材料表面工程第四讲
材料表面工程课件
跨学科交叉与合作可以促进 材料表面工程的发展和创新
。
国内外学术交流与合作有助 于推动材料表面工程的发展 。
环保与可持续发展的问题
01
材料表面工程需要考虑环保和 可持续发展的问题。
02
环保和可持续发展的需求推动 材料表面工程向绿色、低碳方 向发展。
03
材料表面工程中需要考虑资源 节约、能源消耗降低、废弃物 减少等问题。
要点二
详细描述
不锈钢是一种具有优异耐腐蚀性和美观性的金属材料，广 泛应用于建筑、装饰、医疗器械等领域。然而，在某些腐 蚀环境下，不锈钢的耐腐蚀性仍需提高。通过表面处理技 术，如氮化处理、钝化处理等，可以增强不锈钢的耐腐蚀 性和抗疲劳性，提高其使用寿命。
铝合金的硬质表面处理
总结词
提高铝合金的硬度和耐磨性。
硬质涂层
通过电子束加热和蒸发金属或非金属材料，在金属表面形成一层具有高硬度和耐磨性的涂层。
纳米结构涂层
通过电子束加热和蒸发金属或非金属材料，在金属表面形成一层具有纳米尺度的涂层，提高表面性能和耐腐蚀性 。
04
材料表面工程的应用案例
高温合金的表面强化
总结词
提高高温合金的耐磨性、抗疲劳性和耐腐蚀 性。
科植入物等。然而，钛合金的表面性质直接影响到其与人体组织的相容性和生物活性。通过表面处理技术，如 涂层技术、等离子处理等，可以改善钛合金的表面性质，提高其在生物医学领域的适用性。例如，通过涂层技 术可以在钛合金表面形成一层生物活性陶瓷涂层，提高其与人体组织的相容性和生物活性；通过等离子处理可 以改变钛合金表面的化学性质和微观结构，提高其抗细菌粘附和抗炎性能。
实践环节与操作技巧
实践环节注意事项
在实践环节中需要注意的事项和细节，包括安全操作、 设备维护和环境保护等。
材料表面工程
材料表面工程
材料表面工程是指对材料表面进行改性、处理或涂覆，以改善材料的性能和功
能的一种技术。
材料表面工程在工程领域中具有广泛的应用，可以有效地提高材料的耐磨性、耐腐蚀性、导热性、导电性等性能，从而满足不同工程领域对材料性能的需求。
首先，材料表面工程可以通过改变材料表面的化学成分和结构来实现。
例如，
通过表面氮化、碳化、氧化等处理，可以增强材料的硬度、耐磨性和耐蚀性。
此外，还可以通过表面涂覆金属、陶瓷、聚合物等材料来实现对材料表面性能的改善。
这些方法可以有效地提高材料的表面性能，从而延长材料的使用寿命。
其次，材料表面工程可以通过改变材料表面的形貌和结构来实现。
例如，通过
表面喷丸处理、激光熔覆、电镀等方法，可以改变材料表面的粗糙度、形貌和结构，从而提高材料的抗疲劳性、导热性和导电性。
这些方法可以有效地提高材料的表面性能，从而满足不同工程领域对材料性能的需求。
另外，材料表面工程还可以通过表面涂覆功能性薄膜来实现。
例如，通过表面
喷涂纳米材料、功能性陶瓷涂层、涂覆聚合物薄膜等方法，可以实现对材料表面功能的改善，如降低摩擦系数、提高表面光泽度、改善表面润湿性等。
这些方法可以有效地提高材料的表面性能，从而拓展材料的应用领域。
总的来说，材料表面工程是一种重要的技术手段，可以有效地改善材料的表面
性能，满足不同工程领域对材料性能的需求。
随着科技的不断进步，材料表面工程技术也在不断发展和完善，将为工程领域带来更多的创新和突破。
相信在不久的将来，材料表面工程将会得到更广泛的应用和推广。
《表面工程学》课件
通过本课件，您将了解表面工程学的定义、应用领域、基本原理、常见表面 处理技术以及发展前景，希望能为您带来启发和新的知识。
课程介绍
本课程将深入探讨表面工程学的重要性和应用，为您揭示其在不同行业中的 巨大潜力。
表面工程学的定义
表面工程学是研究对材料表面进行改性和处理的学科，旨在改善材料的功能性、性能和外观。
表面工程学的应用领域
表面工程学广泛应用于汽车制造、航空航天、电子设备、医疗器械等行业， 在提升产品质量和性能方面发挥着关键作用。
表面工程学的基本原理
1 材料相互作用
通过控制表面与环境的相 互作用，实现材料性能的 优化。
2 界面工程
通过调整材料与界面之间 的相互作用，改变材料表 面的性质。
3 涂层技术
Байду номын сангаас结
通过本课程，您对表面工程学的重要性和应用领域有了更深刻的了解。继续探索和学习，将为您的事业带来无 限可能。
利用各种涂层技术，增强 材料的抗腐蚀性、耐磨性 和导热性。
常见表面处理技术
等离子体表面处理
利用等离子体反应，对材料表面 进行清洁和改性。
电镀工艺
通过电解过程，在材料表面形成 金属或合金涂层。
激光刻蚀
利用激光束对材料表面进行精确 刻蚀，实现图形和文字的印刻。
表面工程学的发展前景
随着科技的不断进步和工业需求的增长，表面工程学将继续发展，为各行各 业带来更多创新和突破。
材料表面工程技术课件
功能材料表面改性实例
高分子材料表面改性
通过化学或物理方法，改变高分子材料的表面能、极性和 润湿性，提高其与其它材料的粘结性和相容性。
石墨烯表面修饰
通过化学反应，在石墨烯表面引入官能团或其它基团，改 变其物理和化学性质，实现其在传感器、电池等领域的应 用。
通过电解作用在材料表面附着一层金属膜的技术
详细描述
电镀技术利用电解原理，在材料表面附着一层金属膜，以提高材料的耐腐蚀性 、耐磨性和装饰性。电镀技术广泛应用于汽车、电子、建筑和航空航天等领域 。
化学镀技术
总结词
通过化学反应在材料表面沉积金属或合金的技术
详细描述
化学镀技术利用化学反应在材料表面沉积一层金属或合金，以提高材料的耐腐蚀 性、耐磨性和导电性。化学镀技术广泛应用于电子、生物医学和装饰等领域。
生物材料表面改性
通过物理或化学方法，改变生物材料的表面性质，使其具 有更好的生物相容性和功能性，如组织工程、药物传递和 生物检测等领域的应用。
05
材料表面工程技术展望
新材料表面工程技术的发展趋势
纳米表面工程技术
利用纳米技术提高材料表 面的耐磨、耐腐蚀和抗疲 劳等性能，满足高精度、 高性能的应用需求。
化学气相沉积技术
总结词
通过化学反应将气态物质转化为固态物质沉积在材料表面的技术
详细描述
化学气相沉积技术利用化学反应将气态物质转化为固态物质，并沉积在材料表面，形成一层薄膜。化 学气相沉积技术广泛应用于电子、光学和生物医学等领域。
03
材料表面改性技术
表面合金化技术
表面合金化技术是通过在材料表面添加合金元素，改变材料表面的成分和结构，从 而提高材料表面的性能。
材料表面工程技术课件
面的功能性，广泛应用于电子、纺织、生物医学等领域。
等离子体表面处理工艺
03
包括等离子体类型选择、处理时间、功率等参数控制，对处理
效果和材料性能具有重要影响。
05
材料表面工程技术应用案例
航空航天领域的应用案例
பைடு நூலகம்
涂层技术
采用等离子喷涂、超音速喷涂等技术，制备耐高温、抗氧 化、抗腐蚀等性能的涂层，提高航空航天材料的使用寿命 和安全性。
表面强化技术
应用离子注入、激光表面处理等强化技术，提高航空航天 材料的硬度、耐磨性和抗疲劳性能，增强其承载能力和使 用寿命。
特种焊接技术
采用电子束焊接、激光焊接等特种焊接技术，实现航空航 天材料的高强度、高质量连接，确保其结构完整性和安全 性。
汽车工业的应用案例
01
电镀技术
应用镀锌、镀铬等电镀技术，提高汽车零件的耐腐蚀性和美观性，延长
，降低对环境和人体的危害。
循环经济与可持续发展
03
推广循环经济和可持续发展的理念，实现材料表面工
程技术的绿色化、低碳化。
THANKS
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材料表面工程技术课件
• 引言 • 材料表面预处理技术 • 材料表面涂层技术 • 材料表面改性技术 • 材料表面工程技术应用案例
• 材料表面工程技术的评估与质量控制 • 材料表面工程技术的未来发展趋势与
展望
01
引言
表面工程技术的定义与重要性
定义
表面工程技术是指通过物理、化学或 机械手段，改变材料表面的结构、成 分和性质，以获得所需表面性能的技 术。
效果。
表面改性效果的评价指标
表面粗糙度 表面硬度 摩擦系数
耐腐蚀性能
采用轮廓仪、干涉仪等仪器测量表面粗糙度，以评估改性处理 对表面光洁度的影响。
材料表面工程技术培训课件
发展金属表面防护和强化技术，是各国普遍关 心的重大课题。
问题的提出
零件在服役过程中，失效的主要形式为： 腐蚀 (Corrosion)、磨损 (Wear)、
疲劳(Fatigue)、 断裂 (Fracture) 随着现代工业的迅猛发展，对机械工业产品提
经过表面处理后的金属材料，其基体的化学成分和 力学性能并未发生变化(或未发生大的变化)，但其 表面却拥有了一些特殊性能，如高的耐磨性、耐蚀 性、耐热性、导电性、电磁特性、光学性能等。
表面技术是直接与各 种表面现象或过程有 关的，能为人类造福 或被人们利用的技术。
为什么研究金属表面处理技术？
所有的金属材料都不可避免与环境相接触,而与 环境真正接触的是金属的表面，如各种机械零 件和工程构件。
飞船或者洲际导弹的头部锥体和 翼前沿：由于具有几十倍的音速， 并与大气层摩擦，即所谓气动加 热 ， 其 温 度 高 达 4000 ～ 5000℃ 。
长江三峡工程中挖泥船的发动机 曲轴损坏，当时如从日本购买新 轴，加上运费和进口关税等需人 民币120万元，从订购到交货需 三个月以上，停产损失更大？
coating） 10. 其它（题目可自拟Internet 金属表面工程学. 刘江南，兵器工业出版社 材料表面工程导论. 赵文轸，西安交通大学出版社 表面工程. 刘新田，河南大学出版社 表面工程. 徐滨士，刘世参，机械工业出版社 Surface Engineering. ASM Handbook, Vol. 5, 1994.
3
关于专题综述
1. Prepare a Report reviewing one of the hot topics relevant to surface engineering
材料表面工程技术PPT课件
通过对织物表面珠光涂层，使织物表面具有珍珠般 光泽，有银白色和彩色的。做成服装非常漂亮。也 有PA珠光和PU珠光之分，PU珠光比PA珠光更加平 整光亮，膜感更好，更有“珍珠皮膜”的美称。
涂层面料的用途
还可应用于国防、航海、捕鱼、海上油井、运输等领域。
防水涂层系列面料，具有防风防水，透湿等多种功能。
日本刀是日本的象征，以优美锋利而著 称。 它是钢制的，历史可以追溯到13世纪。 也就是说，至少在900年前，日本人已 经掌握了炼钢技术，可以制造出一流的 钢铁兵器。
但是那个时候，日本还是一个非常落后 的国家，冶炼技术怎么可能达到这样的 水平呢？
日本刀的覆土烧刃
世界三大名刃之一
2船0的06精成年功电，返随镀航着，我鸿国星“尔神克舟搭六载号“”神载六人”宇的宙三飞 种制鞋T材P料U——特种尼龙网、精电镀TPU、
涂层牛仔裤
涂层牛仔裤外面有一层特殊的涂层， 随着时间的流逝，这层涂层会磨损， 这样就有了类似水洗的效果。因为 每个人穿裤子的磨损不同，所以每 一条牛仔裤最后会有不同的水洗效 果，这样每一条都是独一无二的。
特点
保养方法
方法1
如果是买回来第一次下水,那需要在水中倒一些白醋,同时把裤子翻 转过来浸湿大约半小时,用来锁住颜色.因为深色的裤子必定会有少 许的退色,而白醋可以让那种湛蓝色尽量保持原有的光泽.
除了AR涂层可以减轻镜片后表面反射的眩光外，还 有几种途径可以减少或消除刺眼的光透过镜片。它 们包括：
有色眼镜——镜片的颜色决定了镜片所吸收光谱的 范围。制造商使用不同的颜色来产生特定的使用效 果。
偏光眼镜——偏光滤镜通常是在透明的塑料或者玻 璃表面涂上一层化学薄膜。通常，它所使用的化合 物里的分子相互之间是自然平行排列的。当将它们 均匀地涂在镜片上时，这些分子形成了微小的透镜， 能够吸收所有与它们的排列方向相同的光。
《材料表面工程》教学大纲.doc
《材料表面工程》教学大纲课程编号：030540 开课学期：7课程性质：专业课先修课程：物理化学，材料力学总学时数：32 学分：2.0 讲课：32 实验：0适合层次：本科适合专业：材料成形与控制工程、材料科学与工程一、课程的目的和任务表面工程是近年来迅速发展起来的一门新的跨学科的综合性课程，主要论述如何改变金属及其合金，陶瓷，玻璃，聚合物，半导体及电子材料等现代材料表面特性，特别是提高精密机械零件表面抗磨、耐腐和抗疲劳特性，以及延长机械零件的使用寿命的各种技术、设备、工业应用等，是工科院校学生应当具有的基本知识和技能。
本课程是材料成型与控制工程专业和材料科学与工程专业的专业选修课。
本课程的主要任务是：1.从表面改性技术的不断改进和发展，培养学生理论联系实际，不断创新的精神；2.使学生了解各种现代材料表面改性技术，改性机理，应用领区域；3.让学生根据所用零件具体情况，正确选择现代材料表面改性技术，提高零件表面特性；4.使学生具备正确选择使用表面技术和设备的能力，实现用最低的费用，获得最好的表面改性效果。
二、理论教学内容第一章表面工程技术概述掌握材料表面工程的概念，表面工程具有的作用，表面工程技术所包含的内容，了解表面工程技术的发展历程以及发展前景，表面工程具有的意义。
第二章表面热处理技术掌握表面淬火技术的特点，表面淬火用钢的特点，当今主要的表面淬火方法, 重点掌握感应加热表面淬火技术、火焰加热表面淬火技术、了解激光加热表面淬火技术以及等离子体加热表面淬火技术的主要方法及其特点。
了解表面扩渗的原理。
第三章堆焊技术掌握堆焊的概念、作用及技术特点。
了解堆焊金属的合金化以及与基体的结合方式，掌握常用合金化的方法以及影响过渡系数的因素。
了解基本的堆焊技术, 掌握火焰堆焊、电孤堆焊、埋孤堆焊、等离子孤堆焊的技术方法及主要特点。
第四章热喷涂技术掌握热喷涂技术的概念，基本原理以及涂层形成过程，涂层的结合机理。
了解常见的热喷涂材料的形态和种类。
简便实用的表面粘涂技术
液压缸体 机床导轨划伤是经常遇到的现象 一般用粘涂方法可以修复 但颜色往往和被修复
47
来 机械结合理论是最早提出的粘附理论 这一 理论曾一度被斥之为门外汉理论而不被重视 但 进一步研究提供的许多实验证实 机械因素确是 形成粘接强度的基本因素之一 现在许多粘涂场 合的表面粗糙化处理 在很大程度上正是依据此 原理进行的 但不能单独用它解释粘涂现象 3.2.2 吸附理论
吸附理论认为 胶粘剂与被粘物表面结合 不需要什么 手 任何物质分子之间象是有感情 似的 它们本来就具有一种吸引力 这种力是分 子间力 即所谓的范德华力和氢键 分子间力是 粘接力泛存在于所有的粘涂体系中 吸附理论得 到许多研究者的支持 但要得到结合良好的粘涂 层 仅有物理吸附是不够的 3.2.3 静电理论
分类
主要品种
热固性树脂 热塑性树脂
合成橡胶 热塑性弹性体
酚醛树脂 环氧树脂 脲醛树 脂 三聚氰胺甲醛树脂 聚氨酯 有机硅树脂 不饱和聚酯等
聚乙烯醇缩醛 尼龙 ABS 聚醋酸乙烯酯 聚氯乙烯和过氯乙 烯 聚苯乙烯 聚砜 聚甲基丙烯 酸甲酯 EVA 聚对苯二甲酸乙二 醇酯等
氯丁橡胶 丁腈橡胶 丁苯橡 胶 改性天然橡胶 羧基橡胶 硅 橡胶 聚硫橡胶 聚异丁烯 丁羧 橡胶 氯磺化聚乙烯等
简便实用的表面粘涂技术 徐滨士等
零件基体不一致 电刷镀方法由于受镀层厚度所 限 难以修复 而采用粘涂–电刷镀复合工艺 就 可以很好地解决这一问题 首先用导电胶填平划 伤处 经打磨 抛光后再进行电刷镀 采用粘涂– 电刷镀复合工艺修复后 既能恢复零件尺寸 满 足使用要求 又非常美观 甚至可以和新品零件 相媲美
大学表面工程学教案
大学表面工程学教案大学表面工程学教案一、课程概述表面工程学是研究各种材料表面性质、表面现象及表面处理技术的科学。
本课程主要介绍表面工程学的基本概念、表面性质的测定方法和表面处理技术的分类及应用。
二、教学目标1.了解表面工程学的基本概念和相关术语。
2.掌握表面性质的测定方法，包括表面张力、表面能、润湿性等。
3.熟悉表面处理技术的分类及应用，包括化学表面处理、物理表面处理等。
4.能够应用所学的知识解决实际问题。
三、教学内容第一讲：表面工程学的概念及基本概念1.表面工程学的发展历史2.表面工程学的定义及相关术语3.表面性质的基本概念第二讲：表面张力、表面能及润湿性的测定方法1.表面张力的测定实验及其原理2.表面能的测定实验及其原理3.润湿性的测定实验及其原理第三讲：化学表面处理技术1.化学镀层工艺2.电化学处理工艺3.化学腐蚀控制技术第四讲：物理表面处理技术1.力学工艺2.高能束处理技术3.等离子体技术第五讲：表面工程在材料科学中的应用1.表面涂层在材料领域中的应用2.表面改性在材料领域中的应用3.表面润湿性与润滑性在材料领域中的应用第六讲：表面工程在其他领域的应用1.表面工程在生物医学领域中的应用2.表面工程在能源领域中的应用3.表面工程在环境保护领域中的应用四、教学方法本课程采用理论授课、案例分析和实验操作相结合的教学方法。
五、教学评价1.理论与实践相结合，注重理论的应用。
2.鼓励学生参加有关表面工程的学术交流，提高学生的综合素质。
3.采用课程作业、期末考试等方式进行学生的综合评价。
六、教学资源1.教材：《表面工程学》，李晶、李春成编，清华大学出版社。
2.实验室：本课程需要安排表面张力、表面能、润湿性等实验操作。
七、教学时间与学分本课程为学期课程，总学时为48小时，学分为3分。
八、教学计划第一讲：表面工程学的概念及基本概念（2学时）第二讲：表面张力、表面能及润湿性的测定方法（6学时）第三讲：化学表面处理技术（8学时）第四讲：物理表面处理技术（8学时）第五讲：表面工程在材料科学中的应用（12学时）第六讲：表面工程在其他领域的应用（12学时）。
表面工程4章节
第四章表面淬火和变形强化1表面淬火技术的原理和特点2感应加热表面淬火3火焰加热表面淬火4激光加热表面淬火4-1. 表面淬火技术的原理将钢表面快速加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1 （过共析钢）以上，然后使之迅速冷却并转变为马氏体。
将钢整体加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1 （过共析钢）以上，然后使其表面迅速冷却并转变为马氏体。
2. 表面淬火对材料的要求凡是能进行整体淬火强化的材料都可以进行表面淬火。
低碳钢或低合金钢需进行表面渗碳或合金化（齿轮渗碳）。
表面硬度要求越高，要求钢碳含量和合金含量越高；表面硬化层越深，要求钢淬透性越好。
3.与常规淬火技术的区别在一定加热速度范围内，V加热↑，T临界↑V加热↑，奥氏体成分的不均匀性↑a. C 成分不均匀,从相图上看与F,K 相邻的浓度相差很大,C 来不及扩散。
b. 合金元素不均匀预先热处理（调质、正火、球化退火）——表面淬火V加热↑，奥氏体晶粒细化显著a.过热度大,相变趋动力增大,晶粒形成位置增多,A在F 和K相界上形成，A在F 亚晶界上形成。
b.加热时间短,如果加热速度10 7 度/S,形成时间10-5S,在如此短时间内奥氏体晶粒来不及长大。
V冷却↑，表面硬度高4. 表面淬火技术的特点生产效率高，能耗小。
加热快，冷却快：组织细，硬度高；组织均匀性差（渗碳体来不及溶解和扩散）。
表面组织细，硬度高，中部硬度低，韧性好。
4.2 感应加热表面淬火技术1感应加热淬火原理将工件紧靠在有足够功率输出的感应圈附近,感应圈通电，在高频(中频)交流磁场的作用下（如果工件与线圈的间隙非常小）由于集肤效应,在工件表面产生很大的涡流，大小与线圈电流相等，方向相反。
涡流产生热量，将工件表面加热迅速加热到淬火温度，并用冷却介质快速冷却，达到对工件表面淬火的目的。
2感应加热淬火技术特点效率高；变形小；深度可控；需要制作特定的线圈；电源功率大；“尖角”效应3感应加热淬火技术应用高频淬火：轴类零件，磨损量小，但精度要求高的零件中频淬火：齿轮、活塞环槽，有明显磨损量，精度要求较高的零件工频或双频：轧辊，磨损量大表面淬火在粗加工或半精加工后进行，最后只留磨量。
表面工程概论4
非正则共沉积
平衡共沉积 异常共沉积 诱导共沉积
Ag- Cd，CuZn
Pb-Sn，Cu-Bi Zn-Ni，Fe-Zn Ni-W，Co-W
3.2.4影响合金镀层的因素 <1>镀液中金属浓度比的影响：影响合金组成 的最重要的因素是金属离子在溶液中的浓度 比。对于正则共沉积，提高镀液中不活泼金 属的浓度，使镀层中不活泼金属的含量也按 比例增加。对于非正则共沉积，虽然提高镀 液中不活泼金属的浓度，镀层中的不活泼金 属的含量也随之提高，但却不成比例。
3.2.2沉积合金的条件
<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。有些金属（如W，MO等）不能从其盐 的水溶液中沉积出来，但可以借助诱导沉种与铁族 金属共沉积。 <2>共沉积的两种金属的沉积电位必须十分接近。 如果相差太大，则电位较正的金属将优先镀出来， 甚至完全排斥电位较负金属的析出。这样就不能形 成合金镀层。因此，要使沉积时的电位相差较大的 两种或三种金属共同沉积形成合金镀层，就必须利 用各种工艺条件使它们在沉积时的电位互相接近。
（3）平衡共沉积。当两种金属从处于化学平衡的镀 液中共沉积时，这种过程称平衡共沉积。平衡共沉 积的特点是在低电流密度下（阴极极化不明显）合 金沉积层中的金属含量比等于镀液中的金属含量比。 只有很少几个共沉积过程属于平衡共沉积体系。
（4）异常共沉积。异常共沉积的特点是电位较负的 金属反而优先沉积，它不遵循电化学理论，而在电 化学反应过程中还出现其他特殊控制因素，因而超 脱了一般的正常概念，故称异常共沉积。对于给定 的镀液，只有在某种浓度和某种工艺条件下才出现 异常共沉积，而在另外的情况下则出现其他共析形 态。异常共沉积较少见。 （5）诱导共沉积。钼、钨和钛等金属不能自水溶液 中单独沉积，但可与铁族金属实现共析，这一过程 称诱导共析。同其他共沉积相比较，诱导共沉积更 难推测各个电镀参数对合金组成的影响。通常把能 促使难沉积金属共沉积的铁族金属成为诱导金属。
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➢1.气相沉积技术原理、分类
❖定义-在基体上形成功能膜层的技术，也称作干镀。
❖分类-膜层形成机理可分为
真空蒸镀 (1)物理气相沉积 溅射镀膜
(2)化学气相沉积 离子镀膜
材料表面工程第四讲
4
一、气相沉积技术
➢2.物理气相沉积原理、装置及工艺
(1)真空蒸镀 ❖定义-在真空条件下，用加热蒸发的方法使镀料转化为气相，
材料表面工程第四讲
18
一、气相沉积技术
(3)离子镀膜
定义-在真空条件下，由惰性气体辉光放电使气体或被蒸发物质
部分离子化，离子经电场加速后对带负电荷的基体轰击，同时将蒸发 物或反应物沉积成膜。
镀料蒸发方式-电阻加热、电子束加热、等离子束加热、高
频感应加热等。
离化方式-辉光放电型、电子束型、热电子型、等离子电子束
辉光区
基片 靶
屏
蔽
S
N
S
磁铁
材料表面工程第四讲
16
一、气相沉积技术
F 三极溅射
阳极 靶子
灯丝
钟罩
挡板
基片 磁场 线圈
等离 子区
进气阀
抽气系统
材料表面工程第四讲
17
一、气相沉积技术
v 溅射镀膜应用
F 机械功能膜：耐摩、减摩、耐热、抗蚀等强化膜，固体润滑薄膜； F 物理功能膜：电气、磁学、光学等； F 装饰膜。
工件架
至真 空泵
阳极
材料表面工程第四讲
22
一、气相沉积技术
F磁控溅射离子镀
离子镀 电源
永久磁铁 工作室 磁磁控靶
控
NSN
阳
极
磁控 电源
膜层
氩气
至真 空泵
基板 (工件)
材料表面工程第四讲
23
一、气相沉积技术
F活性反应离子镀
反应 气导 入环
真空室
基板
压差 板
物料
真空机组
探测 电极 反应
气体
＋
电 源
—
12
一、气相沉积技术
(2)溅射镀膜 定义-在真空室中，用荷能粒子轰击靶材，使其原子获得能量而
溅出进入气相，并在工件表面沉积成膜。荷能粒子一般为离子。
步骤-靶面原子溅射→溅射原子向基片迁移→沉积成膜。
材料表面工程第四讲
13
一、气相沉积技术
v 常用方法
F 二极溅射
由真空室+抽真空系统+ 电气系统+供气部分组成
工 件
蒸发源与
加热器
钟罩
冷阱
出水 扩散泵
工件夹和 加热器
ZF-85 针阀
高真空阀
充气阀
低真 空阀
放气阀
进水
增压泵 机械泵
真空蒸镀设备简图
材料表面工程第四讲
7
一、气相沉积技术
v 方法
F 电阻加热法 温度<1500℃，Al、Au、Ag。
电阻加热蒸发源
钨丝、钨舟、钼舟
材料表面工程第四讲
8
一、气相沉积技术
v 缺点
F 需要较高T，基材T高，沉积速率低/难以实现局部沉积； F 参加反应的气源和反应后的的余气都具有一定毒性。
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
v 分类
按沉积T
高温CVD
900~2000℃
如：在刀具上沉积 TiC/TiN超硬膜
中温CVD 500~800℃ 如:沉积SiN
低温CVD < 500℃
型等。
材料表面工程第四讲
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一、气相沉积技术
v 原理
F 工件为阴极，阳极兼作蒸发源。 F 抽真空10-3~10-4Pa，充氩气至10-
2~1Pa，加几百至几千伏直流电 压，氩离子轰击清洗基片，接通 交流电，膜料蒸发且电离或激发 ，正离子轰击基片，中性粒子沉 积成膜。
钟罩 氩气
阳极
~
交流
电源
阴极
基片
然后凝聚在基体表面的方法。
❖步骤-清洁基材表面→蒸发源加热镀膜材料→材料蒸发或升华
成蒸气→蒸气在基材表面凝聚成膜。
材料表面工程第四讲
5
一、气相沉积技术
❖ 原理-在高真空中，镀料气化（升华）。基体设在蒸气流上方，
且温度相对较低，则蒸气在基体上形成凝固膜。
材料表面工程第四讲
6
一、气相沉积技术
❖ 设备
F 大多数呈晶态，尺寸10~100nm；
F 膜层与基体的结合主要为机械结合；
F 形貌取决于膜层材料的特性、基体材料及操作时基体的温度；
F 常用的蒸镀材料有:铬、铜、金、铝、氧化硅、锡、锑、三硫化锑等。
v 真空蒸镀膜应用
F 反射器(镜)蒸发镀铝；
F 电视设备、电子计算机用的电子元件。
材料表面工程第四讲
至真 空泵
电子枪
材料表面工程第四讲
24
一、气相沉积技术
v 离子镀膜应用
F 表面强化镀层：耐磨镀层、耐蚀镀层、润滑镀层； F 装饰镀层； F 特殊功能镀层。
材料表面工程第四讲
25
一、气相沉积技术
➢3.化学气相沉积原理、装置及工艺
❖定义-通过热化学反应产生的气相在工件表面沉积成膜的方法。
❖设备-
流量计
感应 加热炉
常由石英管制成； 器壁为热态
反应室
干燥剂
甲烷
催化剂 氢气瓶
混合室 TiCl4
高频源
材料表面工程第四讲
工件
出气口
工件 出口 油槽
26
一、气相沉积技术
v 特点
F 可以制备多种单质/化合物/氮化物或不同组分的薄膜； F 可以在较宽的范围内获得具有可控成分的覆层； F 薄膜的沉积温度可以低于其本身的熔点。
材料表面工程
主讲教师：吕 祥 鸿 西安石油大学材料科学与工程学院
材料表面工程第四讲
1
目录
l 一、气相沉积技术 l 二、高能束表面处理
材料表面工程第四讲
一、气相沉积技术
➢ 1.气相沉积技术原理、分类 ➢2.物理气相沉积原理、装置及工艺 ➢3.化学气相沉积原理、装置及工艺
材料表面工程第四讲
3
一、气相沉积技术
阴极 —暗直区
流 高 ＋压 等离 子区
蒸发源
至真空 系统
材料表面工程第四讲
20
一、气相沉积技术
v 常用离子镀膜方法
氩气
F 空心阴极离子镀 HCD 阴极
钟罩 工件
辅助 阳极
至真空 系统
材料表面工程第四讲
水冷铜 坩埚
高压 电源 蒸发源
阳极
21
一、气相沉积技术
F多弧离子镀
工作室
弧靶
工
件
引弧
电极
70V,100A
F 高频感应加热法
材料表面工程第四讲
9
一、气相沉积技术
F 激光蒸镀法
材料表面工程第四讲
10
一、气相沉积技术
v 真空蒸镀膜影响因素
F 真空度 F 基材表面状态：清洁度、温度、晶体结构 F 蒸发温度 F 蒸发和凝结速率
F 基材表面与蒸发源的空间关系
材料表面工程第四讲
11
一、气相沉积技术
v 真空蒸镀膜性质
钟罩
阴极屏障
阴极(靶)
基
阳极 (基板)
片
加热器
高压 —电源＋
加热 氩气 电源
材料表面工程第四讲
14
一、气相沉积技术
F 射频溅射
l射频：指频率低于6×1012的电振荡频率
射频 电源
匹配电路 氩气
射频 电极
电磁 线圈
真空罩
工件
工件架
电磁 线圈 靶材
材料表面工程第四讲
15
一、气相沉积技术
F 磁控溅射
工件架
如：平面硅和MOS 集成电路的钝化膜
普通CVD
按实施方法
金属有机物CVD MOCVD
等离子增强CVD PECVD