第1章 现代材料表面工程技术绪论

1、现代材料表面工程技术现代材料表面工程技术 Materials Surface Engineering教材： 材料表面工程技术李慕勤 化学工业出版社第第1 1章：绪论章：绪论 1.1 表面工程学科体系 1.2表面工程技术的应用 1.3表面工程技术的发展趋势3“承旋承旋”，酒器，东汉建武年，酒器，东汉建武年间，现藏于北京故宫博物院间，现藏于北京故宫博物院兽形盒砚，东汉制，出土于兽形盒砚，东汉制，出土于19801980年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬年陕西临潼姜寨新石器时代墓葬品，由石砚、盒身、盒盖三部分品，由石砚、盒身、盒盖三部分组成组成 中国古代的鎏金工艺中国古代的鎏金工艺 鎏金是自先秦时代即产生的

2、传统金属装饰工艺，是一种传统的做法，至今仍在民间流行，亦称火镀金或汞镀金。在东周和汉代以后均颇为流行，是当时最值得称道的铜器表面装饰工艺之一，先后称为黄金涂、金黄涂、金涂、涂金、镀金，宋代始称鎏金。 鎏金是一种金属加工工艺，亦称“涂金”、“镀金”、“度金”、“流金”，是把金和水银合成的金汞剂，涂在铜器表层，加热使水银蒸发，使金牢固地附在铜器表面不脱落的技术。鎏金是我国古代劳动人民创造的工艺。中国的鎏金技术始于战国，同时中国也是世界上最早使用这一技术的国家。 日本刀的覆土烧刃日本刀的覆土烧刃 世界三大名刃之一世界三大名刃之一覆土烧刃原理覆土烧刃原理所谓“覆土烧刃”，就是以调配的泥土覆盖刀身不需要

3、高硬度的位置，然后将刀剑加热至特定温度，当红热的刀身进入水中后，赤裸的部分迅速冷却，而有泥土覆盖的部位的温度变化不会非常明显，导致硬度与赤裸部位不同，从而达到刚柔并济的效果，在刀刃硬度高的情况下，依旧能保持刀身的良好韧性。高档日本刀的覆土烧刃，是通过覆土的不均来使其淬火时自然弯曲。 波斯刀-草木灰？表面工程形成一门独立的学科是近 20 来年的事： 1983年 表面工程的概念被首次提出 1985年表面工程杂志创刊 1986年 国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程联合会 1987年 中国机械工程学会表面工程研究所成立 1988年表面工程中文版杂志出版，后更名为中国表面工程 2000年 全国焊

4、接学会原“堆焊与热喷涂专业委员会”正式更名为“堆焊及表面工程专业委员会”。目前，全世界范围内，表面工程的应用已取得巨大的经济效益，而且也逐渐发展成为横跨多个学科的边缘性、综合性、复合型学科 1.1 表面工程学科体系表面工程学科体系表面工程定义：表面工程定义： 表面工程是表面经过预处理后，通过表面涂覆、表面改性表面工程是表面经过预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得表面所需性能形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得表面所需性能的系统工程。的系统工程。

5、表面工程学科体系表面工程学科体系内涵：内涵： 1 1、表面工程基础理论。、表面工程基础理论。 2 2、表面工程技术。、表面工程技术。 3 3、表面加工技术。、表面加工技术。 4 4、表面检测技术。、表面检测技术。 5 5、表面工程技术设计。、表面工程技术设计。 表面工程技术表面工程技术是表面工程学的核心和实质，其内涵为：是表面工程学的核心和实质，其内涵为： 1 1、表面涂镀技术。、表面涂镀技术。 2 2、表面薄膜技术。、表面薄膜技术。 3 3、表面改性技术、表面改性技术 4 4、复合表面工程技术。、复合表面工程技术。表面工程技术表面工程技术简称表面技术，它是运用各种物理、化学和机简称表面技术，

6、它是运用各种物理、化学和机械的方法，改变基材表面的形态、化学成分、组织结构和应械的方法，改变基材表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况而使其具有某种特殊性能，从而满足特定的使用要求。力状况而使其具有某种特殊性能，从而满足特定的使用要求。表面工程学科体系表面工程学科体系（1）表面涂镀技术 定义：将液态涂料涂覆在材料表面或将镀料原子沉积在材料表面形成涂层或镀层 常见手段：热喷涂、堆焊、电镀、化学镀、气相沉积和涂装技术（2）表面改性技术 定义：利用热处理、机械处理、离子处理和化学处理等方法，改变材料表面的成分及性能的技术 常见手段：热扩渗、转化膜、表面合金化、离子注入和喷丸强化 （3）薄膜技术 定

7、义：采用各种方法在工件表面上沉积厚度为100nm至1um或数微米薄膜的技术 常见手段：气相沉积技术 按学科特点分类按学科特点分类1.1.2 1.1.2 表面工程技术的分类表面工程技术的分类工艺工艺 实现手段实现手段电镀 合金电镀、复合电镀、电刷镀、非晶态电镀和非金属电镀涂装 特殊用途、特殊类型的新涂料和涂装工艺堆焊 埋弧自动堆焊、振动电弧堆焊、CO2保护自动堆焊和等离子堆焊热喷涂 火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和爆炸喷涂热扩渗 固体渗、液体渗、气体渗和等离子渗化学转化膜 化学氧化、阳极氧化、磷酸盐膜和铬酸盐膜彩色金属 整体着色、吸附着色及电解着色气相沉积 化学气相沉积和物理气相沉积三束改性 激

8、光束改性、电子束改性和离子束改性基于工艺特点的分类基于工艺特点的分类金属材料层；金属材料层；陶瓷材料层；陶瓷材料层；高分子材料层高分子材料层复合材料层复合材料层基于表面强化层材料的分类基于表面强化层材料的分类 1.2.1表面工程技术的作用 1.2.2表面工程技术的意义 1.2.3表面工程技术的应用131.2.11.2.1表面工程技术的作用表面工程技术的作用表面工程技术的作用：表面工程技术的作用： 制备出优于本体材料性能的表面覆盖层，赋予工件表面耐蚀制备出优于本体材料性能的表面覆盖层，赋予工件表面耐蚀性、耐磨性及获得电、磁、光、声、热等性能。性、耐磨性及获得电、磁、光、声、热等性能。 表面工程技

9、术最突出的技术特点：表面工程技术最突出的技术特点： 是无需改变整体材质，就能获得本体材料所不具备的某些特是无需改变整体材质，就能获得本体材料所不具备的某些特殊性能。殊性能。 表面技术多获得的表面覆盖层厚度一般从几十微米到几毫米。表面技术多获得的表面覆盖层厚度一般从几十微米到几毫米。 1.2.2 1.2.2 表面工程技术的意义表面工程技术的意义1. 表面工程技术是保证产品质量的基础工艺技术。采用各种表面工程技术可使产品表面获得成分和组织可控的多种保护涂层，满足不同工况服役与装饰外观的要求，显著提高产品的使用寿命、可靠性与市场竞争能力。2. 表面工程技术是节能、节材和挽回经济损失的有效手段。采用有

10、效的表面防护手段，至少可减少腐蚀损失15-35%，减少磨损损失33%左右。3. 表面工程技术在制备新型材料方面具有特殊的优势4. 表面工程技术是微电子技术发展的基础技术。以化学气相沉积、物理气相沉积、光刻技术和离子注入为代表的表面薄膜沉积技术和表面微细加工技术是制作大规模集成电路、光导纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元器件的基础。1.2.3 1.2.3 表面工程技术的应用表面工程技术的应用1. 在改善和美化人们生活中的应用 人类生活中的衣食住行、学习、娱乐、旅游、医疗、饰品、工艺品无不越来越得益于表面工程的成就。 衣料的美观、保暖、手感、抗静电；食品的色泽、保鲜、储存、包装；新型建材、房屋装修

11、更是以表面工程为其重要技术源泉；汽车的美观、节油、低噪声离不开渗透在零部件、摩擦副、活化剂、传感器、电子仪表中的表面工程的新成果；还有，保护视力的镜片、高级相机的镜头、比天然品更美的镀膜饰品、美观舒适的墙体和地面装饰、镀膜玻璃、灯具和发光体、不粘附厨房用具、钟表及家用电器、学习用品和工艺美术品，等等。 可以说，人们生活在一个由于表面工程技术的发展而变得越来越美好的环境中。 1.2.3 1.2.3 表面工程技术的应用表面工程技术的应用1. 在改善和美化人们生活中的应用2. 在保护、优化环境中的应用(1)净化大气 采用化学气相沉积和溶胶-凝胶等技术制成的催化剂载体，可有效地治理被污染的大气。(2)

12、净化水质 过滤膜可采用化学气相沉积、阳极氧化和溶胶-凝胶等表面工程技术来制备。(3)吸附杂质 采用表面技术制成的吸附剂，可使空气、水、溶液中的有害成分被吸附，还可去湿、除臭。(4)活化功能 远红外具有活化空气和水的功能。(5)绿色能源 表面工程技术是开发绿色能源的基础技术之一，许多绿色能源装置都应用了气相沉积镀膜和涂覆技术。1.2.3 1.2.3 表面工程技术的应用表面工程技术的应用3.在结构材料中的应用表面工程技术在耐腐蚀性和装饰性方面起着重要作用，同时在强化、耐磨、装饰等方面也起着重要作用。(1)表面防护 表面防护主要是指材料表面防止化学腐蚀和电化学腐蚀等的能力。采用表面工程技术能显著提高

13、结构件的防护能力。(2)耐磨性 耐磨性是指材料在一定摩擦力条件下抵抗磨损的能力。它与材料特性以及载荷、速度、温度等磨损条件有关。利用热喷涂、堆焊、电刷镀和电镀等表面技术，在材料表面形成Ni基、Co基、Fe基、金属陶瓷等覆层，可有效地提高材料或制件的耐磨性。(3)表面强化 主要指通过各种表面强化处理来提高材料表面抵御除腐蚀和磨损之外的环境作用的能力。(4)表面装饰 具有光亮、色泽、花纹和仿照等功能。合理地选择电镀、化学镀、氧化等表面技术，可以获得镜面镀层、全光亮镀层、亚光镀层、缎状镀层，不同色彩的镀层，各种平面、立体花纹镀层、仿贵金属、仿古和仿大理石镀层等。1.2.3 1.2.3 表面工程技术的

14、应用表面工程技术的应用4.在功能材料和元器件中的应用功能材料主要指具有优良的物理、化学和生物等功能，以及一些声、电、光、磁等互相转换功能，而被用于非结构目的的高技术材料，常用来制造各种装备中具有独特性能的核心部件。材料的功能特性与其表面成分、组织结构等密切相关。(1)电学特性 利用电镀、化学镀、气相沉积、离子注入等技术可制备具有电学特性的功能薄膜及其元器件。(2)磁学特性 通过气相沉积技术和涂装等表面技术制备出磁记录介质、磁带、磁泡材料、电学屏蔽材料、薄膜磁阻元件等。(3)光学特性 利用电镀、化学镀、转化膜、涂装、气相沉积等方法，能够获得具有反光、光选择吸收、增透性、光致发光、感光等特性的薄膜

15、材料。1.2.3 1.2.3 表面工程技术的应用表面工程技术的应用(4)声学特性 利用涂装、气相沉积等表面技术，可以制备掺杂Mn-Zn铁氧体复合聚苯胺宽频段的吸波涂层、红外隐身涂层、降低雷达波反射系数的纳米复合雷达隐身涂层，声反射和声吸收涂层以及声表面波器件等。(5)热学特性 采用磁控溅射，涂装等方法制备。(6)生物学特性 具有一定的生物相容性和物理化学性质的生物医学材料，利用等离子喷涂、气相沉积、等离子注入等方法形成的一用涂层，可在保持基体材料特性的基础上，提高基体表面的生物学性质、耐磨性、耐蚀性和绝缘性等，阻隔基体材料离子向周围组织溶出扩散，起到改善人体机能的作用。在金属材料上制备生物陶瓷

16、涂层，提高材料的生物活性，用作人造关节、人造牙等医学植入体。将磁性涂层涂覆在人体的一定穴位上，有治疗疼痛、高血压等功能。(7)各种转换功能 采用表面工程技术可获得进行光-电，热-电，光-热，力-热，磁-光等转换功能的器件。1.2.3 1.2.3 表面工程技术的应用表面工程技术的应用5.在再制造工程中的应用(1)再制造工程的内涵 再制造工程是在维修工程和表面工程的基础上发展起来的新兴科学，是以产品全寿命周期论为指导，以实现废旧产品的性能提升为指标，以优质、高效、节能、节材和环保为准则，以先进生产技术和产业优化为手段，来修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。简而言之为是废旧产品高技术

17、修复、改造的产业。其重要特征是，再制造以后的产品质量和性能达到或超过新品，成本只是产品的50%，可节能60%，节材70%，对环境的不良影响显著降低，可有力的促进资源节约型、环境友好型社会的建设。(2) 再制造工程的效益和特色 效益体现在：废旧产品的零部件因被直接用作再制造的毛坯而不是回炉冶炼获得钢垫，避免了回炉时对能量的消耗和对环境造成的二次污染；避免了由钢锭到新零件的二次制造时对能源的再次消耗和对环境的再度污染。一方面提高了产品的绿色度，另一方面避免了成为固体垃圾而造成的环境污染。1.3 1.3 表面工程技术的发展趋势表面工程技术的发展趋势1.传统表面工程技术的创新2.复合表面工程技术的研究

18、3. 纳米表面工程纳米表面工程是指充分利用纳米材料的优异特性提升和改善传统的表面工程，通过特定方法使材料表面纳米化、纳米结构或功能化，从而使材料表面性能提高或赋予其全新功能的系统工程。关键技术主要包括：纳米热喷涂技术、纳米电刷镀技术、纳米减摩自修复添加剂技术、金属材料表面自身纳米化、纳米表面粘结技术、纳米涂装、纳米薄膜气相沉积技术等。4.大力发展绿色再制造工程5.研究开发新型功能材料6.向自动化、智能化的方向迈进7.追求环保零排放零件在服役过程中零件在服役过程中, ,主要失效的形式为：主要失效的形式为： 腐蚀 、磨损 、氧化、浸蚀、疲劳、断裂 背景：背景：现代工业要求产品能在更高参数(如高温,

19、高压,高速)、高度自动化 和更恶劣的工况条件下更长期稳定运转.这就必然对工件表面的 抗磨损、耐腐蚀等性能提出了更高的要求。 来源：西北有色金属研究院西北有色金属研究院高温钛合金铌合金（带高温抗氧化涂层）发动机推力室发动机推力室 实例实例- -高温抗氧化涂层高温抗氧化涂层 难熔金属难熔金属 Nb 在高温下易发生氧化，其高在高温下易发生氧化，其高温氧化物不具备保护作用，使材料的力学温氧化物不具备保护作用，使材料的力学性能急剧下降，严重影响性能。性能急剧下降，严重影响性能。 来源：西北有色金属研究院西北有色金属研究院铌在180开始发生缓慢氧化，450 以下的氧化物具有保护作用，450 600 氧化膜

20、的晶体体积发生变化（从4.36变到5.17)，开始出现粉化，600 700 其氧化速度与氧压成正比关系，700 850 内层氧化膜起控制作用，850 以上氧化产物完全为Nb2O5实例实例- -高温抗氧化涂层高温抗氧化涂层 1、飞机发动机用高温抗氧化涂层飞机发动机用高温抗氧化涂层： 使用温度使用温度：12001400， 使用寿命大于使用寿命大于100h。 使用温度使用温度：1800，使用寿命大于使用寿命大于100h。2、航天火箭发动机用高温抗氧化涂层航天火箭发动机用高温抗氧化涂层： 使用温度使用温度：1800以上，最高要求达到以上，最高要求达到2000 使用寿命较短，几分钟使用寿命较短，几分钟十

21、几分钟十几分钟。 来源：西北有色金属研究院西北有色金属研究院涂层的性能要求涂层的性能要求 超微纳米结构，不仅有利于自洁，还有利于防止对大量漂浮在大气中超微纳米结构，不仅有利于自洁，还有利于防止对大量漂浮在大气中的各种有害的细菌和真菌对植物的侵害。另外，更重要的是，为了提的各种有害的细菌和真菌对植物的侵害。另外，更重要的是，为了提高叶面吸收阳光的效率，进而提高叶面叶绿体的光合作用。高叶面吸收阳光的效率，进而提高叶面叶绿体的光合作用。纺织品喷涂上纳米波纤维保护剂后，便形成一层保护层它抗溶剂、防水、防污，环保纳米竹炭纤维鞋垫不粘锅之所以不粘，全在于锅底的那一层叫“特富龙”的涂层。这种物质是含氟树脂的总称，包括聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯及各种含氟共聚物，由于水在该憎水涂层表面不能润湿，在干燥后饭粒也不会与基体紧密黏附而形成锅巴。不粘锅原理不粘锅原理PTFE 在高温（超过260摄氏度）下会释放有毒气体，而 PFOA“很可能致癌” 随着美国环境保护署（EPA）作出决定，勒令美国杜邦公司等8家化学公司逐步减少直至停用制造特富龙不粘涂料所需的核心成分全氟辛酸铵(PFOA)。世界卫生组织（WHO）的专家建议，人们应该选择安全、对健康有益的中国铁锅。 陶瓷在不粘锅的升级过程中起到了重要作用。陶瓷性能稳定，并且经过上千年的使用检验，已充分证明其安全性。 使用纳米技术令产品表面