表面工程技术

表面改性技术。实际上“表面改性”是一个具有较为广泛涵义的技术名词，
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它可泛指“经过特殊表面处理以得到某种特殊性能的技术”。因此，有许多表 面涂镀层技术或薄膜技术也可看作表面改性技术。为了使各类技术归类完整， 这里所说的表面改性技术是指“表面覆盖”以外的，通过用机械、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，来获得某种特殊性能的表面处理技术。
涂层材料品种的发展也很快，已有单一金属、多种合金、高分子聚合物、 工程塑料、合成橡胶、陶瓷、金属陶瓷、无机硅酸盐及具有特殊光、磁、电 性能等等材料。同时制造涂层和薄膜的工艺技术和工艺方法亦愈来愈多，有 电沉积、化学沉积、真空沉积、浸镀、刷镀、静电喷涂、电泳、电弧喷涂、 等离子喷涂、爆炸喷涂、超音速喷涂、热熔敷、激光熔覆等。各类制造涂层 与薄膜的工艺技术促进了相应工程装备的发展，工程技术界不断推陈出新， 各类加工制造用设备愈来愈先进。
3. 常见表面技术的原理与应用
在上述三大类表面技术中，每一类又可分为多种技术，下面仅就几种常 见的利用化学或物理化学原理的表面技术及应用作一简单介绍。
3.1 涂料
涂料(coating)是一种用于涂装物体表面形成涂膜，从而起到保护、装饰、 标志和其他特殊功能（如绝缘、防污、减阻、隔热、耐辐射、导电、导磁等） 的材料。
我国于 1987 年由中国机械工程学会建立了学会性质的表面工程研究所， 1988 年《中国表面工程》杂志在中国创刊，1997 年经国家科委正式批准更名 为《中国表面工程》，面向国内外公开发行，2000 年，全国焊接学会将原来 的“堆焊与热喷涂专业委员会”正式更名为“堆焊及表面工程专业委员会”。 从 1989 年召开了第一届全国表面工程学术交流会起，以后每两年召开一次， 并先后于 1997 年 11 月和 1999 年 10 月在上海召开了第一届及第二届表面工 程国际会议。与此同时，我国的大专院校、科研院所、工矿企业也相继建立 了数以百计的以“表面工程”或“表面技术”冠名的研究机构，从而使表面 工程的发展达到了一个新的高度。图 1 列出了表面工程产业的概览。
按照用途涂料可分为 3 大类：建筑涂料、产品涂料和特种涂料。建筑涂 料主要包括用于装饰和保护建筑物外壁和内壁的涂料，占涂料总量的 50%左 右，其中乳胶漆占 70%以上。产品涂料通常也叫工业漆，是在工厂里施工于 汽车、家电、电磁线、飞机、家具、金属罐等等上的涂料，占涂料总产量的 30%左右。其余 20%左右的是特种涂料，它是指在工厂外施工的工业涂料和 一些其他涂料，如防火涂料、防水涂料、耐高温腐蚀的陶瓷涂料、示温涂料、 导电涂料、磁性涂料、路面标线涂料、防霉灭虫涂料、耐磨涂料、海洋重防 腐涂料等等。特种涂料不仅要满足国防尖端产品和高科技发展的特殊需要， 而且还要满足国民经济各部门新发展的特种要求。
表面工程是将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。可以说，在材料表面上所发生的各种技术都是表面工 程的一部分。
表面工程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，或赋予材料一种全新的表面。一方面它可有效地改善和 提高材料和产品的性能（耐蚀、耐磨、装饰性能），确保产品使用的可靠性和 安全性，延长使用寿命，节约资源和能源，减少环境污染；另一方面还可赋 予材料和器件特殊的物理和化学性能。随着现代科学技术的发展，表面工程 技术在表面物理和表面化学理论的基础上，融汇了现代材料学，现代信息技 术，现代工程物理，现代医学，现代农学，现代制造技术，在工业、农业、 能源、医学、信息、工程、环境和与人类生活密切相关的领域取得了突飞猛 进的发展。
干性油
成膜物质
天然油脂
天然树脂 合成树脂
半干性油 不干性油 合成树脂
涂料的组成
颜料 溶剂 助剂
着色颜料 体质溶剂 防锈颜料 其他颜料 植物性溶剂 石油溶剂 煤胶溶剂 脂类、酮类、醇类 催干剂 增韧剂 固化剂 其他助剂
图 2 涂料的组成
膜中，能使涂膜呈现色彩和具有遮盖力，还能增强涂膜的耐老化性和耐磨性 以及增强膜的防蚀、防污等能力。颜料的种类很多，如白色颜料有钛白粉 （TiO2）、锌白（氧化锌）等，黑色颜料有炭黑、氧化铁黑（Fe3O4），彩色颜 料有铬黄（PbCrO4）、铁红（Fe2O3）、铁蓝（普鲁土蓝 FeK[Fe(CN)6]·H2O） 等，还有金属颜料如铝粉（俗称银粉）、防锈颜料如磷酸锌等等。除此之外， 还有大量的有机物颜料。
1、涂料的组成
涂料的组成按功能包括 4 部分：成膜物质、颜料、溶剂和助剂，如图 2 所示。
① 成膜物质：是在涂料中能形成涂膜的主要物质，是决定涂料性能的 主要因素，有时也叫基料或漆料。主要有油酯、天然树脂、天然高分子及合 成树脂等。
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② 颜料：颜料通常是固体粉末，虽然本身不能成膜，但它始终留在涂
值得一提的是，由于表面涂层、表面薄膜、表面改性在材料科学上的巨 大发展潜力，已涌现出将多种表面工程技术复合而形成的复合表面处理技术。 目前已开发的一些复合表面处理如等离子喷涂与激光辐照复合、热喷涂与喷
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第 8 章 现代化学的研究进展
丸复合、化学热处理与电镀复合、激光淬火与化学热处理复合、化学热处理 与气相沉积复合等，已经取得良好效果，有的还收到了意想不到的效果。

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面有一层厚度为 10μm 的含铬的氧化层。进入到 20 世纪，通过各种物理化 学方法在材料表面制造涂层和薄膜，已发展成为比较成熟的系统的工程技术。 到 80 年代提出了表面工程这个新概念的时候，表面工程技术已成为世界上 10 大关键技术之一。1986 年国际热处理联合会更名为国际热处理与表面工程 联合会，1987 年中国机械工程学会表面工程研究所成立。进入 90 年代，其 发展势头更猛，各国竟先把表面工程列入研究发展规划。美国工程科学院向 美国国会提出的 2000 年前集中力量加强发展的 9 项科学技术中，有关材料的 项目仅提出了材料表面科学与表面技术的研究。
2.表面技术的分类
表面技术有着十分广泛的内容，仅从一个角度进行分类难于概括全面， 目前也没有统一的分类方法，从图 1 中可见，表面工程技术有很多种，但大 体可以将表面工程技术分为三类：表面改性技术、薄膜技术和涂镀层技术。
表面改性技术 图 1 中的表面改性和表面转化两个方面的技术都可属于
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第 8 章 现代化学的研究进展
很久以前，涂料都是用植物油和天然树脂加工而成，所以通称油漆,1790 年英国建立了第一个油漆厂。随着工业的发展，合成树脂逐步取代了植物油， 所以现在把涂装物面的各种材料统称为涂料。涂料作为一个工业部门仅有百 年的历史，但其应用却非常广泛。在我们的周围，可以说涂料无处不在，从 室内的墙壁、冰箱、橱柜和家具，甚至录音录象带和光盘上，到户外的房屋、 汽车、船舶、桥梁、饮料罐以及口香糖包装等等地方随处可见。 目前涂料品种已近千种、产量逐年增加。1996 年全球涂料产量约 2300 万吨， 全球涂料市场为 600 亿美元左右。我国自改革开放 20 多年来，涂料产量的年 增长率约为 10%，目前生产能力已超过 250 万吨，产量挤身于世界第三位。 下面就涂料的组成、分类和成膜的基本原理作一简单介绍。
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第 8 章 现代化学的研究进展
2、涂料的分类
经过长期的发展，涂料的品种特别繁杂，用途也各异，有许多分类方法， 主要介绍下面 3 种：
根据主要成膜物质可分为有机涂料和无机涂料，有机涂料中根据成膜树 脂类型又可分为醇酸、环氧、丙烯酸涂料等。
按照溶剂类型又可分为溶剂型（以有机溶剂为分散剂，又分为低固体份 和高固体份两种）涂料、水性（以水为溶剂）涂料、粉末涂料、辐射固化涂 料等。未来涂料发展的方向将体现在以下两个方面向：一是向更加环保、绿 色方向发展，将不断开发出高固体份、水性、粉末和辐射固化的涂料；二是 向更加功能化的方向发展，各种功能化特种涂料产品将不断问世。表 1 给出 了世界主要工业化地区涂料产品结构。
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引言
表面工程形成一门独立的学科虽然只是近 20 年的事，但其发展之快、涉 及范围之广、对人们生产生活影响之大是当初大多数人所始料未及的。表面 工程的概念由英格兰伯明翰大学教授汤·贝尔（Tom Bell）于 1983 年首次提 出，现已发展成为跨学科的边缘性、综合性、复合型学科。
③ 溶剂：涂料中加入溶剂，为的是溶解或分散成膜物质，降低成膜物 质的粘稠度，以便施工得到均匀而连续的涂膜。溶剂在成膜过程中挥发掉， 所以又叫挥发分。所用的溶剂有有机溶剂和水。
④ 助剂：在涂料中应用的助剂越来越多，其用量往往很小，占总配方 的百分之几，甚至千分之几，但它们在改善性能，延长贮存期限，扩大应用 范围和便于施工等方面常常起很大的作用。包括催干剂、增塑剂、润湿剂、 分散剂、防沉淀剂，此外，还有防结皮剂、防霉剂、增稠剂、触变剂、消光 剂、抗静电剂、紫外线吸收剂、消泡剂、流平剂等等。
简言之，表面工程技术通过各种技术手段发展了材料的性能，丰富了材 料的用途，满足了社会发展的需要，开创了材料发展的新纪元。随着生产技 术的进步，必将促使表面工程技术领域涌现出越来越多的新技术、新方法， 以便与日益进步的社会发展相适应。正如一些国内外知名专家预言：表面工 程学科将在新世纪成为工程技术领域中令人瞩目的核心学科和重要学科。
1．表面工程的形成与产业的发展
表面工程技术可以追溯到古代。早在遥远的年代，人类就已在木材表面 涂刷桐油来增强木材的强度、抗水性和防虫蛀。3 千多年前中国的大漆，2 千多年前秦始皇墓中青铜剑表面改性就是极好的例证。20 世纪 80 年代在秦 始皇墓二号坑出土了 19 把青铜剑，经历了二千多年时光的考验，竟光亮如新、 锋利如初，甚至可以切断一根发丝，实在是一个奇迹。经分析，这是因为表