现代表面工程与技术概述

现代表面工程与技术

Modern Surface Engineering and Technology

什么是表面工程？

表面工程是将材料的表面与基体一起作为一个系统进行设计，利用各种表面技术，使材料的表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。

第一章表面技术概论

表面技术是直接与各种表面现象或过程相关的，能为人类造福或被人们利用的技术----宽广的技术领域。

一、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。

途径：

表面涂覆：各种涂层技术（电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、气相沉积、包箔、贴片）。

表面改性：喷丸强化、表面热处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理。

二、表面技术的分类

1、按作用原理

(1)原子沉积

电镀、化学镀、物理、化学气相沉积

(2)颗粒沉积

热喷涂、搪瓷涂敷

(3)整体覆盖

包箔、贴片

(4)表面改性

2、按使用方法

(1)电化学法

电镀、电化学氧化（阳极氧化）

(2)化学法

化学转化膜、化学镀

(3)真空法

物理、化学气相沉积、离子注入

(4)热加工法

热浸镀、热喷涂、化学热处理、堆焊

(5)其它方法

涂装、机械镀、激光表面处理

三、表面技术的应用

1、广泛性和重要性

(1)广泛性

➢内容广

➢基材广

➢种类多

遍及各行业，用于构件、零部件、元器件，效益巨大

(2)重要性

•改善耐腐蚀、磨损、氧化、疲劳断裂、辐照损伤

•提高产品长期运行可靠性、稳定性

•满足特殊要求（必不可少或唯一途径）

•生产各种新材料、新器件（在制备临界温度超导膜、金刚石膜、纳米多层膜、纳米粉末、纳米晶体材料、多孔硅中起关键作用；又是许多光学、微电子、磁性、化学、生物等功能器件研究和生产的基础）

2、在结构材料及构件和零部件上的应用

表面技术作用：防护、耐磨、强化、修复、装饰

3、在功能材料和元器件上的应用

制造装备中具独特功能的核心部件。

表面技术可制备或改进一系列功能材料及元器件

物理特性：

•光学

反射镜材料，防眩零件

•热学

散热材料，耐热涂层，吸热材料

•电学

表面导电玻璃，绝缘涂层

•磁学

磁记录介质，电磁屏蔽材料，磁泡材料

化学特性：

分离膜材料

4、在人类适应、保护和优化环境方面的应用

(1)净化大气

原料、燃料→CO2、NO2、SO2

措施：回收、分解

方法：制备触媒载体（钯炭、铂炭、钌炭、铑炭）

(2)净化水质

制备膜材料，处理污水、化学提纯、水质软化、海水淡化

(3)抗菌灭菌

TiO2（粉状、粒状、薄膜状）可将污染物分解

•当光照射半导体化合物时，并非任何波长的光都能被吸收和产生激发作用，只有能量E满足式(1)的光量子才能发挥作用。

•光子波长

h-普朗克常数，4.138×10-15 eV·s；

c-真空中光速，2.998×1017 nm/s

锐钛型TiO2的Eg = 3.2eV

•在TiO2粒子表面上，有还原作用；产生氧化作用。

在界面处的还原作用：

继续发生反应：

在界面处的氧化作用：

是强还原剂，可还原重金属离子：

（还原重金属离子为低价或零价）

是强氧化剂，可氧化降解有机物：

TiO2光催化材料的特性：

➢光催化活性高（吸收紫外光性能强；禁带和导带之间的能隙大，光生电子和空穴的还原性和氧化性强）

➢化学性质稳定,对生物无毒

➢在可见光区无吸收，可制成白色块料或透明薄膜

光催化剂的纳米尺寸效应：

•量子效应

当半导体粒径是纳米尺寸时，导带和价带间的能隙变宽，光生空穴和电子的能量增加，氧化还原能力增强

•表面积效应

随着粒子尺寸减小到纳米级，光催化剂的比表面积大大增加，对底物的吸附能力增强

•载流子扩散效应

粒径越小，光生电子从晶体内扩散到表面的时间越短，电子和空穴的复合几率减小，光催化效率提高

纳米TiO2光催化剂的制备：

纳米TiO2光催化剂的应用：

◆环保方面的应用

•有机污染物的处理

•无机污染物的处理

•室内环境净化

◆卫生保健方面的应用

•灭杀细菌和病毒

活性超氧离子自由基和羟基自由基HO•能穿透细菌的细胞壁，进入菌体，从而有效杀灭细菌。研究的范围包括TiO2光催化对细菌、病毒、真菌、藻类和癌细胞等的作用。

•抗菌材料

涂有TiO2纳米膜的抗菌瓷砖和卫生陶瓷用于医院、食品加工等场所

含纳米TiO2材料的假牙

新型的含纳米TiO2粉末的牙齿漂白剂

◆防结雾和自清洁涂层

◆光催化化学合成

纳米TiO2光催化技术的不足：

•光致电子和空穴对的转移速度慢，复合率高，导致光催化量子效率低•只能用紫外光活化，太阳光利用率低

提高TiO2光催化性能的主要途径：

➢贵金属沉积

➢离子掺杂

今后研究重点：

•对纳米TiO2催化剂进行修饰，研制复合纳米TiO2催化剂，提高催化活性

•加强采用自然光源和光催化剂固定技术的研究

•设计新型光催化反应器，提高光催化效率

(4)生物医学

•医用涂层：

•方法：气相沉积、等离子喷涂

•例：金属上涂生物陶瓷---人造骨、人造牙

(5)优化环境

调光、调温的“智慧窗”

方法：涂覆、镀膜