第八章 表面处理精选文档.ppt

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1、第八章 表面处理1本讲稿第一页，共九十页1 纳米表面工程的内涵纳米表面工程的内涵 在开展相关理论研究与实践应用的基础上，在开展相关理论研究与实践应用的基础上，“纳米表面工程纳米表面工程”这一新的概念和领域应运而这一新的概念和领域应运而生。生。2000年，徐滨士等人在年，徐滨士等人在中国机械工程中国机械工程杂志上首先提出了杂志上首先提出了“纳米表面工程纳米表面工程”的概念。的概念。2002年国际表面工程学科创始人、中国工年国际表面工程学科创始人、中国工程院外籍院士、英国伯明翰大学程院外籍院士、英国伯明翰大学T.Bell教授教授访华时对纳米表面工程的提法给予充分的肯访华时对纳米表面工程的提法给予充

2、分的肯定，并确定与中国学者联合开展纳米表面工定，并确定与中国学者联合开展纳米表面工程的研究工作。程的研究工作。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 2本讲稿第二页，共九十页1 纳米表面工程的内涵纳米表面工程的内涵 纳米表面工程是以纳米材料和其他低维非纳米表面工程是以纳米材料和其他低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术和手平衡材料为基础，通过特定的加工技术和手段，对固体表面进行强化、改性、超精细加段，对固体表面进行强化、改性、超精细加工或赋予表面新功能的系统工程。产生机敏工或赋予表面新功能的系统工程。产生机敏表面、纳米智能表面和表面纳米器件。（潜表面、纳米智能表面和表面纳米器件。（潜艇蒙皮、

3、坦克外壳）简言之，纳米表面工程艇蒙皮、坦克外壳）简言之，纳米表面工程就是将纳米材料和纳米技术与表面工程交就是将纳米材料和纳米技术与表面工程交叉、复合、综合并开发应用。叉、复合、综合并开发应用。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 3本讲稿第三页，共九十页1 纳米表面工程的内涵纳米表面工程的内涵 与传统的表面工程相比，其特点是：取决与传统的表面工程相比，其特点是：取决于基体性能的因素被弱化，表面处理、改性于基体性能的因素被弱化，表面处理、改性和功能化的自由度扩大，表面加工技术的作和功能化的自由度扩大，表面加工技术的作用更加突出，产品的附加值更高。用更加突出，产品的附加值更高。第八章第八章 纳米

4、表面工程纳米表面工程 4本讲稿第四页，共九十页1 纳米表面工程的内涵纳米表面工程的内涵第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 什么是“纳米表面”纳米量级厚度的薄膜表面含有纳米颗粒与原子团族表面含有纳米碳管复合纳米表面5本讲稿第五页，共九十页2 纳米表面工程产生的背景纳米表面工程产生的背景 随着纳米科技的发展，微机电系统的设随着纳米科技的发展，微机电系统的设计、制造日益增多，制造技术以由亚微米层计、制造日益增多，制造技术以由亚微米层次进入到原子、分子级的纳米层次。纳米机次进入到原子、分子级的纳米层次。纳米机器人、纳米钳、纳米电机、器人、纳米钳、纳米电机、，此类机电，此类机电系统涉及到大量的表面科

5、学表面技术问题，系统涉及到大量的表面科学表面技术问题，且随着尺寸减小和表面效应的出现，传统的且随着尺寸减小和表面效应的出现，传统的的表面设计和加工方法以不再适应。的表面设计和加工方法以不再适应。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 6本讲稿第六页，共九十页2 纳米表面工程产生的背景纳米表面工程产生的背景 要求材料在特殊情况，如超高温要求材料在特殊情况，如超高温/低温、低温、超高压、高真空、强氧化还原或腐蚀环境以超高压、高真空、强氧化还原或腐蚀环境以及存在辐射、声吸收、信号屏蔽、承受点载及存在辐射、声吸收、信号屏蔽、承受点载荷等条件下服役的情况越来越多，由于纳米荷等条件下服役的情况越来越多，由

6、于纳米材料在力、电、声、光、热、磁方面表现出材料在力、电、声、光、热、磁方面表现出与宏观材料不同的特性。因此传统材料表面与宏观材料不同的特性。因此传统材料表面纳米化显得特别重要。纳米化显得特别重要。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 7本讲稿第七页，共九十页3 实现表面纳米化的三种途径实现表面纳米化的三种途径 在金属材料表面获得纳米结构表层主要途在金属材料表面获得纳米结构表层主要途径有三种：表面涂覆或沉积方法、表面自身径有三种：表面涂覆或沉积方法、表面自身纳米化方法和混合纳米化方法。纳米化方法和混合纳米化方法。（1）表面涂覆或沉积方法）表面涂覆或沉积方法 首先利用纳米粉体制备技术获得具有纳

7、米首先利用纳米粉体制备技术获得具有纳米尺度的颗粒，再将这些颗粒通过表面技术固尺度的颗粒，再将这些颗粒通过表面技术固结在材料的表面，形成一个与基体化学成分结在材料的表面，形成一个与基体化学成分相同（或不同）的纳米结构表层。相同（或不同）的纳米结构表层。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 8本讲稿第八页，共九十页纳米固体薄膜制备技术纳米固体薄膜制备技术 直流溅射 射频溅射 磁控溅射 离子束溅射 真空蒸发溅射沉积离子镀物理气相沉积（PVD）化学气相沉积（CVD）分子束外延（MBE）气相沉积气相沉积 电电 镀镀 法法 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法 电阻加热 感应加热 电子束加热 激光加热 直流二极型离子

8、镀 射频放电离子镀 等离子体离子镀 HFCVD PECVD LECVD 9本讲稿第九页，共九十页3 实现表面纳米化的三种途径实现表面纳米化的三种途径 这种材料的主要特征是：纳米结构表层内晶这种材料的主要特征是：纳米结构表层内晶粒大小比较均匀、晶粒尺寸可以控制；表层与粒大小比较均匀、晶粒尺寸可以控制；表层与基体之间存在着明显得界面；材料的外形尺寸基体之间存在着明显得界面；材料的外形尺寸较处理前有所增加。较处理前有所增加。许多常规表面涂层和沉积技术都具有开发纳许多常规表面涂层和沉积技术都具有开发纳米表面膜层的潜力，如米表面膜层的潜力，如PVD、CVD、电解沉积、电解沉积等。通过工艺参数的调节，可以

9、控制纳米结构等。通过工艺参数的调节，可以控制纳米结构表层的厚度和纳米晶粒的尺寸，整个工艺过程表层的厚度和纳米晶粒的尺寸，整个工艺过程的关键是实现表层与基体之间以及表层纳米颗的关键是实现表层与基体之间以及表层纳米颗粒之间的牢固结合。粒之间的牢固结合。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 10本讲稿第十页，共九十页3 实现表面纳米化的三种途径实现表面纳米化的三种途径 目前，这些技术经过不断地发展和完善，目前，这些技术经过不断地发展和完善，已比较成熟。已比较成熟。（2）表面自身纳米化方法）表面自身纳米化方法 对于多晶材料，采用非平衡处理方法增加对于多晶材料，采用非平衡处理方法增加材料表面的自由能，

10、可以使粗晶组织逐渐细材料表面的自由能，可以使粗晶组织逐渐细化至纳米量级。这种材料的主要特征是：晶化至纳米量级。这种材料的主要特征是：晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大；纳米结构表层粒尺寸沿厚度方向逐渐增大；纳米结构表层与基体之间没有明显的界面；处理前后材料与基体之间没有明显的界面；处理前后材料的外形尺寸基本不变。的外形尺寸基本不变。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 11本讲稿第十一页，共九十页3 实现表面纳米化的三种途径实现表面纳米化的三种途径 由由非非平平衡衡实实现现表表面面纳纳米米化化主主要要有有两两种种方方法法，即即表表面面机机械械（加加工工）处处理理法法和和非非平平衡衡热热力力学学法法，

11、不不同同方方法法所所采采用用的的工工艺艺和和由由其其导导致致纳米化的微观机理均存在着较大的差异。纳米化的微观机理均存在着较大的差异。（3）混合纳米化方法）混合纳米化方法 在制备热喷涂层、电刷镀层、粘结层等表在制备热喷涂层、电刷镀层、粘结层等表面工程涂覆层时，在基质层中复合纳米颗粒面工程涂覆层时，在基质层中复合纳米颗粒以改变涂覆层本身的综合性能或制备出特殊以改变涂覆层本身的综合性能或制备出特殊的功能涂层。的功能涂层。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 12本讲稿第十二页，共九十页3 实现表面纳米化的三种途径实现表面纳米化的三种途径 目目前前，较较为为成成熟熟的的使使用用纳纳米米表表面面工工程

12、程技技术术制备的表面涂覆层主要属于这种方式。制备的表面涂覆层主要属于这种方式。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 13本讲稿第十三页，共九十页4.实用纳米表面技术实用纳米表面技术 围绕以上途径开展研究，当前已经开发出围绕以上途径开展研究，当前已经开发出多种实用的纳米表面工程技术。多种实用的纳米表面工程技术。（1）纳米薄膜制备技术）纳米薄膜制备技术 薄膜技术是通过某些特定工艺（常用溅射薄膜技术是通过某些特定工艺（常用溅射法），在物体表面沉积附着一层或者多层与法），在物体表面沉积附着一层或者多层与基体材料材质不同的薄膜，使物体表面具有基体材料材质不同的薄膜，使物体表面具有与基体材料不同性能的技

13、术。与基体材料不同性能的技术。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 14本讲稿第十四页，共九十页4.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（1）纳米薄膜制备技术）纳米薄膜制备技术 按薄膜的用途，可以将其分为按薄膜的用途，可以将其分为功能性薄膜功能性薄膜和和保护性薄膜保护性薄膜两大类。两大类中又有纳米多两大类。两大类中又有纳米多层膜和纳米复合膜之分。纳米多层膜一般是层膜和纳米复合膜之分。纳米多层膜一般是由两种厚度在纳米尺度上的不同材料层交替由两种厚度在纳米尺度上的不同材料层交替排列而成的涂层体系。排列而成的涂层体系。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 15本讲稿第十五页，共九十页4.实用纳米表面

14、技术实用纳米表面技术（1）纳米薄膜制备技术）纳米薄膜制备技术 由于膜层在纳米量级上排列的周期性，两由于膜层在纳米量级上排列的周期性，两种材料具有一个基本固定的超点阵周期，双种材料具有一个基本固定的超点阵周期，双层厚度为层厚度为510nm，一些涂层在，一些涂层在X射线衍射图射线衍射图上产生了附加的超点阵峰，对这些涂层又称上产生了附加的超点阵峰，对这些涂层又称之为纳米超点阵涂层。纳米复合膜是由两相之为纳米超点阵涂层。纳米复合膜是由两相或两相以上的固态物质组成的薄膜材料，其或两相以上的固态物质组成的薄膜材料，其中至少有一相是纳米晶，其他相可以是纳米中至少有一相是纳米晶，其他相可以是纳米晶，也可以是非

15、晶态。晶，也可以是非晶态。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 16本讲稿第十六页，共九十页4.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（2）纳米热喷涂技术）纳米热喷涂技术 热热喷喷涂涂是是表表面面工工程程领领域域中中应应用用十十分分广广泛泛的的技技术术，在在各各种种新新型型热热喷喷涂涂技技术术如如超超音音速速火火焰焰喷喷涂涂（HVOF）、高高速速电电弧弧喷喷涂涂、气气体体爆爆燃燃式式喷喷涂涂、电电熔熔爆爆炸炸喷喷涂涂、超超音音速速等等离离子子喷喷涂涂、真真空空等等离离子子喷喷涂涂等等不不断断涌涌现现的的同同时时，纳纳米米热热喷喷涂涂技技术术已已成成为为热热喷喷涂涂技技术术新新的的发发展展方方向。向

16、。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 17本讲稿第十七页，共九十页4.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（2）纳米热喷涂技术）纳米热喷涂技术 热喷涂纳米涂层组成可分为三类：热喷涂纳米涂层组成可分为三类：单一纳米颗粒材料的复合体系，特别是陶单一纳米颗粒材料的复合体系，特别是陶瓷或金属陶瓷颗粒的复合体系具有重要的作瓷或金属陶瓷颗粒的复合体系具有重要的作用和意义。目前，完全的纳米材料涂层离普用和意义。目前，完全的纳米材料涂层离普及及应用还有相当距离。大部分的研究开发及及应用还有相当距离。大部分的研究开发工作集中在在传统涂覆层技术基础上，添加工作集中在在传统涂覆层技术基础上，添加复合纳米材料，可在较

17、低成本情况下，使涂复合纳米材料，可在较低成本情况下，使涂覆层功能得到显著提高。覆层功能得到显著提高。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 18本讲稿第十八页，共九十页纳米粒子（纳米粒子（0D-n）：质量太小，不能直接喷涂；）：质量太小，不能直接喷涂；喷涂过程中被烧结。喷涂过程中被烧结。液相分散喷雾合成法，原位生成喷雾合成法，机械液相分散喷雾合成法，原位生成喷雾合成法，机械研磨合成法。研磨合成法。纳米结构喂料(Nanostrucyured Feedstock,NF)19本讲稿第十九页，共九十页超音速分散热空气吹干+20本讲稿第二十页，共九十页 按液相合成法在液相中先生成纳米粒子，通按液相合成法

18、在液相中先生成纳米粒子，通过过滤、渗透、反渗透及超离心等手段除出纳过过滤、渗透、反渗透及超离心等手段除出纳米粒子以外的组分，再加入液相介质何其它组米粒子以外的组分，再加入液相介质何其它组分，用液相喷雾分散法获得分，用液相喷雾分散法获得NF。21本讲稿第二十一页，共九十页 通过机械研磨、机械合金、高能球磨等方法直接将通过机械研磨、机械合金、高能球磨等方法直接将微米粉或非晶金属箔加工成微米粉或非晶金属箔加工成NF。具体为：在干燥的高真。具体为：在干燥的高真空料机内通入保护气体（空料机内通入保护气体（Ar,N2）；或在）；或在CH3OH和液氮介和液氮介质中通过对磨球质中通过对磨球/粉体比、磨球数量和

19、尺寸、球磨能量、粉体比、磨球数量和尺寸、球磨能量、球磨温度、介质等参数的控制，对粉末粒子反复进行熔球磨温度、介质等参数的控制，对粉末粒子反复进行熔结、断裂过程，使晶粒不断细化，达到纳米尺寸。除去结、断裂过程，使晶粒不断细化，达到纳米尺寸。除去CH3OH和液氮介质后，和液氮介质后，0D-n会因自身的静电引力自行团聚会因自身的静电引力自行团聚成微米级的纳米结构喂料。成微米级的纳米结构喂料。22本讲稿第二十二页，共九十页高速氧高速氧-燃气喷涂燃气喷涂（HVOF）Jet-Kote 喷枪结构1-燃烧室，2-粉末入口，3-燃气通道，4-送粉通道，5-冷却水道，6-喷嘴。123456345O2(H2,C3H

20、6,C3H8)23本讲稿第二十三页，共九十页4.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（2）纳米热喷涂技术）纳米热喷涂技术 例如，美国纳米材料公司通过特殊粘结处例如，美国纳米材料公司通过特殊粘结处理制成专用热喷涂纳米粉，用等离子喷涂方理制成专用热喷涂纳米粉，用等离子喷涂方法获得了纳米结构的法获得了纳米结构的Al2O3/TiO2涂层，该涂涂层，该涂层致密度达层致密度达9598，结合强度比传统喷，结合强度比传统喷涂粉末涂层提高涂粉末涂层提高23倍，表明纳米结构涂层倍，表明纳米结构涂层具有良好的性能。研究表明，采用热喷涂技具有良好的性能。研究表明，采用热喷涂技术制备的纳米结构涂层性能优异，在一些贵术制备的

21、纳米结构涂层性能优异，在一些贵重、关键零件的应用方面具有良好前景。重、关键零件的应用方面具有良好前景。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 24本讲稿第二十四页，共九十页4.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（3）纳米颗粒复合电刷镀技术）纳米颗粒复合电刷镀技术 电刷技术是表面工程的重要组成部分，该电刷技术是表面工程的重要组成部分，该技术具有设备轻便、工艺灵活、镀覆速度技术具有设备轻便、工艺灵活、镀覆速度快、镀层种类多等优点，被广泛应用于机械快、镀层种类多等优点，被广泛应用于机械零件表面修复与强化，尤其适用于现场及野零件表面修复与强化，尤其适用于现场及野外抢修。近年来，纳米级颗粒材料在电刷镀外抢

22、修。近年来，纳米级颗粒材料在电刷镀技术中的应用，使芾恶化电刷镀技术在高温技术中的应用，使芾恶化电刷镀技术在高温耐磨及抗接触疲劳载荷领域呈现出强大生命耐磨及抗接触疲劳载荷领域呈现出强大生命力。力。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 25本讲稿第二十五页，共九十页4.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（3）纳米颗粒复合电刷镀技术）纳米颗粒复合电刷镀技术 在电刷镀镀液中添加纳米颗粒时制备的复在电刷镀镀液中添加纳米颗粒时制备的复合镀层的摩擦性能有较大改善。在快速镍镀合镀层的摩擦性能有较大改善。在快速镍镀层中分别添加纳米层中分别添加纳米AL2O3、SiC、金刚石、金刚石粉，通过对纳米粉进行表面改性处理

23、，有效粉，通过对纳米粉进行表面改性处理，有效地提高了纳米粉在镍基复合镀层中的共沉积地提高了纳米粉在镍基复合镀层中的共沉积量，显著的改善了纳米粉在镀层中的均匀程量，显著的改善了纳米粉在镀层中的均匀程度。度。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 26本讲稿第二十六页，共九十页4.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（3）纳米颗粒复合电刷镀技术）纳米颗粒复合电刷镀技术 在在不不同同的的加加热热温温度度下下，表表现现出出比比传传统统快快速速镍镍刷刷镀镀层层更更好好的的显显微微硬硬度度和和抗抗微微动动磨磨损损性性能能。其其中中添添加加纳纳米米AL2O3复复合合镀镀层层的的使使用用温温度度达达400，且且在

24、在此此温温度度下下复复合合镀镀层层的的显显微微值值为为HV600，抗抗接接触触疲疲劳劳循循环环次次数数由由传传统统镀镀层层的的2105提提 高高 到到2106，提提 高高 了了 一一 个个 数数 量量级级。纳纳米米电电刷刷镀镀技技术术可可用用于于设设备备贵贵重重零零部部件件的修复与再制造。的修复与再制造。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 27本讲稿第二十七页，共九十页4.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（4）纳米减摩自修复添加剂技术）纳米减摩自修复添加剂技术 机械部件的磨损，主要发生在边界润滑和混机械部件的磨损，主要发生在边界润滑和混合润滑状态下，而润滑油添加剂，特别是摩擦合润滑状态下，

25、而润滑油添加剂，特别是摩擦改进剂是降低其摩擦磨损最有效的途径之一，改进剂是降低其摩擦磨损最有效的途径之一，也是国外表面工程中的重要发展方向。在一定也是国外表面工程中的重要发展方向。在一定温度、压力、摩擦力作用下，表面产生剧烈摩温度、压力、摩擦力作用下，表面产生剧烈摩擦和塑性变形，纳米颗粒在摩擦表面沉积，并擦和塑性变形，纳米颗粒在摩擦表面沉积，并与摩擦表面作用，填补表面微观沟谷，从而形与摩擦表面作用，填补表面微观沟谷，从而形成一层具有抗磨减摩作用的修复膜。成一层具有抗磨减摩作用的修复膜。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 28本讲稿第二十八页，共九十页4.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（4

26、）纳米减摩自修复添加剂技术）纳米减摩自修复添加剂技术 通过发动机台架试验，该技术可使整车的通过发动机台架试验，该技术可使整车的动力性、经济性以及尾气排放都得到改善，动力性、经济性以及尾气排放都得到改善，燃油消耗率也降低了燃油消耗率也降低了510。（5）纳米固体润滑干膜技术）纳米固体润滑干膜技术 固体润滑技术是将固体物质涂（镀）于摩固体润滑技术是将固体物质涂（镀）于摩擦界面，以降低摩擦，减少磨损的技术。与擦界面，以降低摩擦，减少磨损的技术。与常用的液体润滑相比，固体润滑技术不需要常用的液体润滑相比，固体润滑技术不需要相应的润滑设备和装置，不存在泄漏问题。相应的润滑设备和装置，不存在泄漏问题。第八

27、章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 29本讲稿第二十九页，共九十页4.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（5）纳米固体润滑干膜技术）纳米固体润滑干膜技术 固体润滑技术不仅扩充了润滑油、脂的应用固体润滑技术不仅扩充了润滑油、脂的应用范围，而且弥补了润滑油、脂的缺陷。例如，范围，而且弥补了润滑油、脂的缺陷。例如，加入纳米加入纳米AL2O3颗粒，使固体润滑干膜的摩擦颗粒，使固体润滑干膜的摩擦系数增大，耐磨性提高。某重载车辆平面弹子系数增大，耐磨性提高。某重载车辆平面弹子滚道部位，采用纳米固体润滑干膜对其进行处滚道部位，采用纳米固体润滑干膜对其进行处理后，涂层能有效地隔绝腐蚀介质，同时涂层理后，涂层能有

28、效地隔绝腐蚀介质，同时涂层起到较好的减摩润滑作用。该技术可用于特殊起到较好的减摩润滑作用。该技术可用于特殊情况下，贵重零部件的减摩、耐磨。情况下，贵重零部件的减摩、耐磨。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 30本讲稿第三十页，共九十页4.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（6）纳米粘结剂技术）纳米粘结剂技术 表面粘涂与粘结技术是指以高分子聚合物表面粘涂与粘结技术是指以高分子聚合物与一些特殊功能填料（如石墨、二硫化钼、与一些特殊功能填料（如石墨、二硫化钼、金属粉末、陶瓷粉末和纤维）组成的复合材金属粉末、陶瓷粉末和纤维）组成的复合材料涂覆于零件表面实现特定用途（如耐磨、料涂覆于零件表面实现特定用

29、途（如耐磨、抗蚀、绝缘、导电、保温、防辐射等）的一抗蚀、绝缘、导电、保温、防辐射等）的一种表面工程技术。种表面工程技术。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 31本讲稿第三十一页，共九十页4.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（6）纳米粘结剂技术）纳米粘结剂技术 纳纳米米材材料料因因其其优优异异的的特特性性，在在表表面面粘粘涂涂与与粘粘 结结 技技 术术 领领 域域 显显 示示 出出 广广 阔阔 的的 应应 用用 前前 景景。例例如如，含含金金刚刚石石的的纳纳米米胶胶粘粘剂剂具具有有优优异异的的耐耐磨磨性性和和很很高高的的粘粘结结强强度度。实实验验表表明明，随随着着纳纳米米级级金金刚刚石石粉粉

30、在在胶胶粘粘剂剂中中加加入入量量的的增增加加，涂涂层层的的耐耐磨磨性性提提高高，当当加加入入量量为为8时时，耐耐磨磨性性是是未未添添加加的的2.2倍倍，拉拉伸伸强强度度可可达达50MPa，比比未未添加的提高添加的提高27.5。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 32本讲稿第三十二页，共九十页4.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（7）纳米涂装技术）纳米涂装技术 纳纳米米复复合合涂涂料料是是指指将将纳纳米米颗颗粒粒用用于于涂涂料料中中所所得得到到的的一一类类具具有有抗抗辐辐射射、耐耐老老化化、剥剥离离强强度度高高或具有某些特殊功能的涂料。例如，或具有某些特殊功能的涂料。例如，50120nm球状

31、球状TiO2对衰减对衰减300400nm的紫外线有明显效的紫外线有明显效果；纳米果；纳米SiO2具有极强的紫外线反射能力，对具有极强的紫外线反射能力，对波长波长400nm以内的紫外线反射率达以内的紫外线反射率达70以上，是以上，是一种极好的抗老化添加剂；一种极好的抗老化添加剂；60nm的的ZnO吸收吸收300400nm紫外线能力强。尤其是纳米隐身涂紫外线能力强。尤其是纳米隐身涂料在军事上有重要的应用价值。料在军事上有重要的应用价值。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 33本讲稿第三十三页，共九十页4.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（8）金属表面纳米化）金属表面纳米化 金属表面纳米晶化可以

32、通过不同方法实金属表面纳米晶化可以通过不同方法实现。例如，应用超声冲子冲击工艺，可在现。例如，应用超声冲子冲击工艺，可在Fe或不锈钢表面获得晶粒平均尺寸为或不锈钢表面获得晶粒平均尺寸为1020nm的表面层。超声冲子冲击的表面层。超声冲子冲击450s后纯后纯Fe表面层表面层的显微组织形成了结晶位向为任意取向的纳的显微组织形成了结晶位向为任意取向的纳米晶相，晶粒平均尺寸为米晶相，晶粒平均尺寸为10nm，而，而Fe的原始的原始晶粒尺寸约为晶粒尺寸约为50m。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 34本讲稿第三十四页，共九十页4.实用纳米表面技术实用纳米表面技术（8）金属表面纳米化）金属表面纳米化

33、该技术的优点之一是可以在复杂形状零部该技术的优点之一是可以在复杂形状零部件表面获得纳米晶表面层。该技术将为整体件表面获得纳米晶表面层。该技术将为整体材料的纳米晶化处理提供一个基本途径，此材料的纳米晶化处理提供一个基本途径，此项工作具有重大的创新意义。项工作具有重大的创新意义。以上以上8个方面虽然已进入实用化阶段，但仍个方面虽然已进入实用化阶段，但仍有广阔的研究空间，许多深层次的理论问题有广阔的研究空间，许多深层次的理论问题也有待探讨。也有待探讨。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 35本讲稿第三十五页，共九十页5 纳米表面工程的优越性纳米表面工程的优越性 纳米材料和纳米技术在表面工程中的应

34、用纳米材料和纳米技术在表面工程中的应用存在巨大的机遇，同时面临严峻的挑战。纳存在巨大的机遇，同时面临严峻的挑战。纳米表面工程必须同时具备两个条件。米表面工程必须同时具备两个条件。一是应用的固体颗粒直径必须处于纳米尺一是应用的固体颗粒直径必须处于纳米尺度（度（1100nm）;二是纳米材料在表面性能上有大幅度的改二是纳米材料在表面性能上有大幅度的改善或发生突变。善或发生突变。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 36本讲稿第三十六页，共九十页5 纳米表面工程的优越性纳米表面工程的优越性 与传统表面工程相比，纳米表面工程的优越与传统表面工程相比，纳米表面工程的优越性如下：性如下：（1）赋予表面新的

35、服役性能）赋予表面新的服役性能 纳米材料的奇异特性保证了纳米表面工程涂覆纳米材料的奇异特性保证了纳米表面工程涂覆层的优异性能。一是体现在涂覆层本身性能的提层的优异性能。一是体现在涂覆层本身性能的提升上，如涂覆层的拉伸强度、屈服极限和抗接触升上，如涂覆层的拉伸强度、屈服极限和抗接触疲劳性能大幅度提高；二是体现在涂覆层的功能疲劳性能大幅度提高；二是体现在涂覆层的功能提升方面。纳米表面工程的出现，解决了许多传提升方面。纳米表面工程的出现，解决了许多传统表面工程技术解决不了的表面问题。统表面工程技术解决不了的表面问题。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 37本讲稿第三十七页，共九十页5 纳米表面工

36、程的优越性纳米表面工程的优越性（1）赋予表面新的服役性能）赋予表面新的服役性能 例如，高性能纳米声、光、电、磁膜及超例如，高性能纳米声、光、电、磁膜及超硬膜的制备；再如，纳米原位动态自修复技硬膜的制备；再如，纳米原位动态自修复技术由于纳米颗粒材料的作用能够在金属摩擦术由于纳米颗粒材料的作用能够在金属摩擦副表面形成修复薄膜，能够在工作状态下完副表面形成修复薄膜，能够在工作状态下完成金属摩擦副德原位动态修复，延长了零部成金属摩擦副德原位动态修复，延长了零部件的服役寿命。件的服役寿命。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 38本讲稿第三十八页，共九十页5 纳米表面工程的优越性纳米表面工程的优越性（

37、2）使零件设计时的选材发生重要变化）使零件设计时的选材发生重要变化 在纳米表面工程中，在许多情况下，传统意在纳米表面工程中，在许多情况下，传统意义上的基体材料有时只起载体作用，纳米表面义上的基体材料有时只起载体作用，纳米表面工程涂覆层成为实现其功能或性能的主体。例工程涂覆层成为实现其功能或性能的主体。例如，高速钢刀具可以改为强度、韧性高的材如，高速钢刀具可以改为强度、韧性高的材质，通过在刀刃表面沉积纳米超硬膜来实现切质，通过在刀刃表面沉积纳米超硬膜来实现切削功能；耐蚀材料和抗高温材料也可以改为普削功能；耐蚀材料和抗高温材料也可以改为普通材质，通过对与介质接触的表面实施纳米化通材质，通过对与介质

38、接触的表面实施纳米化处理而起到抗蚀、抗高温作用等。处理而起到抗蚀、抗高温作用等。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 39本讲稿第三十九页，共九十页5 纳米表面工程的优越性纳米表面工程的优越性（3）为表面工程的复合提供新途径）为表面工程的复合提供新途径 纳米表面工程能够为表面工程技术的复合纳米表面工程能够为表面工程技术的复合提高一跳新的途径，具有广阔的应用前景。提高一跳新的途径，具有广阔的应用前景。例如，金属表面的纳米化，赋予了基质表层例如，金属表面的纳米化，赋予了基质表层优异性能。表面纳米化与离子渗氮技术结优异性能。表面纳米化与离子渗氮技术结合，使渗氮工艺由原来的在合，使渗氮工艺由原来的在

39、500条件下处理条件下处理24h转变为转变为300条件下的处理条件下的处理9h。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 40本讲稿第四十页，共九十页6 纳米表面工程中的科学问题纳米表面工程中的科学问题 当前纳米表面工程的科学问题主要有如下当前纳米表面工程的科学问题主要有如下几点。几点。（1）纳米材料的表面效应、界面效应对纳米）纳米材料的表面效应、界面效应对纳米材料本身和纳米复合材料结构、物理性能、材料本身和纳米复合材料结构、物理性能、化学性能、力学性能等影响的机理问题。化学性能、力学性能等影响的机理问题。随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，高的比表面

40、使处理表面的原子数越地增加，高的比表面使处理表面的原子数越来越多，同时表面能迅速增加，从而使这些来越多，同时表面能迅速增加，从而使这些表面原子具有高的活性，极不稳定。表面原子具有高的活性，极不稳定。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 41本讲稿第四十一页，共九十页6 纳米表面工程中的科学问题纳米表面工程中的科学问题 这些表面原子一遇到其他原子会很快结合这些表面原子一遇到其他原子会很快结合使其稳定化，这就是活化的原因。这种表面使其稳定化，这就是活化的原因。这种表面原子的活性不但引起纳米颗粒表面原子输运原子的活性不但引起纳米颗粒表面原子输运和构型变化，同时也引起表面电子自旋构象和构型变化，同时

41、也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。纳米材料具有非常大的和电子能谱的变化。纳米材料具有非常大的界面，界面的原子排列相当混乱，原子在外界面，界面的原子排列相当混乱，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出很力变形的条件下很容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性。好的韧性与一定的延展性。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 42本讲稿第四十二页，共九十页6 纳米表面工程中的科学问题纳米表面工程中的科学问题 对对纳纳米米材材料料的的表表面面、界界面面效效应应特特性性的的形形成成机机理理进进行行深深入入研研究究和和表表征征，有有助助于于对对纳纳米米材材料料进进行行有有效效的的表表面面改

42、改性性、界界面面优优化化设设计计和和控控制制，进进而而解解决决诸诸如如纳纳米米颗颗粒粒材材料料的的团团聚聚问问题题、吸吸附附问问题题，介介观观、微微观观和和宏宏观观材材料料的的交交 互作用问题等。互作用问题等。目前微米级材料的性能已有很多报道，但目前微米级材料的性能已有很多报道，但是纳米级材料的性能研究结果报道较少，这是纳米级材料的性能研究结果报道较少，这就为表面工程中选用纳米材料带来困难。就为表面工程中选用纳米材料带来困难。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 43本讲稿第四十三页，共九十页6 纳米表面工程中的科学问题纳米表面工程中的科学问题（2）宏观材料的表面纳米化及其对材料表面改性）宏

43、观材料的表面纳米化及其对材料表面改性的作用机理的作用机理 在纳米表面工程中，采用不同的手段进行宏观在纳米表面工程中，采用不同的手段进行宏观材料的表面纳米化是表面改性的重要途径，其基材料的表面纳米化是表面改性的重要途径，其基本原理和方法需要深入研究。例如：不同尺度、本原理和方法需要深入研究。例如：不同尺度、不同层次的宏观、微观及介观下的材料过渡设计不同层次的宏观、微观及介观下的材料过渡设计及阐述相应的内在联系，如涂层、梯度功能材及阐述相应的内在联系，如涂层、梯度功能材料、复合超薄膜；表面纳米化改性设计过程中涉料、复合超薄膜；表面纳米化改性设计过程中涉及的微结构形成热力学和动力学过程。及的微结构形

44、成热力学和动力学过程。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 44本讲稿第四十四页，共九十页6 纳米表面工程中的科学问题纳米表面工程中的科学问题（3）宏观环境中介观材料的行为和作用机理问）宏观环境中介观材料的行为和作用机理问题题 例如含纳米颗粒的复合电刷镀技术中，纳例如含纳米颗粒的复合电刷镀技术中，纳米颗粒在多相离子体系中的镀液的分散、稳米颗粒在多相离子体系中的镀液的分散、稳定机制；复合镀层纳米颗粒沉积机理和对镀定机制；复合镀层纳米颗粒沉积机理和对镀层组织结构的影响机理以及纳米颗粒与基体层组织结构的影响机理以及纳米颗粒与基体的相容性、匹配性等问题。的相容性、匹配性等问题。第八章第八章 纳米表面

45、工程纳米表面工程 45本讲稿第四十五页，共九十页7 发展纳米表面工程的意义发展纳米表面工程的意义 21世世纪纪是是纳纳米米科科技技时时代代，纳纳米米材材料料和和纳纳米米科科技技将将在在传传统统技技术术的的基基础础上上渗渗入入国国民民工工业业和和人人民民生生活活的的各各个个领领域域。现现代代工工业业产产品品追追求求性性能能 先先 进进、经经 济济 耐耐 用用、节节 能能 节节 材材、有有 利利 于于 环环保保。实实现现这这些些目目标标，纳纳米米表表面面工工程程将将可可以以大大显身手，为社会发展和科技进步作出贡献。显身手，为社会发展和科技进步作出贡献。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 46本

46、讲稿第四十六页，共九十页7 发展纳米表面工程的意义发展纳米表面工程的意义（1）纳米表面工程与制造业技术创新）纳米表面工程与制造业技术创新 十六大报告明确指出：十六大报告明确指出：“坚持以信息化带动坚持以信息化带动工业化，以信息化促进工业化，走出一条科工业化，以信息化促进工业化，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子。工业化路子。”党中央提出的新兴工业化道党中央提出的新兴工业化道路，就是充分运用最新科技成果和依靠科技路，就是充分运用最新科技成果和依靠科技进步的工业

47、化。进步的工业化。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 47本讲稿第四十七页，共九十页7 发展纳米表面工程的意义发展纳米表面工程的意义（1）纳米表面工程与制造业技术创新）纳米表面工程与制造业技术创新 2001年中国工程院组织了年中国工程院组织了25位院士和位院士和40多位多位专家对我国制造业的现状、作用、地位及发展专家对我国制造业的现状、作用、地位及发展趋势和对策进行了调查研究，写出了趋势和对策进行了调查研究，写出了新世纪新世纪如何提高和发展我国制造业的研究报告如何提高和发展我国制造业的研究报告（简（简称称报告报告），并于），并于2002年年7月向社会公布，摘月向社会公布，摘要发表。要发表。

48、报告报告指出，处于工业中心地位的指出，处于工业中心地位的制造业，特别是装备制造业，是国民经济持续制造业，特别是装备制造业，是国民经济持续发展的基础，是工业化、现代化建设的发动机发展的基础，是工业化、现代化建设的发动机和动力源。和动力源。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 48本讲稿第四十八页，共九十页7 发展纳米表面工程的意义发展纳米表面工程的意义（1）纳米表面工程与制造业技术创新）纳米表面工程与制造业技术创新 没没有有先先进进的的制制造造业业去去不不断断地地、持持续续地地武武装装、改改造造和和提提升升各各产产业业部部门门的的装装备备和和生生产产运运行行水水平平，实实现现对对环环境境友友好

49、好的的可可持持续续发发展展，就就谈谈 不不 上上 什什 么么 现现 代代 化化。对对 中中 国国 这这 样样 的的 人人 口口 大大国国，在在现现存存的的不不平平等等不不合合理理的的世世界界秩秩序序中中，没没有有自自己己强强大大的的制制造造业业，要要实实现现工工业业化化和和可可靠的现代化是不可能的。靠的现代化是不可能的。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 49本讲稿第四十九页，共九十页7 发展纳米表面工程的意义发展纳米表面工程的意义（1）纳米表面工程与制造业技术创新）纳米表面工程与制造业技术创新 报告报告建议今后建议今后1020年内中国应下定年内中国应下定决心，采取一切可能的措施，在对外开

50、放的决心，采取一切可能的措施，在对外开放的环境中，建立强大的制造业。环境中，建立强大的制造业。纳米表面工程是采用纳米材料和纳米技纳米表面工程是采用纳米材料和纳米技术，针对零件失效的形式、特征和机理，综术，针对零件失效的形式、特征和机理，综合运用各种纳米表面工程技术进行防护的工合运用各种纳米表面工程技术进行防护的工程。纳米表面工程既是先进制造技术的重要程。纳米表面工程既是先进制造技术的重要组成部分，又促进了先进制造技术的发展。组成部分，又促进了先进制造技术的发展。第八章第八章 纳米表面工程纳米表面工程 50本讲稿第五十页，共九十页7 发展纳米表面工程的意义发展纳米表面工程的意义（1）纳米表面工程