现代表面技术绪论课件

主讲：：博客：现代表面技术Modernsurfacetechnology教材和参考书

教材

124.?中国材料工程大典.材料外表工程〔上、下〕?，徐滨士，同上，20061.?现代材料外表技术科学?，戴达煌、周克崧，冶金工业出版社，20043.?防腐蚀外表工程技术?，李金桂，化学工业出版社，20036.?外表科学与技术?，姚寿山，机械工业出版社，1988

参考书目?外表工程学?，曾晓雁，机械工业出版社，2002?外表工程的理论与应用?，徐滨士，国防工业出版社，20215.?现代外表技术?，钱苗根，机械工业出版社，19992.?材料外表工程导论?，赵文轸，西安交通大学出版社，1998第1章外表技术开展第2章电镀第3章化学镀第4章外表涂敷第5章外表改性第6章气相沉积主要内容第7章外表复合技术第9章外表分析与性能测试第8章外表加工技术国内顶尖外表技术科研机构厦门大学固体外表物理化学国家重点实验室中科院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室大连理工大学三束〔激光束、电子束、离子束〕材料改性国家重点实验室装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室清华大学摩擦学国家重点实验室哈尔滨工程大学超轻材料与外表技术教育部重点实验室西南交通大学外表工程与摩擦学四川重点实验室美国“哥伦比亚号〞航天飞机起飞时遭到外力撞击，导致防热瓦上出现裂缝，2003年2月1日返回地面时使得超高温气流乘虚而入，机体材料瞬间熔化，飞机解体，机上7名航天员全部遇难应用实例1燃烧需要有可燃物、空气和一定温度这三个条件。只要破坏这三个条件中的任一个，就可以到达防火的目的。这三个条件中，可燃物和一定温度很难事先破坏。人们在日常生活和工作中，总有一些以可燃物为材料的器具，也总有一些产生热量、提高温度的热源。问题可燃物、热源如何进行防火？解决在高温热源周围的工程结构〔如火箭、导弹的发射台〕上，在生产和储存可燃物的房屋内外壁，在车辆、飞机、化工设备、通信器材、电器、包装物及军工产品上，涂上一层涂层，以隔绝空气，做到防火于未然，防火涂层不但本身不是可燃物，而且能延缓、阻止火焰蔓延，在常温下还具有一定的装饰和保护作用。应用实例2人造卫星在宇宙中的温度控制：问题卫星外表受太阳照射的一面温度可达+200℃，没有被太阳照射的一面温度可低到-200℃解决采用真空沉积，化学转换与电化学沉积、化学蒸发沉积，等离子喷涂、熔烧等制备热控涂层。东方红一号卫星〔铝阳极氧化高反射热控涂层〕应用实例3问题在太阳能的利用中，必须利用涂层来吸收太阳光谱中所有波段的能量。解决如用电子束蒸镀的金属陶瓷层Co-Al2O3作为太阳能吸热器，使对太阳能的吸收率可达95%，辐射率达10%。西气东输工程是要将新疆南部的天然气输往上海，让上海、江苏、浙江用上天然气，这是一项大的工程。问题直径1016mm的X70钢如何承受4000km不同性质土壤或气候的侵蚀而不腐蚀，平安运行几十年，上百年。解决施加防腐蚀涂层，在管线设计同时设计好内外外表层内外表：环氧树脂减阻涂层，提高输气效率又提高耐腐蚀能力外外表：①PE三层结构防腐蚀〔1960km〕②FBE加强级防腐蚀(1560km)③双层FBE防腐蚀(480km)同时加上阴极保护系统，可望获得长期、平安、可靠的运行应用实例4学习目标初步掌握各种外表技术的原理与特点、应用现状与开展趋势

能够根据工程需要，快速、有效、经济地选择相应的外表技术或几种技术的组合选择所用材料和制定最正确工艺来解决工程问题具有研究和开发外表工程新技术的能力定义什么是“外表技术〞？外表处理、外表涂(镀)层及外表改性的总称，是通过运用各种物理、化学或机械工艺过程改变基材外表状态、化学成分、组织结构或形成特殊覆层，使基体外表具有某种特殊性能，从而到达特定的使用要求的方法。第1节外表技术的意义、特点、目的和应用意义材料的疲劳断裂、磨损、腐蚀、氧化、烧蚀、辐照损伤等，一般从材料外表开始，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超一万亿吨，经济损失占各国GNP的1~4%！行业部门直接腐蚀损失（亿美元）占总直接腐蚀损失%公共设施电信，供电，燃气，饮用水和排污47934.7运输业船舶，飞机，汽车，铁路车辆，危险品运输29721.5基础设施燃气和液化气输送管线，水路和港口，危险品储存，机场，铁路，高速公路和桥梁22616.4政府油气勘探和生产，石油炼化，化学，石油化工，制药，采矿，造纸，电子，日用品，食品化工，农业20114.6生产和制造业17612.81998年美国腐蚀调查数据〔直接损失2757亿美元〕第1节外表技术的意义、目的、特点和应用意义我国也为腐蚀损失付出了相当大的代价！1983年的腐蚀损失为400亿元；2003年达5~6千亿元；2021年因腐蚀造成的损失为1.2~2万亿元。材料抵御环境作用〔如高温、高压、高速、强辐射、其它恶劣工况〕的能力对设备长期使用的可靠性、稳定性等意义重大。约30%的腐蚀损失可通过外表处理的方法进行防止第1节外表技术的意义、目的、特点和应用功能和作用

提高耐腐蚀能力抗均匀腐蚀、防晶间腐蚀与剥蚀、防电偶腐蚀、抗点碜业、耐磨蚀、抗高温氧化与热腐蚀、延缓腐蚀疲劳、抗应力腐蚀和氢脆

调整摩擦磨损特性赋予外表特种功能进行外表装饰抗摩擦磨损、减磨、润滑、抗冲刷、抗微动磨蚀、防粘结，防咬合声、光、磁、电的转换、导电、绝缘、超导、存储记忆发光、消光、光反射、光选择吸收，红外波、雷达波吸收与反射美丽的图案、鲜艳的色彩、金属的陶瓷化、非金属制件外表合金化、非金属材料的抗老化第1节外表技术的意义、目的、特点和应用目的充分发挥材料的使用潜力，赋予特种功能节约资源、能源，维护和支持国家可持续开展战略，例如减少了腐蚀和摩擦磨损提高产品高技术含量，满足产品高技术性能要求，例如最先进发动机必须应用的热障涂层提高人们的生活质量，例如光盘、装饰提高产品的可靠性、平安性、减少事故危害、延长使用寿命，例如各种涂镀层技术的应用第1节外表技术的意义、目的、特点和应用特点①主要作用在基材外表，对远离外表的基材内部组织与性能影响不大。②采用外表涂(镀)、外表合金化技术取代整体合金化，使普通、廉价的材料外表具有特殊的性能。④不但可以制造性能优异的零部件产品，而且可以用于修复已损坏、失效的零件。③外表涂层很薄，涂层用料少，为了保证涂层的性能、质量，可以采用贵重稀缺元素而不会显著增加本钱。第1节外表技术的意义、目的、特点和应用应用现状1.结构材料及工程构件和机械零部件上外表防护：将基材与腐蚀性环境别离，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，加工外表光洁度更高，能量消耗更少外表装饰：光亮、色泽、花纹、仿照等特性第1节外表技术的意义、目的、特点和应用2.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“看不到〞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行速度磁性薄膜：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第1节外表技术的意义、目的、特点和应用净化大气：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，及海水淡化等抗菌灭菌：如TiO2的光催化性能，可分解有毒物质，到达杀菌灭菌的目的吸附杂质：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3.

人类适应、保护和优化环境上第1节外表技术的意义、目的、特点和应用金刚石薄膜；类金刚石碳膜；立方氮化硼薄膜；超导薄膜；LB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60；纤维增强陶瓷基复合材料；梯度功能材料外表润湿和反润湿技术：外表清洗外表催化技术膜技术：膜是使两物相空间别离且关联，起传递质量与能量作用的介质外表化学技术：如生物现象有关的细胞膜电势和生物电流4.研究和生产新型材料上5.其它外表技术第1节外表技术的意义、目的、特点和应用分类1.外表合金化喷焊、堆焊、离子注入、激光熔敷、热浸镀等2外表覆层与覆膜热喷涂、电镀、化学转化、化学镀、气相沉积、涂装、堆焊、金属染色、热浸镀3.外表组织转化激光、电子束热处理、喷丸、辊压等第2节外表技术的分类和开展一、按学科特点原子沉积：以原子尺度粒子的形态在材料外表沉积

颗粒沉积：以宏观尺度颗粒的形态在材料外表沉积

整体覆盖：涂覆材料于同一时间施加于材料外表

外表改性：采用物理化学方法使材料外表结构性能发生变化离子注入、激光外表处理、电子束外表改性、化学热处理等电镀、化学镀、物理-化学气相沉积等热喷涂、搪瓷和陶瓷涂覆等包箔、贴片、热浸镀、刷镀、堆焊等第2节外表技术的分类和开展二、按照沉积物粒子的尺寸三、按工艺特点电镀化学镀热渗镀热喷涂堆焊化学转化膜涂装外表彩色气相沉积三束改性外表热处理形变强化衬里第2节外表技术的分类和开展开展前景外表涂敷技术公元前2000年，从野生漆树收集天然漆20世纪20年代，酚醛树脂的出现20世纪30年代，合成树脂涂料时代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开发已成为外表工程技术领域重要的研究方向20世纪初开展起来的热喷涂技术1910-瑞士火焰喷涂50年代美国爆炸喷涂60年代等离子喷涂和喷焊80年底超音速喷涂21世纪冷喷涂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、光电转换涂层等第2节外表技术的分类和开展开展前景外表强化技术20世纪20年代首先在汽车工业使用喷丸60年代航空工业广泛使用本钱低的外表强化技术战国时期钢的淬火为最早的外表热处理技术以电为根底的外表处理新技术不断涌现19-20世纪电的创造20世纪初，低压气体放电的发现等离子热化学及等离子镀膜技术的兴起60年代PVD、真空蒸镀及70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外表强化第2节外表技术的分类和开展开展前景复合外表技术复合外表技术通过最正确协同效益使工件材料外表体系在技术指标、可靠性、寿命、质量和经济性方面获得最正确的效果，克服了单一外表技术的局限性，解决了许多工业关键技术和高新技术开展中特殊的技术问题。外表加工技术微细加工技术在微电子技术中的重要作用！微细加工外表技术领域扩展在生物工程应用领域；原材料制造业；家电行业的预涂型彩色钢板；汽车工业；纳米材料制备外表工程是一门边缘性很强的技术，其开展必然受到许多学科和技术开展的促进和制约第2节外表技术的分类和开展第3节固体的外表表面、界面、相界面、晶界、微晶、纳米晶、非晶基本概念表面：固、气相间的分界；界面：固相间的分界；相界：凝聚相间的分界；晶界：同相中晶粒间分界；微晶：晶粒尺寸位于微米级以下；纳米晶：晶粒尺寸小于100nm；非晶：晶粒尺寸小于1nm；一、典型固体外表1.理想外表第3节固体的外表理论前提：忽略了晶体内部周期性势场在晶体中断的影响，忽略了外表上原子的热运动以及出现的缺陷和扩散现象，忽略了外表外界环境的作用〔外界对外表的物理-化学作用〕理论上的结构完整的二维点阵平面。即体内的晶体结构无改变地延续到外表层，直至为外表中断为止。人们一般把晶体的解理面认为是理想外表d内部表面理想表面示意图2.清洁外表不存在任何污染的化学纯外表，是经过诸如离子轰击、退炽热处理、超高真空中解理、热蚀、场效应蒸发等特殊处理后，保持在10-6Pa－10-9Pa超高真空下外来沾污少到不能用一般外表分析方法探测的外表。其中离子轰击加退炽热处理是目前最普遍采用的方法。清洁外表：台阶外表、弛豫外表、重构外表涂层沉积前需预处理获得清洁外表〔外表的化学组成与体内相同，但结构可以不同于体内〕第3节固体的外表清洁外表的原子排列T：低晶面指数的平台(Terrace)L：单分子或单原子高度的台阶(Ledge)K：单分子或单原子尺度的扭折(Kink)除了平台，台阶和扭折外，还有外表吸附的单原子〔A〕以及外表空位〔V〕。由Kossel和Stranski提出的TLK模型，由一些较大的平坦区域和一些高度不同的台阶构成。已被低能电子衍射(LEED)等外表分析结果证实，并可以推算出台阶高度和密度。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Cu,Au,W,Pt,Pd,Si,Ge,As,GaAs,ZnO等台阶和扭折对晶体生长、气体吸附和反响速度影响较大第3节固体的外表⑴台阶外表外表不是原子级的平坦，外表原子可以形成台阶结构不是平面，由规那么的或不规那么的台阶组成晶面1（平面）晶面3（连接面）晶面2（立面）第3节固体的外表弛豫外表示意图d0ds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外表原子弛豫的存在最明显处是外表第一层原子与第二层之间距离的变化，越深入体相，弛豫效应越弱，并且是迅速消失。外表层之间以及外表和内部原子层之间的垂直间距ds和体内原子层间距d0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。⑵外表弛豫第3节固体的外表①

压缩效应外表原子失去空间方向的相邻原子后，体内原子对外表原子的作用，产生了一个指向体内的合力，导致外表原子向体内的纵向弛豫。在金属晶体外表比较常见，其弛豫一般不超过晶格常数的1.5-5%。如Al〔110〕,Fe〔100〕外表等，在Mo(100)外表可观察到比较大的纵向弛像。第3节固体的外表②

弛张效应在少数晶体的某些外表发生原子向体外移动的纵向弛豫，造成了晶体的膨胀。多出现在金属晶体及其化合物外表，如Al(111)面的层间距可以增加正常间距的25%左右。第3节固体的外表③

起伏效应在半导体材料如Ge,Si等晶体(111)外表上观察到，有的原子向体外方向弛豫，有的原子向体内弛豫，而且这两种方向相反的纵向弛豫是有规律地间隔出现的，即有起有伏，称之为起伏效应。第3节固体的外表外表原子层在水平方向上的周期性(晶格基矢as)不同于体内(晶格基矢a0)，但垂直方向上的层间距ds与内部层间距d0相同。重构外表示意图d0asa0d0⑶外表重构当外表吸附外来原子而使悬挂键饱和时，重构必然发生。第3节固体的外表外表扩散物质中原子(分子)的迁移现象称为扩散。扩散过程遵循Fick扩散第一定律和第二定律。扩散过程中原子平均扩散距离X

为：Q

取决于晶格结构，固溶体类型，扩散元素，合金元素，扩散途径XctD=扩散时间扩散系数几何因素所决定的常数D=D0exp除体扩散外，还有外表扩散，晶界扩散，位错扩散等Q表＜Q界＜Q位＜Q体；D表＞D界＞D位＞D体QRT扩散系数扩散时间第3节固体的外表外表高温熔融电沉积化学沉积气相沉积扩散涂层离子注入及冲击镀涂层外表粉末冶金涂层金属涂层的形成机制主要有：第4节金属涂层形成机制类型〔一〕外表高温熔融形成机制热喷涂层热喷涂材料〔粉末或线材〕经热源〔火焰或电弧〕加热至熔化或半熔化态，用高压气流令其雾化并喷射于工件上，塑态雾化金属粒子以很高速度打到工件外表成片层状结构堆集形成涂层热浸镀层将经过外表处理的金属工件放入远比工件熔点低的熔融金属中，工件外表就镀上一层金属镀层堆焊涂层焊接材料〔焊条或焊丝〕在热源〔焊接电弧〕作用下熔化并涂敷于工件外表形成堆焊层热烫印层在一定的压力和温度下，将金属箔或颜料箔烫印到承印物上的工艺第4节金属涂层形成机制自蔓延高温合成涂层利用涂层材料之间的高效热反响放出的热量，将反响生成物熔化、凝固后在工件外表形成所需涂层真空熔结涂层将熔点低于基体金属熔点的合金粉末涂覆于工件外表，在真空炉中加热熔化，与基体金属进行液固相扩散互溶，冷却后在工件外表形成接近平衡相的涂层铸渗涂层将涂层材料涂敷于铸模外表，利用液体金属与涂层材料的相互作用，冷却后在铸件外表形成合金化涂层电火花涂层利用电极与工件之间的电火花放电，使电极和工件材料局部产生熔化，并相互作用而形成合金覆层第4节金属涂层形成机制〔二〕电沉积形成机制利用直流电从电解液中将金属离子复原，在工件上析出并不断沉积形成涂层电镀在直流电的作用下，电解液中的金属离子复原，并沉积到零件外表形成有一定性能的金属镀层。电刷镀采用直流电源，电源的正极接镀笔，作为刷镀的阳极，电源的负极接工件，作为刷镀的阴极。刷镀时，使浸满镀液的镀笔以一定的相对运动速度在工件外表上移动，并保持适当压力，于是在工件外表形成覆盖层。第4节金属涂层形成机制〔三〕化学沉积形成机制将工件浸入含欲镀金属的盐和复原剂的电解质溶液中，复原剂发生氧化反响，被镀金属离子复原，并在工件外表沉积，形成与基体结合牢固的覆层。化学镀又称为自催化沉积。在化学镀中，金属离子是依靠在溶液中得到所需要的电子而复原成金属沉积在工件外表形成涂层的。Mn++ne→MM:Ag,Ni,Cu第4节金属涂层形成机制〔四〕气相沉积形成机制物理气相沉积〔简称PVD〕包括真空蒸镀、溅射镀和离子镀，形成过程均可归结为三步①成膜材料的气化即成膜材料的蒸发、升华、被溅射、分解，也就是成膜材料的源②成膜材料的原子、分子或离子从源到基片的迁移在这一过程中粒子间可能发生碰撞，产生离化、复合、反响、能量的变化和运动方向的改变等一系列复杂过程