材料表面与薄膜技术概论

1、2课程安排课程安排章节章节内容内容学时学时1 1材料表面与薄膜技术概论材料表面与薄膜技术概论4 42 2表面喷涂技术表面喷涂技术4 43 3物理气相沉积技术物理气相沉积技术4 44 4化学气相沉积技术化学气相沉积技术4 45 5表面纳米化技术表面纳米化技术4 46 6表面冶金技术表面冶金技术4 47 7表面分析表征技术表面分析表征技术4 48 8高离化率物理气相沉积技术进展与薄膜设计高离化率物理气相沉积技术进展与薄膜设计（实验参观）（实验参观）4 43教学目的教学目的n 通过本课程学习，系统了解材料表面通过本课程学习，系统了解材料表面与薄膜技术的与薄膜技术的常见方法常见方法与与基本原理基本原理

2、，能，能用用表面工程学表面工程学的观点和方法分析、解决的观点和方法分析、解决实际科研工作中的实际科研工作中的关键技术问题关键技术问题。4参考书目参考书目l徐滨士徐滨士. 纳米表面纳米表面工程工程. 化学工业出版社化学工业出版社, 2004l徐重徐重. 等离子表面等离子表面冶金学冶金学. 科学科学出版社出版社, 2008l张钧张钧, 赵彦辉赵彦辉. 多弧离子镀技术与多弧离子镀技术与应用应用. 冶金工业出版社冶金工业出版社, 2007l赵文轸赵文轸. 材料表面工程材料表面工程导论导论. 西安交通大学出版社西安交通大学出版社, 2003l钱苗根钱苗根, 张张少宗少宗. 现代表面现代表面技术技术. 机

3、械工业出版社机械工业出版社, 2002l田民波田民波, 刘德令刘德令. 薄膜科学与技术手册薄膜科学与技术手册. 机械工业出版社机械工业出版社, 1991l胡传炘胡传炘, 宋幼慧宋幼慧. 涂层技术原理及应用涂层技术原理及应用. 化学工业出版社化学工业出版社, 2000l杨烈宇杨烈宇, 关文铎等关文铎等. 材料表面薄膜技术材料表面薄膜技术. 人民交通出版社人民交通出版社, 19915文献资料文献资料6基本要求基本要求l总成绩总成绩 = 平时成绩（平时成绩（20%）+ 笔试（笔试（80%）l平时成绩平时成绩 = 出勤（出勤（10%）+ 问答（问答（10%）l出勤：每迟到一次或早退一次扣出勤：每迟到一

4、次或早退一次扣 2 分；每分；每旷课一次扣旷课一次扣 5 分，分，旷课超过旷课超过3次取消笔试资次取消笔试资格格；若有事不能上课，请务必提前写请假若有事不能上课，请务必提前写请假条或发送短信或邮件条或发送短信或邮件l笔试：闭卷考试笔试：闭卷考试研究生的角色研究生的角色 “人人”字两笔：一撇代表字两笔：一撇代表品格品格，一捺代表，一捺代表学识学识。 有德无才是有德无才是君子君子，有才无德是，有才无德是小人小人。 德才兼备是德才兼备是圣人圣人！ 道德品质道德品质和和人文修养人文修养是立人的基石。是立人的基石。 对人才的培养不能只注重在业务能力的培养，道对人才的培养不能只注重在业务能力的培养，道德水

5、平低下的所谓人才起到的负面影响是巨大的德水平低下的所谓人才起到的负面影响是巨大的，只有具有，只有具有优秀的专业技能优秀的专业技能和和良好的道德素质良好的道德素质的的人才才能对社会的发展起推动作用。人才才能对社会的发展起推动作用。7 中国科学院院士、著名的物理学家和材料科学中国科学院院士、著名的物理学家和材料科学家、原清华大学校长家、原清华大学校长顾秉林顾秉林认为：认为：学术理想学术理想，是一种对学术目标的是一种对学术目标的向往和追求向往和追求。有理想才会。有理想才会勇于追求、敢于批判，才会有热情、有兴趣，勇于追求、敢于批判，才会有热情、有兴趣，才会有坚持不懈的努力和无私无畏的付出。才会有坚持不

6、懈的努力和无私无畏的付出。 要为要为“学问学问”而不要为而不要为“学位学位”。要立下。要立下追求追求真理真理、创造新知创造新知的志向，敢于探索未知的、重的志向，敢于探索未知的、重大的和困难的题目，并为此付出精力和心血。大的和困难的题目，并为此付出精力和心血。8树立学术理想，恪守学术道德树立学术理想，恪守学术道德引自：顾秉林校长在清华大学引自：顾秉林校长在清华大学2011级研究生新生开学典礼上的讲话级研究生新生开学典礼上的讲话 树立学术理想，还要有正确的树立学术理想，还要有正确的治学精神治学精神和和治学治学态度态度，具有，具有良好的学术道德良好的学术道德，这其中最为关键，这其中最为关键的就是的就

7、是“严谨严谨”和和“诚信诚信”。 学术不端学术不端或或学术失范学术失范的行为，对学校声誉的破的行为，对学校声誉的破坏是严重的，对个人的学术前途甚至人生道路坏是严重的，对个人的学术前途甚至人生道路造成的影响更是无可挽回的。牢记造成的影响更是无可挽回的。牢记“学问来不学问来不得半点虚假得半点虚假” ” 。9引自：顾秉林校长在清华大学引自：顾秉林校长在清华大学2010级研究生新生开学典礼上的讲话级研究生新生开学典礼上的讲话 研究生是开展高水平科学研究的一支生力军。对研究充满研究生是开展高水平科学研究的一支生力军。对研究充满激情和浓厚兴趣、把研究作为自己的一种追求。激情和浓厚兴趣、把研究作为自己的一种

8、追求。成为成为“以以研究为生研究为生”的青年，而不是仅仅的青年，而不是仅仅“为生而研究为生而研究”的人的人。 科研工作讲究六个字：科研工作讲究六个字：“顶天、立地、树人顶天、立地、树人”。“顶天顶天”是要面向国际学术前沿和前所未有的领域开展研究；是要面向国际学术前沿和前所未有的领域开展研究；“立立地地”是要积极服务于国家战略和社会需求；是要积极服务于国家战略和社会需求；“树人树人”就要就要是在是在“顶天顶天”和和“立地立地”的研究中，自觉地提升素质与能的研究中，自觉地提升素质与能力，锤炼品格和学风。力，锤炼品格和学风。 当代中国的学术不仅要走到国际前沿，还要能够当代中国的学术不仅要走到国际前沿

9、，还要能够发现发现、定定义义和和引领国际前沿引领国际前沿。我国的科研，不仅要。我国的科研，不仅要“顶天立地顶天立地”，还要还要“开天辟地开天辟地”！10 成才成才是一个长期的过程，是一个长期的过程，研究生阶段研究生阶段是决是决定人才水平的定人才水平的关键关键。在研究生阶段要重点。在研究生阶段要重点完成好完成好两项任务两项任务：一是继续打好较为：一是继续打好较为广博广博与扎实与扎实的基础；二是在导师的带领下，受的基础；二是在导师的带领下，受到一次完整的研究工作的到一次完整的研究工作的训练训练，做出优秀，做出优秀的学位论文。的学位论文。11杨乐院士观点杨乐院士观点 第一要第一要立志立志。坚定自己的

10、追求，潜心科学研究。坚定自己的追求，潜心科学研究，以，以“追求卓越追求卓越”的精神，开启学问之路。的精神，开启学问之路。 第二要第二要创新创新。珍惜机会，利用资源，潜心研究。珍惜机会，利用资源，潜心研究，以，以原始创新原始创新的勇气和精神开启学问之路。的勇气和精神开启学问之路。 第三要第三要规范规范。恪守学术道德规范，以。恪守学术道德规范，以“厚德尚厚德尚学学”的精神开启学问之路。的精神开启学问之路。12华南理工大学王迎军校长要求华南理工大学王迎军校长要求 金属材料表面工程权威、中国工程院院士、装甲金属材料表面工程权威、中国工程院院士、装甲兵工程学院兵工程学院徐滨士徐滨士； 材料表面科学与工程

11、技术领域知名专家、中国工材料表面科学与工程技术领域知名专家、中国工程院院士、广州有色金属研究院程院院士、广州有色金属研究院周克崧周克崧； 中国工程院院士、中科院上海硅酸盐所中国工程院院士、中科院上海硅酸盐所丁传贤丁传贤； 中国工程院院士、中科院兰州化物所、中科院宁中国工程院院士、中科院兰州化物所、中科院宁波材料所波材料所薛群基薛群基； 表面工程技术领域知名专家、中国工程院院士、表面工程技术领域知名专家、中国工程院院士、中科院沈阳金属研究所研究员中科院沈阳金属研究所研究员闻立时闻立时（20102010）；）； 13材料表面技术领域国内专家材料表面技术领域国内专家14沉痛悼念师昌绪先生沉痛悼念师昌

12、绪先生1918.11.15-2014.11.1015简单回顾简单回顾材料与物质材料与物质 物质物质是指任何有质量并占据空间的东西。是指任何有质量并占据空间的东西。 材料材料是人类社会所能接受的、可经济地制造是人类社会所能接受的、可经济地制造有用器件（或物品）的有用器件（或物品）的物质物质。 材料属于物质，强调的是材料属于物质，强调的是有形的有形的、具有某些、具有某些功效的功效的物质。物质。 二者区别：二者区别：材料强调效能材料强调效能 (performance) 物质物质强调性质强调性质 (property)16材料科学的定义材料科学的定义 材料科学材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体是

13、一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的为理论基础的边缘交叉学科边缘交叉学科，它运用各种现代分，它运用各种现代分析仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工析仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间规律的一门间规律的一门基础应用学科基础应用学科，是研究，是研究材料共性材料共性的的一门学科。一门学科。17材料科学与工程四要素材料科学与工程四要素 成分与结构成分与结构(Composition/Structure) 性质性质(Pr

14、operties) 加工加工(Processing) 效能效能(Performance)加工加工（合成与制备）（合成与制备）效能效能性质性质成成分分与与结结构构（化学）（化学）（工程）（工程）（物理学）（物理学）18四要素内涵四要素内涵p 成分与结构成分与结构包括：化学包括：化学元素组成元素组成、用肉眼或放大镜能观、用肉眼或放大镜能观察到的察到的宏观组织宏观组织、用金相显微镜和电子显微镜观察到的、用金相显微镜和电子显微镜观察到的微观结构微观结构（显微组织）以及用（显微组织）以及用X X光和电子衍射测得的光和电子衍射测得的晶体晶体结构结构等。等。p 性质性质包括：包括：力学性质力学性质（特别是强

15、度、刚度与塑性）、（特别是强度、刚度与塑性）、物物理性质理性质（热学、电学、磁学、光学、声学等各种性质）（热学、电学、磁学、光学、声学等各种性质）、化学性质化学性质（特别是与材料的氧化、腐蚀行为有关的性（特别是与材料的氧化、腐蚀行为有关的性质）和质）和冶金性质冶金性质（如合金化和相变行为）。（如合金化和相变行为）。19四要素内涵四要素内涵p 加工加工是指材料的制备、合成、压力加工、机械加工、废是指材料的制备、合成、压力加工、机械加工、废料的再生处理等。料的再生处理等。p 效能效能是指材料在各种是指材料在各种使用条件使用条件（包括高温或低温、各种（包括高温或低温、各种应力状态、冲击和疲劳加载、腐

16、蚀和辐照环境）下的性应力状态、冲击和疲劳加载、腐蚀和辐照环境）下的性能或行为，包括环境影响、受力状态、材料特征曲线、能或行为，包括环境影响、受力状态、材料特征曲线、寿命评估等。寿命评估等。材料的性能包括使用性能和工艺性能。材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是材料在使用条件下表现使用性能是材料在使用条件下表现出的性能，如力学（或机械）性能、物理性能和化学性能等；工艺性能则出的性能，如力学（或机械）性能、物理性能和化学性能等；工艺性能则指材料在加工过程中反映出的性能，如切削加工性能、铸造性能、压力加指材料在加工过程中反映出的性能，如切削加工性能、铸造性能、压力加工性能、焊接性能、热处理性能

17、等。工性能、焊接性能、热处理性能等。20第一章第一章 材料表面与薄膜技术概论材料表面与薄膜技术概论1.1 1.1 材料表面工程材料表面工程技术基本概念技术基本概念1.2 1.2 表面、表面状态及表面特性表面、表面状态及表面特性1.3 1.3 涂层、薄膜与真空技术涂层、薄膜与真空技术21 材料的材料的失效失效与与破坏破坏往往从往往从表面表面开始。开始。 在许多工作条件下，对材料基体和材料表在许多工作条件下，对材料基体和材料表面性能的要求有很大的差异。一般要求材面性能的要求有很大的差异。一般要求材料料基体基体具有具有高强度高强度和一定的和一定的韧性韧性，而对，而对表表面面则要求则要求高硬高硬、耐磨

18、耐磨或具有或具有抗蚀抗蚀、抗高温抗高温氧化氧化等性能。等性能。1.1 材料表面工程技术基本概念材料表面工程技术基本概念22 近近5050年来，材料表面工程技术飞速发展，年来，材料表面工程技术飞速发展，使使材料表面科学和工程材料表面科学和工程逐步形成一个庞大逐步形成一个庞大而独立的知识体系。而独立的知识体系。 该体系主要由该体系主要由3 3部分组成：部分组成： 材料表面工程技术材料表面工程技术是材料表面科学与工是材料表面科学与工程体系的程体系的主体主体。 材料表面科学基础材料表面科学基础主要由主要由表面物理、表表面物理、表面化学及表面分析面化学及表面分析三部分组成。三部分组成。 材料表面工程应用

19、材料表面工程应用主要指表面技术的应主要指表面技术的应用、开发和产业化。用、开发和产业化。23表面工程技术内涵表面工程技术内涵 表面工程技术表面工程技术是将材料的表面与基体一起作为一是将材料的表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用各种表面技术，使材料的个系统进行设计，利用各种表面技术，使材料的表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系系统工程统工程。 主要通过主要通过表面涂覆表面涂覆和和表面改性技术表面改性技术来提高材料抵来提高材料抵御环境作用能力和赋予材料表面某种功能特性。御环境作用能力和赋予材料表面某种功能特性。 表面涂覆技术：表面涂覆技术：主要采用

20、各种涂层技术。主要采用各种涂层技术。 表面改性技术：表面改性技术：用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。24表面工程技术内涵表面工程技术内涵 从广义上讲，材料表面工程技术包括：从广义上讲，材料表面工程技术包括：表面工程技术的表面工程技术的基础和应用理论基础和应用理论表面处理技术表面处理技术：包括表面覆盖技术、表面改性：包括表面覆盖技术、表面改性技术和复合表面处理技术三部分技术和复合表面处理技术三部分表面表面加工技术加工技术表面表面分析和测试技术分

21、析和测试技术表面工程技术表面工程技术设计设计25表面工程表面工程技术分类技术分类薄膜技术薄膜技术 其其 它它 涂、镀层技术涂、镀层技术 表面改性技术表面改性技术 表面表面技术技术 电镀、化学镀、热渗镀、电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、表面彩色、气膜、涂装、表面彩色、气相沉积、相沉积、“三束三束”改性以改性以及表面热处理、形变强化及表面热处理、形变强化和衬里等和衬里等13类类 26材料表面工程技术材料表面工程技术按工艺特点分：按工艺特点分：27表面工程技术分类表面工程技术分类 徐重认为，根据材料表面处理后徐重认为，根据材料表面处理后表面物理表面物理、化

22、学化学及及几何特征几何特征，可将材料表面工程技术划分为以下，可将材料表面工程技术划分为以下三大类：三大类： 表面表面硬化硬化技术技术 (surface hardening) 表面表面覆盖覆盖技术技术 (surface covering) 表面表面冶金冶金技术技术 (surface metallurgy) 表面硬化技术是通过表面硬化技术是通过外力外力或或外加热源外加热源对基体材料对基体材料原表面原表面的作用，使其硬度和耐磨性提高的一种材的作用，使其硬度和耐磨性提高的一种材料表面工程技术。料表面工程技术。 其主要特征是其主要特征是被处理基体材料表面的成分不变被处理基体材料表面的成分不变。p 表面硬

23、化技术内涵表面硬化技术内涵281、表面硬化技术、表面硬化技术(surface hardening) 表面硬化技术主要由两类组成：表面硬化技术主要由两类组成：（1 1）形变形变表面硬化技术表面硬化技术（2 2）相变相变表面硬化技术表面硬化技术p 表面硬化技术分类表面硬化技术分类291、表面硬化技术、表面硬化技术(surface hardening)p 表面硬化技术分类表面硬化技术分类301、表面硬化技术、表面硬化技术(surface hardening)（1）形变表面硬化技术形变表面硬化技术在在外力外力作用下，使材料原表面发生组织结构变作用下，使材料原表面发生组织结构变化而导致其硬度升高和强化的

24、表面硬化技术。化而导致其硬度升高和强化的表面硬化技术。如如喷丸、滚压、孔挤压以及表面纳米化喷丸、滚压、孔挤压以及表面纳米化等。等。p 表面硬化技术分类表面硬化技术分类311、表面硬化技术、表面硬化技术(surface hardening)（2）相变表面硬化技术相变表面硬化技术在外加热源的在外加热源的快速加热快速加热和和快速冷却快速冷却中使基体材中使基体材料原表面组织结构发生变化从而导致其硬度升料原表面组织结构发生变化从而导致其硬度升高和强化的表面硬化技术。高和强化的表面硬化技术。如采用火焰、电磁感应、离子束、激光束、电如采用火焰、电磁感应、离子束、激光束、电子束以及弧光等加热手段使材料表面快速

25、加热子束以及弧光等加热手段使材料表面快速加热的的表面淬火技术表面淬火技术等。等。 表面覆盖技术是通过表面覆盖技术是通过物理物理或或化学化学方法使基体材方法使基体材料原表面上覆盖一种与基体料原表面上覆盖一种与基体不同材料不同材料的表面工的表面工程技术。程技术。 其主要特征是在被处理基体材料原表面上形成其主要特征是在被处理基体材料原表面上形成合金、化合物或陶瓷保护层合金、化合物或陶瓷保护层。 例如电镀、化学气相沉积、物理气相沉积以及例如电镀、化学气相沉积、物理气相沉积以及热喷涂等。热喷涂等。p 表面覆盖技术内涵表面覆盖技术内涵322、表面覆盖技术、表面覆盖技术(surface covering)p

26、 表面覆盖技术分类表面覆盖技术分类332、表面覆盖技术、表面覆盖技术(surface covering) 表面覆盖技术按照基体材料原表面的空间和参表面覆盖技术按照基体材料原表面的空间和参与处理介质的物理状态分为五类：与处理介质的物理状态分为五类：（1 1）物理气相沉积物理气相沉积表面覆盖技术表面覆盖技术（2 2）化学气相沉积化学气相沉积表面覆盖技术表面覆盖技术（3 3）溶液沉积溶液沉积表面覆盖技术表面覆盖技术（4 4）热熔融热熔融表面覆盖技术表面覆盖技术（5 5）热浸镀热浸镀表面覆盖技术表面覆盖技术p 表面覆盖技术分类表面覆盖技术分类342、表面覆盖技术、表面覆盖技术(surface cove

27、ring)（1）物理气相沉积表面覆盖技术物理气相沉积表面覆盖技术在在真空真空条件下，利用条件下，利用加热、离子溅射等物理手加热、离子溅射等物理手段段使其他材料使其他材料气化气化为各种为各种粒子粒子（如原子、离子、（如原子、离子、分子等）沉积在基体材料原表面上而形成保护分子等）沉积在基体材料原表面上而形成保护膜的技术。膜的技术。如如真空蒸镀、磁控溅射、离子镀真空蒸镀、磁控溅射、离子镀等。等。p 表面覆盖技术分类表面覆盖技术分类352、表面覆盖技术、表面覆盖技术(surface covering)（2）化学气相沉积表面覆盖技术化学气相沉积表面覆盖技术在在真空或常压真空或常压条件下，利用条件下，利用

28、气体介质气体介质在基体材在基体材料原表面上进行料原表面上进行物理化学反应物理化学反应而形成保护膜的而形成保护膜的技术。技术。如如热化学气相沉积、等离子化学气相沉积、金热化学气相沉积、等离子化学气相沉积、金属有机化合物化学气相沉积属有机化合物化学气相沉积等。等。p 表面覆盖技术分类表面覆盖技术分类362、表面覆盖技术、表面覆盖技术(surface covering)（3）溶液沉积表面覆盖技术溶液沉积表面覆盖技术在在溶液溶液中，通过中，通过物理、化学、电化学等反应物理、化学、电化学等反应产产生的各种生的各种粒子粒子（如原子、离子、分子等）在基（如原子、离子、分子等）在基体材料原表面上形成保护膜的技

29、术。体材料原表面上形成保护膜的技术。如如电镀、化学镀、微弧氧化电镀、化学镀、微弧氧化以及以及化学转化膜化学转化膜技技术等。术等。p 表面覆盖技术分类表面覆盖技术分类372、表面覆盖技术、表面覆盖技术(surface covering)（4）热熔融表面覆盖技术热熔融表面覆盖技术采用某种采用某种加热方法加热方法使被涂材料处于使被涂材料处于熔融或半熔熔融或半熔融状态融状态，以一定速度，以一定速度喷涂或堆积喷涂或堆积在工件原表面在工件原表面上而形成涂层的技术。上而形成涂层的技术。如如火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂以及爆炸火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂以及爆炸喷涂喷涂等，堆焊、电火花涂镀、等，堆焊、电火

30、花涂镀、自蔓延自蔓延等也可归等也可归于此类。于此类。p 表面覆盖技术分类表面覆盖技术分类382、表面覆盖技术、表面覆盖技术(surface covering)（5）热浸镀表面覆盖技术热浸镀表面覆盖技术将工件将工件浸入浸入被熔化的被熔化的低熔点金属低熔点金属如锌、铝、锡如锌、铝、锡等，使基体材料原表面上形成涂层的技术。等，使基体材料原表面上形成涂层的技术。如如热镀锌、热镀铝、热镀锡热镀锌、热镀铝、热镀锡等。等。此外，此外，表面覆盖技术按材料表面表面覆盖技术按材料表面覆盖层厚度覆盖层厚度划分为划分为表面薄膜技术表面薄膜技术和和厚涂层技术厚涂层技术两大类。两大类。 表面冶金技术是采用物理或化学方法，

31、提供合表面冶金技术是采用物理或化学方法，提供合金元素并使其金元素并使其扩散进入扩散进入被加热基体材料，而使被加热基体材料，而使该材料原表面内形成该材料原表面内形成合金层合金层的一种表面工程技的一种表面工程技术。术。 其主要特征是在被处理基体材料原表面内形成其主要特征是在被处理基体材料原表面内形成化学成分呈梯度变化化学成分呈梯度变化的合金层。的合金层。 例如传统的例如传统的化学热处理技术化学热处理技术、等离子处理技术等离子处理技术，离子注入技术离子注入技术也可归于此类。也可归于此类。p 表面冶金技术内涵表面冶金技术内涵393、表面冶金技术、表面冶金技术(surface metallurgy) 根

32、据所采用的物理和化学手段，可以将材料表面根据所采用的物理和化学手段，可以将材料表面冶金技术分为三类：冶金技术分为三类：（1 1）热化学热化学表面冶金技术表面冶金技术（2 2）高能束高能束表面冶金技术表面冶金技术（3 3）等离子等离子表面冶金技术表面冶金技术p 表面冶金技术分类表面冶金技术分类403、表面冶金技术、表面冶金技术(surface metallurgy)p 表面冶金技术分类表面冶金技术分类41（1）热化学表面冶金技术热化学表面冶金技术热化学表面冶金是利用外加热源热化学表面冶金是利用外加热源使化学物质分使化学物质分解解而在材料原表面内形成合金层的一种表面冶而在材料原表面内形成合金层的一

33、种表面冶金技术。金技术。传统的化学热处理技术均属于此类，如传统的化学热处理技术均属于此类，如渗碳、渗碳、渗氮、渗硫、渗硼、渗金属渗氮、渗硫、渗硼、渗金属等。等。3、表面冶金技术、表面冶金技术(surface metallurgy)p 表面冶金技术分类表面冶金技术分类42（2）高能束表面冶金技术高能束表面冶金技术高能束表面冶金是利用高能束表面冶金是利用高能量粒子束高能量粒子束，如激光，如激光束、离子束、电子束等，在材料原表面内形成束、离子束、电子束等，在材料原表面内形成合金层的表面冶金技术。合金层的表面冶金技术。例如例如激光表面合金化、电子束表面合金化、离激光表面合金化、电子束表面合金化、离子束

34、表面合金化、离子注入子束表面合金化、离子注入等。等。3、表面冶金技术、表面冶金技术(surface metallurgy)p 表面冶金技术分类表面冶金技术分类43（3）等离子表面冶金技术等离子表面冶金技术等离子表面冶金是利用辉光或弧光放电所产生等离子表面冶金是利用辉光或弧光放电所产生的的低温等离子体低温等离子体，在材料原表面内形成合金层，在材料原表面内形成合金层的表面冶金技术。的表面冶金技术。例如例如离子渗氮、离子渗碳、双层辉光离子渗金离子渗氮、离子渗碳、双层辉光离子渗金属、加弧辉光离子渗金属属、加弧辉光离子渗金属等。等。3、表面冶金技术、表面冶金技术(surface metallurgy)

35、根据美国金属学会对表面改性的定义，根据美国金属学会对表面改性的定义，表表面改性技术面改性技术(surface modification)主要是指主要是指能够改变基体材料原表面内能够改变基体材料原表面内成分成分和和结构结构的的表面工程技术。表面工程技术。 因此，上述分类中的因此，上述分类中的表面硬化技术表面硬化技术和和表面表面冶金技术冶金技术应该属于应该属于表面改性技术表面改性技术。44表面工程技术分类表面工程技术分类45表面表面工程技术的工程意义与科学价值工程技术的工程意义与科学价值Raw materialenergyProductProductSurface Technology/Engin

36、eeringGood product+工程意义工程意义 * 提高材料和工件的可靠性，延长其使用寿命提高材料和工件的可靠性，延长其使用寿命 * 制备具有特殊功能的表面制备具有特殊功能的表面 * 对节能降耗与再制造的特殊对节能降耗与再制造的特殊贡献贡献科学价值科学价值 * 材料制备与合成的新技术材料制备与合成的新技术 * 为新技术发展提供工艺和材料支持为新技术发展提供工艺和材料支持 * 多学科交叉，凝练新的学术研究课题多学科交叉，凝练新的学术研究课题New idea46p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：腐蚀腐蚀 (Corrosion)、磨损、磨损 (Wear)

37、、疲劳、疲劳(Fatigue)、 断裂断裂 (Fracture) 。p现代工业要求产品能在现代工业要求产品能在更高参数更高参数（如高温、高压、（如高温、高压、高速）、高速）、高度自动化高度自动化和和更恶劣的工况条件更恶劣的工况条件下更长期下更长期稳定运转，这就必然对工件表面的抗磨损、耐腐蚀稳定运转，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。等性能提出了更高的要求。47表面表面工程技术的工程工程技术的工程意义意义 汽车汽车轻量化轻量化 铝合金铝合金 表面耐磨问题突出表面耐磨问题突出 表面耐磨涂层表面耐磨涂层 火箭发动机火箭发动机的尾喷管内壁和燃烧室：的尾喷管内壁和燃烧室： 需承受

38、需承受20003300温度和巨大的热焰流温度和巨大的热焰流冲击冲击表面耐热涂层和抗冲击涂层表面耐热涂层和抗冲击涂层48应用实例应用实例1 飞船或者洲际导弹的头部锥体和翼前沿飞船或者洲际导弹的头部锥体和翼前沿：由于：由于具有几十倍的音速，并与大气层摩擦，即所谓具有几十倍的音速，并与大气层摩擦，即所谓气动加热，其温度高达气动加热，其温度高达40005000。 问题：问题：绝大多数的金属和合金不能承受如此高绝大多数的金属和合金不能承受如此高的温度。的温度。 解决问题的方法：解决问题的方法：依靠各种形式的依靠各种形式的隔热涂层、隔热涂层、防火涂层和烧蚀涂层防火涂层和烧蚀涂层。 隔热防火涂层通常是热导率

39、低的氧化物：氧化铝、氧隔热防火涂层通常是热导率低的氧化物：氧化铝、氧化锆、氧化钍等。化锆、氧化钍等。 烧蚀涂层：有机材料加石英纤维、陶瓷纤维或碳纤维烧蚀涂层：有机材料加石英纤维、陶瓷纤维或碳纤维等。等。49应用实例应用实例2高温钛合金高温钛合金铌合金（带铌合金（带高温抗氧化高温抗氧化涂层）涂层）姿姿/ /轨控发动机推力室轨控发动机推力室 实例实例- -高温抗氧化涂层高温抗氧化涂层 50难熔金属难熔金属 Nb 在高温下易发生氧化，其高温在高温下易发生氧化，其高温氧化物不具备保护作用，使材料的力学性能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。急剧下降，严重影响性能。必须使用高必

40、须使用高温抗氧化涂层！温抗氧化涂层！Tips：铌在铌在180开始发生缓慢氧化，开始发生缓慢氧化，450以下的氧化物具有保护作用，以下的氧化物具有保护作用，450600氧化膜的晶体体积发生变化（从氧化膜的晶体体积发生变化（从4.36变到变到5.17)，开始出现粉，开始出现粉化，化，600700其氧化速度与氧压成正比关系，其氧化速度与氧压成正比关系，700850内层氧化膜内层氧化膜起控制作用，起控制作用，850以上氧化产物完全为以上氧化产物完全为Nb2O5。51实例实例- -高温抗氧化涂层高温抗氧化涂层 1、飞机发动机飞机发动机用高温抗氧化涂层用高温抗氧化涂层： 使用温度使用温度：12001400

41、， 使用寿命大于使用寿命大于1000h。 使用温度使用温度：1800，使用寿命大于使用寿命大于100h。2、航天航天火箭发动机火箭发动机用高温抗氧化涂层用高温抗氧化涂层： 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，使用使用寿命寿命较短，几分钟较短，几分钟 十几分钟十几分钟。52实例实例- -高温抗氧化涂层高温抗氧化涂层 航天飞机外壳的航天飞机外壳的防热材料和涂层防热材料和涂层： 如美国洛克希德导弹与航天公司的一种如美国洛克希德导弹与航天公司的一种LI-900全氧化硅绝热毡特性：全氧化硅绝热毡特性： 1）重量轻，整个体积的）重量轻，整个体积的95%都是空的。都是空的

42、。 2）为防水、耐蚀以及散热，表面加涂了一种）为防水、耐蚀以及散热，表面加涂了一种碳化硅涂层，该涂层可把碳化硅涂层，该涂层可把90%的入射热反射掉，而的入射热反射掉，而剩下剩下10%几乎都被氧化硅毡所隔绝。几乎都被氧化硅毡所隔绝。53应用实例应用实例3 在太阳能的利用中，必须利用涂层来吸收太阳在太阳能的利用中，必须利用涂层来吸收太阳光谱中所有波段的能量。光谱中所有波段的能量。 如用电子束蒸镀的金属陶瓷层如用电子束蒸镀的金属陶瓷层Co-Al2O3作为太作为太阳能吸热器，对阳能吸热器，对太阳能的太阳能的吸收率吸收率可达可达95%。54应用实例应用实例4p材料表面是普遍存在的，其物理化学性质、结构、

43、材料表面是普遍存在的，其物理化学性质、结构、性能与材料内部均不一样。性能与材料内部均不一样。p材料物理、化学性能及其变化都材料物理、化学性能及其变化都从表面开始从表面开始。p随着器件的微型化，表面随着器件的微型化，表面/ /体相的原子比增大，会出体相的原子比增大，会出现许多现许多新的特性新的特性（如（如纳米结构材料纳米结构材料的研究）。的研究）。p材料表面的研究是许多高新技术的材料表面的研究是许多高新技术的理化基础理化基础等。等。p伴随着表面技术的开发和完善，又会有很多新的科伴随着表面技术的开发和完善，又会有很多新的科学问题出现。学问题出现。55表面表面工程技术工程技术的的科学价值科学价值背景

44、背景：美国工程学会为美国国会提供的美国工程学会为美国国会提供的 2000 年前集中力量发展的年前集中力量发展的 9 项项科学科学技术中，有关材料方面的仅有技术中，有关材料方面的仅有材料表面科学与表面技术材料表面科学与表面技术的研究的研究。1986年诺贝尔物理奖获得者年诺贝尔物理奖获得者56实例实例-STM-STM和和AFMAFM的发明的发明Tips：STM扫描隧道显微镜；扫描隧道显微镜；AFM原子力显微镜原子力显微镜石墨表面石墨表面纯铝表面纯铝表面57实例实例-STM-STM和和AFMAFM的发明的发明 表面工程技术的表面工程技术的主要目的主要目的：通过表面处理使材料：通过表面处理使材料表面按

45、人们希望的性能进行改变。表面按人们希望的性能进行改变。 具体说：表面工程技术是在不改变基体材料的成具体说：表面工程技术是在不改变基体材料的成分、不削弱基体材料的强度的条件下，通过物理分、不削弱基体材料的强度的条件下，通过物理手段或化学手段赋予材料表面以特殊的性能，从手段或化学手段赋予材料表面以特殊的性能，从而满足工程技术上对材料提出的要求的技术。而满足工程技术上对材料提出的要求的技术。 表面工程技术的作用就是改善或赋予表面各种性表面工程技术的作用就是改善或赋予表面各种性能。能。58表面表面工程技术工程技术的作用和目的的作用和目的（1）提高材料抵御环境作用能力。）提高材料抵御环境作用能力。（2）

46、赋予材料表面某种功能特性，包括光、电、）赋予材料表面某种功能特性，包括光、电、磁、热、声、吸附、分离等等各种物理和化学性磁、热、声、吸附、分离等等各种物理和化学性能。能。（3）实施特定的表面加工来制造构件、零部件和）实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。元器件等。59表面表面工程技术工程技术的作用和目的的作用和目的1 1） 社会生产、生活的需要社会生产、生活的需要2 2） 通过表面处理大幅度提高产品质量通过表面处理大幅度提高产品质量3 3） 节约贵重材料节约贵重材料4 4） 实现材料表面复合化，解决单一材料无法解决实现材料表面复合化，解决单一材料无法解决的问题的问题5 5） 良好的节

47、能、节材效果良好的节能、节材效果6 6） 促进了新兴工业的发展促进了新兴工业的发展60表面表面工程技术工程技术的社会经济效益的社会经济效益p 表面技术在结构材料以及工程构件和机械零表面技术在结构材料以及工程构件和机械零部件上的应用部件上的应用工具、模具：主要起防护、耐磨、强化、修复表工具、模具：主要起防护、耐磨、强化、修复表面技术面技术p 在功能材料和元器件上的应用在功能材料和元器件上的应用光、电、磁、热及化学等特性光、电、磁、热及化学等特性p 表面技术在人类适应、保护和优化环境方面表面技术在人类适应、保护和优化环境方面的一些应用的一些应用抗菌灭菌抗菌灭菌TiO2、生物医学材料等、生物医学材料

48、等61表面表面工程技术工程技术的应用的应用广泛性广泛性+重要性！重要性！p 高新技术的发展对机器零件质量的高新技术的发展对机器零件质量的要求越来要求越来越高越高，如要求高耐磨、强耐蚀、抗高温及各，如要求高耐磨、强耐蚀、抗高温及各种特殊功能，而现有的材料往往不能满足需种特殊功能，而现有的材料往往不能满足需要。要。p 器件的器件的微型化微型化，使表面问题更为突出。，使表面问题更为突出。p 人们希望通过表面改质，以普通材料代替昂人们希望通过表面改质，以普通材料代替昂贵材料以贵材料以降低成本降低成本。62表面表面工程技术工程技术的发展的发展p 材料表面改性和强化问题引起国内外材料科材料表面改性和强化问

49、题引起国内外材料科学界的极大关注，学术研究异常活跃，旧工学界的极大关注，学术研究异常活跃，旧工艺被不断革新，艺被不断革新，新工艺、新技术相继问世新工艺、新技术相继问世，工程应用不断扩大。工程应用不断扩大。p 材料表面技术是一门新兴的材料表面技术是一门新兴的边缘交叉学科边缘交叉学科，它不但涉及到诸如表面物理学、表面化学、它不但涉及到诸如表面物理学、表面化学、金属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传质金属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传质学等多个学科的理论，而且其本身也溶入了学等多个学科的理论，而且其本身也溶入了诸多学科的新技术，必定得到更快发展。诸多学科的新技术，必定得到更快发展。63表面表面工程技

50、术工程技术的发展的发展64 现代现代表面工程技术的基础是表面工程技术的基础是表面科学表面科学：表面分析技术：表面分析技术：表面的原子排列结构、原子类表面的原子排列结构、原子类型和电子能态结构等，是揭示表面现象的微观型和电子能态结构等，是揭示表面现象的微观实质和各种动力学过程的必要手段。实质和各种动力学过程的必要手段。 表面、界面表面、界面物理物理：研究研究任何任何两相之间两相之间的界面上的界面上发生的物理过程的科学发生的物理过程的科学 。表面、界面表面、界面化学：化学：研究研究任何任何两相之间两相之间的界面上的界面上发生的化学过程的科学发生的化学过程的科学 。1.2 表面表面、表面状态及表面特

51、性、表面状态及表面特性The real surface is totally different from the body！ 65The real surface is totally different from the body！ 66The real surface is totally different from the body！ 6768固体表面的概念固体表面的概念l几何概念：几何概念：表面是一种二维几何结构。表面是一种二维几何结构。抛光的钢带表面抛光的钢带表面69固体表面的概念固体表面的概念l机械结构概念：机械结构概念：表面表面是材料是材料的外边界，且与所考的外边界，且与所考

52、虑的尺度有关。虑的尺度有关。不同尺度下的针尖不同尺度下的针尖70固体表面的概念固体表面的概念l物理化学物理化学概念概念：表面是两相（或多相）间有着极表面是两相（或多相）间有着极小厚度的分界层，或物理相间区域。小厚度的分界层，或物理相间区域。71固体表面的概念固体表面的概念l表面表面固体材料与气体或液体的分界面。固体材料与气体或液体的分界面。l晶界（或亚晶界）晶界（或亚晶界）多晶材料内部成分、结构多晶材料内部成分、结构相同而取向不同晶粒（或亚晶）之间的界面。相同而取向不同晶粒（或亚晶）之间的界面。l相界相界固体材料中成分、结构不同的两相之间固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面。的界面。sur

53、facegrain boundaryphase boundary72固体表面的概念固体表面的概念l定义：定义：一般来说，固体表面是指一般来说，固体表面是指“固气固气”界面或界面或“固液固液”界面。前者实际上是由凝聚态物质靠近气界面。前者实际上是由凝聚态物质靠近气体或真空的一个或几个原子层（体或真空的一个或几个原子层（0.510nm）组成，）组成，是凝聚态对气体或真空的一种过渡。是凝聚态对气体或真空的一种过渡。正是这样的原因，造成了固体材料正是这样的原因，造成了固体材料表面表面与固体材料与固体材料体内体内不同不同：（：（1 1）原子排列不同原子排列不同；（；（2 2）组分不同组分不同。GaAs

54、(110)面：实线面：实线-晶体晶体内；虚线内；虚线-表面表面73固体表面结构固体表面结构l理想表面理想表面一种理论上的结构完整的二维点阵平面，忽略一种理论上的结构完整的二维点阵平面，忽略了晶体内部周期性热场在晶体表面中断的影响；了晶体内部周期性热场在晶体表面中断的影响；忽略了表面上原子的热运动以及出现的缺陷和忽略了表面上原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象；忽略了表面外界环境的作用等。扩散现象；忽略了表面外界环境的作用等。l清洁表面清洁表面经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空中解经过诸如离子轰击、高温脱附、超高真空中解理、蒸发薄膜、场效应蒸发、化学反应、分子理、蒸发薄膜、场效应蒸发、化学反应

55、、分子束外延等特殊处理后，保持在束外延等特殊处理后，保持在10-910-6Pa超高超高真空下，外来沾污非常少的表面。真空下，外来沾污非常少的表面。l实际表面实际表面暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经过一定加工处理（如切割、研磨、抛光、者经过一定加工处理（如切割、研磨、抛光、清洗等），保持在常温和常压（也可能在低真清洗等），保持在常温和常压（也可能在低真空或高温）下的表面。空或高温）下的表面。 按照热力学的观点，表面附近的原子排列总是趋按照热力学的观点，表面附近的原子排列总是趋于能量最低的稳定状态：于能量最低的稳定状态： 自行调整自行调整 原子排

56、列情况与材料内部明显不同原子排列情况与材料内部明显不同 依靠表面成分偏析，表面对外来原子或分子的吸依靠表面成分偏析，表面对外来原子或分子的吸附，以及两者的相互作用而趋向稳定态附，以及两者的相互作用而趋向稳定态 表面表面组分与材料内部不同组分与材料内部不同741、清洁表面结构、清洁表面结构751、清洁表面结构、清洁表面结构relaxationreconstruction761、清洁表面结构、清洁表面结构segregationchemisorptioncompounds771、清洁表面结构、清洁表面结构terraceledgekink单晶表面的单晶表面的TLKTLK模型已模型已被低能电子衍射被低能

57、电子衍射(LEED)(LEED)等表面分析结果所证实等表面分析结果所证实台阶、扭折是催化和固台阶、扭折是催化和固相反应的活化中心。相反应的活化中心。 晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部，一般晶体表面的成分和结构都不同于晶体内部，一般约经过约经过4 46 6个原子层个原子层之后才与体内基本相似，所之后才与体内基本相似，所以晶体表面实际上只有几个原子层范围。以晶体表面实际上只有几个原子层范围。781、清洁表面结构、清洁表面结构 晶体表面的缺陷：晶体表面的缺陷：点缺陷：点缺陷：空位对，空位团簇，吸附（偏空位对，空位团簇，吸附（偏析）的杂质原子等析）的杂质原子等线缺陷：线缺陷：位错在表面的露头位错在

58、表面的露头，包括刃型，包括刃型位错（直径为原子尺寸的一根管道）和位错（直径为原子尺寸的一根管道）和螺型位错（表面形成台阶螺型位错（表面形成台阶 ） 实际表面就是我们通常接触实际表面就是我们通常接触到的表面。到的表面。 实际表面形态：实际表面形态： 表面粗糙度表面粗糙度 表面组织表面组织 表面化学成分表面化学成分792、实际表面结构、实际表面结构抛光后的金属表面抛光后的金属表面802、实际表面结构、实际表面结构p 表面粗糙度（表面粗糙度（surface roughness）where Rpi, Rvi are the ith highest peak, and lowest valley res

59、pectively. ( ISO 25178)81常见工艺对应常见工艺对应的表面粗糙度的表面粗糙度超精磨：超精磨：较小较小砂铸、热轧、火砂铸、热轧、火焰切割：焰切割：较大较大822、实际表面结构、实际表面结构p 表面粗糙度（表面粗糙度（surface roughness）表面粗糙表面粗糙系数：系数：qrAAR Ar： 真实表面面积真实表面面积Aq：几何表面面积：几何表面面积832、实际表面结构、实际表面结构p 表面组织（表面组织（surface microstructure）抛光金属表面抛光金属表面附近附近贝尔比层贝尔比层 （Beilby layer） 残余应力残余应力 表面形变和组织表面形变

60、和组织畸变区畸变区Tip：金属摩擦后，表面区域温度迅速：金属摩擦后，表面区域温度迅速冷却下来，原子来不及回到平衡位置，冷却下来，原子来不及回到平衡位置，造成一定程度的晶格畸变。这种畸变随造成一定程度的晶格畸变。这种畸变随深度而变化，在最外层约深度而变化，在最外层约510nm可形可形成一种非晶态，其成分为金属及其氧化成一种非晶态，其成分为金属及其氧化物，即为贝尔比层。物，即为贝尔比层。842、实际表面结构、实际表面结构p 表面成分（表面成分（surface composition）由由AB两种原子组成的固体表面情况两种原子组成的固体表面情况二元合金表面富集元素二元合金表面富集元素852、实际表面