表面与界面总结

化学转化 化学转化技术，是指采用化学处理液，使金属表面与溶液界面上产生化学或 电化学反应，生成稳定化合物的薄膜处理技术。
电化学转化 一种在电解质溶液中在外电流的作用下，在制件表面形成氧化膜的技术，称 为阳极氧化，也称为阳极化。 离子注入 4
利用真空系统中离化出的离子，在高电压下加速，直接注入材料表面，形成 很薄的离子注入层，从而改变材料表面的组成与结构，达到改善材料表面性 能的作用。
(三) 涂层技术 采用古典技术或近代技术或二者相结合，在零件表面涂覆一层或多层表面层 的技术，称为涂镀层技术。
电化学沉积技术 俗称电镀，即将直流电通过阴、阳极板通入一定的电解质溶液（镀液）中， 使金属或合金沉积到阴极 （镀件） 表面上的过程。 或者说， 在外电流作用下， 电解质溶液中的金属离子迁移到阴极（镀件）表面，发生还原反应并形成新 相的过程。 防腐蚀镀层─ Zn、Cd、CdO3-Ti、Zn-Ni 等 抗氧化镀层─ Ni、Ni-SiC、Au、Pt 等 耐磨镀层─硬 Cr、乳白 Cr、Ni-P 等 减磨防粘结导电层─ Ag、Au、Pt、Pd、CuNiIn 等 装饰镀层─ Au、Cu、Cu/Ni/Cr 等
表面热流强化 采用近代技术（如激光束，电子束等）对金属零件的表面进行快速加热，然 后快速冷却，使金属表面、亚表面发生相变，形成表面强化区。如：感应加 热表面淬火、激光表面淬火、电子束表面淬火、流态床表面硬化。
表面合金化 将金属或非金属（溶质原子）沉积在基体金属表面上，通过扩散作用渗入到 基体金属表面内，改变表面的化学组成、相结构，从而达到提高表面性能的 作用。如：提高表面抗高温氧化、抗热腐蚀、抗电化学腐蚀、耐摩擦磨损、 耐酸、耐碱等。
f. 生物功能，如防霉涂层、杀菌涂层等等；
无机涂层技术 无机硅酸盐富锌涂层 无机磷酸盐富锌涂层 无机铬酸盐富锌涂层 无机硅酸盐富铝涂层 无机铬酸盐中温涂层
Байду номын сангаас
热浸镀技术 热浸镀(Hot Dip)，简称热镀，是将被镀金属材料浸于熔点较低的其它液态金 属或合金中进行镀层的方法，其基本特征是在基体金属与镀层金属之间有合 金层形成。被镀金属材料一般为钢、铸铁和不锈钢等，用于热浸镀的低熔点 金属有锌、铝、锡、铅及锌铝合金等。
研究机械嵌合涂层的内聚结合状态及结合性能， 揭示同类原子及异质原子间的嵌 态或局部键态结合机理； 研究嵌合过程中的界面匹配效应及缺陷演化规律，揭示 嵌合涂层结构稳定性的关键控制因素，建立机械嵌合层的最优控制理论。 表面工程技术设计是表面工程理论的另一重要组成部分，目前，表面工程技 术设计仍基本停留在经验设计阶段， 尽管有些企业有针对性地开发了一些表面工 程技术设计软件，但局限性较大、水平也不尽如人意。计算机技术、仿真技术和 虚拟技术等的发展为表面工程技术设计创造了良好条件， 只要广泛搜集表面材料 成分、加工工艺、加工装备、表面性能、服役条件、服役寿命等之间的关系，并 完善理论、 评估方法以及相关经验公式，建立与之相应的逻辑关系或数学表达关 系， 并最终形成大型的表面工程数据库，为表面工程技术设计水平的提高奠定坚 实基础。 在上述表面基础理论的平台支持下，尤其是在研发先进表面技术群，以及揭 示其共性技术基础的平台支撑下，我们在中国率先创立了表面工程学科。
(二) 薄膜技术 运用近代表面沉积技术，在零件(或衬底)表面上沉积出厚度为 100nm 至数微 米薄膜的技术，称为薄膜技术。按用途可以分为光学薄膜、微电子学薄膜、 光电子学薄膜、集成光学薄膜、信息存储膜和防护功能薄膜等六大类； 光电子学薄膜 探测器膜─ HF/DFCL、COIL、YAG、 HgCdTe、 光敏电阻膜─InSb、PtSi/Si、GeSi/Si、 光导摄像靶膜─PbO、PbTiO3、(Pb、La)TiO3、 LiTaO3
传感器膜─
Sb2O3、 、SiO、SiO2、TiO2、Zn0、
AlN、Se、Ge、SiC、 PbTiO3 超导元件膜─ In2O3、SnO2、Al2O3、Ta2O5、Fe2O3
微波声学器件膜─TaN、Si3N4、SiC、YBaCuO、 BiSrCaCuO、Nb3Sn、Nb3Ge 晶体管薄膜─ BaTiO3、金刚石和类金刚石薄膜 集成电路基片膜─ Al、Au、Ag、Cu、Pt、NiCr、W 热沉或散射片膜
表面与界面总结
一、 理论进展
表面工程基础理论： 腐蚀与防护理论 表面摩擦与磨损理论 表面完整性与界面理论 表面化学 表面物理 表面装饰与美学 表面功能与复合膜层的设计原理 表面功能材料及其应用 表面失效及其分析理论
1985 年 ， 英 国 伯 明 翰 大 学 教 授 ， 正 式 出 版 了 国 际 学 术 期 刊 《 Surface Engineering》 ， 标志着国际表面工程的诞生。 表面工程是一门应用性很强的学科， 和其他应用性很强的学科一样，这类学科往往技术先行，理论研究滞后，重技术 轻理论。再加上，表面工程成为一门独立学科时间不过 20 余年时间，本身处于 不断发展和快速发展阶段。所以表面工程至今没有形成一套完整而系统的理论， 表面工程现存理论大部分是从表面化学、电化学、摩擦学、金属腐蚀与防腐、金 属热处理等交叉学科直接引用而来，纳米表面工程理论、纳米摩擦学理论、喷涂 成型理论、表面改性理论、表面高能熔覆理论、表面超微细加工理论等都有待建 立或完善，贯穿于表面工程各领域的基本科学技术问题更需要归纳和探讨。 我国逐渐建立起了具有中国特色的表面工程学科体系， 对表面工程基础理论 开展了持续深入的研究揭示， 表面技术群得以不断研发，表面技术基础得以持续 发展和深化。 在借鉴吸收与表面相关的基础科学理论，如表面物理化学、表面材料学等基 础上， 围绕机械零件的失效表面及涂层的表面与界面， 开展了表面失效分析理论、 表面摩擦与磨损理论、 表面腐蚀与防护理论、表面与界面的结合理论等表面基础 理论研究。 1
集成光学薄膜 光波导膜 光开关膜 光调制膜─ Al2O3 、Nb2O5、LiNbO3、Li、Ta2O5、 光偏转膜─ LiTaO3、Pb(Zr、Ti)O3、BaTiO3 激光器薄膜
信息存储膜 磁记录膜─磁带、硬磁盘、软磁盘、磁卡、磁鼓等用： -Fe2O3、Co--F2O3、CrO2、FeCo、Co-Ni 光盘存储膜─ CD-ROM、VCD、DVD、CD-E、 GdTbFe、CdCo、InSb 膜 铁电存储膜─ Sr-TiO2、(Ba、Sr)TiO3、DZT、CONiP、 CoCr
防锈技术 习惯称为防锈技术。 为了抑制金属的腐蚀， 人们研究在腐蚀介质 （例如硫酸、 盐酸、循环冷却水、供暖水、氯化钠、氯化镁或有机酸）中添加某些化学药 品，可以减缓腐蚀或抑制腐蚀。该药剂称之为腐蚀抑制剂，或缓蚀剂。实践 证明，只要选配得当，只需要添加少量的这类缓蚀剂就能大大地抑制金属的 腐蚀速率。 根据缓蚀剂的作用特征可把它分为氧化型防锈剂、沉淀型缓蚀剂和吸附型缓 蚀剂；根据商品类型，即缓蚀剂的载体及工作类型可把它分为：防锈水剂、 防锈切削液、置换型防锈油、溶剂稀释型防锈油、乳化型防锈油、防锈润滑 油脂、防锈脂、封存防锈油以及气相防锈材料等；根据电化学性能，可分为 阳极型缓蚀剂和阴极型缓蚀剂。
表面工程技术 3
(一) 表面转化技术 利用现代技术改变材料表面、亚表面层的成分、结构和性能的处理技术称之 为表面转化技术。表面改性转化技术主要包括六大类：
表面形变强化 采用高速弹丸打击、或挤压、或辊压金属零件的表面，使其产生塑性变形， 由此引起表层显微组织的变化，产生表层压应力，从而提高抗应力腐蚀和抗 疲劳断裂的能力，改善和提高零件的可靠性和耐久性。
二、 技术手段
表面工程技术发展的三个阶段: 第一阶段是以单一表面工程技术的品种增加，工艺成熟为主要特征，包括堆 焊、热喷涂、电镀、电刷镀、化学镀、化学热处理、离子注入、真空熔结、激光 熔覆、激光处理、电子速熔覆、物理气相沉积、化学气相沉积、粘涂、涂装等。 第二阶段以复合表面工程技术的出现、创新为主要特征，即将两种或多种传 统的表面技术复合应用，如热喷涂与激光处理的复合，热喷涂与电刷镀的复合， 化学热处理与电镀的复合，多材质、多层薄膜技术的复合。 第三阶段是以微纳米材料和纳米技术与传统表面工程技术的结合为主要特 征，目前已进入实用阶段的有纳米电刷镀、纳米等离子喷涂、纳米固体润滑膜、 微纳米粘涂技术以及表面纳米化加工等。 这三个阶段的技术只是应用泛围的不同， 按零部件所需的性能应用在各行各业。
a) 深入开展了表面失效分析研究 梳理划分了机械零件的 11 类 38 种失效形式（如弹、塑性变形，塑、脆性 断裂，疲劳，腐蚀，磨损，蠕变等） ；研究机械零件在宏微观尺度下表面从微损 伤发生到连续晶体内部裂纹萌生的过渡过程，揭示零件疲劳裂纹产生机制，阐明 裂纹演化的本真溯源；掌握结构、材料、载荷等特征对零件跨尺度损伤的影响机 理及损伤演变规律，揭示零件表面损伤与多物理表征参量（力、磁、电、热等） 之间的映射关系，建立零件损伤的量化表征机制。 b) 深入开展了表面摩擦与磨损理论研究 针对表面涂层的特殊表面/界面结构特征，研究相对运动中的表面涂层的摩 擦匹配行为，揭示硬度、韧性、红硬性等表面性能在特定服役工况下适应摩擦匹 配需求（硬/硬匹配、软/硬匹配等）的作用机理，优化表面涂层的材料学匹配设 计； 研究表面涂层在润滑油膜及固体润滑膜作用下的润滑行为，揭示表面材料特 性对 Stribeck 润滑曲线的影响机制， 阐述固体润滑薄膜中润滑原子在摩擦剪切作 用下于对摩擦零件间的粘附与转移机理。 c) 深入开展了表面腐蚀与防护理论研究 针对表面涂层特殊的孔隙效应及耐蚀需求，研究腐蚀过程中，宏观腐蚀电池 和多元微观腐蚀电池间的相互作用机制， 建立多元微区电位和宏观腐蚀电流间的 映射关系，研究氯离子与其它化学离子的协同作用，分析涂层的表/界面成分、 相结构、 应力状态及微观缺陷等对腐蚀介质穿透行为的影响机理；研究耐蚀合金 及耐蚀颗粒等增强相对表面涂层腐蚀寿命的增强行为， 揭示表面涂层多相材料体 系中增强相在抵抗无机离子溶解扩散腐蚀的作用机理及增强相与基质相间的协 同效应。 d) 深入开展了表面与界面的结合理论研究 研究高能量密度束流作用下零件基体材料与熔覆材料间的原子键合行为， 揭 示跨温度、 跨形态的晶体分布规律与键合机理；研究熔覆材料在熔池中的稀释行 为与涂层快冷凝固过程中的冶金动力学行为， 揭示熔滴的温度变化规律及其对零 件的热影响规律； 研究凝固过程中温度场与应力场之间的映射关系，揭示熔池质 量场的变化规律及涂层应力场的演变特征； 研究非高能量密度热源作用下零件基 体材料与添加材料间的原子嵌合动力学行为， 揭示嵌合界面原子非对称扩散机理； 2
光学薄膜 阳光控制膜 低辐射系数膜 防激光致盲膜─ Al2O3、SiO2、 、TiO、TiO2 、Ta2O5、 Cr2O3、NiAl、金刚石和类金刚石薄膜 以及 Au、 Ag、 Cu、 Al 薄膜 反射膜 增反膜 选择性反射膜 窗口薄膜
微电子学薄膜 电极膜 电器元件膜─ Si、GaAs、GeSi 5
防护用薄膜 耐腐蚀膜─TiN、CrN、SiO2、MCrAlY、NbC、 TaC、 ZrO2、ZrO2+Y2O3 耐冲刷膜─TiN、TaN、ZrN、TiC、TaC、SiC、BN、 耐高温氧化膜─TiCN、NiCrA、MCrAlY 系列、金刚石和类 6
金刚石薄膜、Al、Zn、Cr、Ti、Ni、 AlZn、NiCrAl 高强度高硬度膜─CoCrAlY、NiCoCrAlY+HfTa 装饰膜─ Au 、Ag、Cu、Al、Pt 润滑和自润滑膜─ MoS2、石墨 成型加工（防磨损、防咬合、防开裂）─TiC、TiCN、CrC
有机涂层技术 有机涂层除防护、装饰、标志等作用之外，还包括许多功能性专用涂层： a. 电磁功能，如导电涂层、绝缘涂层、磁性涂层； b. 热功能，如防火涂层、耐热涂层、高温涂层、隔热涂层； c. 电磁波功能和发光功能，如红外幅射、伪装、发光等涂层； d. 机械功能，如可剥离涂层、防滑涂层、防碎玻璃飞溅涂层； e. 界面功能，如防凝露涂层、防水涂层、防粘涂层； 7