现代表面技术概论
【材料课件】表面技术
现代表面技术第一章表面技术概论第一节表面技术的涵义19世纪工业革命以来，材料品种日益繁多，为了适应高强度、高硬度和耐磨、耐高温、耐酸碱腐蚀等不同特殊要求，人们需要不断开发各种特殊的合金材料，但这些合金材料往往价格昂贵。
因此，人们试图采用各种表面技术对普通钢材表面进行加工，以改变其表面性能，使其适应复杂的工作环境。
另外，磨损、腐蚀等失效都是首先发生在材料表面，通过对材料表面进行有效处理，可以极大地提高材料寿命。
因此，迫切需要开发出各种行之有效的表面技术，正是基于这样的背景，逐步形成了一门新兴学科——表面工程学。
表面工程技术的发展始于20世纪60年代末，近30年来发展尤为迅速。
在传统的表面处理技术不断改进、不断完善的同时，又有科学技术逐渐渗透到该领域，各种表面技术相互融合，从而使现代表面技术进入了一个新的发展时期。
表面技术是一门博大精深、实用价值极高的技术。
材料科学所面临的若干艰巨任务，如要求材料硬而不脆、耐磨而易车削、质高而价廉等间题，通过表面技术在相当程度上都可迎刃而解。
除本文所提及的巨大作用外，用表面技术合成人工结构材料、复合材料及沉积非晶态涂层及制取复合涂层方面都显示了巨大的应用潜力。
表面技术是一项能使产品获得高附加值的技术。
英国产品每年靠表面技术估计增值100亿英镑，如果对表面技术进行全开发，有可能节省200。
万到400亿埃居(约200亿英镑)，可见表面技术对国民经济的巨大作用。
我国在湿法镀覆等方面取得了令人瞩目的成就，但在PVD和表面改性方面还有许多工作要做。
这一方面要靠广大科技人员的才智与努力，同时有关领导部门在设备资金投入上给予有力的支持也至关重要。
只有这样，我国的表面技术才能以新的面貌进入21世纪，全方位赶上和领先世界水平。
一、什么是表面技术从广义上讲，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。
任何表面在通常情况下实际上都是界面。
两种不同相之间的交界，称为界面，在任何两相界面上都可以发生复杂的物理或化学现象，总称为表面现象。
现代表面技术-表面
通过表面技术如化学气相沉积、物理气相沉积等， 可对电子元件的表面进行改性处理，提高其性能 和稳定性。
防静电保护
表面技术如导电涂层可用于电子元件的防静电保 护，防止静电对电子设备造成损害。
05 未来表面技术的发展趋势 与挑战
总结词
新材料表面技术的研发是未来表面 技术发展的关键，将推动表面技术 的不断创新和应用领域的拓展。
详细描述
随着环保意识的日益增强，表面技术的环保与可持续发展已成 为行业关注的焦点。表面处理过程中产生的废液、废气和废渣 等污染物对环境造成了严重的影响。因此，研发环保型的表面 技术，如水基表面处理技术、无铬表面处理技术等，能够有效 减少环境污染和资源消耗，同时降低生产成本，提高经济效益。
总结词
表面技术的智能化与自动化是未来发展的重要趋势，将提高表面处理的效率和质量，降低人工成本和操作风险。
02 现代表面技术简介
物理表面技术
离子束刻蚀
利用离子束轰击材料表面，通过 物理撞击和能量沉积改变表面形 貌和性质，实现表面纳米级加工。
激光表面处理
利用高能激光束对材料表面进行快 速加热和冷却，实现表面熔化、凝 固、相变等，改变表面结构和性能。
电子束蒸发镀膜
利用电子束蒸发源产生的高能电子 束将材料加热至熔融状态，并快速 冷却形成薄膜，实现表面镀膜和涂 层。
表面技术在环境能源领域的应用，如高效 催化剂、太阳能电池和燃料电池等方面， 为解决能源和环境问题提供了有效途径。
表面技术未来的发展前景
新材料和新技术的研发
随着科技的不断进步，表面技术将不断涌现出新的材料和 技术，如纳米材料、生物材料和复合材料等，为表面技术 的应用和发展提供更多可能性。
绿色环保
随着环保意识的不断提高，表面技术将更加注重绿色环保 ，发展低污染、低能耗的表面处理技术和绿色材料，减少 对环境的负面影响。
02-现代表面工程学导论-- 表面基本理论
表面吸附现象： 比较大的表面能有剩余吸引力，必然有通过原子迁 移或吸附外来物质以调整结构向低能态演变的趋势， 以晶态物质、表面有众多微孔和巨大表面积以及活 性大的物质尤甚。 表面化学特性： 处于界面上的原子其原子结构与内部的也存在区别， 表面原子周围的电子无论是能量或是空间分布都不 同于内部原子，这就在很大程度上决定了材料表面 的化学特性。
一层约20个分子层厚的氧化膜。
（5） 固体表面的润湿 润湿现象与机理 定义：液体在固体表面上 铺展的现象。 亲水物质、疏水物质： 润湿角：θ
润湿程度的定义：
机理： 润湿与否取决于液体分子间相互吸引力(内聚力)和液一固分子间吸 引力(粘附力)的相对大小。若液一固粘附力较大，则液体在固体表面 铺展，呈润湿；若液体内聚力占优势则不铺展，呈不润湿。
润湿理论在各种工程技术尤其是表面工程技术中应 用很广泛。 增强润湿程度： 表面活性物质－减小润湿角 表面适度粗化－增大铺展系数 中间层 成分优化…… 降低润湿程度： 表面惰性物质－增大润湿角 表面平滑－减小铺展系数 不粘涂层：炊具、洁具、防腐蚀等 成分优化……
第二章思考题
1.为什么会造成表面原子的重组？
机械结合界面
2.1.6 表面晶体结构
晶体表面具有低晶面指数的平台、一定密度的单分子 或原子高度的台阶、单分子或原子尺度的扭折以及表面吸 附的单原子及表面空位等。
除了台阶、扭折和吸附原子外，实际表面上还存在大量各 种类型的缺陷．如原子空位、位错露头和晶界痕迹等物理 缺陷、材料组分和杂质原子偏析等化学缺陷。它们对于固 体材料的表面状态和表面形成过程都有影响。
贝尔比层具有较高的耐磨耐蚀性，但也会感生出位 错、层错等缺陷而影响器件的性能。
残余应力： 材料经加工，就会存在着各种残余应力，对性能发
现代表面
1.电镀：是利用电解作用，即把具有导电性能的工件表面与电解质溶液接触，并作为阴极，通过外电流的作用，在工件表面沉积与基体牢固结合的镀覆层。
2.电刷镀：是电镀的一种特殊方法，又称接触镀、选择镀、涂镀、无槽电镀等。
其设备主要由电源、刷镀工具(镀笔)和辅助设备(泵、旋转设备等)组成，是在阳极表面裹上棉花或涤纶棉絮等吸水材料，使其吸饱镀液，然后在作为阴极的零件上往复运动，使镀层牢固沉积在工件表面上。
3.化学镀：又称“不通电”镀，即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。
4．涂装：它是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(或称漆)为有机混合物，一般由成膜物质、颜料、溶剂和助剂组成5．粘结它是用粘结剂将各种材料或制件连结成为一个牢固整体的方法，称为粘结或粘合。
粘结剂有天然胶粘剂和合成胶粘剂6．堆焊：它是在金属零件表面或边缘，熔焊上耐磨、耐蚀或特殊性能的金属层，修复外形不合格的金属零件及产品，提高使用寿命，降低生产成本，或者用它制造双金属零部件。
7．熔结：它与堆焊相似，也是在材料或工件表面熔敷金属涂层，但用的涂敷金属是一些以铁、镍、钻为基，含有强脱氧元素珊和硅面具有自熔性和熔点低于基体的自熔性合金，所用的工艺是真空熔敷、激光熔敷和喷熔涂敷等。
8.热喷涂:它是将金属、合金、金属陶瓷材料加热到熔融或部分熔融，以高的动能使其雾化成微粒并喷至工件表面，形成牢固的涂覆层。
热喷涂的方法有多种，按热源可分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂(超音速喷涂)和爆炸喷涂等。
经热喷涂的工件具有耐磨、耐热、耐蚀等功能。
9.塑料粉末涂敷:利用塑料具有耐蚀、绝缘、美观等特点，将各种添加了防老化剂、流平剂、增韧剂、固化剂、颜料、填料等的粉末塑料，通过一定的方法，牢固地徐敷在工件表面，主要起保护和装饰的作用。
10.电火花涂敷:这是一种直接利用电能的高密度能量对金属表面进行徐敷处理的工艺，即通过电极材料与金属零部件表而的火花放电作用，把作为火花放电极的导电材料(如WC、nC)熔渗于表面层，从而形成含电极材料的合金化涂层，提高工件表层的性能，面工件内部组织和性能不改变。
表面工程技术的总体概述
近于液化热 （1～10 KJ·MOL-1
）
范德华力 弱
近于反应热 （> 40 KJ·MOL-1）
化学键力 强
单分子层或多分子层仅单分子层无 Nhomakorabea有
快
慢
不需
需要、且很高
低温
较高温度
基本同吸附质分子结构
表面工程技术的总体概述
形成新的化合态
（2）固体表面对液体的吸附
固体表面对液体分子同样有吸附作用。一般是通过液体对固体表面的润湿和 铺展来实现的。
表面工程技术的总体概述
表面工程技术的总体概述
• ③ 润湿理论的应用
– 在表面重熔、表面合金化、表面覆层及涂装等技术 中，都希望得到大的铺展系数。
– 利用润湿现象的另一个典型范例是不粘锅的表面 “不粘”涂层。 不粘锅之所以不粘，全在于锅底的那一层叫
“特富龙”的涂层。这种物质是含氟树脂的总称，包括聚四氟乙烯、聚 全氟乙丙烯及各种含氟共聚物，由于水在该憎水涂层表面不能润湿，在 干燥后饭粒也不会与基体紧密黏附而形成锅巴。
能被水润湿的固体叫亲水性固体，如玻璃、 石英灯；
不能被水润湿的固体叫憎水性固体，如石蜡、 石墨、硫磺灯
表面工程技术的总体概述
图2-5 固体的润湿性与润湿角
润湿角与界面张力有关,其关系一般服从Young方程:
上述 分析可知： 润湿与否取决于液体分子间相互吸引力(内聚力)和液-固分子间吸引力(粘附力) 的相对大小。若液-固粘附力较大，则液体在固体表面铺展，呈润湿；若液体 内聚力占优势则不铺展，呈不润湿。
表面工程技术的总体概述
• <3> 应力腐蚀开裂：材料在应力和腐蚀性环境介质共同作 用下发生的开裂及断裂失效现象称为应力腐蚀开裂。这是 一种最危险的腐蚀形态。由于多数机械产品均处于一定的 应力和环境介质的联合作用，故应力作用下的腐蚀较普遍， 且破坏具有突发性，是影响结构安全可靠性的重要隐患之 一。主要包括应力腐蚀、腐蚀疲劳、氢脆、微动腐蚀、冲 击腐蚀和空泡腐蚀等。
现代表面工程技术课件 (一)
现代表面工程技术课件 (一)现代表面工程技术是一门近年来发展迅速的技术，它在各个领域的应用也越来越广泛。
现代表面工程技术课件则是这门技术的学习、研究必须要掌握的知识点。
在本文中，我们将全面地探讨现代表面工程技术课件。
一、现代表面工程技术的定义现代表面工程技术指的是运用各种化学、物理和机械手段，对材料表面进行处理和改性的技术。
其目的是改善材料表面的性能，如提高防腐、耐磨、抗氧化等性能，以及增加材料的功能性等。
二、现代表面工程技术的分类现代表面工程技术可以分为三类：化学表面处理技术、物理表面处理技术和机械表面处理技术。
1、化学表面处理技术：主要是利用各种化学反应来改变材料表面的组成和结构，以达到改善材料表面性能的目的。
常见的化学表面处理技术有镀金、镀银、镀铬、陶瓷涂层、涂料等。
2、物理表面处理技术：主要使用物理手段来改变材料表面的性质，如物理气相沉积、离子注入、热喷涂等。
这些技术可用于提高材料的耐热性、耐磨性等方面，也可以使材料表面具有光泽、颜色等多样化效果。
3、机械表面处理技术：利用机械力学原理，通过磨、打、滚、切、刻等手段对材料表面进行加工改变。
这些机械处理手段可以用于改善材料表面的平整度、平滑度、粗糙度等性能。
三、现代表面工程技术的应用领域现代表面工程技术广泛应用于各个领域。
以汽车工业为例，现代汽车的车身、底盘、发动机等部位均采用了表面工程技术进行处理，以求提高汽车的耐用性、安全性等方面的性能。
另外，在航空、机械、建筑、家电等领域，现代表面工程技术的应用也越来越广泛。
四、现代表面工程技术课件的重要性现代表面工程技术课件是学习和研究现代表面工程技术必须要掌握的知识点。
由于这门技术的发展迅速，它的知识点也越来越多，难度也越来越大，因此，现代表面工程技术课件对于学习者的学习和研究都有着至关重要的作用。
总之，现代表面工程技术课件是现代表面工程技术的重要组成部分。
了解和掌握这门技术的课件可以帮助学习者更好地理解和掌握现代表面工程技术的相关知识，从而为更好地应用这门技术提供必要的支持。
现代表面技术
一、关于表面基础1.弛豫：表面上的原子相对于正常位置的上、下位移来降低体系能量，尤其是表面第一层原子与第二层之间位移（压缩或膨胀）最明显，越深入体内，此种位移迅速消失。
重构：在平行基底的表面上，原子的平移对称性与体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整。
2.表面能的产生表面能是因物质表面原子和内部原子排列差别引起的一种物理表现。
面心立方晶体的（111）面是密排面，体心立方晶体的（110）面是密排面，密排面的表面能最低（密排面原子的断键数最少）。
3.固体表面的吸附力（1）固体表面对气体的吸附分物理吸附和化学吸附。
区别：物理吸附无电子转移、无化学键的生成与破坏，无原子重排。
物理吸附不需要活化能，其吸附速率也不随温度升高而变快；化学吸附相当于吸附剂表面分子与吸附质发生化学反应。
化学吸附需要活化能，其吸附速率随温度升高而变快。
（2）固体表面对溶液的吸附分为电解质吸附和非电解质吸附；溶液有溶质和溶剂，都可能被固体吸附，但被吸附的程度不同分为正吸附、负吸附。
（3）固体表面对液体的吸附力粘结力与液体表面张力计接触角的关系γs=γLcosθ+γsL当θ<90°时，为润湿。
θ越小，润湿性越大，液体在表面的展开能力越强。
当θ=0 °时，为完全润湿。
液体在表面完全铺展开来当θ>90 °时，为不润湿。
θ越大，润湿性越小，液体越不易铺展开，易收缩为球状。
当θ=180 °时，完全不润湿，为球状。
ISL=γL+γs-γsL=γL（1+cosθ）粘结力大小与液体表面张力γL及接触角θ有关。
θ愈小，则ISL越大，粘结越牢。
(钢与环氧树脂）4.实际晶体表面缺陷方式固体的实际表面是不规则和粗糙的，最重要的表现为表面粗糙度和微裂纹。
表面粗糙度：(1)使表面力场变得不均匀，其活性及其它表面性质也随之发生变化。
(2)直接影响固体表面积，内、外表面积比值以及相关的属性。
(3)与两种材料间的封接和结合界面间的啮合和结合强度有关。
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
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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。
现代表面工程技术
四、表面技术在人类适应、保护和优化环境 方面的一些应用 抗菌灭菌TiO2（磷灰石）, 生物医学材料 （人工骨）
材料表面工程是一门新兴的边缘学科
材料表面工程是一门新的边缘学科，它 涉及到诸如表面物理学、表面化学、金 属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传 质学等多个学科的理论，而且其本身也 溶入了诸多学科的新技术。
如美国工程科学院在为美国国会提 供的2000年前集中力量加强发展的9 项新科学技术中，有关材料方面的 仅有材料表面科学与表面技术的研 究。
一、使用表面技术的目的
（1） 提高材料抵御环境作用能力:耐蚀性 （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、 零部件和元器件等:电铸、电刷镀
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2、材料表面
固体材料的界面有三种： 表面——固体材料与气体或液体的分界 面 晶界（或亚晶界）——多晶材料内部成 分、结构相同而取向不同晶粒（或亚晶） 之间的界面 相界——固体材料中成分、结构不同的 两相之间的界面
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表面技术研究的对象是表面。对于固体材 料与气体界面，又有两种不同的对象： （1）清洁表面 （2）实际表面
此种使用的处理剂称为成膜型处理剂，其 使用实例是磷酸锌、磷酸锰等。
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转化膜的基本用途
防锈
防锈用化学转化膜主要用于以下两种情况： 对部件有一般的防锈要求，如涂防锈油等， 转化膜作为底层很薄时即可应用 对部件有较高的防锈要求，部件又不受挠 曲、冲击等外力作用，转化膜要求均匀致 密，且以厚者为佳。
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化学成膜处理的机理是金属与特定的腐蚀液 接触而在一定条件下发生化学反应，由于浓差极 化作用和阴极极化作用等，使金属表面生成一层 附着力良好的，能保护金属不易受水和其他腐蚀 介质影响的化合物膜。
《现代表面工程技术》课件
• 表面工程技术的概述 • 表面工程技术的种类 • 表面工程技术的应用案例 • 表面工程技术的未来发展 • 结论
目录
01
表面工程技术的概述
表面工程技术的定义
01
表面工程技术是通过物理、化学 或机械等方法，改变材料表面的 形貌、组成、结构或性质，以达 到预定性能要求的综合性技术。
化学镀技术
总结词
环保、均镀能力强的表面处理技术
详细描述
化学镀技术是一种利用化学反应在金属表面沉积金属或合金的过程，具有环保、均镀能力强、工艺简 单等优点。化学镀技术可以应用于各种基材，如金属、非金属、陶瓷等，因此在汽车、电子、航空航 天、生物医学等领域得到广泛应用。
热喷涂技术
总结词
可喷涂材料广泛、应用灵活的表面处理 技术
21世纪
表面工程技术向智能化、精细化、绿 色化和复合化方向发展，涉及更多新 材料和新技术领域。
02
表面工程技术的种类
电镀技术
总结词
应用广泛、历史悠久的表面处理技术
详细描述
电镀技术是一种利用电解原理在金属表面沉积金属或合金的过程，广泛应用于汽车、电子、航空航天、建筑等领 域。电镀技术具有悠久的历史，可以追溯到19世纪初，经过不断的技术改进和材料创新，电镀技术已经成为现代 工业中不可或缺的表面处理手段。
02
表面工程技术涉及多个学科领域 ，如材料科学、化学、物理和工 程学等。
表面工程技术的应用领域
航空航天
提高飞机和航天器的耐腐蚀、 抗氧化和抗疲劳性能。
汽车工业
增强汽车零部件的耐磨、耐腐 蚀和抗疲劳性能，提高燃油经 济性和环保性能。
能源领域
应用于太阳能电池、燃料电池 和核能等领域的材料表面处理 ，提高能源转换效率和稳定性 。
现代表面技术重点
第一章表面技术概论1.表面技术：通过对材料基体表面加涂层或改变表面形貌、化学组成、相组成、微观结构、缺陷状态，达到提高材料抵御环境作用能力或赋予材料表面某种功能特性的工艺技术。
2.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。
（3）实施特定的表面加工来制造构件、零部件和元器件等。
3.理想表面：没有杂质的单晶，作为零级近似可将表面看作一个理想表面，从理论上看，它是结构完整的二位点阵平面。
（实际不存在）清洁界面：经过注入粒子轰击、高温脱附等特殊处理后保持在6-10Pa超高10~9-真空下外来沾污少到不能用一般表面分析方法探测的表面。
实际表面：暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或经过一定加工处理，保持在常温常压下的表面。
4.①弛豫：表面最外层与次外层原子之间的距离不用于体内原子间距。
②重构：表面原子的平移对称性与体内显著不同，位置变动大。
③偏析：表面原子从体内分凝出来。
④化学吸附：外来原子以化学键结合吸附于表面。
⑤化合物：外来原子进入表面，并与表面原子键合成化合物。
⑥台阶：表面不是原子结构的平坦，形成了台阶。
5.物理/化学吸附：第三章电镀与化学镀1.电镀：指在含有预镀金属的盐类溶液中，以被镀金属为阴极，经电解作用，使镀液中预镀金属阳离子在基体表面沉积出来，形成镀层的一种表面加工方法。
2.镀层分类：①使用性能：防护性镀层、防护-装饰性镀层、装饰性镀层、耐磨和减磨镀层、电性能镀层。
②电化学性质：阳极性镀层、阴极性镀层。
③镀层组合：单层、多层、复合层镀层。
④镀层成分：单一金属、合金、复合。
3.金属电镀基本步骤：①液相传质： 镀液中的水化金属离子或络离子从溶液内部向阴极界面迁移，到达阴极的双电层溶液一侧。
②电化学反应：水化金属离子或络离子通过双电层，并去掉它周围的水化分子或配位体层，从阴极上得到电子生成金属原子(吸附原子)。
③电结晶：金属原子沿金属表面扩散到达结晶生长点，以金属原子态排列在晶格内，形成镀层。
现代表面技术复习重点(必考)
现代表面技术钱苗根，姚寿山，张少宗编著第一章表面技术概论1．表面技术的主要提高路径：施加各种覆盖层（电镀，化学镀，涂装，粘结，堆焊，熔结，热喷涂，塑料粉末涂覆，热浸镀，真空蒸镀，溅射镀，离子镀，化学气相沉积，分子束外延，离子束合成薄膜技术等）和表面改性技术（喷丸强化，表面热处理，化学热处理，等离子扩渗处理，激光表面处理，电子束表面处理，高密度太阳能表面处理，离子注入表面改性等）。
第二章表面科学的某些基本概念和理论1．固体材料的界面有三种：表面（固体材料与气体或液体的分界面）；晶界，或亚晶界（多晶材料内部成分、结构相同而取向不同晶粒或亚晶之间的界面）；相界（固体材料中成分、结构不同的两相之间的界面）2．表面的两种对象：清洁表面（是指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附、催化反应或杂质扩散等一系列物理、化学效应的表面）、实际表面（暴露在未加控制的大气环境中的固体表面，或者经过一定加工处理保持在常温和常压下的表面）。
3．清洁表面在几个原子层范围内的偏离三维周期性结构的主要特征有：表面弛豫、表面重构和表面台阶结构。
4．实际表面的一些重要情况：①表面粗糙度，是指加工表面上具有较小间距的峰和谷所组成的微观几何形状特征；②贝尔比层和残余应力，具有较高的耐磨性和耐蚀性；③表面氧化和吸附、沾污，吸附有物理和化学吸附。
第三章电镀和化学镀1．电镀是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，通过电解作用使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来，形成镀层的一种表面加工方法。
2．电镀液的组成及作用：主盐，提供金属离子；络合剂，形成络合物，提高阳极开始钝化电流密度；附加盐，提高电镀液的导电性；缓冲剂，稳定溶液酸碱度的物质；阳极活化剂，提高阳极开始钝化的电流密度，从而保证阳极处于活化状态而能正常的溶解；添加剂，显著改善镀层的物质。
3．电镀溶液的分散能力是指电镀液中所具有的使金属镀层厚度均匀分布的能力，也称均镀能力；镀液的分散能力越好，在不同阴极部位所沉积出的金属层厚度就越均匀。
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。
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。
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离子注入机实物(shíwù)照片
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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
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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
01第一章-现代表面处理技术
刘新佳
2008年9月
2021/4/6
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教材及参考资料
教材： 现代表面技术，钱苗根等，机工版，2006 参考资料： 1.现代表面工程技术, 董允, 张延森，机工版，1999 2.面向二十一世纪的表面工程，徐滨士，机工版，1997 3.表面工程手册，李国英主编，机工版，1998 4.表面涂层技术，陈学定，韩文政，机工版，1994 5.表面工程与维修，徐滨士，朱绍华等，机工版，1996
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其次，现代工业的需求是表面工程迅速发 展的动力。现代工业的发展对机电产品提 出了更高的要求，体积要小巧，外形要美 观，而且能在高温、高速、重载以及腐蚀 介质、恶劣环境下可靠持续地工作。 例如： ①汽车轻量化→铝合金→表面耐磨问题突 出→表面耐磨涂层
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②火箭发动机的尾喷管内壁和燃烧室：需承受
2000～3300℃温度和巨大的热焰流冲击；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℃：
问题：绝大多数的金属和合金不能承受如此高
的温度。
解决问题的方法：依靠各种形式的隔热涂层、
防火涂层和烧蚀涂层。
隔热防火涂层是热导率低的氧化物：氧化铝、
19世纪工业革命以来，为适应高强度、高
硬度和耐磨、耐蚀、耐高温等特殊要求，需不
断开发各种特殊的合金材料，但这些材料往往
价格昂贵。因此，人们试图采用各种表面技术
对普通钢材表面进行加工，改变其表面性能，
以适应复杂的工作环境。另外，磨损、腐蚀等
失效都是首先发生在材料表面，通过对材料表
面进行有效处理，可极大地提高材料寿命。基
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涂层技术
涂层技术
表面相变强化
表面扩散渗入 表面改性技术
热浸镀技术
电化学沉积技术 无机涂层技术 热浸镀技术 防锈技术
化学转化
电化学转化 等离子表面强化 离子束、电子束 激光束表面改性
表面形变强化 －
喷丸强化
喷丸强化
喷丸强化过程是弹丸流不断冲 击金属材料表层并使表层材料发生 循环塑性变形 , 从而形成变形强化 层的过程。经受喷丸循环塑性变形 的表层 , 其材料的组织结构发生变 化, 亚晶粒极大细化, 位错密度增高, 晶格畸变增大 ; 形成很高的宏观残 余压应力 ; 表面粗糙度和表面形貌 也都发生变化。材料表层发生的各 种变化 , 将明显地提高材料的抗疲 劳和应力腐蚀性能 , 使材料表面性 能得到强化。
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。
喷丸覆盖率
覆盖率是指工件上每一个点被钢丸打到的次数。 影响覆盖率的因素有零件材料硬度、弹丸直径、 喷射角度和距离、喷丸时间等。 在相同的弹丸流量下，喷嘴与工件的距离越长、 喷射的角度越小、弹丸直径越小，达到覆盖率 要求的时间就越短。喷丸强化时，应选择大小 合适的弹丸、喷射角度及距离，使喷丸强度和 覆盖率同时达到要求值。
工程技术(设计)
表面涂镀层 成分结构设计 表面复合 功能膜层设计 表面涂镀层 的选择和应用设计 施工设计 设备设计 车间生产线的设计
分析与检测
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 与工艺控制 表面工程的管理 与经济分析 工程化、规模生产的 成套表面工程技术
测评强化丸质量有三 个基本参数： 强度 覆盖率 表面粗糙度。
喷丸强度
影响喷丸强度的工艺参数主要有：弹丸直径、 弹流速度、弹丸流量、喷丸时间等。弹丸直径 越大，速度越快，弹丸与工件碰撞的动量越大， 喷丸的强度就越大。喷丸形成的残余压应力可 以达到零件材料抗拉强度的60％，残余压应力 层的深度通常可达0.25mm，最大极限值为 1mm左右。喷丸强度需要一定的喷丸时间来保 证，经过一定时间，喷丸强度达到饱和后，再 延长喷丸时间，强度不再明显增加。
完善。表面工程这一概念，在20世纪80年代初，最早
由英格兰伯明翰大学Tom Bell教授提出。表面工程是 把材料表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用
表面改性技术，薄膜技术和涂镀层技术，使材料表面
获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。
1.2 表面工程内容
现代表面工程
基础理论
腐蚀与防护理论 表面摩擦与磨损理论 表面界面理论 表面强化与失效理论 表面结合与复合理论 多层表面与界面结合 表面膜层的电迁移 低维材料结构理论
1.1 表面技术分类
表面技术
涂镀技术
物理气相沉积(PVD) 化学气相沉积(CVD) 电镀及阳极氧化 化学镀 热喷涂喷焊 电刷镀 电泳镀层 涂镀(喷塑油漆)
表面改性处理
活性气体离子处理 气体扩渗 液体扩渗 固体扩渗 机械强化 激光表面处理 电子束表面改性 离子束表面改性
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
器件和新应用。这种多功能综合化的用于提高材料表 面性能的各种现代表面新技术称为现代表面技术。
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
1.2 表面工程学涵义
现代表面工程学
表面工程基础理论
表面工程技术
表面检测技术
表面工程技术设计
表面工程应用
腐蚀与防护理论 表面摩擦与磨损理论 表面完整性与界面理论 表面物理化学 表面微观结构分析 表面化学分析 表面物理性能测试 表面力学性能测试 表面几何特性测试 表面无损检测 表面层成分结构设计 表面复合功能层设计 表面选择与应用设计 表面工程施工设计 表面工程设备与工艺 流程设计 表面工程车间设计 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 ’
表面检测和评估
表面分析技术 表面物化特征 表面几何特征 表面力学特征
质量标准与质量评估
随着表面科学技术的迅速发展与工程应用，表面工程 学也已逐渐形成，成为正在发展中的新兴学科。在国 外和国内的有关高等院校，相继设立了 “表面工程’’ 专
业。
目前，表面工程学科的体系，正在不断的进行探索和
表面粗糙度
由于钢丸的喷射，对工件表面的粗糙度产生一 定的变化。影响表面粗糙度的因素有零件材料 的强度和硬度、弹丸直径、喷射的角度和速度、 零件的原始表面粗糙度。在其他条件相同的情 况下，零件材料的强度和表面硬度值越高，塑 性变形越困难，弹坑越浅，表面粗糙度值越小； 弹丸的直径越小，速度越慢，弹坑就越浅，表 面粗糙度值就变小；
表面工程基础理论
表面装饰与美学 表面机/力/热/光/声/电/ 磁等功能膜层设计理论 表面功能特性间耦合 转换复合性能理论 表面失效理论 低维材料的结构理论
表面工程技术
表面改性技术
表面形变强化
薄膜技术
电子学薄膜沉积技术 光电子薄膜沉积技术 集成光学薄膜沉积技术 传感器用薄膜沉积技术 金刚石薄膜沉积技术 耐蚀，耐磨， 抗高温氧化、防潮、 高强高硬、装饰 薄膜沉积技术 光学薄膜沉积技术