日起全面禁止在所有船舶上使用有機錫防污涂料）在船

4、體表面噴涂主要是鋅、鋁及其合金（例如85%Zn15%Al合金）來防腐，并與環(huán)氧瀝青、環(huán)氧云鐵、鋁粉氯化橡膠和磷酸鋅四種涂料涂層組成復合涂層。（3）耐磨損車床、刀具、鉆頭在使用中受到磨損，表面涂覆耐磨涂層可大大提高壽命。如：表面激光熔覆TiC/Ni基合金復合耐磨涂層；用火焰噴吐WC涂層；制備TiN涂層。鉆井泵、發(fā)動機缸套、火電廠磨煤機的磨盤、磨輥在高速運動下極易磨損，可通過涂渡硬質(zhì)涂層（Cr）、表面滲碳、滲硼、滲氮、淬火等技術提高其耐磨性。（4）抗疲勞如汽車車軸經(jīng)過長期使用會產(chǎn)生疲勞、引起斷裂，很容易造成事故。分析疲勞斷裂的斷口特征，可以發(fā)現(xiàn)99.9%斷口的裂紋源位于零件的表層或次表層，而裂紋源

5、位于零件內(nèi)部只是個別現(xiàn)象。強化零件表層或次表層就能有效地提高零件的抗疲勞能力，減少疲勞斷裂帶來的危害。通常使用噴丸強化技術可以使金屬表面強度增加。（5）裝飾表面裝飾提高產(chǎn)品美觀性，噴塑，涂料等。（6）防輻射紫外、X射線等的防輻射涂層。表面功能類：（7）聲聲表面濾波器是在一塊具有壓電效應的材料基片上蒸發(fā)一層金屬膜，然后經(jīng)光刻，在兩端各形成一對叉指形電極組成。當在發(fā)射換能器上加上信號電壓后，就在輸人叉指電極間形成一個電場使壓電材料發(fā)生機械振動（即超聲波）以超聲波的形式向左右兩邊傳播，向邊緣一側(cè)的能量由吸聲材料所吸收。在接收端，由接收換能器將機械振動再轉(zhuǎn)化為電信號，并由叉指形電極輸出）（8）光增透、

6、增反、濾波，薄膜波導等（9）電IT產(chǎn)業(yè)中，微電子制造業(yè)中大量使用的薄膜技術、表面氧化技術。（10）磁計算機硬盤表面的存儲介質(zhì)是鐵磁性薄膜；飛機隱身涂層多采用鐵氧體磁性耗能雷達吸波材料，如LiCd鐵氧體、LiZn鐵氧體和陶瓷鐵氧體等一系列涂料，涂覆在飛機機體表面。§1.2 表面工程技術的基本特征綜合性 交叉性 復合性表面工程技術在表面物理與表面化學的理論基礎上，融會了材料學、摩擦學、力學、失效與防護、金屬熱處理、焊接、腐蝕與防護、光學、電子、生物、醫(yī)學、環(huán)境、能源等學科。如：（1）對太陽能進行波段選擇性吸收、反射、透射的涂層材料，可以使可見光透過、紅外線反射，可以大大提高室內(nèi)的保溫效果

7、；大量能源利用設備采用表面合金涂層，提高了導熱或絕熱性能，大大降低了能耗。涉及到了材料的選擇、制備、光學、太陽能利用等領域。（2）表面工程技術是微電子與信息技術發(fā)展的重要支柱，計算機的集成電路、光盤讀寫頭、顯示器、存儲器、接口，以及光纜、衛(wèi)星，表面技術遍及信息網(wǎng)絡的各個角落。涉及到電子、信息、材料等領域。（3）生物芯片在基因圖譜識別與地址圖譜編制中，其識別和分辨率的高低很大程度上取決于傳感器的表面材料。涉及到了生物、醫(yī)學、材料、電子、信息等。§1.3 表面工程技術的發(fā)展表面工程技術是一門古老而新興的學科。一、瓷釉：1、商代 3000年前（公元前16世紀）出現(xiàn)了青釉；2、周代 出現(xiàn)了琉

8、璃；琉璃（1）是指用各種顏色的人造水晶(含24%的氧化鉛)為原料，用水晶脫蠟鑄造法高溫燒結(jié)而成的藝術作品。琉璃被譽為中國五大名器之首（金銀、玉翠、琉璃、陶瓷、青銅）、佛家七寶之一。（2）指用鋁和鈉的硅酸化合物燒制成的釉料，常見的有綠色和金黃色兩種，多加在黏土的外層，燒制成缸、盆、磚瓦等。3、唐朝（1000多年）發(fā)展到“唐三彩”。唐三彩：唐代彩陶的釉色有很多種，如淺黃、赭黃、淺綠、深綠、天藍、褐紅、茄紫等，但主要以黃、綠、白（或綠、赭、藍）三色為主，所以稱之為“三彩”。采用二次燒成法。首先使用白色粘土作胎，在窯內(nèi)經(jīng)過10001100的素燒，經(jīng)過冷卻，再于胎上繪以各種釉料入窯進行釉燒。唐三彩是一種

9、低溫（850-950）釉陶器，用含有銅（釉為綠色）、鐵（赭黃色）、錳（紫色）、鈷（藍色）、銻（淺黃）等作釉料著色劑，并加入鉛、鋁作助熔劑。其釉色互相滲化，加上年代久遠，部分顏色發(fā)生變化并產(chǎn)生新色，具有較高的裝飾藝術水平。但由于實用性較差，唐三彩主要用于隨葬，即明器和俑。二、青銅器和木器表面的防繡、防腐技術湖北荊州楚墓中出土的越王劍（青銅劍），經(jīng)地下2000年埋藏后還光彩絢麗、鋒利無比，北京鋼鐵研究總院的柯俊院士用質(zhì)子X射線熒光研究發(fā)現(xiàn)表面被鍍上了一層含鉻的金屬，有5的硫，是表面防腐處理的結(jié)果；秦始皇墓二號坑出土的16把青銅劍同樣保存完好、鋒利無比，是因為表面涂覆鉻的氧化物抗氧化涂層。還有在木頭

10、（比如土葬用的棺材）表面涂刷桐油來防腐、防蟲蛀。鉻鹽氧化處理方法，是近代才出現(xiàn)的先進工藝，德國在1937年，美國在1950年先后發(fā)明并申請了專利。鉻是一種極耐腐蝕的稀有金屬，地球巖石中含鉻量很低，提取十分不易。再者，鉻還是一種耐高溫的金屬，它的溶點大約在4000。三、“表面工程”的概念于1984年才由英國伯明翰大學的Tom Bell教授首次提出隨即得到了全世界廣泛的重視（1）有光表面工程的大事記：ü 1986年，國際熱處理聯(lián)合會更名為國際熱處理與表面工程聯(lián)合會聯(lián)合會ü 1987年，中國機械工程協(xié)會表面工程研究所成立ü 1988年，表面工程創(chuàng)刊，1997年更名為中國

11、表面工程ü 1989年起，全國表面工程學術交流會每兩年召開一次，2007年在佳木斯。ü 2000年，“堆焊與熱噴涂專業(yè)委員會”更名為“堆焊及表面工程專業(yè)委員會”（2）在20多年的時間里，表面工程技術得到了快速的發(fā)展。ü 從單一表面工程技術發(fā)展到復合表面工程技術再到納米表面工程技術ü 形成獨立的材料表面工程學科：表面工程基礎理論：表面失效分析、表面摩擦與磨損、表面腐蝕與防護、表面界面結(jié)合與復合；復合表面工程技術：復合表面技術、表面改性技術、表面涂層技術、表面薄膜技術、化學轉(zhuǎn)化膜技術等；表面加工技術：表面質(zhì)量檢測與控制技術：表面工程設計：§1.4

12、表面工程技術的意義一、良好的節(jié)能、節(jié)材效果（1）中國主要支柱產(chǎn)業(yè)部門每年因機器磨損失效所造成的損失在400億元人民幣以上，而通過表面技術改善潤滑，降低磨損可能帶來的經(jīng)濟效益約占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的2以上。如三峽工程中的各種鋼鐵閘門，占大壩全長的72。既要防止酸雨和海蜊子等水中微生物的侵蝕，又要抵抗泥沙的沖刷。使用長效復合涂層可確保其使用壽命達到20年以上。（2）“十一五”規(guī)劃強調(diào)：“我國要加快建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟。”建設節(jié)約型社會、構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟的主要原則是“4R”原則（Reduce、Reuse、Recycle、Remanufacture）。ü 再制造是其中最重

13、要且最活躍的要素。ü 表面工程技術是再制造的重要組成技術。ü 再制造工程是廢舊設備高技術修復、改造的產(chǎn)業(yè)化。ü 再制造的重要特征是再制造后的產(chǎn)品的質(zhì)量和性能達到甚至超過新品，成本只為新品的50%、節(jié)能60%、節(jié)材70%，對環(huán)境的不良影響顯著降低。ü 再制造產(chǎn)品不是二手產(chǎn)品而屬于新品。ü 再制造是先進制造的組成部分，也屬于綠色制造。ü 再制造也是維修工程的組成部分，是維修發(fā)展的高級階段。ü 我國已把表面工程作為一項重要內(nèi)容，2010年長遠發(fā)展規(guī)劃，將作為一項重大的節(jié)能措施大力組織實施。二、節(jié)約貴重材料、節(jié)約成本在電子器件、電力

14、設備中，許多電極材料要求優(yōu)良導電性、穩(wěn)定的電阻以及優(yōu)良的耐蝕性、可加工性、熱穩(wěn)定性等。由于金及金的合金具有上述優(yōu)良性質(zhì)，被廣泛地應用。若把金做成薄膜電極則可極大的節(jié)約成本。三、實現(xiàn)材料表面復合化，解決單一材料無法解決的問題許多情況下，對材料的性能不能同時滿足多種要求。軸承：整體要求韌性好、抗彎強度高，而頸部要求硬度高，而許多材料不能同時滿足齒輪：表面要求硬度高，芯部要求韌性好刀具：刃部要求硬度高，其他部位要求韌性好用來制造上述部件的合金鋼強度高、韌性好，但硬度低，可以在表面涂覆TiN、TiC、CNx等硬質(zhì)膜來滿足。四、促進新興工業(yè)、高新技術的發(fā)展在電子信息技術中，表面工程可為其提供關鍵的薄膜材

15、料及功能器件ü 利用真空濺射鍍膜的方法，通過荷能離子束轟擊Si靶材，使靶材表面的原子飛逸出來，然后在大規(guī)模集成電路中以SiO2為基的絕緣襯底上生長Si的薄膜技術已得到應用。ü 金剛石薄膜具有極為優(yōu)異的導熱性、高介電性和半導體性能，是制作超大規(guī)模集成電路中最理想的功能材料，它主要是采用化學氣相沉積的方法制備。ü 通過在人造生物器官中注入鈦等離子可以大大提高器官的適應性，解決了人造器官與人體肌肉生物相容性的難題。ü 人造骨、關節(jié)、牙齒、皮膚、血管等人造生物材料已經(jīng)開發(fā)成功，用等離子弧加熱法噴涂制造人工齒根的技術也已得到應用。五、提高產(chǎn)品質(zhì)量表面工程在制造、在

16、制造產(chǎn)業(yè)中的應用對提高產(chǎn)品壽命、性能有著重要的作用北京郵票廠從瑞士進口的七色機是高速輪轉(zhuǎn)印郵票機，一個輥筒原來只能打50150萬張，之后孔的質(zhì)量嚴重下降，不能繼續(xù)使用。近年來，七色機主要由于打孔器輥筒質(zhì)量的原因，每年只能完成1000萬張左右，而且還需要經(jīng)常更換輥筒。清華大學和北京機電研究院利用高能量密度激光對郵票打孔器的輥筒的表層輻照，其表層被迅速加熱至奧氏體化溫度以上，并在激光停止輻射后快速自淬火得到馬氏體組織，實現(xiàn)了固態(tài)相變硬化，即激光淬火，一個輥筒就可以打1000萬張，每年直接經(jīng)濟效益為250500萬元。六、對產(chǎn)品進行裝飾，使富麗堂皇、美觀大方，生活需要ü 如金絲邊眼鏡框、手表鏈呈金黃色，美觀大方，是在表面鍍了一層TiN薄膜ü 各種金屬制品，如鋁制暖氣片、鋁制天花板、鋼制扶手等，通過表面噴塑或噴漆，可以克服冰冷、堅硬的感覺，還可以防止以外化傷。七、表面工程技術還具有重要的學術價值，促進了材料、機械、物理、化學等學科的發(fā)展（待補充）§1.5 表面工程技術的分類一、按工藝分類（13類）電鍍、化學鍍、熱