我对表面工程的认识讲课稿

我对表面工程的认识表面工程是表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需表面性能的系统工程。

表面工程技术是表面工程的核心和实质。

1.表面工程的基本知识1.1表面工程的发展历史·1983年首次由Prof. T.Bell提出。

英Birmingham大学成立澳福森表面工程研究所·1985年发行表面工程(Surface Engineering)杂志·1986年在布达佩斯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年在英国，1988年在日本召开ICSE·1987年12月在京成立中国机械工程学会表面工程研究所。

88年创刊《表面工程》杂志。

11月召开首届表工程研讨会。

1998年表面工程杂志更名为《中国表面工程》(CSE)1.2表面工程学的现状1.2.1表面工程技术分类○1表面涂镀技术将液态涂料涂覆在材料表面或将镀料原子沉积在材料表面形成涂层或镀层。

常见手段有热喷涂、堆焊、电镀、化学镀、气相沉积和涂装技术。

○2表面改性技术利用热处理、机械处理、离子处理和化学处理等方法，改变材料表面的成分及性能的技术。

常见手段有热扩渗、转化膜、表面合金化、离子注入和喷丸强化。

○3薄膜技术采用各种方法在工件表面上沉积厚度为100nm至1um或数微米薄膜的技术。

常见手段有气相沉积技术等。

1.2.2表面工程的特点表面工程技术最突出的技术特点是无需改变整体材质，就能获得本体材料所不具备的某些特殊性能。

表面技术多获得的表面覆盖层厚度一般从几十微米到几毫米。

1.2.3表面工程的功能装饰性：表面工程技术的传统作用之一是赋予表面更好的装饰性。

不过对于金属的纯装饰性表面处理不多，很多是在兼顾表面防护性能的前提下赋予材料的装饰性，如在钢制工件上底镀Cu、中镀Ni、表镀Cr，Cu层和Ni层起防护作用，而表镀的Cr层可长久保持装饰性金属光泽。

防护性：据不完全统计，全世界每年因表面磨损、表面腐蚀、表面摩擦、表面缺陷造成对金属、非金属损失约 3.0万~3.5万亿美金，约占全世界GDP的10%~12%。

表面工程技术的主要作用是：经表面改性、表面处理、表面涂覆或表面复合处理，解决材料表面磨损、表面腐蚀、表面摩擦、表面缺陷造成的破坏，从而延长材料的有效服役时间。

这既是表面工程存在的价值体现，也是表面工程发展的根本动力。

修复性：工件因腐蚀、磨损或其他原因造成工件表面基体材料或表面处理层失效后，可通过单一或复合表面工程技术的应用，恢复其表面应有的尺寸精度，兼或重新赋予与新品相当，甚至超过新品的表面性能及功能，实现工件、总成或产品的再制造。

功能性：表面工程技术除了具有以上主要作用外，还可赋予材料表面耐高温或耐低温、导电或绝缘、导磁或磁屏蔽、增光或反光、润湿或憎水、生物相容性或生物排他性等新的功能，发挥新的作用。

1.2.4表面工程的应用○1在保护、优化环境中的应用：(1)净化大气采用化学气相沉积和溶胶-凝胶等技术制成的催化剂载体，可有效地治理被污染的大气。

(2)净化水质过滤膜可采用化学气相沉积、阳极氧化和溶胶-凝胶等表面工程技术来制备。

(3)吸附杂质采用表面技术制成的吸附剂，可使空气、水、溶液中的有害成分被吸附，还可去湿、除臭。

(4)活化功能远红外具有活化空气和水的功能。

(5)绿色能源表面工程技术是开发绿色能源的基础技术之一，许多绿色能源装置都应用了气相沉积镀膜和涂覆技术。

○2在结构材料中的应用：表面工程技术在耐腐蚀性和装饰性方面起着重要作用，同时在强化、耐磨、装饰等方面也起着重要作用。

(1)表面防护表面防护主要是指材料表面防止化学腐蚀和电化学腐蚀等的能力。

采用表面工程技术能显著提高结构件的防护能力。

(2)耐磨性耐磨性是指材料在一定摩擦力条件下抵抗磨损的能力。

它与材料特性以及载荷、速度、温度等磨损条件有关。

利用热喷涂、堆焊、电刷镀和电镀等表面技术，在材料表面形成Ni基、Co基、Fe基、金属陶瓷等覆层，可有效地提高材料或制件的耐磨性。

(3)表面强化主要指通过各种表面强化处理来提高材料表面抵御除腐蚀和磨损之外的环境作用的能力。

(4)表面装饰具有光亮、色泽、花纹和仿照等功能。

合理地选择电镀、化学镀、氧化等表面技术，可以获得镜面镀层、全光亮镀层、亚光镀层、缎状镀层，不同色彩的镀层，各种平面、立体花纹镀层、仿贵金属、仿古和仿大理石镀层等。

○3在功能材料和元器件中的应用功能材料主要指具有优良的物理、化学和生物等功能，以及一些声、电、光、磁等互相转换功能，而被用于非结构目的的高技术材料，常用来制造各种装备中具有独特性能的核心部件。

材料的功能特性与其表面成分、组织结构等密切相关。

(1)电学特性利用电镀、化学镀、气相沉积、离子注入等技术可制备具有电学特性的功能薄膜及其元器件。

(2)磁学特性通过气相沉积技术和涂装等表面技术制备出磁记录介质、磁带、磁泡材料、电学屏蔽材料、薄膜磁阻元件等。

(3)光学特性利用电镀、化学镀、转化膜、涂装、气相沉积等方法，能够获得具有反光、光选择吸收、增透性、光致发光、感光等特性的薄膜材料。

(4)声学特性利用涂装、气相沉积等表面技术，可以制备掺杂Mn-Zn铁氧体复合聚苯胺款频段的吸波涂层、红外隐身涂层、降低雷达波反射系数的纳米复合雷达隐身涂层，声反射和声吸收涂层以及声表面波器件等。

(5)热血特性采用磁控溅射，涂装等方法制备。

(6)生物学特性具有一定的生物相容性和物理化学性质的生物医学材料，利用等离子喷涂、气相沉积、等离子注入等方法形成的一用涂层，可在保持基体材料特性的基础上，提高基体表面的生物学性质、耐磨性、耐蚀性和绝缘性等，阻隔基体材料离子向周围组织溶出扩散，起到改善同人体机能的作用。

在金属材料上制备生物陶瓷涂层，提高材料的生物活性，用作人造关节、人造牙等医学植入体。

将磁性涂层涂覆在人体的一定穴位上，有治疗疼痛、高血压等功能。

(7)各种转换功能采用表面工程技术可获得进行光-电，热-电，光-热，力-热，磁-光等转换功能的器件。

○4在再制造工程中的应用(1)再制造工程的内涵再制造工程是在维修工程和表面工程的基础上发展起来的新兴科学，是以产品全寿命周期论为指导，以实现废旧产品的性能提升为指标，以优质、高效、节能、节材和环保为准则，以先进生产技术和产业优化为手段，来修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。

简而言之为是废旧产品高技术修复、改造的产业。

其重要特征是，再制造以后的产品质量和性能达到或超过新品，成本只是产品的50%，可节能60%，节材70%，对环境的不良影响显著降低，可有力的促进资源节约型、环境友好型社会的建设。

(2) 再制造工程的效益和特色效益体现在：废旧产品的零部件因被直接用作再制造的毛坯而不是回炉冶炼获得钢垫，避免了回炉时对能量的消耗和对环境造成的二次污染；避免了由钢锭到新零件的二次制造时对能源的再次消耗和对环境的再度污染。

一方面提高了产品的绿色度，另一方面避免了成为固体垃圾而造成的环境污染。

表面工程技术的作用就是制备出由于本体材料性能的表面覆盖层，赋予工件表面耐蚀性、耐磨性即获得电、磁、光、声、热等功能。

1.2.5表面工程的意义1）表面工程技术是保证产品质量的基础工艺艺术，满足不同工况服役与装饰外观的要求，显著提高产品的使用寿命、可靠性与市场竞争能力。

2）表面工程技术是节能、节材和挽回经济损失的有效手段。

采用有效的表面防护手段，至少可减少腐蚀损失15~35%，减少磨损损失33%左右。

3）表面工程技术在制备新型材料方面具有特殊的优势4）表面工程技术是微电子技术发展的基础技术。

以化学气相沉积、物理气相沉积、光刻技术和离子注入为代表的表面薄膜沉积技术和表面微细加工技术是制作大规模集成电路、光导纤维和集成光路、太阳能薄膜电池等元器件的基础。

2．表面工程的发展趋势2.1面向绿色制造和节能降耗的表面工程国家可持续发展，对装备的绿色制造和装备运行的节能减耗提出了更高的要求，不断发展的真空离子镀膜、磁控溅射镀膜、蒸发镀膜、离子注入、离子清洁等及其复合技术正在替代传统对环境污染严重的电镀技术，在绿色制造和节能降耗中发挥了重要作用。

2.1.1替代传统电镀铬的绿色镀膜技术传统电镀铬是一种污染严重的工艺技术，尤其六价铬离子对水的污染非常严重，且难以消除，是公认的致癌物，给环境保护造成大量的困难。

为此，世界各国对替代传统电镀铬的新技术开展了大量的研究。

其中以物理气相沉积（PVD）为代表的绿色镀膜技术已成为其替代技术的研究热点。

2.1.2闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术磁控溅射离子镀技术因沉积温度低、易沉积多组元和梯度膜等优点受到精密制造及功能薄膜制备领域的广泛关注，但由于存在薄膜厚度沿靶基距方向的均匀性极差（平均递减速率＞3 μm/m）的技术瓶颈，严重制约了该技术的产业化推广。

2.1.3工程化超润滑复合碳膜技术工程化超润滑薄膜是指摩擦因数显著降低到10−3量级，并具有高技术工程应用价值的新型薄膜，这是一项近年来随着纳米科技和薄膜技术的发展而发展起来的前沿技术，在相关研究领域，主要研究包括：①具有一定晶体取向的类石墨薄膜；②溅射制备的纳米富勒烯结构二硫化钼（MoS2）薄膜；③磁控溅射制备的二硫化钨（WS2）薄膜；④采用气相沉积制备的类金刚石碳膜。

其中研究最广、最具有发展前景和工程应用价值的是特殊组成和结构的超润滑类金刚石薄膜，代表性工作如美国Argonne 国家实验室发出的在干燥惰性气氛中具有10−3量级超低摩擦因数的含氢类金刚石薄膜等。

但这一类薄膜存在内应力高、摩擦学性能环境依赖性强等主要问题，严重制约了这一类材料的应用。

2.2设备维修与再制造中的表面工程表面工程在装备维修与再制造发挥了重要的作用。

近年来在纳米电刷镀、纳米减摩自修复添加剂、热喷涂和激光表面强化等方面的研究取得了新的进展，将这些技术应用于设备维修和再制造，显著提高了零部件的质量。

2.2.1纳米电刷镀技术纳米电刷镀技术是我国研究人员将电刷镀技术与纳米材料技术相结合的创新性研究成果。

将纳米陶瓷颗粒或碳纳米管加入电刷镀溶液，并使其在基质镀液中均匀分散及稳定悬浮，可制备出高性能的电刷镀纳米复合镀层。

采用单液法和双液法还可以制备出纳米多层镀层。

2.2.2纳米减摩自修复添加剂技术纳米减摩自修复添加剂技术是一项新型的原位自修复技术。

当含有纳米颗粒（如铜粒）的复合添加剂被加入润滑油后，纳米颗粒随润滑油分散于摩擦副接触表面，在一定温度、压力、摩擦力作用下，添加剂中的纳米颗粒就会在摩擦表面沉积，并与摩擦表面作用。

当摩擦表面的温度高到一定值时，纳米材料颗粒强度下降，与金属表面产生结合，并填补表面微观沟谷，从而形成一层具有减摩耐磨作用的固态修复膜。