浅谈纳米表面工程

浅谈纳米表面工程

【摘要】阐述了纳米表面工程的产生背景，特点，内涵和科学问题，介绍表面纳米化的基本原理与制备方法，，总结了纳米材料在热喷涂技术、电刷镀技术、涂装技术、粘结剂技术、纳米薄膜制备技术的应用和研究进展。

【关键词】纳米表面工程特点应用发展前景

About Nano Surface Engineering

Wu xiaohui

(Shandong University Chemical Engineering and Technology 20071102060)

【Abstract】Nano surface engineering explained the background, characteristics, content and scientific issues, described the basic principles of surface nano crystallization and preparation methods, summarizes the nano-materials in thermal spray technology, brush plating technology, coating technology, adhesive technology , nano-thin films technology and research progress.

【Key words】Nano surface engineering; Characteristics; Application; Prospects

随着科学技术的发展, 纳米技术和纳米材料得到了广泛的应用。在此基础上, 将纳米技术和纳米材料与传统表面工程进行有机的结合, 诞生了一个新的学科——纳米表面工程。2000 年, 徐滨士、欧忠文等首先提出了“纳米表面工程”的概念, 标志着表面工程进入新的发展阶段。

1. 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、加工手段, 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。纳米表面工程是在纳米科技产生和发展的背景下, 对固体表面性能、功能和加工精度要求越来越高的条件下产生的。

1.1发展背景

随着纳米科学技术的快速发展，要求材料在特殊工况如超高温／低温、超高压、高真空、强氧化还原或腐蚀环境以及存在辐射、声吸收、信号屏蔽、承受点载荷等条件下服役的情况越来越多，由于纳米材料在强度、硬度、韧性和其它力、电、声、光、热、磁方面表现出与宏观材料炯异的特质，因此传统材料表面纳米化就显得特别重要而赋有意义。为适应纳米科技发展带来的变化，需建立与之相适应的表面工程—纳米表面工程。纳米材料和纳米技术与传统表面工程交叉、复合、综合并开发应用。

从技术层面上看, 单一传统的表面处理或加工技术称为第一代表面技术；运用组合技术或复合表面处理技术的称为第二代表面技术; 纳米表面工程中涉及的纳米表面技术, 称为第三代表面技术。

1.2 特点

1)对表面设计化程度和要求更高；

2)加工技术更精细；

3)对加工技术的依赖程度更突出；

4)取决基体性能和功能的因素被弱化, 而基于表面的作用和功能被提升；

5)采用的非传统表面加工和复合表面加工方法更多；

6)加工环境对表面加工的精度、加工质量影响越来越大；

7)表面处理、改性和功能化的自由度扩大；

8)产品的附加值也会更高。

1.2内涵

纳米表面工程的内涵包括三方面：一是材料表面的纳米化改造与纳米结构组

装；二是纳米超光滑表面的加工；三是纳米尺度超微细图形的加工。

材料表面的纳米结构组装按构筑过程中的驱动力是靠内因还是外因来划分大致可分为两大类：一是人工纳米结构组装体系，即按人的意志，利用物理和化学的方法，人工的将纳米尺度的物质单元组装、排列成一维、二维和三维纳米结构体系，如表面纳米结构涂层的组装、表面纳米功能涂层的组装、纳米介孔复合体的组装等；二是表面纳米结构自组装体系和分子自组装体系，它是通过弱的和较小方向性的非共价键把原子、分子或离子连接在一起构筑成纳米结构、分子聚集体或纳米结构花样。

1.3科学问题

纳米表面工程的科学问题主要有 3 个：

（1）材料的表面改性、界面及非平衡条件下低维材料的结构和行为，如纳米等低维非平衡材料结构的形成演化及表征，以及对结构、物理性能、化学性能、力学性能等基本问题进行深入研究，有助于达到表面的优化设计和有效控制；

（2）宏观、介观和微观的一体化研究，从而揭示出两个新的科学问题：一是“尺度问题”，即怎么进行不同尺度层次－宏观、介观及微观下的过渡及其相应的内在联系，如体相材料表面原子排布对单晶格、超晶格和纳米超薄膜的生长、力学性能等有何影响；二是“群体演化问题”，即如何描述介观、微观结构和缺陷作为群体所体现的交互作用和演化问题；

（3）“环境问题”，即宏观环境中介观材料的行为和作用，介观环境中微观粒子的行为和作用。

2．表面纳米化

2．1 基本原理与制备方法

（1）表面涂层或沉积

首先利用纳米粉体制备技术获得具有纳米尺度的颗粒，再将这些颗粒通过表

面技术固结在材料的表面，形成一个与基体化

学成分相同（或不同）的纳米结构表层，见图1

（a）。这种材料的主要特征是：纳米结构表层内晶粒大小比较均匀、晶粒尺寸可以控制；表层与基体之间存在着明显的界面；材料的外形尺寸较处理前有所增加。

许多常规表面涂层和沉积技术都具有开发纳米表面膜层的潜力，如PVD、CVD、电沉积等，关键是实现表层与基体之间以及表层纳米颗粒之间的牢固结合。

（2）表面自身纳米化

对于多晶材料，采用非平衡处理方法增加材料表面的自由能，可以使粗晶组织逐渐细化至纳米量级，见图1（b）。这种材料的主要特征是：晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大；纳米结构表层与基体之间没有明显的界面；处理前后材料的外形尺寸基本不变。

由非平衡过程实现表面纳米化主要有两种方法，即表面机械（加工）处理法和非平衡热力学法，不同方法所采用的工艺和由其导致纳米化的微观机理存在着较大的差异

（3）混合纳米化方法

如图1（c）所示，在制备热喷涂层、电刷镀层、粘涂层等表面工程涂覆盖时，在基质层中符合纳米颗粒以改变涂覆层笨死的综合性能或制备出特殊的功能涂层。

2.2 表面纳米化对化学处理的影响

（1）表面纳米化能够显著地加快原子在金属材料中扩散的动力学过程。化合物层的生长速度取决于化学反应和原子扩散两个因素，对于具有纳米结构表层的材料来说，表层的纳米晶粒具有较高的化学活性，可以有效地提高化学反应的动力学过程，而表层存在的大量晶界可以为氮原子的快速扩散提供理想的通道。

（2）表面纳米化能有效地提高金属表面扩散原子的浓度和深度，使材料表面和整体的性能（如强度、硬度、疲劳、耐磨性和耐蚀性等）能够在表面纳米化或化学处理的基础上得到进一步的提高，这不仅可以使材料的性能潜力得到充分的发挥，也使得利用廉价材料取代昂贵材料成为可能。