材料表面工程学课件
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固体是一种重要的物质结构形态，一般可 分为晶体和非晶体两类，固体材料是人类生产 活动和工程技术中使用最普遍的材料。从固体 物理学的角度看，结晶固体的表面是晶体中原 子的周期性排列发生突然中止的地方，表面原 子的状态与周期性排列的内部原子的状态有较 大的差别。
形成了材料表面后，其结构会出现某种程 度的重新调整和改变，表面的结晶学性质及能 量等也会发生相应的变化。
熔化的液滴或细小的固体颗粒在外力作用 下在基体材料表面凝聚、沉积或烧结。涂层的 显微结构取决于颗粒的凝固或烧结情况。火焰 喷涂，等离子喷涂、爆炸喷涂、搪瓷釉等都属 于这类。
（3）整体涂层
将欲涂覆的材料于同一时间施加于送体表面。 如涂漆、包覆金属、静电喷涂、热浸镀涂层等。
Leabharlann Baidu
（4）表面改性 用离子处理、热处理、机械处理及化学处理
（3）可用于节约能源，降低成本，改善环境
在热工设备及高温环境下，用表面处理技术 在设备、管道及部件上施加隔热涂层，可以减 少热损失。在高、中温炉内壁涂以远红外辐射 涂层可节电约30％。
在流态床中用化学气相沉积在核燃料(二氧化 铀)颗粒表面沉积一层热解炭，用于气冷反应堆。 可以阻挡裂变产物的辐射，并可保护核燃料不 受腐蚀。
借助表面处理技术既可以节约稀、贵金属 (金、铂、钽等)和战略元索(镍、钴、铬等)，设 计不同性能的表面和基体，经表面处理后使其 复合，以满足预定的要求。
使用磁控溅射技术在金属乃至陶瓷及塑料 表而上反应沉积一层金黄色的TiN，可作为表带、 表壳等的仿金装饰徐层，既美观又牢固，同时 可节省大量黄金。处于高速运转状态的硬盘高 速磁头，在磁头表面沉积一层Al2O3耐磨损膜， 从而大大提高磁头的寿命。
简而言之，材料表面工程技术就是通过某 种工艺手段赋予表面不同于基体材料的组织结 构、化学组成，因而具有不同于基体材料的性 能。经过表面处理的材料，既具有基体材料的
机械强度和其它力学性能，又能由新形成的表 面获得所需要的各种特殊性能(如耐磨、耐腐蚀、 耐高温，对各种射线的吸收、辐射、反射能力， 超导、润滑、绝缘、储氢等)。
第一章概论
1.1金属表面工程技术的意义及作用 表面工程技术是材料科学的一个重要领域，
近一二十年来得到迅速发展。
其主要体现是：传统表面处理工艺被革新， 多种新工艺方法被发明，这些新技术在工业上 的应用使得材料制品的质量得到大幅度提高， 为许多国家带来极大的经济效益，因而愈来愈 受到各发达国家的重视。
同时，具有不完整结构的表面原子会与环 境发生相互作用，产生物理吸附、化学吸附或 化学反应等。
材料的腐蚀、磨损、疲劳破坏等都是零件 表面材料的流失过程，要实现对它们的控制， 就必须要了解表面材料流失时的物理和化学过 程。这些过程不仅与外界条件有关，还与材料 表面的物理、化学特性等密切相关。
（1）原子沉积物
原子在基体上凝聚，然后成核、长大，最终 形成薄膜。被吸附的原子处于快冷的非平衡态， 沉积层中有大量结构缺陷。沉积层常和基体反 应生成复杂的界面层。
凝聚成核及长大的模式决定着涂层的显微 结构和晶型，电镀、真空蒸镀、溅射、离子镀、 化学气相沉积、等离子聚合、分子束外延均属 于这类。
（2）粒状沉积物
材料表面工程学
目录 第1章 概论 第2章 材料表面的基本性质 第3章 固—气界面 第4章 固—液界面 第5章 表面处理技术简述
材料表面功能镀覆层是指利用物理、 化学、机械等其它方法在材料表面制备与 基体材料不同的，具有光、电、磁、热、 耐磨、耐腐蚀等特殊性能的覆盖层。一般 覆盖层厚度为几微米至几毫米，并且与基 体具有良好的结合强度。目前，对镀覆层 的名称、内涵和定义尚未形成一致的看法， 镀层、涂层、覆盖层和薄膜是相同的概念 抑或有所不同？它们之间的关系如何？至 今尚没有定论。
为了改善人工植入材料与肌体的生物相容性， 可以在植入材料制成的器件上沉积第三种材料 的薄膜。
（4）在发展新兴技术和学术研究中起着不可忽视的 作用
等离子化学气相沉积的氮化硅和铝作为大规模集 成电路的内联线路和门电极，用反应离子镀沉积氮化 铟可作为半导体或光电转换器件。
制备光纤通讯用光导纤维的化学气相沉积技术随 着光纤的发展而日新月异。如电子束共蒸镀金属陶瓷 涂层作为太阳能吸热器，如Co—A12O3层。太阳能的 吸收率可达95％，辐射率达10％。
近20年来，材料表面工程技术日益受到重 视。其原因如下；
（1）可以减缓和消除材科和构件表面的变化 及损伤
在自然界和工程实践中，材料的构件可能承 受各种外界负荷，并产生形式多样、程度不一
的表面变化及损伤。表面处理技术可以对材料 和构件的表面变化及损伤起到减缓和消除的作
用。
（2）可以获得具有特殊功能的表面
等方法处理表面，改变材料表面的组成及性质。 如化学转化膜、熔盐镀、喷九强化、离子注
入、激光处理、离子氮化等。
我国部分材料科学家将众多的表面工程技 术概括为三类 (1)改善表面的显微组织——表面组织强化； (2)改善表面化学成分——表面合金化； (3)沉积到表面上形成薄膜——表面改性。
第二章 材料表面的基本性质
通常把“薄膜”看作为“极薄”的镀层， 在10μm左右。但是实际上也不尽然，譬如 硬质阳极膜的厚度就达到了60μm～250μm。 所以，目前大多是根据习惯、工艺、结构和 性能特点的不同以“镀层”、“涂层”或 “薄膜”来描述材料表面镀覆层。
形成材料表面功能镀覆层的技术有表面 涂敷、电镀、化学镀和气相沉积等。
发展新兴技术，需要大量具有特殊功能的材料。 表面处理新技术可用于薄膜光电器件、导电涂层、光 电探测器、液晶显示装置、超细粉末、高纯材料、高 强高韧性的结构陶瓷等方面。
1.2 金属表面工程技术的分类
表面工程技术的种类很多，原理不一，应用 范围各异。物理学家、化学家和材料科学家从
不同的角度进行归纳分类，因此有若干种分类 方法。从材料科学的角度，美国加利福尼亚大 学的邦沙(Bunshah．F)教授和美国山茅公司表 面冶金部的(离子镀的创始人)马托克斯 (Mattox·D)博士提出的分类方法是按沉积物的 尺寸进行分类，将表面工程技术分为四大类：
形成了材料表面后，其结构会出现某种程 度的重新调整和改变，表面的结晶学性质及能 量等也会发生相应的变化。
熔化的液滴或细小的固体颗粒在外力作用 下在基体材料表面凝聚、沉积或烧结。涂层的 显微结构取决于颗粒的凝固或烧结情况。火焰 喷涂，等离子喷涂、爆炸喷涂、搪瓷釉等都属 于这类。
（3）整体涂层
将欲涂覆的材料于同一时间施加于送体表面。 如涂漆、包覆金属、静电喷涂、热浸镀涂层等。
Leabharlann Baidu
（4）表面改性 用离子处理、热处理、机械处理及化学处理
（3）可用于节约能源，降低成本，改善环境
在热工设备及高温环境下，用表面处理技术 在设备、管道及部件上施加隔热涂层，可以减 少热损失。在高、中温炉内壁涂以远红外辐射 涂层可节电约30％。
在流态床中用化学气相沉积在核燃料(二氧化 铀)颗粒表面沉积一层热解炭，用于气冷反应堆。 可以阻挡裂变产物的辐射，并可保护核燃料不 受腐蚀。
借助表面处理技术既可以节约稀、贵金属 (金、铂、钽等)和战略元索(镍、钴、铬等)，设 计不同性能的表面和基体，经表面处理后使其 复合，以满足预定的要求。
使用磁控溅射技术在金属乃至陶瓷及塑料 表而上反应沉积一层金黄色的TiN，可作为表带、 表壳等的仿金装饰徐层，既美观又牢固，同时 可节省大量黄金。处于高速运转状态的硬盘高 速磁头，在磁头表面沉积一层Al2O3耐磨损膜， 从而大大提高磁头的寿命。
简而言之，材料表面工程技术就是通过某 种工艺手段赋予表面不同于基体材料的组织结 构、化学组成，因而具有不同于基体材料的性 能。经过表面处理的材料，既具有基体材料的
机械强度和其它力学性能，又能由新形成的表 面获得所需要的各种特殊性能(如耐磨、耐腐蚀、 耐高温，对各种射线的吸收、辐射、反射能力， 超导、润滑、绝缘、储氢等)。
第一章概论
1.1金属表面工程技术的意义及作用 表面工程技术是材料科学的一个重要领域，
近一二十年来得到迅速发展。
其主要体现是：传统表面处理工艺被革新， 多种新工艺方法被发明，这些新技术在工业上 的应用使得材料制品的质量得到大幅度提高， 为许多国家带来极大的经济效益，因而愈来愈 受到各发达国家的重视。
同时，具有不完整结构的表面原子会与环 境发生相互作用，产生物理吸附、化学吸附或 化学反应等。
材料的腐蚀、磨损、疲劳破坏等都是零件 表面材料的流失过程，要实现对它们的控制， 就必须要了解表面材料流失时的物理和化学过 程。这些过程不仅与外界条件有关，还与材料 表面的物理、化学特性等密切相关。
（1）原子沉积物
原子在基体上凝聚，然后成核、长大，最终 形成薄膜。被吸附的原子处于快冷的非平衡态， 沉积层中有大量结构缺陷。沉积层常和基体反 应生成复杂的界面层。
凝聚成核及长大的模式决定着涂层的显微 结构和晶型，电镀、真空蒸镀、溅射、离子镀、 化学气相沉积、等离子聚合、分子束外延均属 于这类。
（2）粒状沉积物
材料表面工程学
目录 第1章 概论 第2章 材料表面的基本性质 第3章 固—气界面 第4章 固—液界面 第5章 表面处理技术简述
材料表面功能镀覆层是指利用物理、 化学、机械等其它方法在材料表面制备与 基体材料不同的，具有光、电、磁、热、 耐磨、耐腐蚀等特殊性能的覆盖层。一般 覆盖层厚度为几微米至几毫米，并且与基 体具有良好的结合强度。目前，对镀覆层 的名称、内涵和定义尚未形成一致的看法， 镀层、涂层、覆盖层和薄膜是相同的概念 抑或有所不同？它们之间的关系如何？至 今尚没有定论。
为了改善人工植入材料与肌体的生物相容性， 可以在植入材料制成的器件上沉积第三种材料 的薄膜。
（4）在发展新兴技术和学术研究中起着不可忽视的 作用
等离子化学气相沉积的氮化硅和铝作为大规模集 成电路的内联线路和门电极，用反应离子镀沉积氮化 铟可作为半导体或光电转换器件。
制备光纤通讯用光导纤维的化学气相沉积技术随 着光纤的发展而日新月异。如电子束共蒸镀金属陶瓷 涂层作为太阳能吸热器，如Co—A12O3层。太阳能的 吸收率可达95％，辐射率达10％。
近20年来，材料表面工程技术日益受到重 视。其原因如下；
（1）可以减缓和消除材科和构件表面的变化 及损伤
在自然界和工程实践中，材料的构件可能承 受各种外界负荷，并产生形式多样、程度不一
的表面变化及损伤。表面处理技术可以对材料 和构件的表面变化及损伤起到减缓和消除的作
用。
（2）可以获得具有特殊功能的表面
等方法处理表面，改变材料表面的组成及性质。 如化学转化膜、熔盐镀、喷九强化、离子注
入、激光处理、离子氮化等。
我国部分材料科学家将众多的表面工程技 术概括为三类 (1)改善表面的显微组织——表面组织强化； (2)改善表面化学成分——表面合金化； (3)沉积到表面上形成薄膜——表面改性。
第二章 材料表面的基本性质
通常把“薄膜”看作为“极薄”的镀层， 在10μm左右。但是实际上也不尽然，譬如 硬质阳极膜的厚度就达到了60μm～250μm。 所以，目前大多是根据习惯、工艺、结构和 性能特点的不同以“镀层”、“涂层”或 “薄膜”来描述材料表面镀覆层。
形成材料表面功能镀覆层的技术有表面 涂敷、电镀、化学镀和气相沉积等。
发展新兴技术，需要大量具有特殊功能的材料。 表面处理新技术可用于薄膜光电器件、导电涂层、光 电探测器、液晶显示装置、超细粉末、高纯材料、高 强高韧性的结构陶瓷等方面。
1.2 金属表面工程技术的分类
表面工程技术的种类很多，原理不一，应用 范围各异。物理学家、化学家和材料科学家从
不同的角度进行归纳分类，因此有若干种分类 方法。从材料科学的角度，美国加利福尼亚大 学的邦沙(Bunshah．F)教授和美国山茅公司表 面冶金部的(离子镀的创始人)马托克斯 (Mattox·D)博士提出的分类方法是按沉积物的 尺寸进行分类，将表面工程技术分为四大类：