材料表面改性第1章

1、材料改性技术材料改性技术讲讲 授：刘授：刘 鹏鹏物理与电子科学学院无机材料教研室物理与电子科学学院无机材料教研室内容提要内容提要第第 1 章章 表面技术概论表面技术概论第第 2 章章 固体表面固体表面 第第 3 章章 热喷涂与搪瓷热喷涂与搪瓷 第第 4 章章 电镀与化学镀电镀与化学镀 第第 5 章章 气相沉积气相沉积第第 6 章章 表面化学处理表面化学处理第第 7 章章 热处理与化学热处理热处理与化学热处理第第 1 章章 表面技术概论表面技术概论本章重点：本章重点：表面技术的类型与作用机理。表面技术的类型与作用机理。前言：表面技术的发展前言：表面技术的发展越王勾践剑越王勾践剑深埋地下深埋地下2

2、400多年的越王勾践剑出土时毫无锈蚀，多年的越王勾践剑出土时毫无锈蚀，依然锋利无比，依然锋利无比，很可能由于棺木周围被致密的白很可能由于棺木周围被致密的白色粘土填塞，形成了隔绝空气的密闭空间。色粘土填塞，形成了隔绝空气的密闭空间。 早期的防腐技术早期的防腐技术长沙马王堆出土的青铜器长沙马王堆出土的青铜器马王堆出土的青铜器至今仍保持着清晰马王堆出土的青铜器至今仍保持着清晰的的图案和花纹，图案和花纹，主要由于采用主要由于采用烧好的木炭作烧好的木炭作为防腐层和吸湿剂。为防腐层和吸湿剂。 传统的表面强化技术传统的表面强化技术淬火淬火锻打锻打从古代的铸剑技术到现代的热处理技术，都是通过改变表面的从古代的

3、铸剑技术到现代的热处理技术，都是通过改变表面的金相组织和应力状态来提高金属材料的力学性能。金相组织和应力状态来提高金属材料的力学性能。高新技术的发展对机械零部件质量的要求提高。高新技术的发展对机械零部件质量的要求提高。 现代表面技术的重要性现代表面技术的重要性器件的微型化，使表面问题更为突出。器件的微型化，使表面问题更为突出。以普通材料代替昂贵材料以降低成本。以普通材料代替昂贵材料以降低成本。1.1 表面技术的涵义表面技术的涵义对象对象途径途径目的目的固体金属或非金属材料表面固体金属或非金属材料表面施加覆盖层施加覆盖层 采用物理、化学或机械等手段改变表面组成、采用物理、化学或机械等手段改变表面

4、组成、结构或应力状态。结构或应力状态。提高抵御环境作用的能力（腐蚀、磨损）提高抵御环境作用的能力（腐蚀、磨损）赋予功能特性（光、电、磁、化学）赋予功能特性（光、电、磁、化学）表面技术的广泛涵义表面技术的广泛涵义 表面技术基础理论表面技术基础理论（本课程学习内容）（本课程学习内容） 表面处理技术表面处理技术（本课程学习内容）（本课程学习内容） 表面加工技术表面加工技术 表面分析与检测技术表面分析与检测技术 表面工程技术设计表面工程技术设计1.2 表面技术分类（按作用机理）表面技术分类（按作用机理） 原子沉积原子沉积 颗粒沉积颗粒沉积 整体覆盖整体覆盖 表面改性（化学处理、热处理等）表面改性（化学

5、处理、热处理等）表面覆盖表面覆盖广义表面改性技术广义表面改性技术原子沉积原子沉积CVD处理的黄金表壳处理的黄金表壳镀铬餐具镀铬餐具 特征：特征：沉积物是原子尺度的粒子形态，如电镀、沉积物是原子尺度的粒子形态，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积 机理：机理：粒子成核粒子成核长大长大凝聚凝聚成膜成膜颗粒沉积颗粒沉积搪瓷茶缸搪瓷茶缸 特征：特征：沉积物是宏观尺度的颗粒形态，如沉积物是宏观尺度的颗粒形态，如热喷涂、热喷涂、搪瓷搪瓷 机理：机理：颗粒在表面凝聚、沉积或烧结。颗粒在表面凝聚、沉积或烧结。热水器搪瓷内胆热水器搪瓷内胆整体覆盖整体覆盖热浸镀锌的电缆桥架

6、热浸镀锌的电缆桥架 特征：特征：欲涂敷的材料同一时间施于基体表面。欲涂敷的材料同一时间施于基体表面。零件表面涂防锈油零件表面涂防锈油表面改性表面改性抛丸强化后的齿轮抛丸强化后的齿轮微弧氧化处理的镁合金轮圈微弧氧化处理的镁合金轮圈 本质：本质：改变表面组成、结构、应力状态改变表面组成、结构、应力状态 途径：途径：物理、化学、机械等手段物理、化学、机械等手段，如表面氧化、表面，如表面氧化、表面强化、热处理与化学热处理强化、热处理与化学热处理1.3 表面技术应用实例表面技术应用实例 润湿与反润湿技术润湿与反润湿技术 特种涂层与薄膜特种涂层与薄膜 固体表面催化固体表面催化 生物医学表面工程生物医学表面

7、工程1.3.1 润湿与表面活性剂润湿与表面活性剂s-gs-ll-gcos 润湿现象润湿现象附着润湿附着润湿浸渍润湿浸渍润湿铺展润湿铺展润湿s-ls-gl-gs-ls-gl-g与石料的润湿性好。与石料的润湿性好。稳定剂稳定剂乳化剂乳化剂水水石油沥青石油沥青机械搅拌机械搅拌乳化沥青乳化沥青表面活性剂应用实例表面活性剂应用实例1：乳化沥青：乳化沥青显著优点显著优点粘度低、流动性好。粘度低、流动性好。常温使用，安全、节能、环保。常温使用，安全、节能、环保。原理：利用表面活性剂分子在水气界面的定向排列，实现矿石优选。原理：利用表面活性剂分子在水气界面的定向排列，实现矿石优选。 表面活性剂的应用表面活性剂

8、的应用2：浮游选矿：浮游选矿捕收剂：捕收剂：选择吸附在有用矿石粒子表面，使之表面疏水。选择吸附在有用矿石粒子表面，使之表面疏水。 起泡剂：起泡剂：使使充入水中的空气产生稳定的泡沫，促进矿石上浮。充入水中的空气产生稳定的泡沫，促进矿石上浮。 超亲水表面超亲水表面超亲水涂层的应用超亲水涂层的应用 超亲水自洁技术超亲水自洁技术：采用具有超亲水性纳米：采用具有超亲水性纳米TiO2涂层，在产品表面涂层，在产品表面形成一层水膜，使污垢不易粘附。形成一层水膜，使污垢不易粘附。铜网容积铜网容积8cm3，即便忽略自重，理，即便忽略自重，理论上最多只能承重论上最多只能承重8g。哈工大潘钦敏教授在哈工大潘钦敏教授在

9、Applied Materials & Interfaces报道的超疏水铜网船报道的超疏水铜网船使用超疏水表面处理后，居然能够使用超疏水表面处理后，居然能够承载超过承载超过13g的重量。的重量。即使铜网上沿在水面以下，依然即使铜网上沿在水面以下，依然继续漂浮而不进水。继续漂浮而不进水。超疏水表面超疏水表面超疏水特性源于表面特殊的微超疏水特性源于表面特殊的微- -纳结构！纳结构！人工构筑的微人工构筑的微-纳结构纳结构碳布纤维碳布纤维碳纤维表面生长碳纳米管碳纤维表面生长碳纳米管碳载体表面沉积纳米碳载体表面沉积纳米Pt颗粒颗粒H. Y. Du, et al. Diamond & Re

10、lated Materials. 2008, 17: 535.1.3.2 特种涂层特种涂层问题：普通材料不能承受如此高的温度。问题：普通材料不能承受如此高的温度。 烧蚀涂层烧蚀涂层（有机材料（有机材料+ +石英纤维、陶瓷纤维、碳纤维）石英纤维、陶瓷纤维、碳纤维）隔热涂层隔热涂层（Al2O3、ZrO2）实例实例1：飞船或者洲际导弹的头部锥体和翼前沿，由于具有数十倍飞船或者洲际导弹的头部锥体和翼前沿，由于具有数十倍于音速的速度，并与大气层摩擦，其驻点温度高达于音速的速度，并与大气层摩擦，其驻点温度高达8000 。解决方法：施加耐高温复合涂层。解决方法：施加耐高温复合涂层。实例实例2：隐形战机的反探

11、测涂层：隐形战机的反探测涂层 。美、俄、中隐形战机对比图美、俄、中隐形战机对比图吸波原理吸波原理 常用吸波材料：常用吸波材料：铁氧体、碳材料等铁氧体、碳材料等 各种功能薄膜各种功能薄膜用途用途成膜方式成膜方式超硬膜超硬膜 金刚石、碳化物、氮化物金刚石、碳化物、氮化物 （半）导体膜（半）导体膜 功能陶瓷、高分子材料功能陶瓷、高分子材料防护防护/ /装饰膜装饰膜 仿金膜、合金镀层仿金膜、合金镀层外加膜外加膜基体参与成膜基体参与成膜催化剂与反应物所处状态催化剂与反应物所处状态均相催化均相催化多相催化多相催化固体催化剂对气态或液态反应的催化作用属于多相催化，反应发生固体催化剂对气态或液态反应的催化作用

12、属于多相催化，反应发生在两相界面上，即催化剂表面。在两相界面上，即催化剂表面。接触催化接触催化因此，催化剂又称因此，催化剂又称“触媒触媒”。1.3.3 固体表面催化固体表面催化催化剂改性技术催化剂改性技术P. Liu, et al. Electrochemistry Communications. 2008, 10: 1471-1473.通过掺杂、修饰、包覆等改性手段，通过掺杂、修饰、包覆等改性手段，改善改善表面表面宏观和微观结构，宏观和微观结构，拓展拓展表面活性区域，进而提高催化性能。表面活性区域，进而提高催化性能。催化剂性能很大程度上取决于其表面效应。催化剂性能很大程度上取决于其表面效应。

13、1.3.4 生物材料表面工程生物材料表面工程种植牙技术种植牙技术植入材料植入材料的表面是与人体直接接触的，通过表面改性，可以改善生物的表面是与人体直接接触的，通过表面改性，可以改善生物相容性，并减少磨损，保证植入物的长期性能。相容性，并减少磨损，保证植入物的长期性能。目前临床上广泛应用钛芯表面喷涂目前临床上广泛应用钛芯表面喷涂羟基磷灰石作为种植体，充分利用羟基磷灰石作为种植体，充分利用了羟基磷灰石较好的了羟基磷灰石较好的生物相容性生物相容性和和钛材料优秀的钛材料优秀的力学性能力学性能。脑瘤手术的难题：脑瘤手术的难题：脑癌细胞与正常脑细胞从外观上难以区别，一般手脑癌细胞与正常脑细胞从外观上难以区

14、别，一般手术中难以完全切除癌变组织。术中难以完全切除癌变组织。 G. Nie, et al. Small. 2012, 8(6) : 884891.研究进展：研究进展：将纳米染色剂表将纳米染色剂表面改性，使其对肿瘤细胞具面改性，使其对肿瘤细胞具有靶向作用。外科医生在正有靶向作用。外科医生在正常光线下，可实现术中裸眼常光线下，可实现术中裸眼直接观察肿瘤。直接观察肿瘤。本课程的成绩评定本课程的成绩评定 平时成绩：按平时成绩：按100分制评定，占总成绩的比重为分制评定，占总成绩的比重为60。 期终期终成绩：成绩：开卷考试，开卷考试，按按100分制评定，占总成绩的比重分制评定，占总成绩的比重为为40。 出勤与课堂表现：满分为出勤与课堂表现：满分为30分，无故缺课分，无故缺课3次不得参加期终考试。次