第一章 现代表面工程技术

现代表面工程技术ModernSurfaceEngineeringandTechnology河南理工大学材料学院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；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℃：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℃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LI-900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。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；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。（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、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。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类表面技术的广泛涵义，包括：1）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。（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。思考题1材料表面工程技术为什么能得到社会的重视获得迅速发展？2表面工程技术的目的和作用是什么？3为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科？