第一章现代表面工程技术

第四节 表面技术的发展
• 材料表面改性和强化问题引起国内 外材料科学界的极大关注，学术研 究异常活跃，旧的工艺被不断革新 ，新的工艺技术相继问世，工程应 用不断扩大。
• 究其原因，主要是：
• （1） 高新技术的发展对机件质量的要求越 来越高，如要求高耐磨、强耐蚀、抗高温及 各种特殊功能。而现有的材料往往不能满足 需要。
• 1） 表面湿润和反湿润技术 • 2） 表面催化技术 • 3） 膜技术 • 4） 表面化学技术
• 本课程将主要学习：表面覆盖、表面改 性等表面技术。
第二节 表面技术的分类
按学科特点将表面技术大致划分为三个方面： • 表面合金化：包括喷焊、堆焊、离子注入、
激光熔敷、热渗镀等。 • 表面覆层与覆膜技术：包括热喷涂、电镀、
• 2） 颗粒沉积：沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材 料表面上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂敷等。
• 3） 整体覆盖。 • 4）表面改性：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。
材料表面工程 技术按工艺特
点分
电镀、化学镀、热渗镀 、热喷涂、堆焊、化学 转化膜、涂装、表面彩 色、气相沉积、“三束” 改性以及表面热处理、 形变强化和衬里等13 类
应用实例4
航天飞机外壳需要防热材料和涂层： 如美国洛克希德导弹与航天公司研究的一种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。
应用实例5
• 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。
• 表面工程手册，李国英主编，北京：机械工业出版社，1998 • 表面涂层技术，陈学定，韩文政，北京：机械工业出版社，1994 • 表面工程与维修，徐滨士，朱绍华等，北京：机械工业出版社，
1996
教学目的
通过本课程学习
• 系统地掌握现代表面处理技术的基本原 理；
• 能合理选择并应用这些表面工程技术， 解决材料表面硬度、强度、耐磨性与心 部强韧性之间的矛盾；
• 3）材料表面的研究是许多高新技术的理化基 础等。
世界各发达国家均对表面工程 高度重视：
• 如美国工程科学院早在十多年前为 美国国会提供的2000年前集中力量 加强发展的9项新科学技术中，有关 材料方面的仅有材料表面科学与表 面技术的研究。
一、使用表面技术的目的
• （1） 提高材料抵御环境作用能力。
化学转化处理、电刷镀、化学镀、气相沉积 、涂装、堆焊、金属染色、热浸镀等。 • 表面组织转化技术：包括激光、电子束热处 理技术以及喷丸、辊压等表面加工硬化技术 。
表面技术Matton分类法
• 按照作用原理，表面技术可以分为以下四种基本类 型（Matton分类法）：
• 1） 原子沉积：沉积物以原子、离子、分子和粒子 集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上形成覆盖 层，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉 积等。
• 掌握主要表面技术各自的特点及应用领 域。
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 有关的，能为人类造福或被人们利用的 技术。
表面工程技术日益得到重视的 主要原因：
• 1） 社会生产、生活的需要 • 2） 通过表面处理大幅度提高产品质量 • 3） 节约贵重材料 • 4） 实现材料表面复合化，解决单一材料
• （2） 器件的微型化，使表面问题更为突出 。
• （3） 人们希望通过表面改质，以普通材料 代替昂贵材料来降低成本。
材料表面工程是一门新兴的边缘学科
• 材料表面工程是一门很新的边缘学科，它不但 涉及到诸如：
• 表面物理学、 • 表面化学、 • 金属学、 • 陶瓷学、 • 高分子学、 • 传热学、 • 传质学等多个学科的理论， • 而且其本身也溶入了诸多学科的新技术。
• 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%
表面技术倍受重视的原因
• 表面新技术的出现之所以受到重视，不仅仅在 于重要的学术价值，这是因为：
• 1） 材料力学、化学性能及其变化都从表面开 始；
• 2）随着器件的微型化，表面/体相的原子比增 大，会出现许多新的特性；
表面技术的广泛涵义，包括：
• 1来自百度文库 表面技术的基础和应用理论。 • 2） 表面处理技术。它又包括表面覆盖技
术、表面改性技术和复合表面处理技术 三部分。 • 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。
第三节 表面技术的应用
• 一、 表面技术应用的广泛性和重要性
• （2） 赋予材料表面某种功能特性。包括 光、电、磁、热、声、吸附、分离等等 各种物理和化学性能。
• （3） 实施特定的表面加工来制造构件、 零部件和元器件等。
• 表面技术主要通过表面涂覆和表面改性 技术来提高材料抵御环境作用能力和赋 予材料表面某种功能特性。
• 表面涂覆：主要采用各种涂层技术。 • 表面改性技术：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。
具体说：表面工程技术是在不改变基体 材料的成分、不削弱基体材料的强度的 条件下，通过物理手段或化学手段赋予 材料表面以特殊的性能，从而满足工程 技术上对材料提出的要求的技术。
• 作用：改善或赋予表面各种性能
二、与表面现象有关的一些表面技术
• 问题：绝大多数的金属和合金不能承受如此高的 温度。
• 解决问题的方法：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：有机材料加石英纤维、陶瓷纤维或碳 纤维。
应用实例3
• 人造卫星在宇宙中的温度控制：
• 问题：卫星表面受太阳照射的一面温度可 达+200℃，没有被太阳照射的一面温度 可低到-200℃
第一章现代表面工程技 术
2020年7月25日星期六
教材及参考资料
• 首选教材：表面工程学，机械工业出版社，曾晓雁主编
• 二选教材：现代表面技术，机械工业出版社，钱苗根编著 金属材料表面新技术，赵文珍，西安交通大学 出版社，1992
• 参考书目：
• 面向二十一世纪的表面工程，徐滨士，北京：机械工业出版社， 1997
无法解决的问题 • 5） 良好的节能、节材效果 • 6） 促进了新兴工业的发展
应用实例
• 汽车轻量化→铝合金→表面耐磨问题突 出→表面耐磨涂层
• 火箭发动机的尾喷管内壁和燃烧室： 需承受2000～3300℃温度和巨大的热焰 流冲击
应用实例2
• 飞船或者洲际导弹的头部锥体和翼前沿：由于具 有几十倍的音速，并与大气层摩擦，即所谓气动 加热，其温度高达4000～5000℃：
• 二、 表面技术在结构材料以及工程构件 和机械零部件上的应用 主要起：防护、耐磨、强化、修复、装 饰等作用。
• 三、 表面技术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
• 四、 表面技术在人类适应、保护和优化 环境方面的一些应用 抗菌灭菌TiO2, 生物医学材料