表面工程學(xué)的基礎(chǔ)理論

表面工程學(xué)的基礎(chǔ)理論第一頁，共四十頁，2022年，8月28日

課件錢苗根主編，機(jī)械工業(yè)出版社

《現(xiàn)代表面技術(shù)》教材第二頁，共四十頁，2022年，8月28日參考資料材料表面工程，哈爾濱大學(xué)出版社，徐濱士編著金屬材料表面新技術(shù)，趙文珍，西安交通大學(xué)出版社，1992現(xiàn)代表面技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，錢苗根等編著表面工程手冊(cè)，李國英主編，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998表面涂層技術(shù)，陳學(xué)定，韓文政，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994表面工程與維修，徐濱士，朱紹華等，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996第三頁，共四十頁，2022年，8月28日第四頁，共四十頁，2022年，8月28日

課件主要內(nèi)容主要內(nèi)容第一章、表面工程的基本理論1.1表面技術(shù)和表面工程概述1.2表面技術(shù)的分類1.3表面技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展第五頁，共四十頁，2022年，8月28日§1－1表面技術(shù)和表面工程概述

表面技術(shù)是直接與各種表面現(xiàn)象或過程有關(guān)的，能為人類造?；虮蝗藗兝玫募夹g(shù)。廣義的說：第六頁，共四十頁，2022年，8月28日一、表面技術(shù)的涵義

現(xiàn)代材料表面技術(shù)，主要是綜合采用最新的電子技術(shù)，真空技術(shù)、冶金、物理、化學(xué)、材料等各學(xué)科的最新知識(shí)和等離子體、離子束、電子束、激光束、微波的最新成果。把材料表面與基體視作一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與改性，以最經(jīng)濟(jì)和最有效的方法改變材料表面及近表面區(qū)的形態(tài)、化學(xué)成分、應(yīng)力狀態(tài)和組織結(jié)構(gòu)，賦予其新的復(fù)合性能，從而獲得許多新構(gòu)思，新材料，新器件以實(shí)現(xiàn)新的工程應(yīng)用。我們把這種多功能綜合化的，用于提高材料表面性能的各種新技術(shù)，統(tǒng)稱為現(xiàn)代材料表面技術(shù)第七頁，共四十頁，2022年，8月28日表面技術(shù)的廣義涵義1）

表面技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用理論

理論基礎(chǔ)：表面科學(xué)，表面物理、表面化學(xué)、表面分析技術(shù)；

應(yīng)用理論：除了材料科學(xué)外主要還包括表面失效分析，摩擦磨損理論，腐蝕與防護(hù)理論，表面結(jié)合、復(fù)合、界面理論、真空技術(shù)，氣體放電與等離子體物理、離子濺射、薄膜生長、薄膜與涂層現(xiàn)代表面技術(shù)電磁理論、半導(dǎo)體物理、功能效應(yīng)等等2）

表面處理技術(shù)表面覆蓋技術(shù)表面改性技術(shù)復(fù)合表面處理技術(shù)3）

表面加工技術(shù)4）

表面分析和測試技術(shù)5）

表面工程技術(shù)設(shè)計(jì)第八頁，共四十頁，2022年，8月28日二、表面工程的涵義

隨著表面科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展與工程應(yīng)用，表面工程學(xué)也已逐漸形成正在發(fā)展中的新興學(xué)科。目前，表面工程學(xué)科的體系，正在不斷的進(jìn)行探索和完善。

表面工程這一概念，在２０世紀(jì)８０年代初，最早由英格蘭伯明翰大學(xué)ＴｏｍＢｅｌｌ教授提出。

表面工程是把材料表面與基體視作一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用表面改性技術(shù)，薄膜技術(shù)和涂鍍層技術(shù)，表面復(fù)合處理技術(shù)，材料表面納米化工程技術(shù)，使材料表面獲得材料本身沒有而又希望具有的性能的系統(tǒng)工程。第九頁，共四十頁，2022年，8月28日表面工程的涵義第十頁，共四十頁，2022年，8月28日三、使用表面技術(shù)的目的（1）

提高材料抵御環(huán)境作用能力:耐蝕性（2）

賦予材料表面某種功能特性。包括光、電、磁、熱、聲、吸附、分離等等各種物理和化學(xué)性能。（3）

實(shí)施特定的表面加工來制造構(gòu)件、零部件和元器件等:電鑄、電刷鍍第十一頁，共四十頁，2022年，8月28日表面工程技術(shù)的目的和作用表面工程技術(shù)的主要目的：通過表面處理使材料表面按人們希望的性能進(jìn)行改變。表面工程技術(shù)是在不改變基體材料的成分、不削弱基體材料強(qiáng)度的條件下，通過物理手段或化學(xué)手段賦予材料表面以特殊的性能，從而滿足工程技術(shù)上對(duì)材料提出的要求的技術(shù)。表面工程技術(shù)的作用就是改善或賦予表面各種性能第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日四、表面工程技術(shù)日益得到重視

1）

社會(huì)生產(chǎn)、生活的需要---腐蝕損失2-5%2）

通過表面處理大幅度提高產(chǎn)品質(zhì)量:耐蝕耐磨3）

節(jié)約貴重材料4）

實(shí)現(xiàn)材料表面復(fù)合化，解決單一材料無法解決的問題5）

良好的節(jié)能、節(jié)材效果6）

促進(jìn)了新興工業(yè)的發(fā)展第十三頁，共四十頁，2022年，8月28日應(yīng)用實(shí)例汽車輕量化→鋁合金→表面耐磨問題突出→表面耐磨涂層火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管內(nèi)壁和燃燒室：需承受2000～3300℃溫度和巨大的熱焰流沖擊第十四頁，共四十頁，2022年，8月28日應(yīng)用實(shí)例2問題：飛船或者洲際導(dǎo)彈的頭部錐體和翼前沿：由于具有音速數(shù)倍的速度，并與大氣層摩擦，即所謂氣動(dòng)加熱，其溫度高達(dá)4000～5000℃,絕大多數(shù)的金屬和合金不能承受如此高的溫度。解決問題的方法：依靠各種形式的隔熱涂層、防火涂層和燒蝕涂層。隔熱防火涂層是熱導(dǎo)率低的氧化物：氧化鋁、氧化鋯、氧化釷等。燒蝕涂層：有機(jī)材料加石英纖維、陶瓷纖維或碳纖維。第十五頁，共四十頁，2022年，8月28日應(yīng)用實(shí)例3人造衛(wèi)星在宇宙中的溫度控制問題：衛(wèi)星表面受太陽照射的一面溫度可達(dá)+200℃，沒有被太陽照射的一面溫度可低到-200℃第十六頁，共四十頁，2022年，8月28日應(yīng)用實(shí)例4航天飛機(jī)外殼的防熱材料和涂層：如美國洛克希德導(dǎo)彈與航天公司開發(fā)了一種LI-900全氧化硅絕熱氈,特性：

重量輕，整個(gè)體積的95%都是空的。為防水、耐蝕以及散熱，表面加涂了一種碳化硅涂層，該涂層可把90%的入射熱反射掉，而剩下10%幾乎都被氧化硅氈所隔絕。第十七頁，共四十頁，2022年，8月28日應(yīng)用實(shí)例5在太陽能的利用中，必須利用涂層來吸收太陽光譜中所有波段的能量。如用電子束蒸鍍的金屬陶瓷層Co-Al2O3作為太陽能吸熱器，使對(duì)太陽能的吸收率可達(dá)95%第十八頁，共四十頁，2022年，8月28日汽車噴漆第十九頁，共四十頁，2022年，8月28日電鍍第二十頁，共四十頁，2022年，8月28日鍍銀壺第二十一頁，共四十頁，2022年，8月28日噴丸第二十二頁，共四十頁，2022年，8月28日拋丸后的鑄件第二十三頁，共四十頁，2022年，8月28日表面技術(shù)倍受重視的原因材料物理、化學(xué)性能及其變化都從表面開始；隨著器件的微型化，表面/體相的原子比增大，會(huì)出現(xiàn)許多新的特性；材料表面的研究是許多高新技術(shù)的理化基礎(chǔ)等。第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日世界各發(fā)達(dá)國家均對(duì)表面工程高度重視如美國工程科學(xué)院在為美國國會(huì)提供的2000年前集中力量加強(qiáng)發(fā)展的9項(xiàng)新科學(xué)技術(shù)中，有關(guān)材料方面的僅有材料表面科學(xué)與表面技術(shù)的研究。

第二十五頁，共四十頁，2022年，8月28日五、與表面現(xiàn)象有關(guān)的一些表面技術(shù)

1）表面濕潤和反濕潤技術(shù)2）表面催化技術(shù)3）膜技術(shù)4）表面化學(xué)技術(shù)第二十六頁，共四十頁，2022年，8月28日按照作用原理分類（Matton分類法）：1）原子沉積：沉積物以原子、離子、分子和粒子集團(tuán)等原子尺度的粒子形態(tài)在材料表面上形成覆蓋層，如電鍍、化學(xué)鍍、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等。2)顆粒沉積：沉積物以宏觀尺度的顆粒形態(tài)在材料表面上形成覆蓋層，如熱噴涂、搪瓷涂敷等。3）整體覆蓋:涂層4)表面改性：用機(jī)械、物理、化學(xué)等方法，改變材料表面的形貌、化學(xué)成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)。

§1－2表面技術(shù)的分類第二十七頁，共四十頁，2022年，8月28日①原子沉積物原子在基體上凝聚,生核、長大、成膜.如電鍍、PVD、CVDCVD氮化鈦刀具TiCl4+H2+N2→TiN(s)+HCl第二十八頁，共四十頁，2022年，8月28日②粒狀沉積物熔化的液滴或細(xì)小的固體顆粒在外力作用下于基體表面凝聚、沉積或燒結(jié),形成的表面涂層.例如,熱噴涂、搪瓷、噴漆等.齒輪表面噴涂WC第二十九頁，共四十頁，2022年，8月28日③整體沉積層欲涂敷的材料于同一時(shí)間施于基體表面.如,涂漆、熱浸漬等.熱鍍鋅第三十頁，共四十頁，2022年，8月28日④表面改性用離子處理、熱處理、激光處理等方、法改變材料表面的組織和性能.如噴丸、離子注入、激光處理.激光表面合金化第三十一頁，共四十頁，2022年，8月28日表面技術(shù)的分類按學(xué)科特點(diǎn)分為：

1)表面合金化：包括噴焊、堆焊、離子注入、激光溶敷、熱滲鍍等。2）表面覆層與覆膜技術(shù)：包括熱噴涂、電鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化處理、化學(xué)鍍、氣相沉積、涂裝、堆焊、金屬染色、熱浸鍍等。3）表面組織轉(zhuǎn)化技術(shù)：包括激光、電子束熱處理技術(shù)以及噴丸、輥壓等表面加工硬化技術(shù)。第三十二頁，共四十頁，2022年，8月28日按工藝特點(diǎn)分類：電鍍、化學(xué)鍍、熱滲鍍、熱噴涂、堆焊、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、涂裝、表面著色、氣相沉積、“三束”改性以及表面熱處理、形變強(qiáng)化和襯里類

表面技術(shù)的分類第三十三頁，共四十頁，2022年，8月28日第三十四頁，共四十頁，2022年，8月28日第三十五頁，共四十頁，2022年，8月28日第三十六頁，共四十頁，2022年，8月28日§1-3表面技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展一、

表面技術(shù)應(yīng)用的廣泛性和重要性腐蝕損失占國民經(jīng)濟(jì)的2-5%作用：防護(hù)(Zn,Ni)、耐磨(硬Cr,復(fù)合鍍層）、強(qiáng)化(復(fù)合鍍層）、修復(fù)(Fe)、裝飾（Cr)等。二、

表面技術(shù)在結(jié)構(gòu)材料以及工程構(gòu)件和機(jī)械零部件上的應(yīng)用工具、模具（電鑄）第三十七頁，共四十頁，2022年，8月28日三、表面技術(shù)在功能材料和元器件上的應(yīng)用光學(xué)特性、電學(xué)特性、磁學(xué)特性、熱學(xué)特性、化學(xué)特性、能量轉(zhuǎn)換(太陽能電池材料）、磁記錄材料（Co,Ni)、雙金屬、防護(hù)涂層四、表面技術(shù)在人類適應(yīng)、保護(hù)和優(yōu)化環(huán)境方面的一些應(yīng)用

抗菌滅菌TiO2（磷灰石）,生物醫(yī)學(xué)材料（人工骨）第三十八頁，共四十