(工程建筑套表)表面工程

（工程建筑套表）表面工程
现代表面技术复习思考题
一、名词解释
1理想表面：是壹种理论的结构完整的二维点阵平面。

2表面重构：在平行基底的表面上，原子的平移对称性和体内显著不同，原子位置作了较大幅度的调整，这种表面结构称为重构（或再构）
3离子镀膜：它是将工件放入真空室，且利用气体放电原理将部分气体和蒸发源逸出的气相粒子电离，在离子轰击的同时，把蒸发物或其反应产物沉积
在工件表面成膜
4化学镀：是指在没有外电流通过的情况下，利用化学方法使溶液中的金属离子仍原为金属且沉积在基体表面，形成镀层的壹种表面加工方法。

5电解着色：是把经阳极氧化的铝及其合金放入含金属盐的电解液中进行电解，通过电化学反应，使进入氧化膜微孔中的重金属离子仍原为金属原子6清洁表面：是指不存在任何污染的化学纯表面，即不存在吸附，催化反应或杂质扩散等壹系列物理、化学效应的表面。

7表面弛豫：表面上原子的这种位移（压缩或膨胀）称为表面弛豫。

8溅射镀膜：将工件放入真空室，且用正离子轰击作为阴极的靶（镀膜材料），使靶材中的原子、分子逸出，飞至工件表面凝聚成膜。

9电镀：是指在含有欲镀金属的盐类溶液中，以被镀基体金属为阴极，通过电解作用，使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来，形成镀层
的壹种表面加工方法。

10化学转化膜：通过化学或电化学手段，使金属表面形成稳定的化合物膜层的方法，这种经过化学处理生成的膜层称之为化学转化膜。

11吸附（固体和液体的作用之壹）：吸附是固体表面吸引气体和之结合，以降低
固体表面能的作用。

12自扩散：在壹个单组分的基底上同种原子的表面扩散称为自扩散
13简单盐镀液：
14磷酸盐膜：是金属在磷酸盐溶液中形成的膜，其成膜过程称为磷化。

15冶金结合：将喷涂层再加热重熔，涂层和基体互熔且扩散称冶金结合
16吸收（固体和液体的作用之壹）：吸引是固体的表面和内部都容纳气体，使整个固体的能量发生变化。

17多相扩散：在表面上其它种吸附原子的扩散称为多相扩散
18氧化物膜：是金属在含有氧化剂的溶液中形成的膜，其成膜过程叫氧化
19镀硬铬：在各种基体材料上镀较厚的铬层，镀层厚度壹般在20um之上
20扩散结合：当薄膜和衬底材料具有可溶性或部分可溶性时，若给界面层的原子1至10ev能量，则可促使原子通过薄膜和衬底界面进行互相扩散，形成薄膜和衬底间的扩散结合。

二、论述题
1、谈谈表面覆盖层的种类及表面技术的作用。

表面覆盖层的种类：电镀，化学镀，热浸镀，热喷涂，真空蒸镀、溅射镀、离子镀,涂装，堆焊和化学气相沉积等。

表面技术的应用：1、能够减缓和消除材料和构件表面的变化和损伤
2、普通的廉价的材料经表面处理后课获得具有特殊功能的表面。

3、可用于节约能源、降低成本、改善环境
4在发展新技术和学术研究中起着不可忽视的作用。

2、什么是络合剂？电镀液中络合剂有何作用？
络合剂：能络合主盐中的金属离子形成络合物的物质。

如焦磷酸盐，KCN,NaCN 等。

作用：细化镀层晶粒，把金属离子生成络合离子，使溶液清澈，离解度小，比简单盐稳定。

有较强的阴极极化作用大多数电镀液都需要使用络合剂。

在含络合剂的镀液中，影响电镀效果的主要是络合剂的游离量。

络合剂的游离量升高,阴极极化作用升高,有利于镀层结晶细化、镀层分散能力和覆盖能力的改善,，阳极极化降低，从而提高阳极开始钝化电流密度，有利于阳极的正常溶解
络合剂的游离量仍会影响镀层的沉积速度
3、对比电镀，谈谈化学镀的优缺点。

化学镀优点：①不需电源设备
②在金属和非金属上都能进行镀覆
③可在形状复杂的零件表面获得镀层均匀的镀层（因为不存在电流分布的问题）
④和电镀相比镀层性能好，对环境污染小。

镀后零件的硬度和抗磨损力大大提高，且镀层分布均匀，不存在电镀特有的边角效应问题。

⑤和电镀层相比，化学镀层的孔隙率低，密度高，抗腐蚀能力强，且有理想的性价比
缺点：在壹些领域仍不能完全取代电镀，技术的真正成熟尚有壹段时间。

化学镀的缺点是溶液稳定性差，使用温度高，寿命短。

4、什么是铝及铝合金的阳极氧化？谈谈铝及铝合金阳极氧化膜在工业上有
何应用？
答：阳极氧化是指在适当的电解液中，以金属作为阳极，在外加电流作用下，使其表面生成氧化膜的方法。

铝及铝合金的阳极氧化所用的电解液壹般为中等溶解
能力的酸性溶液，铅为阳极，仅起导电作用。

应用：（1）、多孔材料：多孔结构可使膜层表现出良好的吸附能力，可作为涂镀层的底层，也可将氧化膜染色，提高金属的装饰效果。

（2）、耐磨材料：铝氧化膜具有很高的强度，能够提高金属表面的耐磨性。

（3）、耐蚀材料：铝氧化膜在空气中很稳定，具有较好的耐蚀性。

（4）、电绝缘材料：用作电解电容器的电介质或电器制品的绝缘层。

（5）、绝热材料：铝氧化膜是很好的绝热层。

（6）、铝氧化膜和基体金属的结合力很强
5、试述金属磷化膜的形成机理，比较钢铁高温、中温、低温磷化的优缺点。

解：
磷化处理是在含有锰、铁、锌的磷酸二氢盐和磷酸组成的溶液中进行的。

在磷化处理过程中发生如下反应：4M2++3H2PO4-→MHPO4↓+M3(PO4)2↓+5H+当金属和溶液接触时，在金属∕溶液界面液层中Me2+浓度升高或H+离子浓度降低都会促使反应向右进行。

由于铁在磷酸里溶解，Fe+2H+=Fe2++H2↑反应生成的不溶于水的磷酸盐在金属表层沉淀位磷酸盐保护膜。

从电化学的观点见，磷化膜的形成可认为是微电池作用的结果。

阴极：2H++2e-=H2↑
阳极：Fe-2e-=Fe2+Fe2++2H2PO4-=Fe(H2PO4)2
Fe(H2PO4)2=FeHPO4+H3PO43FeHPO4=Fe3(PO4)2↓+H3PO4
和此同时，阳极区溶液中的Mn(H2PO4)2、Zn(H2PO4)2也发生如下反应：
M(H2PO4)2=MHPO4+H3PO4
3MHPO4=M3(PO4)2↓+H3PO4
式中的M为Mn和Zn。

阳极区的反应产物Fe3(PO4)2、Mn3(PO4)2、Zn3(PO4)2壹起结晶形成磷化膜。

高温磷化：优点：膜层较厚，膜层的耐蚀性、耐热性、结合力和硬度都比较好，磷化速度快。

缺点：溶液的工作温度高，能耗大，溶液蒸发量大，成分变化快，常
需要调整且结晶粗细不均匀。

中温磷化：优点：膜层的耐蚀性将接近高温磷化膜，溶液稳定，磷化速度快，生率高。

缺点：溶液较复杂，调整较麻烦。

常温磷化：优点：节约能源，成本低，溶液稳定。

缺点：耐蚀性差，结合力欠佳，处理时间较长，效率低。

6、说说薄膜的定义和特征。

定义：按照壹定的需要，利用特殊的制备技术，在基体表面上形成厚度为亚微米至微米级的膜层。

特征：表层呈不连续性,高低不平,薄膜内部有空位、位错等缺陷，且且有杂质的混入。

用各种工艺方法，控制壹定的工艺参数，能够得到不同结构的薄膜。

（1）力学性质。

其弹性模量接近体材料，但抗拉强度明显地高于体材料，这和薄膜内部高密度缺陷有关。

（2）导电性。

其和电子平均自由程λf和膜厚t有关。

在t<λf时：如果薄膜为岛状结构，则电阻率极大；t增大到几十纳米后，电阻率急剧下降；多晶薄
膜因晶界的接触电阻大而使其电阻比单晶薄膜大。

在t>>λf时，薄膜的电阻率和体材料接近，但比体材料大。

（3）电阻温度系数。

壹般金属薄膜的电阻温度系数和膜厚t有关，t小于几十纳米时为负值，而大于几十纳米时为正值。

（4）密度。

壹般来说，薄膜的密度比体材料低。

（5）时效变化。

薄膜制成后，它的部分性质会随时间延长而逐渐变化；在壹定时间或在高温放置壹定时间后，这种变化回趋于平缓。

7、热喷涂有那些特点？
（1）适用范围广。

涂层材料能够是金属和非金属以及复合材料。

被喷涂工件也能够是金属和非金属。

用复合粉末喷成的复合涂层能够吧金
属和塑料或陶瓷集合起来，获得良好的综合性能。

其他方法难以达
到。

（2）工艺灵活。

施工对象小到10mm内孔，大到铁塔、桥梁等大型结构。

喷涂既可在整体表面上进行，也能够在指定区域内涂敷，既可
在真空或控制气氛中喷涂活性材料，也可在野外现场作业。

（3）喷涂层的厚度可调范围大。

涂层厚度能够从几十微米到几毫米，表面光滑，加工量少。

用特细粉末喷涂是，不加研磨即可使用。

（4）工件受热程度能够控制。

除喷熔外，热喷涂是壹种冷工艺，工件不发生畸变，不改变工件的金相组织。

（5）生产率高。

8、对比物理气相沉积（PVD），化学气相沉积（CVD）薄膜的内应力低，为
什么？
物理气相沉淀法是在真空条件下，利用各种物理方法，将镀料气化成原子、分子，或离子化为离子，直接沉淀到基体表面的方法。

薄膜生长方式壹般为岛状生长，
即首先在基体上形核，核继续长大成为岛，当岛在基底上不断长大时，岛会相互联系起来，岛之间会产生相互作用，因此产生的内应力大。

化学气相沉淀法是把含有构成薄膜元素的壹种或几种化合物、单质气体供给基体，借助气象作用或在基体表面上的化学反应生成要求的薄膜。

薄膜生长方式主要是层状生长，生长过程中相互作用小，因此产生的内应力小。

9、谈谈表面技术的分类。

表面技术能够从不同的角度进行归纳、分类。

例如按照作用原理，表面技术能够分为以下四种基本类型：
（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。

（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。

它是将涂覆材料于同壹时间施加于材料表面，如包箔、贴片、热浸镀、涂刷、焊接等。

（4）表面改性。

用各种物理、化学等方法处理表面，使之组成、结构发生变化，从而改变性能，如表面处理、化学热处理、激光表面处理、电子束表面处理、离子注入等。

10、什么是电镀液中的主盐？它的多少对电镀效果有何影响？
主盐是指镀液中能在阴极上沉积出所要求镀层金属的盐，用于提供金属离子。

若其他条件（温度、电流密度）不变，随着主盐浓度的增大，结晶核心形成的速度就降低，因而镀层的组织也较粗。

相反，若主盐浓度过低，导致无法结晶，形成不了镀层。

11、试述化学镀镍的基本原理（Ni-P合金）。

化学镀镍机理：
（i）原子氢态理论：镀件表面的催化作用使次磷酸根分解出初生态原子氢，部分原子氢在镀件表面遇到Ni2+就使其仍原为金属镍，部分原子氢和次磷酸根离子反应生成的磷和镍反应生成镍化磷，部分原子态氢结合在壹起就成了氢气。

H2PO2-+H2OHPO3-+2H+H+
Ni2++2HNi+2H+
H2PO2-+HH2O+OH-+P
3P+NiNiP3
2HH2
(ii)电化学理论：次磷酸根被氢化释放电子，使Ni2+仍原为金属镍。

Ni2+、H2PO2-、H+吸附在镀件表面形成原电池，电池的电动势驱动化学镀镍过程不断进行，在原电池阳极和阴极将分别发生下列反应。

阳极反应H2PO2-+H2OH2PO3-+2H++2e
阴极反应Hi2++2eNi
H2PO2-+e2OH-+P
2HH2
金属化反应3P+NiNiP3
12、什么是钢的发蓝或发黑？写出其化学反应式。

钢铁的化学氧化是指钢铁在含有氧化剂的溶液中进行处理，使其表面生成壹层均匀的蓝黑到黑色膜层的过程，也称钢铁的发蓝或发黑。

根据处理温度的高低，钢铁的化学氧化分为高温化学氧化和常温化学氧化。

1．钢铁高温化学氧化机理
①化学反应机理3Fe+NaNO2+5NaOH=3Na2FeO2+H2O+NH3↑
6Na2FeO2+NaNO2+5H2O=3Na2Fe2O4+7NaOH+NH3↑
Na2Fe2O4+Na2FeO2+2H2O=Fe3O4+4NaOH（黑色氧化膜）
②电化学反应机理Fe→Fe2++2e
6Fe2++NO2→+11OH→→6FeOOH+H2O+NH3↑
FeOOH+e→HFeO2→
2FeOOH+HFeO2→→Fe3O4+OH→+H2O（黑色氧化膜）
2．钢铁常温化学氧化
多数人认为CuSO4+Fe=FeSO4+Cu↓
3Cu+3H2Se03=2CuSeO3+CuSe↓+3H2O（黑色氧化膜）
也有人认为除上述外机理仍有H2SeO3+3Fe+4H+=3Fe2++Se2-+3H2O
Cu2++Se2-=CuSe↓（黑色氧化膜）
13、谈谈铬酸盐膜的形成过程。

（1）金属表面被氧化且以离子的形式转入溶液，和此同时有氢气析出；（2）所析出的氢促使壹定数量的六价仍原成三价铬，且由于金属-溶液界面处的pH值升高使三价铬以胶态的氢氧化形式沉淀。

（3）氢氧化铬胶体自溶液中吸附和结合壹定数量的六价铬，在金属界面构成具有某种组成的铬酸盐膜。

14、简述热喷涂涂层的结合机理。

答：涂层的结合包括涂层和基体表面的结合和涂层内部的结合。

涂层和基体表面的结合强度称为结合力；涂层内部的结合强度称为内聚力。

涂层中颗粒和基体表
面之间的结合以及颗粒之间的结合机理尚未定论，通常有以下几种：
（1）机械结合。

碰撞成扁平状且随基体表面起伏的颗粒，由于和凹凸不平的表面互相嵌合，形成机械钉扎而结合。

壹般说来，涂层和基体表面的结合以机械结合为主。

（2）冶金-化学结合。

这是当涂层和基体表面出现扩散和合金化时的壹种结合类型，包括在结合面上生成金属间化合物或固溶体。

当喷涂后进行重熔即喷焊时，喷焊层和基体的结合主要是冶金结合。

（3）物理结合。

颗粒对基体表面的结合，是由范德华力或次价键形成的结合。

15、什么是蒸发镀膜？谈谈蒸发镀膜的基本过程。

答：蒸发镀膜是将工件放入真空室，且用壹定的方法加热，使镀膜材料（简称膜料）蒸发或升华，飞至工件表面凝聚成膜。

基本过程：镀前准备——抽真空——离子轰击——烘烤——预热——蒸发——取件——镀后处理——检测——成品。

16、什么是化学气相沉积（CVD）？写出三个化学反应类型及相应的反应方
程式（每个反应写出壹个方程式）。

答：化学气相沉积是借助空间气相化学反应在基材表面上沉积固态薄膜的工艺技术。

方程式：（1）热分解：金属化合物SiH4==Δ==Si+2H2
(2)氢仍原：金属卤化物SiCl4+2H2==Δ==Si+4HCl
(3)金属仍原：它是金属卤化物和单质金属发生仍原反应BeCl2+Zn==Δ==Be+ZnCl2。