表面工程学的基础理论-1

现代表面工程材料科学与工程学院王云龙13776470556课件钱苗根主编，机械工业出版社《现代表面技术》参考资料材料表面工程，哈尔滨大学出版社，徐滨士编著金属材料表面新技术，赵文珍，西安交通大学出版社，1992现代表面技术，机械工业出版社，钱苗根等编著表面工程手册，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课件主要内容主要内容第一章、表面工程的基本理论1.1表面技术和表面工程概述1.2表面技术的分类1.3表面技术的应用与发展§1－1表面技术和表面工程概述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。广义的说：一、表面技术的涵义现代材料表面技术，主要是综合采用最新的电子技术，真空技术、冶金、物理、化学、材料等各学科的最新知识和等离子体、离子束、电子束、激光束、微波的最新成果。把材料表面与基体视作一个统一的系统进行设计与改性，以最经济和最有效的方法改变材料表面及近表面区的形态、化学成分、应力状态和组织结构，赋予其新的复合性能，从而获得许多新构思，新材料，新器件以实现新的工程应用。我们把这种多功能综合化的，用于提高材料表面性能的各种新技术，统称为现代材料表面技术表面技术的广义涵义1）表面技术的基础和应用理论理论基础：表面科学，表面物理、表面化学、表面分析技术；应用理论：除了材料科学外主要还包括表面失效分析，摩擦磨损理论，腐蚀与防护理论，表面结合、复合、界面理论、真空技术，气体放电与等离子体物理、离子溅射、薄膜生长、薄膜与涂层现代表面技术电磁理论、半导体物理、功能效应等等2）表面处理技术表面覆盖技术表面改性技术复合表面处理技术3）表面加工技术4）表面分析和测试技术5）表面工程技术设计二、表面工程的涵义随着表面科学技术的迅速发展与工程应用，表面工程学也已逐渐形成正在发展中的新兴学科。目前，表面工程学科的体系，正在不断的进行探索和完善。表面工程这一概念，在２０世纪８０年代初，最早由英格兰伯明翰大学ＴｏｍＢｅｌｌ教授提出。表面工程是把材料表面与基体视作一个系统进行设计，利用表面改性技术，薄膜技术和涂镀层技术，表面复合处理技术，材料表面纳米化工程技术，使材料表面获得材料本身没有而又希望具有的性能的系统工程。表面工程的涵义三、使用表面技术的目的（1）提高材料抵御环境作用能力:耐蚀性（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:电铸、电刷镀表面工程技术的目的和作用表面工程技术的主要目的：通过表面处理使材料表面按人们希望的性能进行改变。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。表面工程技术的作用就是改善或赋予表面各种性能四、表面工程技术日益得到重视1）社会生产、生活的需要---腐蚀损失2-5%2）通过表面处理大幅度提高产品质量:耐蚀耐磨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问题：飞船或者洲际导弹的头部锥体和翼前沿：由于具有音速数倍的速度，并与大气层摩擦，即所谓气动加热，其温度高达4000～5000℃,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航天飞机外壳的防热材料和涂层：如美国洛克希德导弹与航天公司开发了一种LI-900全氧化硅绝热毡,特性：重量轻，整个体积的95%都是空的。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%汽车喷漆电镀镀银壶喷丸抛丸后的铸件表面技术倍受重视的原因材料物理、化学性能及其变化都从表面开始；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；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如美国工程科学院在为美国国会提供的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。五、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按照作用原理分类（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:涂层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。§1－2表面技术的分类①原子沉积物原子在基体上凝聚,生核、长大、成膜.如电镀、PVD、CVDCVD氮化钛刀具TiCl4+H2+N2→TiN(s)+HCl②粒状沉积物熔化的液滴或细小的固体颗粒在外力作用下于基体表面凝聚、沉积或烧结,形成的表面涂层.例如,热喷涂、搪瓷、喷漆等.齿轮表面喷涂WC③整体沉积层欲涂敷的材料于同一时间施于基体表面.如,涂漆、热浸渍等.热镀锌④表面改性用离子处理、热处理、激光处理等方、法改变材料表面的组织和性能.如喷丸、离子注入、激光处理.激光表面合金化表面技术的分类按学科特点分为：1)表面合金化：包括喷焊、堆焊、离子注入、激光溶敷、热渗镀等。2）表面覆层与覆膜技术：包括热喷涂、电镀、化学转化处理、化学镀、气相沉积、涂装、堆焊、金属染色、热浸镀等。3）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。按工艺特点分类：电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、表面着色、气相沉积、“三束”改性以及表面热处理、形变强化和衬里类表面技术的分类§1-3表面技术的应用与发展一、表面技术应用的广泛性和重要性腐蚀损失占国民经济的2-5%作用：防护(Zn,Ni)、耐磨(硬Cr,复合镀层）、强化(复合镀层）、修复(Fe)、装饰（Cr)等。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工具、模具（电铸）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、能量转换(太阳能电池材料）、磁记录材料（Co,Ni)、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（磷灰石）,生物医学材料（人工骨）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新的边缘学科，它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？