现代表面工程新技术
表面工程领域科学技术发展分析
近年来，绿色环保型产品受到了人们广泛的欢迎，这也为表面工程在制造行业中的应用创造了条件。举个简单的例子，传统的电镀技术会产生较大的污染，比如一些灯具表面的镀层，当灯具损坏丢弃后，表面的镀层难以分解，会对环境造成二次污染。为了改善这种情况，表面工程中应用了绿色镀膜技术，这种技术能够简化镀膜的过程，并且把握镀膜的力度，保证表面薄膜的均匀[1]。另外，在汽车轮毂的表面以及精密仪器的表面，这种技术也得到了很好的应用，能够起到润滑的作用，并且隔离灰尘，同时不会产生噪音，极大了提高了设备的运行效率。一方面，绿色镀膜技术能够减少环境的污染，另一方面，绿色镀膜技术可以达到节能的效果。因为这种镀膜技术，会在金属器件的表面形成致密的薄膜，比如在发动机表面涂覆薄膜后，可以保证发动机散热均匀，提高运行效率。
5.生物医学方面
正常情况下，如果将生物材料植入人体之后，会产生一定免疫反应，比如材料通过表面与体液、血红蛋白以及细胞发生反应，所以探索生物材料表面涂层相关的改进方法，是亟待解决的问题。近年来，通过分析生物响应机制，而研究出的生物材料微纳米有序结构，以及生物活性物质，在生物组织修复和再生的过程中发挥着重要的作用。在减少宿主免疫反应的前提下，在生物材料涂层添加一些具有生物活性的物质，比如碳酸钙、磷灰石等，可以延长材料的使用周期。另外，在一些人工关节表面制备一层类金刚石膜，可以预防细菌感染。
4.能源再生方面
能源再生主要涉及的是新能源，比如风能、太阳能、潮汐能等。近年来，太阳能光伏发电受到了人们广泛的关注，而其中关键技术就是薄膜太阳能电池技术。一般而言，太阳能薄膜的制备分为真空镀膜和非真空镀膜两种，由于真空镀膜成本较高，并且需要使用稀有元素，所以目前广泛使用的还是非真空镀膜的方法，这种方法需要解决如何实现大面积制备的问题。利用平板集热器，能够提高薄膜的透光率，并在太阳能真空集热管上涂覆具有选择吸收功能的玻璃外管，可以避免热量的损失。这里提一下燃料电池的交换膜，通过PVD技术，可以提高金属双极板的耐腐蚀性能，并且在双极板的表面形成了不同的结构。另外，应用湿法改性技术，比如利用酸性混合溶液的化学性质，对不锈钢或者是铝合金材料的表面进行改性，可以提高电池的耐腐蚀性[2]。
01第一章--现代表面工程技术PPT课件
2021/6/4
36
表面工程有关的表面性能
分类
一般机械性能
可加工性
项
目
韧性、强度、塑性、抗疲劳性、硬度、疏松度（空 隙度）、残余应力
精密加工性、可修补性、可焊接性、冷作硬化性
抗磨性 保护性 热特性 电特性
抗磨料磨损性、抗粘着磨损性、抗腐蚀磨损性、抗 冲蚀磨损性、抗微动磨损性、润滑性
姿/轨控发动机推力室
2021/6/4
来源：西北有色金属研2究0 院
具体应用实例-高温抗氧化涂层
难熔金属 Nb 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 性能急剧下降，严重影响性能。
铌在180℃开始发生缓慢氧化，450 ℃以下的氧化物具有保护 作用，450 ℃ ~600 ℃ 氧化膜的晶体体积发生变化（从4.36变 到5.17)，开始出现粉化，600 ℃ ~700 ℃ 其氧化速度与氧压成 正比关系，700 ℃ ~850 ℃内层氧化膜起控制作用，850 ℃以 上氧化产物完全为Nb2O5
5.1 电镀、化学镀 5.2 表面涂敷 5.3 表面改性 5.4 气相沉积 5.5 复合表面处理技术
2021/6/4
3
教材及参考资料
教材：现代表面工程技术，姜银方主编， 北京：机械工业出版社
参考书目：
现代表面技术，钱苗根等编著，北京：机械工业出版社 金属材料表面新技术，赵文珍，西安：西安交通大学出版 社 面向二十一世纪的表面工程，徐滨士，北京：机械工业出 版社 表面工程手册，李国英主编，北京：机械工业出版社 表面涂层技术，陈学定，韩文政，北京：机械工业出版社 表面工程与维修，徐滨士，朱绍华等，北京：机械工业出 版社
表面工程行业的发展趋势与前景分析
表面工程行业的发展趋势与前景分析表面工程行业的发展趋势与前景分析1. 引言表面工程是指对物体表面进行处理，以增强其性能、延长其寿命、改善其外观的一项技术。
随着科技的发展和工业生产的进步，表面工程在各个领域中起到了重要的作用。
本文将分析表面工程行业的发展趋势与前景，为行业相关人士提供参考和决策依据。
2. 表面工程行业的发展历程表面工程行业起源于上世纪初期的金属冶炼和涂装行业。
随着社会经济的发展，新材料的涌现和工业技术的进步，表面工程行业也在不断发展壮大。
从最早的简单喷涂、镀层技术到现今的高精密、多功能的涂层、喷涂技术，表面工程已经成为现代工业生产中不可或缺的一环。
3. 表面工程行业的发展趋势（1）无害化环保趋势：近年来，全球对环境保护的重视程度日益提高，表面工程行业也在逐渐转型以遵循环保原则。
未来的表面工程技术将更加注重减少有害物质的使用，并开发出更环保、无害化的新型涂层材料。
（2）高功能化趋势：随着工业产品性能要求的不断提高，对表面工程技术提出了更高的要求。
未来的表面工程涂层将更加注重提高材料的硬度、防腐蚀性、抗磨损性等性能，以满足各个领域的需求。
（3）智能化趋势：随着人工智能和大数据技术的发展，表面工程行业也将朝着智能化的方向发展。
未来的表面工程设备将更加智能化、自动化，能够通过数据分析、预测和优化，提高生产效率和产品质量。
（4）多领域应用趋势：表面工程技术在各个领域中都有广泛的应用，如汽车制造、航空航天、电子设备等。
未来，随着新兴产业的发展，表面工程行业将进一步拓宽应用领域，开发更多新型涂层材料，满足不同行业的需求。
4. 表面工程行业的前景展望（1）市场需求大：表面工程行业受到各个行业的广泛应用需求，市场潜力巨大。
尤其是新兴产业的快速发展，如电动汽车、新能源、智能家居等，将对表面工程行业提供广阔的市场空间。
（2）技术创新动力强：表面工程行业是一个技术密集型产业，需要不断投入研发和创新。
随着科技的发展和技术进步，新型涂层材料、喷涂设备等将不断涌现，为行业发展提供强大的动力。
表面处理新工艺新技术新材料
表面处理新工艺新技术新材料表面处理是指对物体表面进行加工或修饰的一种工艺。
随着科技的不断进步，新的工艺、新的技术和新的材料不断涌现，为表面处理领域带来了许多创新和突破。
本文将围绕表面处理新工艺、新技术和新材料展开讨论。
一、新工艺1. 激光处理技术激光处理技术是一种利用高能激光对材料表面进行加工的方法。
它具有非接触加工、高精度、高效率等优点，被广泛应用于材料的刻蚀、焊接、熔化等领域。
激光处理技术在汽车制造、航空航天等行业有着重要的应用。
2. 等离子体喷涂技术等离子体喷涂技术是一种利用等离子体将涂料喷涂到材料表面形成薄膜的方法。
它具有高附着力、高硬度、高耐磨性等特点，可用于金属、陶瓷、塑料等材料的表面处理。
等离子体喷涂技术在航空航天、电子器件等领域有着广泛的应用。
二、新技术1. 纳米技术纳米技术是指在纳米尺度（1纳米=10-9米）下进行材料加工、制备和表面处理的技术。
通过纳米技术，可以制备出具有特殊性能的纳米材料，如纳米涂层、纳米颗粒等。
纳米技术在能源储存、环境治理、生物医学等领域有着广泛的应用前景。
2. 电化学技术电化学技术是一种利用电化学反应对材料表面进行处理的方法。
通过改变电极电位、电流密度等参数，可以实现对材料表面的腐蚀、电镀、阳极氧化等处理。
电化学技术在金属防腐、电镀加工等领域有着重要的应用。
三、新材料1. 高分子材料高分子材料是一类由高分子化合物构成的材料。
它具有轻质、高强度、耐腐蚀等特点，在表面处理中常用于涂料、油漆等的制备。
高分子材料在汽车、建筑、电子等领域有着广泛的应用。
2. 多功能材料多功能材料是指具有多种功能或特性的材料。
例如，光敏材料可以根据光的照射产生化学反应；磁性材料可以在外加磁场下发生磁化等。
多功能材料在传感器、储能装置等领域有着重要的应用。
表面处理新工艺、新技术和新材料的不断发展为各个领域带来了许多新的应用和突破。
随着科技的不断进步，我们可以期待表面处理领域将会有更多的新工艺、新技术和新材料的出现，为各行各业带来更多的创新和发展。
现代表面工程技术
现代表面工程技术什么是表面工程？表面工程是将材料的表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用各类表面技术，使材料的表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。
第一章表面技术概论表面技术是直接与各类表面现象或者过程有关的，能为人类造福或者被人们利用的技术----宽广的技术领域。
一、使用表面技术的目的1、提高材料抵御环境作用能力。
2、给予材料表面功能特性。
3、实施特定的表面加工来制造构件、零部件与元器件。
途径：表面涂覆：各类涂层技术（电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、气相沉积、包箔、贴片）。
表面改性：喷丸强化、表面热处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理。
二、表面技术的分类1、按作用原理(1)原子沉积电镀、化学镀、物理、化学气相沉积(2)颗粒沉积热喷涂、搪瓷涂敷(3)整体覆盖包箔、贴片(4)表面改性2、按使用方法(1)电化学法电镀、电化学氧化（阳极氧化）(2)化学法化学转化膜、化学镀(3)真空法物理、化学气相沉积、离子注入(4)热加工法热浸镀、热喷涂、化学热处理、堆焊(5)其它方法涂装、机械镀、激光表面处理三、表面技术的应用1、广泛性与重要性(1)广泛性➢内容广➢基材广➢种类多遍及各行业，用于构件、零部件、元器件，效益巨大(2)重要性•改善耐腐蚀、磨损、氧化、疲劳断裂、辐照损伤•提高产品长期运行可靠性、稳固性•满足特殊要求（必不可少或者唯一途径）•生产各类新材料、新器件（在制备临界温度超导膜、金刚石膜、纳米多层膜、纳米粉末、纳米晶体材料、多孔硅中起关键作用；又是许多光学、微电子、磁性、化学、生物等功能器件研究与生产的基础）2、在结构材料及构件与零部件上的应用表面技术作用：防护、耐磨、强化、修复、装饰3、在功能材料与元器件上的应用制造装备中具特殊功能的核心部件。
表面技术可制备或者改进一系列功能材料及元器件物理特性：•光学反射镜材料，防眩零件•热学散热材料，耐热涂层，吸热材料•电学表面导电玻璃，绝缘涂层•磁学磁记录介质，电磁屏蔽材料，磁泡材料化学特性：分离膜材料4、在人类习惯、保护与优化环境方面的应用(1)净化大气原料、燃料→CO2、NO2、SO2措施：回收、分解方法：制备触媒载体（钯炭、铂炭、钌炭、铑炭）(2)净化水质制备膜材料，处理污水、化学提纯、水质软化、海水淡化(3)抗菌灭菌TiO2（粉状、粒状、薄膜状）可将污染物分解•当光照射半导体化合物时，并非任何波长的光都能被汲取与产生激发作用，只有能量E满足式(1)的光量子才能发挥作用。
表面工程领域的最新进展和发展
• 例如舰船上甲板需要有防滑涂层，现代装备需要 有隐身涂层，军队官兵需要防激光致盲的镀膜眼 镜，太阳能取暖和发电设备中需要高效的吸热涂 层和光电转换涂层，录音机中需要有磁记录镀膜、 不沾锅中需要有氟树脂涂层、建筑业中的面工程新技术不断涌现
• 在电弧喷涂方面，发展了高速电弧喷涂， 使喷涂质量大大提高；
• 在等离子喷涂方面，已研究出射频感应藕 合式等离子喷涂、反应等离子喷涂、用三 阴极枪等离子喷枪喷涂及微等离子喷涂；
• 在电刷镀方面研究出摩擦电喷镀及复合电 刷镀技术；
1 表面工程新技术不断涌现
• 在涂装技术方面开发出了粉末涂料技术； • 在粘结技术方面，开发了高性能环保型粘
2 研究复合表面技术
• 热喷涂和激光重熔的复合； • 热喷涂与刷镀的复合； • 化学热处理与电镀的复合 。
2 研究复合表面技术
• 即使同一种表面技术，在其发展历程中也同样存 在着博采众长与其它技术相互交叉的趋势。以离 子注入为例 ：
• 在用于半导体材料搀杂的离子注入机基础上发展 起来的束线离子注入技术可大大改善零件表面的 耐磨性、耐疲劳性和光、电、磁性能。为了克服 改性层比较薄的缺点，学者们将蒸镀、溅射镀膜 技术与束线离子注入技术相结合发展了离子辅助 镀膜（IAC）或离子束辅助沉积（IBAD）技术， 既克服了一般镀膜技术中膜基结合不良的缺点， 又将改性层厚度从原来的0.2µm提高到了几微米 甚至几十微米。
表面工程领域的最新进展和发 展趋势
1983年
英国伯明翰大学沃福森表面工程研究所的建立。
1985年 1986年10月
召开了第一届表面工程国际会议。国际刊物《表面工程》 的发行。
在布达佩斯召开的国际热处理联合会决定接受表面工程 的概念并改名为国际热处理与表面工程联合会。
现代表面技术
现代表面技术现代表面技术表面工程技术是表面处理表面涂镀层及表面改性的总称表面工程技术是运用各种物理化学和机械工艺过程来改变基材表面的形态化学成分组织结构或应力状态而使其具有某种特殊性能，从而满足特定的使用要求[3]徐晋勇,张健全,高清.现代先进表面技术的发展及应用[N].电子工艺技术.2006,27（3）表面技术的应用所包含的内容十分广泛,可以用于耐蚀、耐磨、修复、强化、装饰等。
也可以是在光、电、磁、声、热、化学、生物等方面的应用。
表面处理技术是用以改变材料表面特性，达到预防腐蚀目的的技术。
按具体表面技术方法分类:表面热处理、化学热处理、物理气相沉积、化学气相沉积、高能束强化、涂料与涂装、热喷涂与堆焊、电镀、化学镀、热浸镀、转化膜等表面工程技术的任务：1.提高金属材料抵御环境作用的能力2.根据需要，赋予材料及其制品表面力学性能、物理功能和多种特殊功能、声光磁电转换及存储记忆的功能；制造特殊新型材料及复层金属板材。
3.赋予金属或非金属制品表面光泽的色彩、图纹、优美外观。
4.实现特定的表面加工来制造构件、零件和元器件等。
5.修复磨损或腐蚀损坏的零件；挽救加工超差的产品，实现再制造工程。
6.开发新的表面工程技术，技术概念电镀：利用电解作用，使具有导电性能的工件表面作为阴极与电解质溶液接触，通过外电流作用，在工件表面沉积与基体牢固结合的镀覆层。
该镀覆层主要是各种金属和合金。
化学镀：是在无外电流通过的情况下，利用还原剂将电解质溶液中的金属离子化学还原在呈活性催化的工件表面，沉积出与基体牢固结合的镀覆层。
工件可以是金属也可以是非金属。
镀覆层主要是金属和合金。
涂装：用一定的方法将涂料涂覆于工件表面而形成涂膜的全过程。
涂料为有机混合物，可涂装在各种金属、陶瓷、塑料、木材、水泥、玻璃制品上。
气相沉积：在金属或非金属材料基体表面牢固沉积同类或异类金属或非金属及其化合物，以改善原材料基体的物理和化学性能或获得新材料的方法。
现代表面工程技术的应用领域探索
现代表面工程技术的应用领域探索现代表面工程技术是一门涵盖了多个学科的领域，它涉及到材料科学、化学工程、物理学等多个领域，旨在改善材料表面的性能和功能。
在各个领域的应用中，现代表面工程技术能够提供许多新的解决方案和创新的设计。
首先，现代表面工程技术在航空航天领域有着广泛的应用。
航空器需要经受极端的工作环境，如高温、高压、辐射等。
现代表面工程技术可以用于开发高温耐热涂层，提高航空器材料的抗氧化性能、耐磨性和防腐蚀性能，从而延长其使用寿命。
例如，钨合金被广泛应用于火箭喷嘴和探测器的制造中，钢基高温合金在发动机和燃气轮机中使用。
其次，现代表面工程技术在能源领域也有着重要的应用。
提高能源利用效率和降低能源消耗是当今社会面临的重要挑战。
现代表面工程技术可以开发高效的光伏电池、太阳能集热器和催化剂，用于能源收集和转化过程中。
例如，染料敏化太阳能电池利用表面工程技术制备的纳米材料来提高光电转换效率。
此外，热障涂层和摩擦副涂层可以提高热电站和工业设备的热效率，减少能源浪费。
再次，现代表面工程技术在医疗领域也有广泛的应用。
医疗器械和生物材料需要与人体组织相容，并具有良好的生物相容性和抗菌性能。
现代表面工程技术可以改善医疗器械的摩擦和磨损性能，减少对人体组织的刺激。
例如，钛合金表面的生物陶瓷涂层可以增加假体和骨骼之间的接触面积，提高骨接合力。
此外，生物可降解材料和纳米生物传感器也可以通过表面工程技术制备，用于医学诊断和治疗。
此外，现代表面工程技术在电子和信息技术领域也有着重要的应用。
电子器件的性能和功能往往受到材料表面的限制。
现代表面工程技术可以制备具有特定电学、光学和磁学性能的材料，用于电子器件、显示屏和传感器的制造。
例如，表面工程技术可以通过微纳米加工和薄膜沉积，制备高精度的电路和功能纳米结构。
此外，表面工程技术还可以开发光学涂层、导电薄膜和电子陶瓷材料，用于光电器件、传感器和通信设备。
总之，现代表面工程技术的应用领域非常广泛，涉及到航空航天、能源、医疗和电子等多个领域。
表面工程领域科学技术发展
表面工程领域科学技术发展随着科学技术的不断进步，表面工程领域也在飞速发展。
据统计，表面工程领域的年度增长率高达10%，为各领域的发展提供了重要的技术支持。
在表面工程领域，新型科学技术的应用与创新不断推动着行业的发展，为企业和社会的进步注入新的活力。
表面工程领域科学技术的发展迅速，主要得益于新材料、新工艺、纳米技术、3D打印技术等领域的日新月异。
表面工程科学与技术的主要应用领域包括制造业、能源、环境、医疗和航空航天等。
在这些领域，表面工程科学技术的应用可以对材料的表面性能进行有效的改善，从而降低能耗、提高效率，进而促进整体性能的提升。
表面工程领域中，新型科学技术的应用主要体现在以下几个方面：纳米技术为表面工程提供了新的解决方案，通过纳米涂层、纳米颗粒等的应用，有效提高材料的耐磨、耐腐蚀和绝缘性能。
3D打印技术在表面工程领域的应用也日益广泛，通过精密的打印技术，可以实现复杂结构的制造，满足多元化的应用需求。
然而，新型科学技术的应用也存在一定的挑战，如纳米技术的生产成本较高，3D打印技术的材料选择有限等。
面对表面工程领域科学技术的发展，技术创新与人才培养是推动行业持续进步的关键。
一方面，科研机构和高校在表面工程领域的研究投入大量资源，为科技创新提供了强大的动力。
另一方面，企业在人才培养和引进方面也做出了积极努力，通过与高校的合作、实践培训等方式，培养和储备了一批具有专业技能和创新精神的人才。
随着科技的不断发展，表面工程领域也将迎来更多的发展机遇和挑战。
未来，表面工程领域的科学技术可能会朝着以下几个方向发展：新材料的研发将为表面工程提供更多的可能性，如石墨烯、碳纳米管等新型纳米材料的应用将进一步优化材料的性能。
智能化和绿色化将是表面工程的重要发展方向，通过智能化技术的应用，可以实现表面工程的自动化和精细化；通过绿色化技术的应用，可以降低环境污染，实现可持续发展。
然而，面对未来的发展，表面工程领域也需面对一些挑战，如新材料的研发和应用成本较高，智能化和绿色化技术的推广需要政策支持和资金投入等。
未来表面工程发展方向和挑战分析
未来表面工程发展方向和挑战分析未来表面工程的发展方向和挑战分析随着技术的不断进步和应用的不断拓展，表面工程作为一种重要的材料科学和工程技术，正在迎来新的发展机遇和挑战。
未来表面工程的发展方向主要包括功能化表面、自修复表面、绿色环保表面以及多功能一体化表面等方面。
同时，未来表面工程的发展也面临着一些挑战，如技术、经济和环境等方面的挑战。
一、功能化表面功能化表面是未来表面工程的一个重要发展方向。
通过在材料表面建立新的结构、功能或化学成分，使材料具有特殊的性能和功能。
功能化表面可以大幅提高材料的性能，从而满足特定的使用要求。
例如，功能化表面可以使金属表面具有超高硬度、低磨损和高耐腐蚀性能，从而提高材料的使用寿命和可靠性。
功能化表面的发展主要面临以下挑战：1. 制备技术的挑战：功能化表面的制备涉及到材料的物理、化学和生物等方面的知识，需要结合多种技术手段进行制备。
因此，制备技术的挑战是未来功能化表面发展的一个重要方面。
2. 材料的选择和设计挑战：不同的应用领域对功能化表面提出了不同的要求，因此需要选择合适的材料和合理的设计方案。
材料的选择和设计挑战是功能化表面发展的关键问题之一。
3. 功能化表面的评价和测试挑战：评价和测试功能化表面的性能是功能化表面开发和应用的关键环节。
然而，目前缺乏一套有效的评价和测试方法，限制了功能化表面的应用和推广。
二、自修复表面自修复表面是未来表面工程发展的另一个重要方向。
自修复表面是指材料表面在受损后能够自动修复，恢复原来的性能和功能。
自修复表面可以大幅提高材料的使用寿命和可靠性，降低维修和更换成本。
自修复表面的发展主要面临以下挑战：1. 自修复机理的研究挑战：目前对自修复表面的机理还不够清楚，需要深入研究和理解。
自修复机理的研究挑战是未来自修复表面研发的一个重要方面。
2. 制备技术的挑战：自修复表面的制备涉及到材料的物理、化学和生物等方面的知识，需要结合多种技术手段进行制备。
现代表面工程技术
同时，复合电镀、纳米电镀等新型电镀技术不断涌现，为电镀行业带来
新的发展机遇。
化学镀技术
原理
化学镀是一种无需外加电流，通过化学反应在基体表面沉积金属或合金层的过程。与电镀 相比，化学镀具有设备简单、操作方便、镀层均匀等优点。
应用
化学镀技术广泛应用于电子、航空、石油等领域。例如，化学镀镍可用于电子器件的电磁 屏蔽和耐磨涂层；化学镀铜可用于印刷电路板的导电层；化学镀金可用于精密仪器的装饰 和防腐等。
现代表面工程技术
• 表面工程概述 • 表面预处理技术 • 表面涂层技术 • 表面改性技术 • 表面复合处理技术 • 表面工程新技术展望
01
表面工程概述
表面工程定义与分类
表面工程定义
表面工程是一种通过改变材料表面性 质、组成、结构或形态，以获得所需 性能或功能的综合性技术。
表面工程分类
根据表面处理方式和目的的不同，表 面工程可分为表面改性、表面涂层、 表面合金化、表面复合处理等多种类 型。
THANKS
感谢观看
微粒选择
根据使用要求，选择不同材质、形状和大小的微粒，如陶瓷颗粒、 金刚石、碳纤维等。
工艺参数
控制电镀液成分、温度、电流密度等工艺参数，实现微粒与金属 离子的均匀共沉积。
复合化学镀技术
复合化学镀原理
利用化学反应在基体表面沉积金属或合金，同时 加入微粒形成复合镀层。
镀液成分
选择合适的还原剂、络合剂、稳定剂等，保证镀 液的稳定性和沉积速度。
应用
热喷涂技术广泛应用于航空航天、石油化工、机械制造等领域。例如，热喷涂陶瓷涂层可用于航空发动机的高温防护 ；热喷涂金属涂层可用于修复磨损的机械零件；热喷涂塑料涂层可用于管道的防腐等。
现代表面技术
(8)晶粒细化强化。离子轰击导致晶粒细化，引起晶界增加, 而晶界又是位错移动的障碍，使位错更加困难， 使材料表 面硬度明显提高。 (9)辐射相变强化、结构差异强化、溅射强化等机理都提高 了材料表面的耐磨性能。
20世纪70年代中期，发展了纯束流氮离子注入技术，并开始走向一
定规模的工业生产。用离子束混合研究出几十种亚稳态合金相和玻
璃金属(非晶态金属)，还提出了相应的模型。强束流脉冲注入，金 属蒸发真空弧离子源(MEVVA源)和其他离子源的问世，为离子束材 料的表面改性提供了强金属离子束技术，为基础研究和新材料及其 应用研究提供了先进的技术工具并取得了许多离子注入实际应用的
现代表面技术
20世纪80年代，被列入世界10项关键技术之一的表 面技术，经过30余年的发展，已成为一门新兴的，跨学 科的，综合性强的先进基础与工程技术， 形成支撑当今 技术革新与技术革命发展的重要因素。
1. 表面技术与工程
现代表面技术，综合采用了最新的电子技术、真
空技术、冶金、物理、化学、材料等各学科的最新知
激光喷丸强化
激光喷丸是用超短脉冲的激光束代替有 质弹丸,用它诱导的冲击波来强化金属零 件的表面其成形机理：短脉冲的强激光 透过透明约束层(水帘) 作用于覆盖在金 属板材表面的吸收层(黑漆层) 上。
激光喷丸示意图
汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成等离子体而爆炸产生冲击波,
由它引起在金属零件内部传播的应力波，当应力波峰值超过零件动态屈
识和等离子体、离子束、电子束、激光束、微波研究 的最新成果。把材料表面与基体视作一个统一的系统 进行设计与改性，以最经济和最有效的方法改变材料 表面及近表面区的形态、化学成分和组织结构，赋予
其新的复合性能，从而获得许多新构思、新材料、新
现代表面工程技术主要内容
1．使用表面技术的目的？（1）提高材料抵御环境作用能力。
（2）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能。
（3）实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件。
2 按学科特点将表面技术大致划分为三个方面1）表面合金化：包括喷焊、堆焊、离子注入、激光溶敷、热渗镀等。
2）表面覆层与覆膜技术：包括热喷涂、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、堆焊、金属染色、热浸镀等。
3）表面组织转化技术：包括激光、电子束热处理技术以及喷丸、辊压等表面加工硬化技术。
3.表面技术:表面技术主要通过表面涂覆和表面改性技术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。
表面涂覆：主要采用各种涂层技术。
表面改性技术：用机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、相组成、微观结构、缺陷状态或应力状态。
4．表面粗糙度常采用如下方法表示，请用线段连接相应的采示符号。
轮廓算术平均偏差： R a微观不平度+点高度R z轮廓最大高度R y5电镀的基本原理及其分类？电镀是指在直流电的作用下，电解液中的金属离子还原，并沉积到零件表面形成有一定性能的金属镀层的过程。
电解液主要是水溶液，也有有机溶液和熔融盐。
从水溶液和有机溶液中电镀称为湿法电镀，从熔融盐中电镀称为熔融盐电镀。
6．电沉积的基本条件金属离子以一定的电流密度进行阴极还原时，原则上，只要电极电位足够负，任何金属离子都可能在阴极上还原，实现电沉积。
但由于水溶液中有氢离子、水分子及多种其它离子，使得一些还原电位很负的金属离子实际上不可能实现沉积过程。
所以金属离子在水溶液中能否还原，不仅决定于其本身的电化学性质，还决定于金属的还原电位与氢还原电位的相对大小。
若金属离子还原电位比氢离子还原电位更负，则电极上大量析氢，金属沉积极少。
7．合金共沉积的条件？两种金属离子共沉积除需具备单金属沉积的基本条件外，还应具备以下两个基本条件：①两种金属中至少有一种金属能从其盐的水溶液中沉积出来。
当今世界表面处理的高新技术
当今世界表面处理的高新技术达克罗是DACROMETR的中文译音，又称锌铬膜、达克锈、达克曼等，在既将发布的我国有关达克罗的标准中称为“锌铬涂层”(Zinc/Chromate Coatings)，其定义为：“将水基锌铬涂料浸涂、刷涂或喷涂于钢铁零件或构件表面，经烘烤形成的以鳞片状锌和锌的铬酸盐为主要成份的无机防腐蚀涂层。
”[1]达克罗技术是由美国人发明的，是一种类似电镀锌的金属涂层处理技术，达克罗涂层外观为均匀的银灰色,涂层中含有80%的薄锌片和铝片,其余为铬酸盐，具有优良的性能，如极强的抗腐蚀性：比电镀锌提高7～10 倍；无氧脆；特别适用于高强度受力件,如用于地铁工程的高强度螺栓；高耐热性；耐热温度300°C。
此外，还具有高渗透性．高附着性、高减摩性、高耐气候性、高耐化学品稳定性及无环境污染等优点。
达克罗涂复处理过程大致分为：脱脂除油à抛丸去锈à涂达克罗液à进炉固化à出炉冷却à质量检验à后处理à包装，根据被处理工件的大小、形状、材质及性能要求，可用以下几种方式来进行达克罗涂复处理：（一）、对螺栓、螺母、垫圈等标准件，可先将工件放入网框或网篮中，放入达克罗液池中浸泡，然后转到甩液机中，利用离心力将工件表面的余液甩掉，使工作表面的涂层厚薄均匀，凹槽中无积液，一般二涂二烘。
二）、对那些外观质量有较高要求的工件，可采用将工件置于吊架上，然后用静电喷涂的方式涂复，一般为一涂一烘。
三）、对于那些大型的工件，可采用将工件吊入涂液槽中浸泡、然后用气刀吹散除去工件表面的多余涂料，使涂层均匀一致，一般为一涂一烘。
（四）、某些工件可采用刷涂的方式，如在地铁等合使用的高强度螺栓，可选用专门的刷涂机进行涂复。
达克罗涂复在整个作业过程中采用了闭路循环的工作方式，与电镀相比，在生产过程中杜绝了废酸、废碱和含锌、铬等金属离子的污水的产生。
在涂层固化形成达克罗膜的过程中，所挥发的物质几乎全部是气化的水份，因此没有污染和公害，被专家们誉为国际表面处理行业中具有划时代意义的革命性产品。
现代表面工程技术
• 马氏体钢堆焊材料的堆焊工艺方法主要是焊条电弧 堆焊和熔化极自动堆焊，包括药芯焊丝MAG堆焊、 药芯焊丝自保护堆焊、药芯焊丝埋弧堆焊以及带极 埋弧堆焊。
• 焊条电弧堆焊时，低氢型焊条应在300℃～ 350℃烘1h；钛钙型焊条应在100℃烘lh。母材应 脱脂和除锈。当母材为低碳钢时，堆焊低、中碳马 氏体钢焊条可不预热，堆焊高碳马氏体钢焊条则应 预热200℃ ～ 300℃以上。当母材为抗裂性差的低 合金钢和中、高碳钢时，应根据焊条和母材不同情 况预热150℃ ～ 350℃。低氢型焊条用直流反接； 钛钙型焊条用交流电源或直流正接。
现代表面工程技术
• 热作工具钢即热加工工具钢堆焊金属，含碳量比 高速钢堆焊材料低些。具有较高的高温硬度、较高 的强度和抗冲击韧性、较高的抗冷热疲劳性以及高 的高温抗氧化性和耐磨性。热锻模钢堆焊材料主要 用于热锻模及热轧辊堆焊与修复。热轧辊钢堆焊材 料主要用于大型板坯连铸机导辊、轧机卷取机助卷 辊、夹送辊、热轧开坯辊、型材轧辊的堆焊。
现代表面工程技术
• 马氏体钢堆焊材料是韧性、强度和耐磨性综合性能 最好的最经济的堆焊材料，也是堆焊更脆、更耐磨 或更高强度材料前的过渡层堆焊材料。其耐磨性随 含碳量和含铬量的增加而增加，对粘着磨损和低应 力磨料磨ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ有很好的抵抗力，但耐高应力磨料磨损 的性能不很好，而且耐冲击性能不如珠光体钢和奥 氏体钢堆焊材料。此外，除少数品种外，马氏体钢 堆焊层金属耐热和耐蚀性都不好。这类堆焊材料主 要用于齿轮、挖泥斗、铧犁、拖拉机刮板、水力、 矿山机械磨损件、推土机、动力铲滚轮、汽车环链、 农业、建筑磨损件、轧辊、破碎机部件、挖掘机等 的斗齿、螺旋桨、掘进机滚刀、叶片等的堆焊。
式中： W(C)eq表示碳当量； W(C)、W(Mn)、…表示碳、锰、…等合金元素的质量 分数。 预热温度一般确定如下：碳当量为0.4％，预热温度 ≥100℃；碳当量为0.5％，预热温度≥150℃；碳当量 为0.6％，预热温度≥200℃；碳当量为0.7％，预热温 度≥250℃；碳当量为0.8％，预热温度≥300℃。通常， 预热温度可略高些。
现代表面技术
11-磁四极聚焦透镜;12-静电扫描;13-靶室; 14-密封转动马达;15-滚珠夹具
面上，再经过扫描系统扫描轰击
工件表面。
精品PPT
离子注入机实物(shíwù)照片
精品PPT
在离子进入工件表面(biǎomiàn)后，与工件内原子和电 子发生一系列碰撞，这一系列的碰撞包括三个独立的过程： (1)电子碰撞：荷能离子进入工件后，与工件内围绕原子核 运动的电子或原子间运动的电子非弹性碰撞。其结果，可 能引起离子激发原子中的电子或原子获得电子、电离或X射 线发射等。 (2)核碰撞：荷能离子与工件原子核弹性碰撞(又称核阻止)， 碰撞的结果是使工件中产生的离子大角度散射和晶体中产 生辐射损伤等。 (3)离子与工件内原子作电荷交换：碰撞会损失离子自身能
精品PPT
喷丸强化不仅用于汽车工业领域的弹簧、连杆、曲轴、齿轮、 摇臂、凸轮轴等承受交变(jiāo biàn)载荷的部件，还广泛用于其他 工业领域。如喷丸强化可以提高电镀零件的疲劳强度和结合力；各 种合金钢经过任何一种电镀处理后，一般均会导致疲劳强度下降10 %～60 % ，而喷丸强化则可有效提高疲劳强度, 同时还可以增加电 镀层的结合力， 防止起泡。
腐蚀与防护理论
表面涂镀层
表面摩擦与磨损理论 成分结构设计
表面界面理论
表面复合
表面强化与失效理论 表面结合与复合理论
功能膜层设计 表面涂镀层
的选择和应用设计
多层表面与界面结合 施工设计
表面膜层的电迁移 设备设计
低维材料结构理论 车间生产线的设计
表面涂镀层的材料 加工技术
表面分析与检测 试验方法与标准 表面质量的评估
表面层特性及其综合利用 ’ 表面层材料及加工技术 表面层标准及检验 表面界面维修与再造 表面质量与工艺过程控制 表面工程管理与经济分析
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
表面工程学
▪ 表面工程的技术设计：表面工程的工艺设计；表面 工程经济；表面工程车间
▪ 表面质量检测及控制：表面分析技术；表面物理和 化学特性及检测；表面力学特性及检测；表面几何 特性及检测
▪ 表面加工技术：表面涂层的特种加工；表面涂层的 机械加工
▪ 表面强化技术：表面热处理强化；表面冶金强化、 堆焊；热喷涂、激光重熔；表面薄膜强化、电镀、 刷镀、气相沉积、离子注入等；表面化学粘涂；表 面喷丸强化
34
纳米表面工程
▪ STM单原子操纵
▪ 近年来，STM不仅使得人们的视 野可以直接观察到物质表面上的 原子及其结构并进而分析物质表 面的化学和物理性质，它还使得 人们可以在纳米尺度上对材料表 面进行各种加工处理，甚至可以 操纵单个原子。这一特定的应用 将会使人类从目前微米尺度的加 工技术跨人到纳米尺度和原于尺 度，成为未来器件加工(纳米电子 学)和分子切割(纳米生物学)的一 个重要手段。
▪ 表面工程基础理论：表面失效分析；摩擦与磨损； 表面腐蚀与防护；表面结合与复合
4
材料磨损分类
5
磨损原理
▪ 疲劳磨损（接触疲劳磨损）：摩擦副表面相对
滚动或滑动时，周期性的载荷使接触区受到很大应 力，但超过材料强度时，将在表面的薄弱点处引起 裂纹，逐渐扩展，最后金属断裂剥落下来，造成点 蚀（pitting）或剥落（spalling）
▪ 改进设计：尽可能减少接触面，避免在磨损
界面上的应力集中，或改变应力集中部位。
▪ 材料的选择： ▪ 采用表面强化工艺
8
材料磨损相关学科
9
金属腐蚀
▪ 金属发生腐蚀的规律及特点受到多方面因素 的影响，如金属材料的化学成分、组织结构、 表面状态及环境介质的组成（非电解质溶液、 电解质溶液、液态金属）、浓度、温度、PH 值、压力等，因而产生腐蚀的机制会涉及到 化学、电化学、物理学、物理化学、力学等
33
纳米表面工程
▪ 纳米尺度的六边形金字塔 在600℃高温下，通过增大 扫描隧道显微镜 （ Scanning Tunneling Microscope, STM)针尖和 Si(111) 表 面 之 间 的 偏 压 而 使 得 Si(111) 表 面 上 的 Si 原 子 聚集 在 STM 针 尖的下方 形成一个纳米尺度的六边形 金字塔。它的直径约为 80nm，高度为8nm。
▪ 粘着磨损：二个相对滑动的表面，由于发生相互
焊和，并使一个表面的材料转移到另一表面所引起 的磨损
6
磨损原理
▪ 磨料磨损：硬的颗粒或对摩表面上的微凸体在摩擦过程中
引起的材料损失。
▪ 腐蚀磨损：材料同时遭受腐蚀和磨损综合作用的复杂磨损
过程，腐蚀和磨损有相互影响和交互作用，会加速腐蚀或磨 损的进行。
▪ 冲蚀磨损：材料受到小而松散的流动粒子冲击时表面出现破 坏的一种磨损形式（粒子小于1mm，冲击速度在550m/s以 内）。
接成网状， 牢 固附着在材料表面及颗粒间。第21 天（图 d）细胞分泌的细胞外
基质更加丰富，贯穿于材 料的颗粒间，材料表面也有再结晶形成。
20
表面工程的新进展
● 现代工业对机电产品提出了高温、高压、 高速、重载以及腐蚀介质、恶劣工况下可靠 而持续地工作要求。
● 现代声、光、磁、电、热表面功能材料发 展迅速。
ห้องสมุดไป่ตู้
● 相关的科学技术的发展为表面工程注入了 活力、提供了支撑，激光束、离子束、电子 束三种高能量密度热源的实用化。
● 传统材料和纳米材料的发展大大拓宽了表
面工程的应用领域。
21
● 传统方法与现代高新技术相结合
在传统方法中采用了新技术：
渗碳 → 等离子体渗碳； 电镀 → 电刷镀，颗粒复合镀、纳米定向阵列排列；
38
纳米表面工程
▪ 碳纳米管 ▪ 图中从左到右分别是金刚石，
C子6结0，构石图墨和碳纳米管的原 ▪ 1991年，饭岛澄男用石墨
电发现弧了法一制种备多C6层0的管过状程的中富，勒 碳结构，经研究证明它是同 轴多层的碳纳米管 。 ▪ 碳纳米管是一种纳米尺度的， 具有完整分子结构的新型碳 材料。它是由碳原子形成的 石墨片卷曲而成的无缝，中 空的管体。
▪ 纳米表面工程的科学问题主要有两个：
材料的表面改性、界面和非平衡条件下低维 材料的结构与行为；
宏观、介观与微观的一体化研究，包括“尺
度问题”和“表面问题”两个方面。
32
纳米表面工程
● 热喷涂法制备纳米级晶粒涂层 ● 碳纳米管 ● CVD、PVD、MBE方法沉积纳米薄膜 ● 纳米定向阵列： ● 表面结构纳米化 ● 表面改性层纳米复合结构： ● 原子搬迁工程 ● 纳米加工技术
▪ 传感
光敏、热敏、压敏、气敏…….
▪ 信息记录
光电记录、光记录、磁光记录、磁记录、单电子记录、 电子自旋记录……..
▪ 半导体
▪ 能量转换
太阳能光电转换、太阳能光热转换……..
▪ 装饰镀膜
18
表面工程的功用（3）
▪ 改善人工植入物的生物相容性
在Ti合金、不锈钢表面涂TiO2薄膜： 纤维蛋白原有类似于半导体的电子结构，禁带宽 度为1.8ev，其价带的电子转移导致纤维蛋白原分 解为纤维蛋白单体和纤维蛋白肽。
使用复杂的现代高新技术装备：
三束 汽相沉积 超音速喷涂
发明新的工艺技术：
自催化化学镀， 自曼延技术。
22
使用复杂的现代高新技术装备
（1）
▪ TITAN 80气、固两用离子注入机 ▪ 具有气、固两用离子注入系统和低能溅射系统，可
用于气体或金属离子注 入及气体、固体离子同时注 入，也可用于离子束增强沉积。
14
● 按Matton分类法分为4类： 原子沉积物 粒状沉积物 整体涂层 表面改性 ● 按表面改变的性质分为5类： 表面耐磨和减磨技术 表面耐蚀和抗氧化技术 表面强化技术 表面修复技术 功能表面技术
15
●实现表面性质改变的途径
➢ 表面合金化 ➢ 表面组织转变 ➢ 表面复合材料 ➢ 表面涂层、镀层、涂敷层
以多种方法制备出优于本体材料性能的表面 功能薄层，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨 损、抗疲劳、防辐射、以及特殊的物理、化 学、机械性能等，这层表面材料与制作部件 的整体材料相比，厚度薄，面积小，但却承 担着工作部件的主要功能。
表面工程组织
1986年10月在布达佩斯举行的国际材料热处 理联合会决定改命为“国际热处理及表面工 程联合会”。-------------创办《国际表面工程》。
27
使用复杂的现代高新技术装备 （6）
▪ HJ-4型二氧化碳连续激光器 ▪ 其多模输出功率为5kw，低阶模输出功率为3kw。
28
● 多种表面工程技术的复合
综合运用两种或多种表面工程技术的复合表面 工程技术通过最佳协同效应获得了“1+1>2”的效果， 解决了一系列高新技术发展中特殊的工程技术难题。 ◎ 热喷涂＋激光重熔的复合 ◎ 热喷涂＋刷镀的复合 ◎ 化学热处理＋电镀的复合 ◎ 表面强化＋喷丸强化的复合 ◎ 表面强化＋固体润滑层的复合 ◎ 多层簿膜技术的复合 ◎ 金属材料基体＋非金属材料涂层的复合
纤维蛋白单体之间的聚合交联导致凝血过程。
T禁纤iO维带2的蛋和电白导原子带电禁均子带在的宽Ti转度O移2为的，3电.也2子e就v禁，阻带纤止内维了，蛋植于白入是原物阻的表止电面的了子 凝血过程。
羟基磷灰石与骨骼长成一体；
生物活性物促进肌肉骨骼生长；
▪ 其他
耐辐照…….
19
成骨细胞在材料表面形态学观察
23
使用复杂的现代高新技术装备 （2）
24
使用复杂的现代高新技术装备 （3）
25
使用复杂的现代高新技术装备 （4）
26
使用复杂的现代高新技术装备 （5）
▪ ·MBMI 100大型多功能多束混合注入装置
具有离子注入、离子束溅射沉积、真空电弧沉积、射频注人、
电子束活化、 多束动态混合等多种功能。
39
表面工程参数评价：
● 厚度： ▪ 基体表面以下：离子注入：N离子，80KV，层深约
100nm。 ▪ 基体表面单原子层或几个原子层。 ▪ 基体表面纳米薄膜：几~几十nm。 ▪ 表面薄膜：0.1 ~ 10几μm。 ▪ 表面镀层：0.5 ~ 几百μm。 ▪ 表面喷涂层：几十μm ~ 2mm。 ▪ 表面堆焊层：几mm。
29
● 复合表面工程
金属基陶瓷复合涂层：
◎ 多相陶瓷复合涂层： ◎ 多层复合涂层 ◎ 梯度功能复合涂层
30
● 表面工程大量节约能源、资 源，体现了科技尽快转化为生 产力的要求，是重要的再制造 工程技术方法，符合可持续发 展战略。
31
纳米表面工程
▪ 纳米表面工程是以纳米材料和其它低维非平 衡材料为基础，通过特定的加工技术或手段， 对固体表面进行强化、改性、超精细加工或 赋予表面新功能的系统工程。
12
疲劳
▪ 疲劳的特点：交变载荷 ▪ 解决办法：强化表面
13
表面工程内容分类
●按工艺特点分为13类： 电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化 学转换膜、涂装、表面彩色、汽相沉积、三 束改性、表面热处理、形变强化、衬里。
● 按学科特点分为3类： 表面合金化技术 表面覆层与覆膜技术 表面组织转化技术
现代表面工程新技术
1
§1 引言
表面工程概念
▪ 表面工程------是表面经预处理后, 通过表面改 性和表面新材料制备的各种技术和方法，改 变固体表面的形态、化学成分、组织结构和 应力状态等, 以获得所需要表面性能的系统工 程。
▪ 表面科学、表面技术、表面处理、表面改性、 表面加工、表面工程
2
表面工程特点
▪ 微动磨损：二固体接触面上由于环境的振动或接触组元之
一受交变应力作用而出现周期性小振幅振动造成损伤的一种 特殊的磨损方式。可认为是疲劳磨损、磨料磨损。粘着磨损 与腐蚀磨损兼而有之的综合磨损形式，会造成零件松动、功 率损失或噪声增加、磨屑聚集造成运动副咬死，甚至引起表 面微裂纹