材料腐蚀与防护

1、表面处理的主要方法及原理表面处理的主要方法及原理黄志强2013.4.16有机涂层有机涂层无机涂层无机涂层转化膜转化膜1.溶剂型涂料溶剂型涂料2.粉末涂料粉末涂料3.水性涂料水性涂料1.电化学沉积电化学沉积2.气相沉积气相沉积3.表面涂覆表面涂覆1.氧化膜氧化膜2.磷化膜磷化膜3.铬酸膜铬酸膜 材料保护层材料保护层 有有 机机 涂涂 层层 有机涂层有机涂层涂料涂料: :以高分子材料为主体,以有机溶剂、水或空气 为分散介质的多种物质的混合物。涂装涂装: :将涂料均匀地涂布在基体表面并使之形成连续、致密涂膜的操作工艺。定义定义: :将有机涂料通过一定的方法涂敷于物体表面所形成的保护膜层。涂料涂层的防

2、护作用原理涂料涂层的防护作用原理有机涂层有机涂层1.屏蔽作用屏蔽作用: 涂覆涂料可以使金属表面与环境介质机械地隔离开,从而保护基体。这种防护作用可以称为屏蔽作用。2.缓蚀作用缓蚀作用: :涂料中的某些组分与基体金属表面发生反应，使金属表面钝化或形成有保护性的薄膜，以阻止介质的进一步腐蚀。如用于黑色金属的氧化铁膜、用于有色金属的锌铬黄（又称锌黄K2CrO43ZnCrO44Zn(OH)22H2O)。有机涂层有机涂层涂料涂层的防护作用原理涂料涂层的防护作用原理3.电化学作用电化学作用金属在腐蚀环境中主要进行电化学腐蚀，涂料中的组分可以抑制微电池（大阴极小阳极）的电极过程，起到防止或减缓腐蚀的作用。这

3、类有机涂层采用高纯度锌粉作颜料（富锌涂料、达克罗涂料），锌粉对钢铁金属材料表面能构成牺牲性的阴极保护，溶解下来的腐蚀产物(如碳酸锌、氧化锌等）沉淀并填充了膜的孔隙，增加了屏蔽的效果。涂料涂层的防护作用原理涂料涂层的防护作用原理有机涂层有机涂层4.转化作用转化作用在某些涂料中除含一般的组分以外，还含有能与铁锈反应的转化剂，使有害的铁锈转化为有害物质且具有保护作用。如一些有机酸、无机酸等，它们可将铁锈转化为稳定的络合物或者螯合物即起到除锈又起到保护作用。这些转化剂一般加入底漆中，转化反应发生于金属基底材料表面，所以具有这种作用的涂料被称为带锈底漆或带锈涂料。有机涂层有机涂层1基体处理不干净基体处理

4、不干净2环境中的水分和腐蚀介质渗环境中的水分和腐蚀介质渗透透3光照和温度的破坏作用光照和温度的破坏作用涂层破坏的原因涂层破坏的原因涂装工艺一般工序涂装工艺一般工序有机涂层有机涂层涂前前处理工序涂前前处理工序前处理前处理涂布涂布干燥固化干燥固化除油除油水洗水洗酸洗酸洗水洗水洗表调表调水洗水洗干燥干燥磷化磷化表调表调有机涂层有机涂层表面调整表面调整表调的目的就是进行表面活化处理。它是指采用机械或物理化学等手段，使金属工件表面改变微观状态，可使金属基体产生数量极多的晶核，使磷化时生成的磷化膜均匀、细致。表调的方法表调的方法: :抛丸、喷砂、砂纸轻度擦拭等机械法也可以用酸洗增加有效表面积的化学方法，还

5、可用物理化学吸附法。磷化磷化有机涂层有机涂层磷化处理磷化处理将金属工件浸入含Zn2+、Na+、Mn2+、Fe2+等磷酸盐溶液中进行化学处理，在金属表面得到由基底金属自身转化并形成的难溶于水的磷酸盐膜或磷酸盐和氧化物组成的表面膜的处理过程。磷化的目的磷化的目的:提高涂层的装饰性、耐蚀性、附着力。溶剂型涂料的涂装工艺方法溶剂型涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层1 1、刷涂、刷涂例如防锈颜料的铅丹（红丹）Pb3O4有毒，为了减少施工反弹造成的污染，对这类防锈漆宜采用刷涂施工。溶剂型涂料的涂装工艺方法溶剂型涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层2 2、浸涂、浸涂主要用于烘烤型涂料的涂装，涂料的利用率高，浪

6、费少。 杜尔公司为上海大众公司 所提供的一种浸涂翻转式涂装工艺溶剂型涂料的涂装工艺方法溶剂型涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层3 3、喷涂、喷涂喷涂包括高压空气喷涂高压空气喷涂和无空气喷涂无空气喷涂。高压空气喷涂高压空气喷涂由空压机提供无水无油压缩空气作为动力，利用空气从喷嘴中喷出时产生的负压将罐内的涂料吸出，吸出的涂料迅速扩散呈漆雾状飞向工件表面形成连续的涂膜。空气喷枪空气喷枪溶剂型涂料的涂装工艺方法溶剂型涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层高压无气喷涂高压无气喷涂利用压缩空气驱动高压泵，使涂料增压到至11-25Mpa，获得高压的涂料以非常高的速度（瞬间高达100m/s从喷嘴中喷出的同时在一大

7、气中急剧减压，使体积迅速膨胀而分散雾化成极细微粒高速地涂着在被涂物上的一种涂装方法。溶剂型涂料的涂装工艺方法溶剂型涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层4 4、静电喷涂、静电喷涂原理原理是以接地的被涂物作为阳极，涂料雾化器（电喷枪）作为阴极，由高频高压静电发生器产生6万8万伏的高压，在两极间形成静电场，在阴极产生电晕放电，使喷出的漆滴带电，并被进一步雾化（带电离子同性相斥造成），按照同性相斥异性相吸的原理，带电漆滴受电场力的作用高效地吸附在被涂物上。溶剂型涂料的涂装工艺方法溶剂型涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层4 4、静电喷涂、静电喷涂手动静电喷枪手动静电喷枪自动静电喷枪自动静电喷枪高压静电空气

8、喷枪高压静电空气喷枪 溶剂型涂料的涂装工艺方法溶剂型涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层1.1.静电喷涂特点静电喷涂特点涂料的利用率高，能节约材料40一60 ，改善劳动卫生条件；复杂工件不易涂覆均匀；对涂料溶剂的电学性能、溶剂的沸点和溶解性有一定要求；对基材具有选择性，设备复杂；静电涂装作业场所讲究六度，即温度、湿度、空气清洁度、照度、送风均匀度、送风速度。溶剂型涂料的涂装工艺方法溶剂型涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层2.2.静电喷涂设备静电喷涂设备静电喷涂设备一般包括静电喷涂漆室电喷涂漆室、高压静电发生器高压静电发生器、静电喷枪静电喷枪、供气系统供气系统、工件悬挂装置工件悬挂装置及安全装置安

9、全装置等部分。3.3.喷涂室结构与设计喷涂室结构与设计a、静电喷漆室风速不宜过大，否则会影响静电场的作用。b、静电喷漆室应有足够的空间。C、电气元件应采用防爆型。 溶剂型涂料的涂装工艺方法溶剂型涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层水帘式喷漆室水帘式喷漆室液力旋压式喷漆室液力旋压式喷漆室粉末涂料的涂装工艺方法粉末涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层粉末涂料时粉末状的100%固体分涂料,用冷涂装冷涂装或热涂装热涂装等涂装方法进行涂装.它不使用溶剂或水作为分散介质,而是在涂装时借助经除油除水后的压缩空气作为粉末分散介质.涂装后,经烘烤形成连续涂层.粉末涂料特性: 不连续性; 比表面积大; 粒子不规则;

10、流动性.粉末涂料的涂装工艺方法粉末涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层粉末涂装方法分为热涂装法和冷涂装法。热涂装工艺的基本原理:首先必须使被涂件获得的热量要保证能熔粘足够的粉末涂料。另一方面要求粉末涂料在受热后，必须具有一定的流动特性，使粉末涂料能够熔融流平成连续的涂膜。例如粉末流化床涂装、粉末火焰喷涂。冷涂装工艺的基本原理:在常温下依靠静电库仑力将粉末涂料均匀涂布到工件表面，再通过哦加热使附着于工件表面的粉层熔融流平成光滑连续的涂膜。粉末静电涂装为此类。粉末涂料的涂装工艺方法粉末涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层一一. .粉末流化床浸涂法粉末流化床浸涂法流化床浸涂法流化床浸涂法 俗称浸塑.通过

11、压缩空气或惰性气体的作用使粉末在容器内流动浮游，粉末涂料翻动达到“流化状态”空气通过均压板、多孔透气隔板，成为均匀分布的细散气流使粉末翻动。预热工件（温度高于粉末涂料的熔点10-20）浸沉流化床中，被漂浮粉末所包围，流态化的粉末均匀地熔融附着于工件表面，通过加热使其熔融流平，从而得到光滑连续的涂膜。粉末涂料的涂装工艺方法粉末涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层振动流化床结构示意图振动流化床结构示意图粉末涂料的涂装工艺方法粉末涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层流化床浸涂法的特点流化床浸涂法的特点优点优点: :1.一次涂装可以得到几百微米以上的厚膜2.涂装设备比较简单,投资少3.涂装时粉末涂料的损失

12、很少缺点缺点: :1.涂膜不易薄涂,涂膜的均匀性差2.对结构比较复杂的被涂物和大型被涂物的涂装比较困难3.被涂物必须预热，而且温度比较高，热能消耗比较大，对被涂物的材质有选择性粉末涂料的涂装工艺方法粉末涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层流化床浸涂法工艺流程流化床浸涂法工艺流程前处理前处理预热预热浸涂浸涂加热固化加热固化冷却冷却缺陷补救缺陷补救入库入库粉末涂料的涂装工艺方法粉末涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层粉末流化床涂覆工艺流程示意图粉末流化床涂覆工艺流程示意图粉末涂料的涂装工艺方法粉末涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层二二. .粉末火焰喷涂法粉末火焰喷涂法工作原理工作原理: :用压缩空气将

13、粉末涂料从火焰喷嘴枪嘴中心吹出,并以高速通过从喷嘴外围喷出的乙炔或丙烷火焰区域,使其成为熔融状态喷射粘附到经预热的工件上。a.a.设备简单,价格低廉,可以在生产工作现场施工,无需烘烤设备。 b.b.一次喷涂可得到较厚的涂层。c.c.可以以涂装大型工件。特点特点粉末涂料的涂装工艺方法粉末涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层火焰喷涂设备火焰喷涂设备粉末涂料的涂装工艺方法粉末涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层三三. .粉末静电喷涂法粉末静电喷涂法喷涂素质环境保护效益经济性能可靠粉末涂料的涂装工艺方法粉末涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层2.2.粉末静电涂装粉末静电涂装原原理理1 1、工件、工件2 2、

14、喷枪、喷枪3 3、高压电缆、高压电缆4 4、电源、电源粉末静电喷涂原理图粉末静电喷涂原理图1324粉末涂料的涂装工艺方法粉末涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层电晕充电电晕充电过程过程粉末粒子在通过喷枪与工件之粉末粒子在通过喷枪与工件之间时，电晕放电产生的静电场间时，电晕放电产生的静电场使其带上电荷使其带上电荷。粉末涂料的涂装工艺方法粉末涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层涂层的形成涂层的形成1 1、均匀吸附、均匀吸附 2 2、粉末层增厚、粉末层增厚3 3、粉末吸附终止、粉末吸附终止粉末涂料的涂装工艺方法粉末涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层3.3.粉末静电喷涂工艺粉末静电喷涂工艺固固 化化下下

15、件件粉粉 末末供粉桶供粉桶喷喷 枪枪喷喷 室室粉末回收粉末回收过过 筛筛静电发生器静电发生器干干 燥燥前处理前处理上上 件件粉末涂料的涂装工艺方法粉末涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层粉末静电喷涂线流程图粉末静电喷涂线流程图粉末喷涂流程图粉末喷涂流程图粉末涂料的涂装工艺方法粉末涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层4.4.粉末静电喷涂设粉末静电喷涂设备备水性涂料的涂装工艺方法水性涂料的涂装工艺方法有机涂层有机涂层水性涂料水性涂料: :成膜物质完全或主要以水为分散介质的涂料。特点特点:a在0结冰，水性涂料应保存在凝固点以上；b水在100沸腾，单一的水挥发时其挥发性比溶剂低得多；c使用水性涂料时基材前

16、处理要求更加严格；d水性涂料固化时消耗的能量相应地增加；e水是不燃的，使用安全性提高；f水性涂料采用静电喷涂静电隔离技术的难度加大；g涂装的工具可用水进行清洗。有机涂层有机涂层水性涂料的涂装工艺方法水性涂料的涂装工艺方法一一. .水溶性涂料水溶性涂料水溶性树脂水溶性树脂是在高分子化合物的分子上引入亲水性基团，如是在高分子化合物的分子上引入亲水性基团，如-COOH-COOH、-NH-NH2 2这些极性基团，通过酸碱中和成盐，获得水溶性的树脂。这些极性基团，通过酸碱中和成盐，获得水溶性的树脂。带有氨基（带有氨基（NHNH2 2）的聚合物以羧酸中和成盐，中和剂可以是无机酸或有）的聚合物以羧酸中和成盐

17、，中和剂可以是无机酸或有机酸（阴极电泳）机酸（阴极电泳） 碱性聚合物碱性聚合物 中和剂中和剂 水溶性阳离子树脂水溶性阳离子树脂带有羧基的聚合物以胺中和成盐，作为中和剂的物质可以是氨水、无机碱带有羧基的聚合物以胺中和成盐，作为中和剂的物质可以是氨水、无机碱货或有机胺等（阳极电泳）。货或有机胺等（阳极电泳）。有机涂层有机涂层水性涂料的涂装工艺方法水性涂料的涂装工艺方法1.1.电泳涂装的基本原理电泳涂装的基本原理电泳涂装是以水溶性涂料和纯水（电导率10s/cm）为稀释溶剂，调配成槽液，将导电的被涂物浸渍在槽液中作为阳极（或阴极），另在槽液中设置与其相对应的阴极（或阳极），在两极间通以一定时间的直流电

18、，通过电泳、电解、电沉积和电渗等物理化学作用，在被涂物表面上沉积一定厚度、均一、不溶于水的涂膜的一种涂装方法。有机涂层有机涂层水性涂料的涂装工艺方法水性涂料的涂装工艺方法电泳电泳在直流电场的作用下，分散在水中的带电胶体粒子，向自身所带电荷电性相反的电极发生定向移动，这种胶体粒子移动现象称为电泳。树脂在泳动时，要夹带着或吸附着颜料、填料等一起泳动。所以，电泳过程实际上就是正、负离子分别向两极移动的过程，如下图所示。有机涂层有机涂层水性涂料的涂装工艺方法水性涂料的涂装工艺方法电沉积电沉积带电的树脂粒子在电场作用下，移动到相反电性的电极上时，发生电化学的反应，形成不溶于水的漆膜而沉积在电极表面，这个

19、过程称为电沉积。它是电泳涂装过程中的主要反应。有机涂层有机涂层水性涂料的涂装工艺方法水性涂料的涂装工艺方法a a电沉积开始时的电电沉积开始时的电场和涂料沉积场和涂料沉积b b电沉积后期的电场电沉积后期的电场和涂料沉积和涂料沉积有机涂层有机涂层水性涂料的涂装工艺方法水性涂料的涂装工艺方法电解电解a 水发生电解H2OOH-+H+，在阴极和阳极上分别有氢和氧析出，成为气泡放出。 b 以可溶性金属作阳极时，会有少量金属离子溶出，因此，阳极电泳漆很少有浅色。c 控制电解反应，电泳时应尽量不用过高电压电泳时应尽量不用过高电压，在保证质量前提下，缩短电泳时间缩短电泳时间。同时，严防槽液中其它杂质离子含量升高

20、，所以工件入槽前水洗要彻底。水洗要彻底。 有机涂层有机涂层水性涂料的涂装工艺方法水性涂料的涂装工艺方法电渗电渗a 电渗的作用使将涂膜脱水将涂膜脱水，是涂膜由疏松变致密。 b 电渗作用的好坏会影响到漆膜外观。有机涂层有机涂层水性涂料的涂装工艺方法水性涂料的涂装工艺方法无无 机机 涂涂 层层 无机涂层无机涂层金属电沉积金属电沉积金属电沉积金属电沉积：通过电解方法在固体表面上获取金属沉积层的过程。电电 解解：目目 的的改变固体材料的表面特征。制取特定成分和性能的金属覆层或材料。电电 能能化学能化学能外加电源外加电源无机涂层无机涂层金属电沉积金属电沉积电冶炼电冶炼电精炼电精炼电电 铸铸电电 镀镀电解质

21、是电解质是“熔盐熔盐”例如例如制备铝制备铝提纯提纯无机涂层无机涂层金属电沉积金属电沉积电沉积电沉积步骤步骤液相传质步骤液相传质步骤表面转化步骤表面转化步骤电化学步骤电化学步骤新相生成步骤新相生成步骤简单金属离子水化数的降低或重排络离子配位体的交换或者是配位数的下降无机涂层无机涂层金属电沉积金属电沉积Ag(CN)Ag(CN)3 32-2-Ag(CN)Ag(CN)3 32-2-Ag(CN)Ag(CN)2 2- - Ag Ag CNCN- - Ag Ag CNCN- - CNCN- - CNCN- - CNCN- - CNCN- - e eAg(CN)32-Ag(CN)32-Ag(CN)32-Ag(

22、CN)2-+CNCN- -Ag(CN)2-Ag + 2CNCN- -Ag（吸附（吸附）Ag（结晶（结晶）无机涂层无机涂层金属电沉积金属电沉积晶核的晶核的生长生长晶核的晶核的成长成长镀层结晶细致、排列紧密镀层结晶细致、排列紧密金属晶体形成时又可分为金属晶体形成时又可分为: :无机涂层无机涂层金属电沉积金属电沉积阴极极化阴极极化晶核生长速度晶核生长速度结晶细致结晶细致析氢量析氢量镀层多孔、粗糙、疏松镀层多孔、粗糙、疏松阴极极化越大越好阴极极化越大越好无机涂层无机涂层电镀电镀电刷镀电刷镀化学镀化学镀电化学沉积电化学沉积无机涂层无机涂层电化学沉积电化学沉积1.1.电镀电镀定义：定义：将直流电通入具有一

23、定组成的电解质溶液中，在电极与溶液之间的界面上发生电化学反应（氧化还原反应），进而在金属或非金属制品的表面上形成符合要求、致密均匀地金属层的过程。电镀一般工序电镀一般工序：前处理前处理电镀电镀镀后处理镀后处理无机涂层无机涂层电镀液的组成电镀液的组成电镀液电镀液主主 盐盐 能在阴极上沉积出所要求的镀层金属盐。 导电盐导电盐 能够提高溶液的电导率，降低槽电压。 络合剂络合剂 缓冲剂缓冲剂添加剂添加剂一般是能络合主盐中金属离子的物质， 能够增大阴极极化，使结晶细致。一般由弱酸和弱酸的酸式盐组成，可以防止镀液的pH值上升太快。 为了改善电镀溶液性能和镀层质量，往往在电镀溶液中加入少量的有机物，这些有机

24、物称为添加剂。 无机涂层无机涂层电化学沉积电化学沉积无机涂层无机涂层电化学沉积电化学沉积镀层和基材具有良好的结合力镀层和基材具有良好的结合力镀层应均匀光滑、完整、致密镀层应均匀光滑、完整、致密镀层具有较低的孔隙率和良好的耐蚀性镀层具有较低的孔隙率和良好的耐蚀性特殊镀层应具有功能性特殊镀层应具有功能性镀层的基本要求镀层的基本要求无机涂层无机涂层电化学沉积电化学沉积镀层的分类镀层的分类（电位的高低分类）阳极性镀层阳极性镀层（牺牲性镀层）：在使用的环境下镀层金属的电位比基体电位更负更负。Fe/ZnFe/ZnEFeEZn60 （阳极（阳极）60（阴极（阴极）机械保护电化学保护膜层50-60m才起到保护

25、作用无机涂层无机涂层电化学沉积电化学沉积阴极性镀层阴极性镀层：在使用的环境下镀层金属的电位比基体电位更正更正。Fe/CuFe/Cu/Ni/CrFe/Fe/NiEFeENi致密性较好机械保护加速腐蚀无机涂层无机涂层电化学沉积电化学沉积2.2.电刷镀电刷镀定义：定义：与电镀的原理基本相同,也是电化学沉积过程,受法拉第定律及其他电化学规律支配,工作原理如下图5-5所示。无机涂层无机涂层电刷镀的特点电刷镀的特点设备特点设备特点a 电刷镀设备简单、体积小、质量轻，多为便携式或移动式，便于维修。b 需配置专用的直流电源，不需直接浸入镀液中因此不需要挂具。c 该设备用水、电比槽镀少得多,节约能源。d 镀笔（

26、阳极）材料采用高纯细石墨，是不溶性阳极。无机涂层无机涂层电化学沉积电化学沉积局限性局限性在镀大面积厚镀层时在镀大面积厚镀层时, ,不经济。不经济。不能修复零件的断裂裂纹。不能修复零件的断裂裂纹。在大批生产和装饰性电镀方面不如槽镀在大批生产和装饰性电镀方面不如槽镀局局限限性性无机涂层无机涂层工艺特点工艺特点电刷镀的特点电刷镀的特点a 镀笔与工件必须保持一定的相对速度,镀液中金属离子在零件表面基体金属上的还原和沉积是在不断更新地点的条件下进行的,镀层的形成是一个断续结晶过程.镀笔的移动限制了晶粒的长大和排列,因而镀层中存在大量的超细晶粒和高密度的位错是强化的重要原因。b 电镀刷金属沉积沉积速率远高

27、于槽镀。c 可使用手工操作,方便灵活,尤其对于复杂型面。d 电刷镀溶液可循环使用,不需定期化验或调整。无机涂层无机涂层化学沉积化学沉积化学镀化学镀塑料、陶瓷、碳纤维塑料、陶瓷、碳纤维无机涂层无机涂层化学沉积化学沉积化学镀化学镀原理原理在无外界动力时，采用金属盐和还原剂在同一溶液中进行自催化的氧化还原反应，从而使金属离子还原沉积在金属基材表面上的一种镀覆方法。镀化学镀为一种用以沉积金属的、可控制的、自催化的化学还原过程。其反应通式为： Mn+ + ne-（还原剂提供的）（还原剂提供的） M0无机涂层无机涂层化学沉积化学沉积特点特点a 镀层厚度均匀。b 镀层密度大,孔隙率小,外观良好。c 无需电解

28、设备及附件。d 可以在金属、非金属及半导体材料上进行化学镀。e 不受电力线分布不均匀的影响。无机涂层无机涂层化学沉积化学沉积化学镀与置换的区别化学镀与置换的区别置换电子来源是基材溶解给出的电子；置换基材电位比要镀的金属电位负；置换时在基材表面上同时进行氧化还原反应.无机涂层无机涂层化学沉积化学沉积化学镀镍化学镀镍( (例子例子) )H H2 2POPO2-2- + H + H2 2O HPOO HPO3 32-2- + H + H+ + +2H +2HNiNi2+2+ + 2H Ni + 2H + 2H Ni + 2H+ +2H H2H H2 2H H2 2POPO2-2- + H H + H

29、 H2 2O + OHO + OH- - +P +P总的反应式总的反应式：2H2H2 2POPO2-2-+Ni+Ni2+2+3HHPO+3HHPO3 32-2-+Ni+P+H+Ni+P+H2 2O+2HO+2H+ +H+H2 2无机涂层无机涂层化学沉积化学沉积缺点缺点溶液的稳定性差溶液的稳定性差溶液的维护、调整、和再生溶液的维护、调整、和再生比较复杂比较复杂材料成本高材料成本高无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积通过气相材料或使材料气化后沉积于固体材料或制品(基片)表面并形成薄膜,从而使基片获得特殊表面性能的一种技术。包括物理气相沉积物理气相沉积和化学气相沉积化学气相沉积。定义定义一一. .物理气

30、相沉积物理气相沉积在真空条件下，采用各种物理方法将固态的镀料转化为原子、分子或离子态的气相物质后再沉积于基体表面，从而形成固体薄膜的一类薄膜制备方法。定义定义无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积分类分类真空蒸镀真空蒸镀 镀材以热蒸发原子或分子的形式沉积成膜溅射镀膜溅射镀膜 镀材以溅射原子或分子的形式沉积成膜离子镀镀离子镀镀 镀材以离子和高能量的原子或分子的形式沉积成膜 无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积（1 1）真空蒸镀）真空蒸镀原理原理用真空抽气系统用真空抽气系统对密闭的钟罩进行抽对密闭的钟罩进行抽气，当真空罩的气体气，当真空罩的气体压强足够低时（真空压强足够低时（真空度足够高），通过蒸度足够高）

31、，通过蒸发源对蒸发料进行加发源对蒸发料进行加热到一定的温度，使热到一定的温度，使蒸发料气化后沉积于蒸发料气化后沉积于基片表面，形成薄膜基片表面，形成薄膜。真空蒸发镀的原理图真空蒸发镀的原理图无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积真空蒸镀膜的真空蒸镀膜的三个基本过三个基本过程程1.1.热蒸发过程热蒸发过程; ;3.3.蒸发源子或分子在基片表面上的沉积过程蒸发源子或分子在基片表面上的沉积过程, ,即蒸汽凝即蒸汽凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。聚、成核、核生长、形成连续薄膜。2.2.气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运, ,即这些即这些粒子在环境气氛中的飞行过程粒

32、子在环境气氛中的飞行过程; ;无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积真空蒸镀真空蒸镀适用范围适用范围真空蒸镀工艺适用于金属、树脂、塑料（真空蒸镀工艺适用于金属、树脂、塑料（ABSABS、发泡塑料、回收塑料）、玻璃、陶瓷、亚、发泡塑料、回收塑料）、玻璃、陶瓷、亚克力、木材、水泥、磷镁等各种材料。可广克力、木材、水泥、磷镁等各种材料。可广泛应用于汽车、电器、工艺品、电脑手机、泛应用于汽车、电器、工艺品、电脑手机、饰品、高档家具等多种表面装饰行业，由此饰品、高档家具等多种表面装饰行业，由此可诞生出多种新的装饰行业。可诞生出多种新的装饰行业。无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积真空蒸镀膜的产品示意图真空蒸镀膜的

33、产品示意图无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积真空蒸镀的特点真空蒸镀的特点优点优点: :设备比较简单、操作容易；制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制；成膜速度快、效率高；薄膜的生长机理比较单纯。缺点缺点: :不容易获得结晶结构的薄膜，所形成薄膜在基板上的附着力较小，工艺重复性不够好等。无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积真空蒸镀膜时保证真空蒸镀膜时保证真空条件的必要性真空条件的必要性: :三个过程都必须在空气非常稀薄的真空环境中进行,否则将发生以下情况:1.蒸发物原子或分子将与大量空气分子碰撞,使膜层受到严重污染严重污染, ,甚至形成氧化物甚至形成氧化物;2.蒸发源被加热氧化烧毁被加热氧化烧毁;

34、3.由于空气分子的碰撞阻挡,难以形成均匀连续的薄膜难以形成均匀连续的薄膜.无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积（2 2）溅射镀膜）溅射镀膜定义定义：在真空室中，利用带有能量的粒子轰击靶材（膜材）表面，产生溅射现象，通过粒子动量传递打出靶材中的原子及其他粒子，并使其沉积在工件上形成薄膜的技术。原理原理：1.1.先让惰性气体（通常为先让惰性气体（通常为ArAr气）产生辉光放电现象气）产生辉光放电现象产生带电的离子；产生带电的离子； 2. 2.带电离子经电场加速后撞击靶材表面，使靶材原带电离子经电场加速后撞击靶材表面，使靶材原 子被轰击而飞出来，同时产生二次电子，再撞击气体原子子被轰击而飞出来，同时产生

35、二次电子，再撞击气体原子从而形成更多的带电离子；从而形成更多的带电离子； 3. 3.靶材原子携带着足够的动能到达被镀物（基材）靶材原子携带着足够的动能到达被镀物（基材）的表面进行沉积。的表面进行沉积。无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积溅射镀膜的原理图溅射镀膜的原理图ArAr+ +ArAr+ +ArAr+ + + +靶（负高压靶（负高压）溅射原理示意图溅射原理示意图溅射中子和离子溅射中子和离子入射的入射的ArAr离子束离子束ArAr+ +ArArArArArAr+ +ArAre-e-e-基材基材屏蔽板屏蔽板溅射沉积示意图溅射沉积示意图靶靶ArAr无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积（2 2）溅射镀膜）

36、溅射镀膜工艺方法工艺方法： 1.直流二极溅射法 2.磁控法溅射法 3.对向靶溅射法 4.离子束溅射法无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积磁控溅射镀膜仪 离子溅射镀膜仪粒子溅射镀膜仪 无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积溅射镀膜的特点溅射镀膜的特点1.此方法可实现大面积快速沉积，任何常温下固态导电体均能做靶;被溅射基材无限制(塑料、玻璃、陶瓷、金属等）。2.镀膜致密均匀、附着性好，膜厚易控制。3.结构简单，易于控制，但放电不稳定，沉积速率低，而且工件基体的温度升高太快。无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积（3 3）离子镀膜）离子镀膜基片作阴极基片作阴极, ,加加负高压负高压坩

37、埚或灯丝作阳坩埚或灯丝作阳极极离子镀装置示意图离子镀装置示意图无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积过程过程1.真空室抽至10-4Pa的高真空后，通入惰性气体（如氩气），使真空度达到110-1Pa。3.由于基片处于负高压并被等离子体包围,不断受到正离子的轰击,因此可有效地清除基片表面的气体和污物,使成膜过程中膜层表面始终保持清洁状态。4.镀材气化蒸发后,蒸发粒子进入等离子区,与等离子区中的正离子和被激活的惰性气体原子以及电子发生碰撞,其中一部分蒸发粒子被电离成正离子,正离子在负高压电场加速作用下,沉积到基片表面成膜.2.真接通高压电源,在蒸发源与基片之间建立起一个低压气体放电的等离子区。由此可见由此

38、可见, ,离子镀膜层的成核与生长所需的能量离子镀膜层的成核与生长所需的能量, ,不是靠加热不是靠加热方式获得方式获得, ,而是由而是由离子加速离子加速的方式来激励的。的方式来激励的。无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积实现离子镀膜的必要条件实现离子镀膜的必要条件造成一个气体放电的空间;在膜材原子沉积过程的同时,还存在着正离子(Ar+或被电离的蒸发离子）对基片的溅射作用。显然，只有当沉积作用超过溅射剥离作用时，才能发生薄膜的沉积过程。将镀料原子(金属原子或非金属原子)引进放电空间,使其部分离化。离子镀膜的成膜条件离子镀膜的成膜条件无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积离子镀膜的特点离子镀膜的特点1.附着力

39、好6.沉积速率高，成膜速度快，可镀较厚的膜2.膜层的致密度高3.绕射性能好4.可镀材质范围广泛（可在金属或非金属表面上镀金属或非金属材料）5.有利于化合物膜层的形成无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积PVDPVD三种基本镀膜的比较三种基本镀膜的比较无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积无机涂层无机涂层化学气相沉积化学气相沉积二二. .化学气相沉积化学气相沉积定义定义将含有组成薄膜的一种或几种化合物气体导入反应室，使其在基体上通过化学反应生成所需要薄膜的一类薄膜制备方法。各种化学反应包括分解、化合、还原、置换等都可以用来产生沉积于基体的固体薄膜，而反应多余物（气体）可从反应室排出。无机涂层无机涂层气相沉积

40、气相沉积化学化学气相气相沉积沉积常压或低压化学气相沉积常压或低压化学气相沉积等离子辅助化学气相沉积等离子辅助化学气相沉积电子束辅助化学气相沉积电子束辅助化学气相沉积金属有机化合物化学气相沉积金属有机化合物化学气相沉积工艺方法工艺方法无机涂层无机涂层气相沉积气相沉积薄膜的特点薄膜的特点特特点点薄膜均匀性好薄膜均匀性好薄膜内应力低薄膜内应力低薄膜沉积过程荷能粒子轰击正在生长薄膜的表面使薄膜表面原子偏离其在晶格中的平衡位置而产生的本征应力高温沉积薄膜冷却到室温时,由于薄膜材料与基体材料热膨胀系数差异造成的热应力无机涂层无机涂层表面涂敷表面涂敷热喷涂热喷涂定义定义热喷涂技术是使用某种方式的热源，使喷涂

41、材料加热至熔融或半熔融状态，用高压气流将漆雾化，并以一定速度喷射到经过预处理的零件表面，从而形成涂层表面的加工技术。无机涂层无机涂层表面涂敷表面涂敷特点特点a a 热喷涂方法多（热源多种）热喷涂方法多（热源多种） b b 基材及涂层材料广泛基材及涂层材料广泛c c 基体温度低基体温度低d d 操作灵活操作灵活e e 涂层厚度可以控制涂层厚度可以控制f f 涂层与基材的结合力低涂层与基材的结合力低g g 热效率低热效率低, ,材料利用率低材料利用率低, ,浪费大浪费大无机涂层无机涂层原理原理热喷涂技术利用热源将喷涂材料融化或软化，热喷涂技术利用热源将喷涂材料融化或软化，借助热源本身动力或外加的压

42、缩空气流，将喷借助热源本身动力或外加的压缩空气流，将喷涂材料雾化成微粒形成快速的离子流，然后喷涂材料雾化成微粒形成快速的离子流，然后喷射到基材表面获得表面涂层。射到基材表面获得表面涂层。 表面涂敷表面涂敷无机涂层无机涂层a a 喷涂过程喷涂过程喷涂喷涂材料材料材料材料熔化熔化熔化材熔化材料雾化料雾化粒子粒子飞行飞行粒子粒子喷涂喷涂热源热源喷涂粒子喷涂粒子束束涂层涂层表面涂敷表面涂敷无机涂层无机涂层b b 涂层的形成涂层的形成冲冲 击击碰碰 撞撞收收 缩缩凝固凝固- -收缩收缩表面涂敷表面涂敷无机涂层无机涂层c c 涂层结合的机理涂层结合的机理机机 械械 结结 合合物物 理理 结结 合合扩扩 散散 结结 合合冶冶 金金 结结 合合表面涂敷表面涂敷表面涂敷表面涂敷无机涂层无机涂层机械轴承类零件耐磨喷涂 电厂锅炉四壁防腐