第七章 材料表面技术
材料表面技术
二、铝及铝合金的阳极氧化
阳极氧化是将金属零件（如铝件）作为阳极 放置于适当的电解液中（如硫酸、铬酸、草酸等 水溶液），在外加电流的作用下，表面生成氧化 膜的方法。由于材料和阳极氧化工艺参数不同， 阳极氧化膜具有不同的厚度（从几微米到几百微 米）、颜色和特性，从而可适应不同的用途。
铝及铝合金的阳极氧化
铝阳极氧化膜具有以下主要特性:
（1）多孔性 氧化膜具有多孔的蜂窝状结构。 这种多孔结构可使膜层对各类有机物（如涂料、胶 粘剂、染料等）表现出良好的吸附能力，故可作为 涂镀层的底层；也易于将氧化膜染成各种不同的颜 色（即着色能力），而具有装饰特性。
（2）耐蚀性 铝氧化膜在大气中很稳定，因而 具有耐蚀特性，为进一步保持或提高耐蚀效果，不 论氧化膜是否染色，均需对其进行封闭处理（如热 水封闭、蒸汽封闭、重铬酸盐封闭、有机物质封闭 等）。
电镀
（一）单金属电镀
单金属电镀是指电镀液中只含一种金属离子， 电沉积后形成单一金属镀层的方法。常用的单金属 电镀有镀锌、镀铜、镀镍、镀铬、镀锡和镀镉等，
镀铬层具有高的硬度与耐磨性、耐蚀性和美观 的表面，故常用于耐磨、耐蚀和装饰场合，如冷作 模具镀铬、发动机活塞环镀铬、自行车零件镀铬、 照相机零件及餐具镀铬等。镀铬液主要由含有少量 硫酸的铬酐（CrO3）组成。
材料表面技术的应用
（二）在功能材料及元器件上的应用
表面技术能有效地赋予材料表面优良的特殊物 理、化学和生物等性能及其相互转化的功能，可用 来制备或改进一系列功能材料及元器件。如导电玻 璃、太阳能选择吸收膜、电磁屏蔽材料、吸声涂层、 吸热及散热材料、分离膜材料等。尤应受到重视的 是具有功能转换特性的功能材料与器件，如薄膜太 阳能电池、电致发光器件、薄膜发热材料、光磁记 录材料等。
【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。
材料表面工程的技术手段与应用
材料表面工程的技术手段与应用随着社会的发展，科技的进步，现代工业对材料性能的要求越来越高，其中对材料表面性能的要求尤为突出。
如何对材料表面进行改性以达到更优异的性能成为了工业界的重要问题。
材料表面工程是现代表面技术的重要分支之一，其主要是利用先进的材料表面处理技术手段，对材料表面的原有性能进行改性以达到一定的需要，广泛应用于航空、电子、机械、汽车、建筑等领域。
一、材料表面工程的技术手段1.化学镀膜化学镀膜是表面工程的一种简单、方便、低成本的处理方式，主要是将金属离子还原成金属沉积在材料表面上，从而提高材料表面的硬度、耐腐蚀性和装饰性等。
常见的化学镀膜有镀铬、镀铜、镀镍等。
2.物理镀膜物理镀膜是利用真空技术将一层金属沉积在材料表面上的一种表面处理方式，主要包括真空镀膜和溅射镀膜两种。
真空镀膜是将金属加热至蒸气状态，将气体抽空后，由真空镀膜设备内的电子围绕金属，离子产生激发，然后金属沉积在材料表面上的一种表面处理方式。
溅射镀膜是将材料置于被放电的惰性气体间，利用被放电的气体产生的离子将材料表面上的原子溅射掉，然后使被溅射的材料沉积在所需表面上的一种处理方式。
3.化学处理化学处理主要是利用化学反应改变材料表面的物理结构和化学性质，达到材料的改性目的，如氧化、氟化、磷化等。
其中，氧化处理是指将材料表面置于高温酸性或碱性溶液中使其氧化形成一定厚度的氧化层，从而提高材料表面的硬度和抗腐蚀性等。
4.电化学处理电化学处理是指在电解液中，利用电场变化来使材料表面的原有金属结构进行变化，从而起到一定改性效果的处理方式，如阳极氧化、电化学陶瓷涂层等。
二、材料表面工程的应用1.抗腐蚀材料表面的腐蚀问题是材料在使用过程中面对的主要问题之一，而材料表面工程从原始材料选择、制备加工、表面改性等多方面入手，通过现代的表面处理技术控制材料表面的微观结构、物理化学性质，从而实现材料表面的抗腐蚀性能的提高。
2.功能材料表面工程技术在功能材料的制备中发挥了非常重要的作用。
第七章气相沉积技术
离子镀膜的基本过程
蒸发 材料
蒸发材料 被电离
离子加速
基片 (工件)
气体光辉放电
镀膜材料的蒸发、材料离子化、离子加速、离子轰击 工件表面沉积成膜。
28
离子镀膜的特点
膜层的附着力强，不易脱落，这是离子镀膜的重要特性。
如在不锈钢上镀制2050m厚的银膜，可以达到300MPa的 粘附强度，钢上镀镍，粘附强度也极好。
1
负偏压
靶
plasma
基片
物理 气相沉积
反应性气体 CH4
基片
化学 气相沉积
2
7.1 气相沉积的过程
气相沉积基体过程包括三个步骤： （1）提供气相镀料；
蒸发镀膜: 使镀料加热蒸发； 溅射镀膜: 用具有一定能量的离子轰击，从靶材上击出镀料原子。 （2）镀料向所镀制的工件（或基片）输送 （在真空中进行，这主要是为了避免过多气体碰撞） 高真空度时（真空度为 10-2Pa）： 镀料原子很少与残余气体分子碰撞，基本上是从镀源直线前进至基片； 低真空度时（如真空度为 10Pa）： 则镀料原子会与残余气体分子发生碰撞而绕射，但只要不过于降低镀膜 速率，还是允许的。 真空度过低，镀料原子频繁碰撞会相互凝聚为微粒，则镀膜过程无法进 行。
22
3）溅射镀膜工艺与应用
溅射薄膜按其不同的功能和应用可大致分为机械功能膜和 物理功能膜两大类。
前者包括耐磨、减摩、耐热、抗蚀等表面强化薄膜材料、 固体润滑薄膜材料；后者包括电、磁、声、光等功能薄膜 材料等。
23
采用Cr、Cr-CrN等合金靶或镶嵌靶，在N2、CH4等气氛 中进行反应溅射镀膜，可以在各种工件上镀Cr、CrC、 CrN等镀层。纯铬膜的显微硬度为425～840HV，CrN膜 为1000～350OHV，不仅硬度高且摩擦系数小，可代替水 溶液电镀铬。
第七章 表面形变强化技术
渗碳钢经喷丸后的残余压应力
• 常用的渗碳钢经喷丸后，表层的残留奥 氏体有相当大的一部分将转变成马氏体， 因相变时体积膨胀而产生压应力，从而 使得表层残余应力场向着更大的压应力 方向变化。
• 在相同喷丸压力下： • 大直径弹丸喷丸后的压应力较低，压应 力层较深； • 小直径弹丸喷丸后表面压应力较高，压 应力层较浅，且压应力值随深度下降很 快。 • 对于表面有凹坑、凸台。划痕等缺陷或 表面脱碳的工件，通常选用较大的弹丸， 以获得较深的压应力层，使表面缺陷造 成的应力集中减小到最低程度。
喷丸产生的残余压应力
• 经喷丸和滚压 后，金属表面产生 的残余压应力的大 小，不但与强化方 法、工艺参数有关， 还与材料的晶体类 型、强度水平以及 材料在单调拉伸时 的硬化率有关。
残余压应力
• 具有高硬化率的面心立方晶体的镍基或铁 基奥氏体热强合金，表面产生的压应力高， 可达材料自身屈服点的2－4倍。
喷丸强度
• 当弧高度f达到饱和值，试片表面达到全覆 盖率时，以此弧高度f定义为喷九强度。 • 喷丸强度的表示方法是0.25C或fc=0.25， 字母或脚码代表试片种类，数字表示弧高 度值（单位为mm）。
（2）表面覆盖率试验
• 喷丸强化后表面弹丸坑占有的面积与总面 积的比值称为表面覆盖率。 • 一般认为，喷丸强化零件要求表面覆盖率 达到表面积的100％即全面覆盖时，才能有 效地改善疲劳性能和抗应力腐蚀性能。
（4）玻璃弹丸
• 近十几年发展起来的新型喷丸材料， 已在国防工业和飞机制造业中获得广泛应 用。 • 脆性较大 。
（5）陶瓷弹丸
• 弹丸硬度很高，但脆性较大。喷丸后表层 可获得较高的残余应力。
（6）聚合塑料弹丸
• 是一种新型的喷丸介质，以聚合碳酸酯为 原料，颗粒硬而耐磨，无粉尘，不污染环 境，可连续使用，成本低，而且即使有棱 边的新丸也不会损伤工件表面。
自然科学知识：材料和工程的表面处理技术
自然科学知识：材料和工程的表面处理技术表面处理技术是材料和工程领域中非常关键的技术之一，其主要目的是改善材料或产品的表面性能，使其具有更好的耐用性、强度、耐磨性、耐腐蚀性等特性，同时也能够实现更美观的外观效果。
本文将从表面处理技术的定义、类别、应用领域以及未来发展等角度进行探讨。
一、表面处理技术的定义表面处理技术是指通过改变材料表面物理、化学或机械性质的方法，从而获得所需要的表面性能的技术。
表面处理技术可以涉及到对材料表面物理性质的改变，如表面清洁、打磨、抛光等；可以涉及到对材料表面化学性质的改变，如电镀、喷涂、涂层、氧化等；也可以涉及到对材料表面机械性质的改变，如增强表面硬度、耐磨性等。
二、表面处理技术的类别1.清洗类表面处理技术清洗类表面处理技术是指利用各种清洗剂或机械力量清除材料表面附着物的方法。
这种技术广泛应用于半导体、电子、汽车等行业，能够减少表面缺陷，提高材料表面的可靠性和稳定性。
2.表面涂层类表面处理技术表面涂层类表面处理技术是指利用各种化学或物理涂层方法在材料表面形成一定厚度和特定性质的薄层。
涂层材料可以是金属、非金属、光敏物质等。
这种技术广泛应用于航空航天、汽车、机械等行业，能够显著提高材料表面的耐磨、耐腐蚀等性能。
3.表面改性类表面处理技术表面改性类表面处理技术是指在材料表面产生一定的化学物理变化，从而改变材料原有的性质。
本类技术主要包括注塑、电镀、氧化、阳极化等技术，其主要应用于汽车、电子、半导体等行业，能够大大提高材料的表面硬度、抗腐蚀性、机械强度等性质。
三、表面处理技术的应用领域表面处理技术广泛应用于各种领域，具有很高的经济效益和社会效益。
下面列举了一些典型的应用领域。
1.电子行业电子行业中的芯片、集成电路、显示屏等产品，表面处理技术是不可或缺的关键环节。
通过表面清洗、氧化、电镀等技术的应用，能够提高产品稳定性和可靠性。
2.汽车行业汽车构成多种材料，如铝、钢、玻璃等，通过表面处理技术能够提高车身外观效果，同时也是提高汽车耐用性和安全性的重要手段。
材料表面技术
电镀的基本原理电镀的基本过程电镀的基本过程（以镀镍为例）是将零件浸在金属盐的（如NiSO4）溶液中作为阴极，金属板件作为阳极，接通电源后，在零件表面就会沉积出金属镀层。
如右图所示：例如在硫酸镍电镀溶液中镀镍在阴极上发生还原的反应：Ni2++2e-→Ni （2-1）另外，镀液中的氢也会还原为氢的副反应：2H++2e-→H2↑（2-2）析氢副反应可能会引起电镀零件的氢脆，造成电镀效率降低等不良后果。
在镍阳极上发生金属镍失去电子变为镍离子的氧化反应：Ni→Ni2++2e- （2-3）有时还有可能发生如下的副反应：4OH-→2H2O+O2+4e- （2-4）在电镀过程中，电极反应是电流通过电极/溶液界面的必要条件，正因如此，阴极上的还原沉积过程由以下几个过程构成：①溶液中的金属离子（如水化金属离子或络合离子）通过电迁移、对流、扩散等形式到达阴极表面附近；②金属离子在还原之前在阴极附近或表面发生化学转化；③金属离子从阴极表面得到电子还原成金属原子；④金属原子沿表面扩散到达生长点进入晶格生长，或与其他离子相遇形成晶核长大成晶体。
影响镀层质量的因素⑴镀前处理质量⑵电镀溶液的本性⑶基体金属的本性⑷电镀过程电流密度、温度和搅拌等因素⑸析氢反应——在电镀过程中，大多数镀液的阴极反应都伴随着有氢气的析出，在不少情况下析氢对镀层质量有恶劣的影响，主要有针孔或麻点，鼓泡氢脆等。
如当析出的氢气黏附在阴极表面会产生针孔或麻点，当一部分还原的氢原子渗入基体金属或镀层中，使基体金属或镀层的韧性下降而变脆叫氢脆。
为了消除氢脆的不良影响，应在镀后应在镀后进行高温除氢处理。
⑹镀后处理电镀锌工艺分为氰化物镀锌和无氰镀锌两类。
氰化物镀锌工艺特点：电镀液具体较好的分散能力和深镀能力，对杂质的敏感性小，工艺容易控制，操作及维护简单，电流密度与温度范围宽。
电极反应阴极主反应：[Zn(CN)4]2-+4OH-→[Zn(OH)4]2-+4CN-[Zn(CN)4]2- →Zn(OH)2+2OH-Zn(OH)2+2e- →Zn+2OH-阴极副反应：2H2O+2e- →H2↑+2OH-阳极主反应：Zn →Zn2++2e-Zn2+再分别与CN-和OH-络合Zn2++4CN- →[Zn(CN)4]2-Zn2++4OH- →[Zn(OH)4]2-当阳极钝化时，还将发生析出氧气的副反应：4OH- →2H2O+O2+4e-氰化物镀锌镀液的组成及作用：氧化锌是提供锌离子的物质，为主盐，氰化钠是主络合剂，氢氧化钠是辅助络合剂；硫化钠是一种主要的添加剂，使重金属杂质沉淀以保证镀层质量，还有使镀层产生光亮的作用。
材料表面工程技术
5) 涂料涂装
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。涂料分为溶剂性涂料、水溶性涂料、 固体分子涂料和粉末涂料。主要应用在高级轿车、 机械的非工作裸露表面、家电产品、船舶、钢结构 的装饰、防锈涂装。
14
物理气相沉积（PVD）
蒸镀 离子镀
溅射镀
化学气相沉积（CVD）
将等离子体引入化学气相沉积形成
3
4
表面技术在国民经济中起着不可估量的作用，表 面技术作为材料科学与工程的前沿，是人类进步的 里程碑，是尖端技术发展的基本条件。
表面技术的应用，能使产品不断更新、物美价 廉、占领市场并明显提高经济效益。产品的更新换 代要求物美价廉、各种机件、构件、管道和设备要 求延长寿命它促进和推动传统产业的技术进步，并 引起产业结构的变化，是知识密集、技术密集、保 密性强的新兴产业。
5
1） 表面润湿与反润湿技术 2） 表面催化技术 3） 膜技术 4） 表面化学技术
6
Байду номын сангаас
表面技术有着广泛的涵义，综合来看大致可分
为： ①表面技术的基础和应用理论②复合表面处理
技术、表面改性和表面涂覆技术③表面加工技术④
表面分析和测试技术⑤表面工程技术设计。
7
1) 金属化学沉积涂镀层 a. 电镀是利用电解作用，使具有导电性能的工件表
10) 溶胶-凝胶膜
将溶胶用喷涂或浸渍等方法涂于基材上，经反应形成凝 胶，经干燥或烧结等处理，制成所需要薄膜层，性能好，可 裁剪，适于制备多功能或大面积薄膜层，如超导薄膜、高效 吸波材料、磁性薄膜等，但成本较高。
17
运用现代技术，改变
材料表面、亚表面的成分、
材料表面工程技术课件
功能材料表面改性实例
高分子材料表面改性
通过化学或物理方法，改变高分子材料的表面能、极性和 润湿性，提高其与其它材料的粘结性和相容性。
石墨烯表面修饰
通过化学反应，在石墨烯表面引入官能团或其它基团，改 变其物理和化学性质，实现其在传感器、电池等领域的应 用。
通过电解作用在材料表面附着一层金属膜的技术
详细描述
电镀技术利用电解原理，在材料表面附着一层金属膜，以提高材料的耐腐蚀性 、耐磨性和装饰性。电镀技术广泛应用于汽车、电子、建筑和航空航天等领域 。
化学镀技术
总结词
通过化学反应在材料表面沉积金属或合金的技术
详细描述
化学镀技术利用化学反应在材料表面沉积一层金属或合金，以提高材料的耐腐蚀 性、耐磨性和导电性。化学镀技术广泛应用于电子、生物医学和装饰等领域。
生物材料表面改性
通过物理或化学方法，改变生物材料的表面性质，使其具 有更好的生物相容性和功能性，如组织工程、药物传递和 生物检测等领域的应用。
05
材料表面工程技术展望
新材料表面工程技术的发展趋势
纳米表面工程技术
利用纳米技术提高材料表 面的耐磨、耐腐蚀和抗疲 劳等性能，满足高精度、 高性能的应用需求。
化学气相沉积技术
总结词
通过化学反应将气态物质转化为固态物质沉积在材料表面的技术
详细描述
化学气相沉积技术利用化学反应将气态物质转化为固态物质，并沉积在材料表面，形成一层薄膜。化 学气相沉积技术广泛应用于电子、光学和生物医学等领域。
03
材料表面改性技术
表面合金化技术
表面合金化技术是通过在材料表面添加合金元素，改变材料表面的成分和结构，从 而提高材料表面的性能。
材料表面工程技术课件
面的功能性，广泛应用于电子、纺织、生物医学等领域。
等离子体表面处理工艺
03
包括等离子体类型选择、处理时间、功率等参数控制，对处理
效果和材料性能具有重要影响。
05
材料表面工程技术应用案例
航空航天领域的应用案例
பைடு நூலகம்
涂层技术
采用等离子喷涂、超音速喷涂等技术，制备耐高温、抗氧 化、抗腐蚀等性能的涂层，提高航空航天材料的使用寿命 和安全性。
表面强化技术
应用离子注入、激光表面处理等强化技术，提高航空航天 材料的硬度、耐磨性和抗疲劳性能，增强其承载能力和使 用寿命。
特种焊接技术
采用电子束焊接、激光焊接等特种焊接技术，实现航空航 天材料的高强度、高质量连接，确保其结构完整性和安全 性。
汽车工业的应用案例
01
电镀技术
应用镀锌、镀铬等电镀技术，提高汽车零件的耐腐蚀性和美观性，延长
，降低对环境和人体的危害。
循环经济与可持续发展
03
推广循环经济和可持续发展的理念，实现材料表面工
程技术的绿色化、低碳化。
THANKS
感谢观看
材料表面工程技术课件
• 引言 • 材料表面预处理技术 • 材料表面涂层技术 • 材料表面改性技术 • 材料表面工程技术应用案例
• 材料表面工程技术的评估与质量控制 • 材料表面工程技术的未来发展趋势与
展望
01
引言
表面工程技术的定义与重要性
定义
表面工程技术是指通过物理、化学或 机械手段，改变材料表面的结构、成 分和性质，以获得所需表面性能的技 术。
效果。
表面改性效果的评价指标
表面粗糙度 表面硬度 摩擦系数
耐腐蚀性能
采用轮廓仪、干涉仪等仪器测量表面粗糙度，以评估改性处理 对表面光洁度的影响。
第七章气相沉积技术ppt课件
让 优
秀
成 为
一
种 习
惯
定义：等离子体是指存在的时间和
空间均超过某一临界值的电离气体
产生途径——宇宙、天体、上层气
体、放射线及同位素、X射线、粒子 加速器、反应堆、场致电离、冲击波、 燃烧、激光、真空紫外光、发电等， 在气相沉积中广泛采用的是气体放电 产生等离子体。
等离子体特征
让 优
秀
成 为
一
种
惯
离子镀膜的应用
让 优
秀
成 为
一
种 习
惯
①首先，离子镀是各种刀具的保护神。可 以在各种齿轮、模具或刀具上离子镀氮化 钛、碳化钛、氮碳化钛、碳化钨、氮化锆 等多种硬质膜。 ②其次，离子镀技术还是美化人民生活的 得力工具。从我们手上带的手表表壳、表 带，到手机外壳，鼻梁上的眼镜，再到我 们衣服上的扣子、领带夹，腰上别的钥匙 扣、链子及腰带头。这些都是离子镀的杰 作。颜色也是多种多样。 ③离子镀膜还广泛应用于耐腐蚀、耐热、 润滑及电子工业的集成电路等中。
让 优
秀
成 为
一
种 习
惯
化学气相沉积
什么东西最硬？（钻石、铬钴） 沉积原理？
外延
让 优
秀
成 为
一
种
习
外延的概念：外延是指在单晶基片上生长出位向 相同的同类单晶体（同质外延），或者生长出具 有共格或半共格联系的异类单晶体（异质外延）。
外延分为——气相外延、液相外延和分子束外延
气相外延就是化学气相沉积在单晶表面的沉积过 程。
有基体支撑：依附于固体表面并得到 其支撑而存在，并具有与支撑固体不 同结构和性能的二维材料
手机贴膜
手机贴膜
塑料膜
让 优
材料表面技术
电镀应用
§2 电镀和化学镀
（8）耐蚀镀： ①镀Zn，如镀Zn钢板；还可电镀Zn合金，如Zn-Ni（13％）， Ni4Zn3金属间化合物。 ②镀Sn，美丽的光泽，对含果实类耐有机酸耐蚀能力很好，对 Sn的钎焊性能好，用于食品罐头盒、无线电接插件及引线等 元件。 ③镀Ni，常存在孔隙，需多层电镀，用于汽车、仪表等。 ④镀Cu，用于多层电镀的底层或中间层。 ⑤镀Mn，用于海水中混凝土钢筋。
材料表面技术§1 材料表面技术述§2 电镀和化学镀§3 化学转化膜技术
§4 表面涂敷技术 §5 气相沉积技术 §6 高能束表面技术简介
§1 材料表面技术概述
表面工程是利用物理的、化学的、物理化学的以及机械 的等工艺方法，使工件表面获得可要求的成分、组织和性能， 以提高产量质量的工程。始于20世纪80年代 。 主要包括： （1）热处理，表面淬火、化学热处理等，以提高表面强度、硬度、
（10）复合镀：在金属基体上分布一些高硬度氧化物、碳化物 质点，常以Ni、Co为主体金属，如化学镀Ni-P、Ni-B为主体 金属，分散硬颗粒是SiC等，Ni-P-SiC复合镀层的耐磨性比镀 Ni层高70％，已用于汽车发动机。
电镀应用
硬币的设计
§2 电镀和化学镀
第五套人民币硬币 1元硬币 白铜、钢芯镀镍 5角硬币 黄铜、钢芯镀铜 1角硬币 不锈钢
电镀实验演示视频
电镀生产实例视频 1 2
电镀应用
§2 电镀和化学镀
（1）镀Mo显著提高发动机QT缸体的耐磨性。 （2）汽油机铸铝活塞裙部外表面镀Sn。 （3）活塞环用合金ZT，第一道环镀Cr，第二道环镀Sn或P化。 （4）拉伸钢质零件，毛坯表面需镀Cu或P化，使毛坯表面形成 一层隔离层，能储存润滑剂，具有自润性能。 （5）电镀黄铜（仿金电镀），如Cu-Zn、Sn-Cu-Zn，可能到 18K～24K黄颜色仿金电镀层，可用于：灯饰、日用五金制品；汽 车轮胎子午线钢丝的电镀，提高橡胶与钢丝的结合强度；节约Au， 在镀Au前先镀黄铜。 （6）减摩镀—轴承电镀，电镀软金属如Sn、Pb、In等，在摩擦 表面上改善磨合性能。
材料表面技术
●材料表面技术的实施途径：表面涂覆、表面改性、表面加工。
●表面涂覆：（1）金属覆盖层：电镀化学镀热浸镀喷镀（喷涂）真空溅射离子镀化学气相沉积；（2）非金属覆盖层：化学氧化阳极氧化磷酸盐处理铬酸盐处理涂料覆盖玻璃钢衬里橡胶衬里搪瓷衬里防锈油脂陶瓷衬里。
●表面改性技术主要有：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。
●固体材料与气体的界面：清洁表面、实际表面、理想表面。
●表面附近原子排列调整方式：自行调整、靠外来因素。
●清洁表面分为：台阶表面、弛豫表面、重构表面、吸附表面、偏析表面。
●清洁表面是指不存在任何吸附、催化反应、杂质扩散等物理化学效应的表面。
●实际表面：在材料实际应用过程中，材料表面是要经过一定加工处理(切割、研磨、抛光等)，材料又在大气环境(也可能在低真空或高温)下使用。
材料可能是单晶、多晶、非晶体。
这类表面称为实际表面。
●理想表面:对于没有杂质的单晶，作为零级近似可将其清洁表面理想为一个理想表面。
●偏析表面：不论表面进行多么严格的清洁处理，总有一些杂质由体内偏析到表面上来，从而使固体表面组成与体内不同，称为偏析表面。
●吸附表面：在清洁表面上有来自表面周围空间吸附在表面上的质点所构成的表面。
●表面粗糙度是指加工表面上具有的较小间距的峰和谷所组成的微观几何形状特性。
●表面粗糙度与波纹度、宏观几何形状误差不同的是：相邻波峰和波谷的间距小于1mm，并且大体呈周期性起伏。
●表面粗糙度产生原因：主要由加工过程中刀具与工件表面间的摩擦、切屑分离工件表面层材料的塑性变形、工艺系统的高频振动以及刀尖轮廓痕迹等原因形成。
●固体的表面自由能和表面张力与液体相比：1）固体的表面自由能中包含了弹性能。
表面张力在数值上不等于表面自由能。
2）固体的表面张力是各向异性的。
3）实际固体的表面绝大多数处于非平衡状态，决定固体表面形态的主要是形成固体表面时的条件以及它所经历的历史，而表面张力的影响变得次要。
材料表面工程技术
材料表面工程技术材料表面工程技术是一门应用科学，它涉及到改善材料表面性能的一系列工艺和方法。
在现代工业生产中，材料表面工程技术的应用已经成为提高材料性能、延长材料使用寿命、节约资源和保护环境的重要手段。
本文将就材料表面工程技术的概念、分类、应用和发展前景进行简要介绍。
材料表面工程技术的概念。
材料表面工程技术是指通过对材料表面进行改性处理，以提高材料的表面性能和使用寿命的一系列工艺和方法。
它主要包括表面改性、表面合金化、表面涂层、表面喷涂、表面热处理等技术手段。
通过这些技术手段，可以改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性、抗疲劳性等性能，从而满足不同工程领域对材料性能的要求。
材料表面工程技术的分类。
根据不同的技术手段和应用要求，材料表面工程技术可以分为多种类型。
比如，根据表面改性的方式，可以分为化学表面改性和物理表面改性；根据表面涂层的材料，可以分为金属涂层、陶瓷涂层、聚合物涂层等；根据工艺方法，可以分为喷涂、电镀、热喷涂、等离子喷涂等。
这些分类方式为材料表面工程技术的应用提供了丰富的选择。
材料表面工程技术的应用。
材料表面工程技术在工程领域有着广泛的应用。
在航空航天、汽车制造、机械加工、电子电器、建筑材料等领域，都需要对材料表面进行改性处理，以提高材料的性能和使用寿命。
比如，航空航天领域对材料的耐高温、抗腐蚀性能要求极高，需要采用表面合金化、表面涂层等技术手段；汽车制造领域对材料的耐磨、耐腐蚀性能要求较高，需要采用表面喷涂、表面热处理等技术手段。
可以说，材料表面工程技术已经成为现代工程领域中不可或缺的一部分。
材料表面工程技术的发展前景。
随着现代工程技术的不断发展，对材料性能的要求也越来越高。
因此，材料表面工程技术将会在未来得到更加广泛的应用和发展。
未来，随着新材料、新工艺的不断涌现，材料表面工程技术将会更加多样化和精细化，为各行各业提供更加优质的材料解决方案。
同时，随着智能制造、数字化技术的发展，材料表面工程技术也将会与智能化、数字化技术相结合，为材料的设计、加工、检测提供更加全面的解决方案。
材料表面技术
材料表面技术在现代科技的快速发展中，材料表面技术已经成为了一个至关重要的领域。
它就像是给材料披上了一层神奇的外衣，赋予了它们各种独特的性能和功能。
那么，究竟什么是材料表面技术呢？简单来说，材料表面技术就是通过各种物理、化学或机械的方法，对材料的表面进行处理和改性，以改善其表面的性能，如耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化性、导电性、导热性等等。
这不仅可以延长材料的使用寿命，提高其可靠性和稳定性，还可以为材料赋予新的功能，拓展其应用领域。
材料表面技术的种类繁多，每种技术都有其独特的特点和适用范围。
比如，电镀就是一种常见的表面处理技术。
通过在材料表面电镀一层金属，如铬、镍、锌等，可以显著提高材料的耐腐蚀性和耐磨性。
而且，电镀还可以使材料表面具有美观的外观，如金色、银色等，广泛应用于汽车零部件、五金制品等领域。
热喷涂技术也是一种非常实用的材料表面技术。
它是将金属、陶瓷等材料加热到熔融或半熔融状态，然后通过高速气流将其喷射到材料表面，形成一层牢固的涂层。
这层涂层可以有效地提高材料的耐磨损、耐高温、耐腐蚀等性能，常用于航空航天、石油化工等领域的关键零部件。
化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）技术则是在真空环境下进行的表面处理技术。
CVD 是通过化学反应在材料表面沉积一层薄膜，而 PVD 则是通过物理过程，如蒸发、溅射等，将材料沉积在表面。
这两种技术可以制备出非常薄且性能优异的涂层，如用于刀具表面的超硬涂层、电子器件中的薄膜等。
激光表面处理技术则是利用高能量密度的激光束对材料表面进行处理。
它可以实现材料表面的淬火、合金化、熔覆等，从而显著提高材料表面的硬度和耐磨性。
同时，激光表面处理还具有精度高、热影响区小等优点，在模具制造、汽车制造等领域得到了广泛的应用。
除了上述几种常见的技术外，还有等离子体表面处理、离子注入、溶胶凝胶法等众多的材料表面技术。
这些技术各有所长，为不同的材料和应用需求提供了多样化的解决方案。
模具表面技术表面抛光
泽为主要目的的研磨和抛光加工，统称为光整加工。在模具加工中，光整 加工主要用于模具的成形表面，它对于提高模具寿命和形状精度，以及保 证顺利成形都起着重要的作用。 7.1.1 光整加工的特点与应用
模具成形表面的精度和表面粗糙度要求越来越高，特别是高寿命、高 精密模具，其精度发展到要求μm级精度。其成型表面一部分可采用超精 密磨削达到设计要求，但异型和高精度表面都需要进行研磨抛光加工。
辅助研磨抛光工具可以提高研磨抛光效率和减轻劳动强度，但是研磨抛光质量仍 取决于操作者的技术水平。 5. 研磨抛光工艺过程 (一) 研磨抛光余量 研磨抛光余量取决于零件尺寸、原始表面粗糙度、最终精度等要求，原则上研磨 抛光余量只要能去除表面加工痕迹和变质层即可。研磨抛光余量过大，使加工时 间延长，研磨抛光工具和材料消耗增加，加工成本增大；研磨抛光余量过小，加 工后达不到要求的表面粗糙度和精度。当零件的尺寸公差较大时，研磨抛光余量 可以取在零件尺寸公差范围以内（见表7-5）。
（1）普通油石 一般用于粗研磨，它由氧化铝或碳化硅等磨料和黏结剂压 制烧结而成。使用时根据型腔形状磨成需要的形状，并根据被加工表面的粗糙 度和材料硬度选择硬度和粒度。当被加工零件材料较硬时，应该选择较软的油 石，否则反之。当被加工零件表面粗糙度要求较高时，油石要细一些，组织要 致密些。1—抛光套 2—砂轮 3—软轴图7—6 手持电动直杆旋转式研磨抛光工 具
4． 研磨抛光工具图7—3 外圆研磨环1— 研磨套 2—研磨环 3—限位螺钉 4— 调节螺钉 （一）研具材料 研磨抛光时直接和被加工表面接触的研磨抛光工具称为研具。研具的材料
很广泛，原则上研具材料硬度应比被加工材料硬度低，但研具材料过软会使磨 粒全部嵌入研具表面而使切削作用降低。总之，研具材料的软硬程度、耐磨性 应该与被加工材料相适应。1— 芯棒 2—螺母 3—研磨套 4—套图7—4 可调式内圆研磨芯棒
第七章外延
基本概念
外延：是指在单晶衬底(如硅片)上，按衬底晶向生长单晶薄膜的工艺 过程。生长有外延层的硅片称为外延片。 同质外延：生长的外延层和衬底是同一种材料。 异质外延：外延生长的薄膜与衬底材料不同，或者生长化学组分、物 理结构与衬底完全不同的外延层，如SOS 技术。（在蓝宝石或尖晶石 上生长硅） 根据向衬底输送原子的方式，外延生长分为三种类型： 气相外延(VPE)、液相外延(LPE)和固相外延(SPE)。 在硅工艺中主要采用气相外延技术，能够很好地控制外延层厚度、 杂质浓度、晶体完整性。 缺点是必须在高温下进行，加重了扩散效应和自掺杂效应，影响 对外延层掺杂的控制。 1
19
7.2 外延层中的杂质分布
外延工艺不仅要求外延层具有完美的晶体结构，还要求： 精确控制外延层掺杂浓度；
外延层与衬底之间具有突变型的杂质分布；
SiCl4氢还原法的外延温度高； 衬底中杂质蒸发，改变了气相中的杂质成份和浓度； 衬底中杂质与外延层中杂质互扩散，使界面处杂质分布变缓。
SiCl4 H 2 SiHCl3 HCl SiCl4 H 2 SiCl2 2HCl SiHCl3 H 2 SiH2Cl2 HCl SiHCl3 SiCl2 HCl SiH2Cl2 SiCl2 H 2
以上反应均为气相反应，产物SiCl2吸附于衬底表面生成固态Si原 子。
在轻掺杂衬底上，生长不同导电类型
的重掺杂外延层，杂质分布情况如图中 (b)所示。由图可见，在外延过程中由于
自掺杂效应的影响，引起pn结位臵的移
动。
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一、同时考虑扩散效应和自掺杂效应的杂质浓度分布
同时考虑扩散效应和自掺杂效 应，在重掺杂衬底上生长轻掺杂外 延层时，衬底与外延层之间过渡区 的杂质分布如右图。 紧靠近衬底的外延层(A区)， 掺杂浓度高，这是因为在外延生长 过程中掺杂剂从衬底扩散到外延层 中。 与扩散速度相比外延生长速度要 大得多，因此很快就抑制了这种影 响。B区是自掺杂效应对过渡区的 影响。 当外延层生长一定厚度时，自 掺杂效应影响也降低，外延层中杂 质浓度达到期望值。
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材料表面技术日益得到重视：
社会生产、生活的需要 通过表面处理大幅度提高产品质量 节约贵重材料 实现材料表面复合化，解决单一材料无法 解决的问题 良好的节能、节材效果 促进了新兴工业的发展
二、 材料表面技术的分类
（一）按技术特征分类 1）表面涂覆（Surface Coating)：
Fe F+ Fe3CⅢ
C%
Fe3C
1）在淬火前要先正火消除网状渗碳体； 2）球化退火，预备组织为P球(粒状Fe3C + -F) 3）A1Acm之间加热保温，淬火, (粒状Fe3C + M) 4）低温回火，组织（M回+粒状Fe3C）
正火
球化退火
淬火+低温回火
解释下列概念，说明微观机制）：
加工硬化 细晶强化 固溶强化 弥散强化
应用例：太阳能装备
在太阳能的利用中，必须利用涂层来吸收 太阳光谱中所有波段的能量。
如用电子束蒸镀的金属陶瓷层Co-Al2O3作 为太阳能吸热器，使对太阳能的吸收率可 达95%。
航空航天、能源等高端装备的需求
小结：材料表面技术的目的
（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、分离等各种 物理和化学性能。
方法有气体渗、液体渗、固体渗、等离子体渗等
五、表面渗
（一）钢的表面渗碳
低碳钢通过表面渗碳来提高表面含碳量，然 后通过淬火处理，使表面得到高碳马氏体， 表面具有高硬度，心部具有高韧性。
渗碳后淬火分为： 1）直接淬火，成本低，但因渗碳时间长， 晶粒粗大，性能较差。 2）一次淬火法，重新加热可细化晶粒。 3）二次淬火法，第一次淬火加热温度，A3 + 30-50C, 消除网状渗碳体。第二次淬火 加热温度，A1 + 30-50C。
关键部件表面摩擦磨损、腐蚀、疲劳、高温氧化、高温 燃气冲刷、热应力裂纹…
材料表面技术
不改变基体材料的成分和性能的条件下， 通过某些物理手段或化学手段来赋予材 料表面特殊性能，以满足产品或零件使 用需要的技术或工艺。
材料表面技术的特点：
① 对材料表面进行处理（涂，镀，渗，覆 层等），使材料表面获得所需功能（耐 磨，抗蚀，耐热，耐高温，抗疲劳，耐 辐射，抗氧化，以及光，热，磁，电等 特殊性能），以满足实际应用需要。
3）在功能材料和元器件 上的应用
光学特性、电学特 性、磁学特性、热学特 性、化学特性、功能转 换、磁记录材料、双金 属、防护涂层。 4）在人类适应、保护和 优化环境方面的应用如 抗菌灭菌 TiO2 , 生物医 学材料。
应用例：空天飞行器
火箭发动机尾喷管内壁和燃烧室：需承受2000-3300℃ 高温和强热焰流冲击；飞船头部锥体和翼前沿，在几十 倍音速下与大气层摩擦（即所谓气动加热），其温度高 达4000-5000℃。
（二）表面处理技术：不改变基体材料表面化学 成分，但改变基体材料组织和结构，从而改变性 能。如喷丸强化，表面淬火，冲击强化）
（三）表面改性技术：即改变基体材料表面化学 成分，也改变基体材料表面组织和结构，从而改 变性能。如化学热处理，等离子扩渗处理，离子 注入等。
第二节 材料表面技术工艺示例
一、喷丸处理
破坏从表面开始（机械零部件80%以上）
磨损，腐蚀，疲劳… 表面
材料主体
通过改善材料表面性能来提高使用性
材料表面破坏导致的后果
➢ 2010年和2011年澳大利亚航空公司A380飞机因发动机 故障两次紧急迫降；
➢ 2009年，我国某飞机在起飞时尾喷管喷火的超高温瞬间 导致其燃气涡轮一、二级叶片断裂；
➢ 2010年，我国某发动机钛合金转子叶片，地面开车检查 时一叶片自叶根完全断裂，其余叶片被严重打伤。
用于轴类或小模数齿轮表面硬化
二、表面淬火
（二）火焰加热淬火 灵活，适于形状复杂件
二、 表面淬火
（三）载能束表面淬火 包括：激光束，电子束等
激光束：能量密度高(106W/cm2) 电子束：能量密度高(109W/cm2),
机械臂+光纤传输加工头
光学系统原理图
激光扫描处理低碳钢横截面
参数：单道扫描速度3500 mm/min, 光斑直径6mm
② 虽然涂层薄，却能起到比昂贵体材料难 以达到的效果。
③ 节约能源，节约资源。
材料表面技术的应用…
1） 材料表面技术应用广泛，涉及材料有： 金属，无机非金属，有机高分子，复合材料。
2） 在结构材料以及工程构件和机械零部件 上的应用，以及工具、模具等防护、耐磨、 强化、修复、装饰作用。
材料表面技术的应用…
根据共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线（绿色）和连续转变曲线
（黄色）以及实际冷却曲线（白色），判断图中各点的微观组织
细A 均匀A
A1
温
.1
度
.
.4
2 等温退火
退火
正火
淬火
淬火 .
(水冷) 8
MS
P
Mf
.7
等温淬火
9.
.6
. 10
5 .. 3
时间
第六章 材料表面技术
第一节 概述
一、材料表面技术的必要性
Fe-C合金平衡冷却到室温----组织与成分一一对应
A
L+
H
B
温N
度
J
A+
L
D
L+A
A
E
C
L+ Fe3C F
A+ Fe3C
G
A+
Le
F
A+F S Fe3CⅡ A+ Fe3CⅡ+Le
P
P
F+ Fe3C
Le+ Fe3CⅠ
K
Q P+F
P+ Fe3CⅡ
Le’
P+ Fe3CⅡ+Le’
Le’+ Fe3CⅠ
三、热喷涂
热喷涂的分类
➢ 按加热和结合方式分为：喷涂、喷焊 ➢ 按照加热喷涂材料的热源种类分为：火焰喷涂、
电弧喷涂、等离涂和线材
喷涂。
（一）火焰喷涂
依靠氧-乙炔燃烧产生高温将涂层用粉末熔化
（二）电弧喷涂
电弧喷涂原理示意图 1-直流电源，2-丝状涂层材料，3-送丝轮，4-导电块，5-导电管， 6-喷气嘴，7-电弧焦点，8-喷涂射流，9-涂层，10-基体
喷丸处理
微观组织
应变
二、 表面淬火
（一）感应加热淬火
高频: 250-300KHz, 淬硬层深度：0.5-2 mm; 中频: 2.50-8.00KHz, 淬硬层深度：2.0-10 mm; 工频: 50 Hz, 淬硬层深度：10-15 mm; 特点： 1）表面氧化脱碳轻，变形小； 2）表面马氏体产生大的残余压 应力，疲劳强度高 3）表面马氏体组织细小，强度 高，脆性低。
（二）表面渗氮 通过形成金属化合物及间隙固溶来强化表面
Fe-N相图
表面相分布
气体渗氮设备
等离子体渗氮设备
与渗碳相比，渗氮温度为500-570C， 温度低，变形小，而且不用 后续处理。耐蚀。
六、离子注入
课堂讨论
结合Fe-Fe3C二元平衡转变图，说明含碳 1.2%的过共析钢从高温缓慢冷却后的微 观组织。 如果用上述材料做工具（高强度、高耐 磨性），请设计一下加工工序，说明其 中的热处理工艺的理由。
2）表面改性技术 (Surface Modification)
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。
（二）按对基体材料影响分类
（国家自然科学基金委员会的分类）
（一）表面涂镀层技术：即不改变基体材料成分， 也不改变基体材料组织。如表面涂覆、电镀等；
问题：绝大多数的金属和合金不能承受如此 高的温度；
解决方法：
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、 氧化锆、氧化钍等）；
烧蚀涂层包括有机材料加石英纤维、陶瓷纤维 或碳纤维。
应用例：空天飞行器
航天飞机外壳的防热材料和涂层 美国洛克希德导弹与航天公司开发了一种LI900全氧化硅绝热毡，特性：： 1）重量轻，整个体积的95%都是空的。 2）为防水、耐蚀以及散热，表面加涂了一种 碳化硅涂层，该涂层可把90%的入射热反射掉， 而剩下10%几乎都被氧化硅毡所隔绝。
四、表面氧化
（一）钢铁的化学氧化
150C 氧化性溶液中，钢表面会形成致密的 Fe3O4膜, 呈蓝色或黑色，称为发蓝或发黑处理。
（二）有色金属表面氧化
阳极氧化过程示意图 纯钛微弧氧化处理后典型表面形貌
五、表面渗
改变表面成分及微观组织 1）产生活性原子； 2）原子在工件表面吸附； 3）原子向内部扩散
喷料（丝）作为两个电极接近时，在电压下达到 熔化，被气体随后喷到样品上。温度可达4000C, 一般喷金属。
（二）等离子喷涂
等离子喷涂原理示意图 1-阴极，2-阳极，3-工作气，4-喷涂粉末，5-等离子弧区， 6-喷涂束流，7-涂层，8-基体
设备固定两级产生直流电弧把工作气体（氩气或氮 气）电离后形成等离子体弧作为热源，温度可超过 10000度，可以熔化几乎任何粉末。