表面工程技术-绪论

1、Harbin Engineering University教学目的o 通过本课程学习系统地掌握现代表面处理技术通过本课程学习系统地掌握现代表面处理技术的基本原理；的基本原理；o 能合理选择并应用这些新的表面工程技术；能合理选择并应用这些新的表面工程技术；o 解决材料表面硬度、强度、耐磨性与心部强韧解决材料表面硬度、强度、耐磨性与心部强韧性之间的矛盾；性之间的矛盾；o 充分发挥材料性能的潜力；延长产品使用寿命充分发挥材料性能的潜力；延长产品使用寿命和提高产品质量。和提高产品质量。1 1 表面工程技术概论表面工程技术概论o 定义：表面工程是经过定义：表面工程是经过表面预处理表面预处理后，通过后，通

2、过表面涂覆表面涂覆、表表面改性面改性或或多种表面技术复合处理多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非，改变固体金属表面或非金属金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获，以获得所需要得所需要表面性能表面性能的系统工程。（对象、途径、目的）的系统工程。（对象、途径、目的）o The design of surface and substrate together as a functionally graded system to give a cost effective performance enhancement of which nei

3、ther is capable on its own.应用领域应用领域o 对于对于机械零件机械零件而言，表面工程主要用于提高零件表面的耐磨而言，表面工程主要用于提高零件表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性、抗疲劳强度等性能，以保证现代机械性、耐蚀性、耐热性、抗疲劳强度等性能，以保证现代机械在高速、高温、高压、重载以及强腐蚀介质工况下可靠、持在高速、高温、高压、重载以及强腐蚀介质工况下可靠、持续运行；续运行；o 对于对于电子电器元件电子电器元件，表面工程主要用于提高元器件的电、光，表面工程主要用于提高元器件的电、光、声、磁等特殊物理性能，以满足现代电子产品容量大、传、声、磁等特殊物理性能，以满足现代电子

4、产品容量大、传输快、体积小、转换率高、可靠性高的要求；输快、体积小、转换率高、可靠性高的要求；o 对于对于机电产品的包装及工艺品机电产品的包装及工艺品，表面工程主要用于提高表面，表面工程主要用于提高表面的耐腐蚀性和美观性，以实现机电产品的优异性能、艺术造的耐腐蚀性和美观性，以实现机电产品的优异性能、艺术造型与绚丽外表的完美结合；型与绚丽外表的完美结合；o 对对生物材料生物材料，主要用于提高人造骨骼等人体植入物的耐磨性，主要用于提高人造骨骼等人体植入物的耐磨性、耐蚀性，尤其是生物相容性，以保证患者的健康，提高生、耐蚀性，尤其是生物相容性，以保证患者的健康，提高生活质量。活质量。1.2表面工程技术

5、的特点表面工程技术的特点o 获得优良的表面力学性能获得优良的表面力学性能(高硬、耐磨、抗疲劳高硬、耐磨、抗疲劳、抗冲蚀、低摩擦系数、自润滑等、抗冲蚀、低摩擦系数、自润滑等) ；o 获得优良的表面物理功能获得优良的表面物理功能(吸波、导波、超导、吸波、导波、超导、软磁、硬磁、电磁屏蔽、光软磁、硬磁、电磁屏蔽、光-电转换、压电陶瓷电转换、压电陶瓷薄膜、低膨胀系数等薄膜、低膨胀系数等) ；o 获得优良的表面化学性能获得优良的表面化学性能(防锈、耐蚀、杀菌、防锈、耐蚀、杀菌、仿生物污染、自洁净等仿生物污染、自洁净等) ；o 获得优良的表面热性能获得优良的表面热性能(耐热、吸热、导热、阻耐热、吸热、导热

6、、阻热及热反射等热及热反射等)。“表面工程技术表面工程技术” 课程，主要包括两部分内容课程，主要包括两部分内容o 表面工程原理表面工程原理:主要包括表面晶体学、表面动力学、表主要包括表面晶体学、表面动力学、表面热力学和薄膜物理。主要讨论固体材料的表面与界面面热力学和薄膜物理。主要讨论固体材料的表面与界面, 涉及到固态的自由表面涉及到固态的自由表面, 固固-气界面、固气界面、固-固界面等固界面等,并以晶态物质的表面与界面为主要研究对象。从理论体并以晶态物质的表面与界面为主要研究对象。从理论体系来看，表面工程原理的研究内容，包括微观理论与宏系来看，表面工程原理的研究内容，包括微观理论与宏观理论。微

7、观理论主要指在原子、分子水平上运用经典观理论。微观理论主要指在原子、分子水平上运用经典理论和原子理论研究固体表面的组成，原子结构及输送理论和原子理论研究固体表面的组成，原子结构及输送现象、电子结构与电子运动及其对表面宏观性质的影响现象、电子结构与电子运动及其对表面宏观性质的影响; 另一方面在宏观尺度上另一方面在宏观尺度上, 从能量的角度研究一系列的从能量的角度研究一系列的表面现象表面现象, 在实验的基础上建立相应的基本方程。在实验的基础上建立相应的基本方程。o 表面工程技术表面工程技术(工艺工艺):主要主要研究研究 1)表面涂层材料的制备与合成技术；表面涂层材料的制备与合成技术； 2)表面涂层

8、材料的成分、组织及结构分析表面涂层材料的成分、组织及结构分析； 3)表面涂层材料的性能测试与评价；表面涂层材料的性能测试与评价； 4)表面涂层材料的质量控制与循环再利用。表面涂层材料的质量控制与循环再利用。o 表面工程技术有着悠久的历史，例如人们熟知的渗碳、表面工程技术有着悠久的历史，例如人们熟知的渗碳、氮化、碳氮共渗，以及镀铬、表面涂装等技术，对改善氮化、碳氮共渗，以及镀铬、表面涂装等技术，对改善工件的使用性能、提高工件的使用寿命和可靠性起到重工件的使用性能、提高工件的使用寿命和可靠性起到重要作用。近二三十年来，由于多种高新技术的交叉与渗要作用。近二三十年来，由于多种高新技术的交叉与渗透以及

9、表面工程技术自身的不断完善与发展，使表面工透以及表面工程技术自身的不断完善与发展，使表面工程技术在材料科学与工程领域中迅速崛起，成为国民经程技术在材料科学与工程领域中迅速崛起，成为国民经济发展和国防建设中最为重要的工程技术之一。济发展和国防建设中最为重要的工程技术之一。表面工程技术几乎可以制备、合成能够满足各种特殊需求的表面工程技术几乎可以制备、合成能够满足各种特殊需求的表面材料，改善和提高材料表面性能。表面材料，改善和提高材料表面性能。o 获得优良的表面力学性能获得优良的表面力学性能(高硬、耐磨、抗疲劳、抗冲高硬、耐磨、抗疲劳、抗冲蚀、低摩擦系数、自润滑等蚀、低摩擦系数、自润滑等) ；o 获

10、得优良的表面物理功能获得优良的表面物理功能(吸波、导波、超导、软磁、吸波、导波、超导、软磁、硬磁、电磁屏蔽、光硬磁、电磁屏蔽、光-电转换、压电陶瓷薄膜、低膨胀电转换、压电陶瓷薄膜、低膨胀系数等系数等) ；o 获得优良的表面化学性能获得优良的表面化学性能(防锈、耐蚀、杀菌、仿生物防锈、耐蚀、杀菌、仿生物污染、自洁净等污染、自洁净等) ；o 获得优良的表面热性能获得优良的表面热性能(耐热、吸热、导热、阻热及热耐热、吸热、导热、阻热及热反射等反射等)。新趋势：新趋势：o 表面工程技术还在表面工程技术还在金刚石薄膜、薄膜半导体、化合物超导金刚石薄膜、薄膜半导体、化合物超导薄膜、肌体相容性人造骨骼表面薄

11、膜、肌体相容性人造骨骼表面处理等方面显示了极大的处理等方面显示了极大的优越性。优越性。o 表面工程技术不仅明显提高了产品质量，延长了使用寿命表面工程技术不仅明显提高了产品质量，延长了使用寿命，而且可以，而且可以节省大量昂贵稀缺的材料资源节省大量昂贵稀缺的材料资源，降低了产品的，降低了产品的造价。造价。o 表面工程技术之所以受到广泛重视并得到迅速发展，除了表面工程技术之所以受到广泛重视并得到迅速发展，除了具有较大的工程应用价值和经济意义，更重要的是表面工具有较大的工程应用价值和经济意义，更重要的是表面工程技术在支撑现代文明的程技术在支撑现代文明的“信息科学、生物科学和材料科信息科学、生物科学和材

12、料科学学”三大技术领域中，起到了块体材料不可替代的作用三大技术领域中，起到了块体材料不可替代的作用 。地位：地位：o 由于由于航天航空工程航天航空工程、海洋与船舶工程海洋与船舶工程、电子工程电子工程和和生物工程生物工程对高新材料的迫切需求，推动了表面对高新材料的迫切需求，推动了表面工程技术的长足发展，从而在工程技术的长足发展，从而在20世纪世纪80年代使年代使表面工程技术成为表面工程技术成为世界十大关键制造技术世界十大关键制造技术之一。之一。o 表面工程技术是当今科学研究、高新技术发展和表面工程技术是当今科学研究、高新技术发展和机械工程应用中新材料制备的主要方法，因此了机械工程应用中新材料制备

13、的主要方法，因此了解解表面工程技术的基本原理及其应用表面工程技术的基本原理及其应用，对全面了，对全面了解和掌握材料科学知识有重要意义。解和掌握材料科学知识有重要意义。1.3 分类分类 按介质形态分类，最一般的分类方法是按介质形按介质形态分类，最一般的分类方法是按介质形态分为态分为湿法工艺湿法工艺(Wet Process)和和干法工艺干法工艺(Dry Process)：o 湿法工艺包括湿法工艺包括水溶液、熔盐和有机溶液水溶液、熔盐和有机溶液的表面处理。的表面处理。o 干法工艺则包括干法工艺则包括气相和固相介质的表面处理气相和固相介质的表面处理，例如，例如PVD (Physical Vapor Deposition)、CVD (Chemical Vapor Deposition)，热喷涂，各，热喷涂，各种气相、固相的表面扩散，高能束种气相、固相的表面扩散，高能束(激光束、离子束激光束、离子束、电子束、电子束)表面处理，自蔓燃表面涂层合成等。表面处理，自蔓燃表面涂层合成等。按沉积物尺寸分类按沉积物尺寸分类 离子镀的创始人托马克斯离子镀的创始人托马克斯(D. M. Mattox)，按沉积物尺寸将表面工程技术分为四大类：按沉积物尺寸将表面工程技术分为四大类