现代表面工程新技术

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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。
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● 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
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》。
▪ 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
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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。
● 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。
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● 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；
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…….
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成骨细胞在材料表面形态学观察
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纳米表面工程
▪ 世界上最小的算盘 ---------C60算盘
用STM也可以移动吸附在样 品表面上尺度较大的分子。在 C个u实(1例11。)表研面究上人移员动用CS60T分M子针的尖一一 个接一个地将C60分子有序地移 动，其操作过程就像拨打中国的 算盘珠子。不过作为算盘珠子的 C0.670n分m子。 实 在 是 太 小 了 ， 只 有
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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。
▪ 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。
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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
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纳米表面工程
S(111)—7x7表面上单个Si原子的提取操纵
(a)中箭头所指的Si原子在(b)中已经被移走。操纵时施加的电压脉 冲是 -5.5V, 10ms。图 片尺寸为5.0nm x 5.0nm。
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纳米表面工程
▪ 1993 年 , 美 国 IBM 公 司 Almaden 研 究 中 心 Eigler 研 究 小 组 在 Cu(111) 表 面 上 成 功 地 用101个Fe原子写下了 “原子”两个字，这是 迄今为止最小的汉字。
▪ 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
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材料磨损分类
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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）
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表面工程的功用（1）
▪ 改善机械性能 硬度、增摩、减摩、耐磨、抗疲劳、自润滑……
▪ 改善防蚀性 耐蚀、抗氧化、耐高温……..
▪ 改善电性能 导电、超导、绝缘、电介质……
▪ 改善磁性能 软磁、硬磁、磁头、磁膜、电磁屏蔽……
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表面工程的功用（2）
▪ 改善光学性能
反光、透光、选择吸收、全吸收、非线性光学性质
▪ 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
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减少或控制磨损的途径
现代表面工程新技术
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§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
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表面工程特点
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。
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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。
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● 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
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● 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。
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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。
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使用复杂的现代高新技术装备 （2）
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使用复杂的现代高新技术装备 （3）
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使用复杂的现代高新技术装备 （4）
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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。
使用复杂的现代百度文库新技术装备：
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。
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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。
▪ 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
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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）。
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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。
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● 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
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●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
▪ 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
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材料磨损相关学科
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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
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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。
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疲劳
▪ 疲劳的特点：交变载荷 ▪ 解决办法：强化表面
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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
▪ 图中显示扫描电镜下第1、7、14、21 天成 骨细胞在材 料表面的形态。细胞接种
在材料表面的第1 天（图a）伸展良好，多个细胞突起牢固附着在 材 料表面。培
养至第7 天（图b）细胞突起伸展到材料表面的颗粒间，胞浆伸展并包裹材料表
面 的颗粒，在细胞表面也有磷酸钙颗粒形成。第14 天（图c）细胞分泌基质并连
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● 物相结构 ● 成份 ● 组织形貌 ● 缺陷 ● 残余应力 ● 界面微结构：共格、半共格、非共格、界
面偏析 ● 基体/表面结合力 ● 使用性能
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表面工程是多学科综合领域
▪ 以薄膜为例，涉及： 高能粒子物理，等离子体物理，表面物理，固
体电子学，电磁学，光化学，无机化学，有机化学， 光学，机械学，表面科学，动态金属学、摩擦化学、 微观摩擦学，表面冶金学，金属材料，无机非金属 材料，高分子材料，生物工程材料，人工晶体材料， 真空技术，计算机技术，自动控制技术，微观分析 技术等。 ▪ 表面工程技术是知识、技术、资金密集型新兴高技 术产业。 ▪ 广泛应用于轻工、机械、冶金、化工、石油、交通、 能源、建筑、信息、航空航天、军事、核工业等国 民经济的各个部门。
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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
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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。
▪ 分类：化学腐蚀、电化学腐蚀、物理腐蚀
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金属腐蚀破坏形式
▪ 腐蚀疲劳：金属在循环交变应力作用下产生 破坏
▪ 磨蚀：由于腐蚀流体以及金属和流体间的相 对运动而共同引起的金属破坏
▪ 氢损伤：氢脆
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腐蚀防护
▪ 选材：正确选用金属材料 ▪ 设计：制定合理的加工工艺，进行合理的结
构设计 ▪ 腐蚀介质处理 ▪ 表面覆层及表面处理