现代表面技术第1章绪论课件

1、 主讲：主讲： ： 博客：博客：Modern surface technology教材和参考书 教材教材 1 12 24. 4. 中国材料工程大典中国材料工程大典. . 材料表面工程（上、下）材料表面工程（上、下），徐滨士，同上，徐滨士，同上，20061. 1. 现代材料表面技术科学现代材料表面技术科学，戴达煌、周克崧，冶金工业出版社，戴达煌、周克崧，冶金工业出版社，20043. 3. 防腐蚀表面工程技术防腐蚀表面工程技术 ，李金桂，化学工业出版社，李金桂，化学工业出版社，20036. 6. 表面科学与技术表面科学与技术，姚寿山，机械工业出版社，姚寿山，机械工业出版社， 19881988 参考

2、书目参考书目表面工程学表面工程学，曾晓雁，机械工业出版社，曾晓雁，机械工业出版社，2002表面工程的理论与应用表面工程的理论与应用，徐滨士，国防工业出版社，徐滨士，国防工业出版社，20105. 5. 现代表面技术现代表面技术 ，钱苗根，机械工业出版社，钱苗根，机械工业出版社， 199919992. 2. 材料表面工程导论材料表面工程导论，赵文轸，赵文轸 ，西安交通大学出版社，西安交通大学出版社， 19981998第第1 1章章 表面技术发展表面技术发展第第2 2章章 电镀电镀第第3 3章章 化学镀化学镀第第4 4章章 表面涂敷表面涂敷第第5 5章章 表面改性表面改性第第6 6章章 气相沉积气相

3、沉积主要内容主要内容第第7 7章章 表面复合技术表面复合技术第第9 9章章 表面分析与性能测试表面分析与性能测试第第8 8章章 表面加工技术表面加工技术东方红一号卫星东方红一号卫星材料的疲劳断裂、磨损、腐蚀、氧化、烧蚀、辐照损伤材料的疲劳断裂、磨损、腐蚀、氧化、烧蚀、辐照损伤等，一般从材料表面开始，而这些过程造成的直接经济等，一般从材料表面开始，而这些过程造成的直接经济损失相当惊人。仅腐蚀一项，全世界每年损耗的金属就损失相当惊人。仅腐蚀一项，全世界每年损耗的金属就超一万亿吨，经济损失占各国超一万亿吨，经济损失占各国GNPGNP的的14%14%！1998年美国腐蚀调查数据（直接损失年美国腐蚀调查

4、数据（直接损失2757亿美元）亿美元）应用现状应用现状1. 结构材料及工程构件和机械零部件上结构材料及工程构件和机械零部件上表面防护：将基材与腐蚀性环境分离，防止化学腐蚀与电化学腐蚀表面防护：将基材与腐蚀性环境分离，防止化学腐蚀与电化学腐蚀耐磨：抵抗疲劳磨蚀、冲蚀、气蚀、粘着磨损、磨料磨损耐磨：抵抗疲劳磨蚀、冲蚀、气蚀、粘着磨损、磨料磨损等离子喷涂陶瓷耐磨涂层：使许多产品的耐磨性能得到了成倍的提高等离子喷涂陶瓷耐磨涂层：使许多产品的耐磨性能得到了成倍的提高TiN, TiAlN等薄膜：高耐磨，低摩擦系数，化学稳定性高三者结合等薄膜：高耐磨，低摩擦系数，化学稳定性高三者结合用于工具，使切削刀具加工

5、更快，切削更深，工具寿命更长，加工表面用于工具，使切削刀具加工更快，切削更深，工具寿命更长，加工表面光洁度更高，能量消耗更少光洁度更高，能量消耗更少表面装饰：光亮、色泽、花纹、仿照等特性表面装饰：光亮、色泽、花纹、仿照等特性2. 2. 功能材料和元器件上功能材料和元器件上吸波涂层：用于飞机，与结构隐身配合，使敌方雷达和红外探恻器吸波涂层：用于飞机，与结构隐身配合，使敌方雷达和红外探恻器 “ “看不到看不到” ” 我方飞机我方飞机防污涂层：用于舰艇，使海洋生物无法粘附于船体而保证舰艇的航防污涂层：用于舰艇，使海洋生物无法粘附于船体而保证舰艇的航 行速度行速度磁性薄膜：用于光盘，进行大量的存储记忆

6、、写入、读出，让人们磁性薄膜：用于光盘，进行大量的存储记忆、写入、读出，让人们 随时可以听到美妙的音乐，看到世界上发生随时可以听到美妙的音乐，看到世界上发生的变化的变化近代涂装：用于轿车，可以使其漂亮、美观，同时耐蚀性显著提高近代涂装：用于轿车，可以使其漂亮、美观，同时耐蚀性显著提高净化大气：如化学气相沉积触媒载体对空气中有害气体的分解净化大气：如化学气相沉积触媒载体对空气中有害气体的分解净化水质：膜材料实现污水净化、提纯、软化，及海水淡化等净化水质：膜材料实现污水净化、提纯、软化，及海水淡化等抗菌灭菌：如抗菌灭菌：如TiOTiO2 2的光催化性能，可分解有毒物质，达到杀菌灭菌的光催化性能，可

7、分解有毒物质，达到杀菌灭菌的目的的目的吸附杂质：吸附剂的除臭、吸湿等功能吸附杂质：吸附剂的除臭、吸湿等功能活化功能：远红外陶瓷涂层活化空气和水活化功能：远红外陶瓷涂层活化空气和水生物医学：防止体液腐蚀、阻止基体中有毒元素进入人体等生物医学：防止体液腐蚀、阻止基体中有毒元素进入人体等治疗疾病：磁性涂层的祛痛降压功能治疗疾病：磁性涂层的祛痛降压功能绿色能源：太阳能电池薄膜、太阳能集热管、半导体制冷器等绿色能源：太阳能电池薄膜、太阳能集热管、半导体制冷器等优化环境：窗玻璃涂层调节光照优化环境：窗玻璃涂层调节光照3. 3. 人类适应、保护和优化环境上人类适应、保护和优化环境上金刚石薄膜；类金刚石碳膜；

8、立方氮化硼薄膜；超导薄膜；金刚石薄膜；类金刚石碳膜；立方氮化硼薄膜；超导薄膜；LBLB薄膜；薄膜；超微颗粒型材料；纳米固体材料；超微颗粒膜材料；非晶硅薄膜；超微颗粒型材料；纳米固体材料；超微颗粒膜材料；非晶硅薄膜；微米硅；多孔硅；碳微米硅；多孔硅；碳6060；纤维增强陶瓷基复合材料；梯度功能材料；纤维增强陶瓷基复合材料；梯度功能材料表面润湿和反润湿技术：表面清洗表面润湿和反润湿技术：表面清洗表面催化技术表面催化技术膜技术：膜是使两物相空间分离且关联，起传递质量与能量作用的膜技术：膜是使两物相空间分离且关联，起传递质量与能量作用的介质介质表面化学技术：如生物现象有关的细胞膜电势和生物电流表面化学

9、技术：如生物现象有关的细胞膜电势和生物电流4. 4. 研究和生产新型材料上研究和生产新型材料上5. 5. 其它表面技术其它表面技术离子注入、激光表面处理、电子束表面改性、化学热处理等离子注入、激光表面处理、电子束表面改性、化学热处理等电镀、化学镀、物理电镀、化学镀、物理- -化学气相沉积等化学气相沉积等热喷涂、搪瓷和陶瓷涂覆等热喷涂、搪瓷和陶瓷涂覆等包箔、贴片、热浸镀、刷镀、堆焊等包箔、贴片、热浸镀、刷镀、堆焊等发展前景表面涂敷技术表面涂敷技术公元前公元前20002000年，从野年，从野生漆树收集天然漆生漆树收集天然漆2020世纪世纪2020年代，酚醛年代，酚醛树脂的出现树脂的出现2020世纪

10、世纪3030年代，合成年代，合成树脂涂料时代树脂涂料时代醇酸树脂醇酸树脂资源利用率高及污染低的绿色涂料及涂装工艺的资源利用率高及污染低的绿色涂料及涂装工艺的开发已成为表面工程技术领域重要的研究方向开发已成为表面工程技术领域重要的研究方向2020世纪初发展起来的世纪初发展起来的热喷涂技术热喷涂技术1910-1910-瑞士火焰喷涂瑞士火焰喷涂5050年代美国爆炸喷涂年代美国爆炸喷涂6060年代等离子喷涂和喷焊年代等离子喷涂和喷焊8080年底超音速喷涂年底超音速喷涂2121世纪冷喷涂世纪冷喷涂已成为较为完整的系统已成为较为完整的系统多功能涂层的开发：甲板防滑、隐身、防激光致盲、吸热、多功能涂层的开发

11、：甲板防滑、隐身、防激光致盲、吸热、光电转换涂层等光电转换涂层等发展前景发展前景表面强化技术表面强化技术2020世纪世纪2020年代首先在年代首先在汽车工业使用喷丸汽车工业使用喷丸6060年代航空工业广泛使用年代航空工业广泛使用成本低的表面强化技术成本低的表面强化技术战国时期钢的淬火为最战国时期钢的淬火为最早的表面热处理技术早的表面热处理技术以电为基础的表面处理新技术不断涌现以电为基础的表面处理新技术不断涌现19-2019-20世纪电的发明世纪电的发明2020世纪初，低压气体世纪初，低压气体放电的发现放电的发现等离子热化学及等离子镀等离子热化学及等离子镀膜技术的兴起膜技术的兴起6060年代年代

12、PVDPVD、真空蒸镀、真空蒸镀及及7070年代磁控溅射年代磁控溅射20世纪60年代，激光、电子束等技术广泛应用于金属材料的表面强化发展前景发展前景复合表面技术复合表面技术复合表面技术通过最佳协同效益使工件材料表面体系在技术指标、可靠性、复合表面技术通过最佳协同效益使工件材料表面体系在技术指标、可靠性、寿命、质量和经济性方面获得最佳的效果，克服了单一表面技术的局限性，寿命、质量和经济性方面获得最佳的效果，克服了单一表面技术的局限性，解决了许多工业关键技术和高新技术发展中特殊的技术问题。解决了许多工业关键技术和高新技术发展中特殊的技术问题。表面加工技术表面加工技术微细加工技术在微电子技术中的重要

13、作用！微细加工微细加工技术在微电子技术中的重要作用！微细加工表面技术领域扩展表面技术领域扩展在生物工程应用领域；在生物工程应用领域；原材料制造业；原材料制造业；家电行业的预涂型彩色钢板；家电行业的预涂型彩色钢板；汽车工业；汽车工业；纳米材料制备纳米材料制备表面工程是一门边缘性很强的技术，表面工程是一门边缘性很强的技术，其发展必然受到许多学科和技术发其发展必然受到许多学科和技术发展的促进和制约展的促进和制约表面、界面、相界面、晶界、微晶、纳米晶、非晶表面、界面、相界面、晶界、微晶、纳米晶、非晶基本概念基本概念表面：表面：固、气相间的分界固、气相间的分界；界面：界面：固相间的分界固相间的分界；相界

14、：相界：凝聚相间的分界凝聚相间的分界；晶界：晶界：同相中晶粒间分界同相中晶粒间分界；微晶：微晶：晶粒尺寸位于微米级以下晶粒尺寸位于微米级以下；纳米晶：纳米晶：晶粒尺寸小于晶粒尺寸小于100nm100nm；非晶：非晶：晶粒尺寸小于晶粒尺寸小于1nm1nm；理论前提：理论前提：不存在任何污染的化学纯表面，是经过诸如离子轰击、不存在任何污染的化学纯表面，是经过诸如离子轰击、退退火热处理、火热处理、超高真空中解理、超高真空中解理、热蚀、热蚀、场效应蒸发等特殊处场效应蒸发等特殊处理后，保持在理后，保持在1010- -6 6PaPa1010- -9 9PaPa超高真空下外来沾污少到不能超高真空下外来沾污少

15、到不能用一般表面分析方法探测的表面。其中离子轰击加退火热用一般表面分析方法探测的表面。其中离子轰击加退火热处理是目前最普遍采用的方法。处理是目前最普遍采用的方法。清洁表面：台阶表面、弛豫表面、重构表面清洁表面：台阶表面、弛豫表面、重构表面涂层沉积涂层沉积前需预处理获得清洁表面前需预处理获得清洁表面（表面的化学组成与体内相同，但结构可以不同于体内）（表面的化学组成与体内相同，但结构可以不同于体内）这类结构比较普遍地发生在一些金属及其氧化物，半导体材料及这类结构比较普遍地发生在一些金属及其氧化物，半导体材料及其化合物晶体的某些晶面上，如其化合物晶体的某些晶面上，如Cu, Au, W, Pt,Pd,

16、 Si, Ge, As, Cu, Au, W, Pt,Pd, Si, Ge, As, GaAs, ZnOGaAs, ZnO等等台阶和扭折对晶体生长、气体吸附和台阶和扭折对晶体生长、气体吸附和反应速度影响较大反应速度影响较大表面不是原子级的平坦，表面原子可以形成台阶结构表面不是原子级的平坦，表面原子可以形成台阶结构晶面1（平面）晶面3 （连接面）晶面2 （立面）弛豫表面示意图弛豫表面示意图d0d ds s很多半导体材料以及金属材料、很多半导体材料以及金属材料、离子晶体等材料中均可观察到离子晶体等材料中均可观察到表面原子弛豫的存在表面原子弛豫的存在表面层之间以及表面和内部原子层之间的垂直间距表面层

17、之间以及表面和内部原子层之间的垂直间距dsds和体内原子层间和体内原子层间距距d0d0相比有所膨胀和压缩的现象，可能涉及几个原子层。包括：压缩相比有所膨胀和压缩的现象，可能涉及几个原子层。包括：压缩效应，弛张效应，起伏效应等。效应，弛张效应，起伏效应等。压缩效应压缩效应Ge(111)表面原子弛豫的起伏表面原子弛豫的起伏重构表面示意图重构表面示意图d0asa0d0 表面重构表面重构Q Q 取决于晶格结构，固溶体类型，取决于晶格结构，固溶体类型，扩散元素，合金元素，扩散途径扩散元素，合金元素，扩散途径XctD= =扩散时间扩散时间扩散系数扩散系数几何因素所决定的常数几何因素所决定的常数D = D0expQQQQDDDDQRT扩散系数扩散系数扩散时间扩散时间第第4 4节节 金属