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1、表面工程学的基础理论第1页，本讲稿共40页 课件钱苗根钱苗根主编，主编，机械工业出版社机械工业出版社现代表面技术第2页，本讲稿共40页参考资料w材料表面工程，哈尔滨大学出版社，徐滨士编著w金属材料表面新技术，赵文珍，西安交通大学出版社，1992w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，1998w表面涂层技术，陈学定，韩文政，北京：机械工业出版社，1994w表面工程与维修，徐滨士，朱绍华等，北京：机械工业出版社，1996第3页，本讲稿共40页第4页，本讲稿共40页 课件主要内容主要内容主主要要内内容容第一章第一章、表面工程的基本理论表面工程的基本
2、理论1.1表面技术和表面工程概述表面技术和表面工程概述1.2表面技术的分类表面技术的分类1.3表面技术的应用与发展表面技术的应用与发展第5页，本讲稿共40页11 表面技术和表面工程概述表面技术和表面工程概述w表面技术表面技术是直接与各种表面现象或过程有关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。的，能为人类造福或被人们利用的技术。广义的说：广义的说：第6页，本讲稿共40页一、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
3、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第7页，本讲稿共40页表面技术的广义涵义1）表面技术的基础和应用理论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
4、物理、功能效应等等2）表面处理技术表面处理技术 表面覆盖技术表面覆盖技术 表面改性技术表面改性技术 复合表面处理技术复合表面处理技术3）表面加工技术表面加工技术4）表面分析和测试技术表面分析和测试技术5）表面工程技术设计表面工程技术设计第8页，本讲稿共40页二、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，在世纪年代初，最早由英格兰伯明翰大学教授提出。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
5、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。第9页，本讲稿共40页表面工程的涵义第10页，本讲稿共40页三、使用表面技术的目的使用表面技术的目的（1）提高材料抵御环境作用能力提高材料抵御环境作用能力:耐蚀性耐蚀性（2）赋赋予予材材料料表表面面某某种种功功能能特特性性。包包括括光光、电电、磁磁、热热、声声、吸吸附附、分分离离等等等等各各种种物物理理和化学性能。和化学性能。（3）实实施施特特定定的的表表面面加加工工来来制制造造构构件件、零零部部件和元器件等件和元器件等:电铸、电刷镀电铸、电刷镀第11页，本讲稿共40页表面工程技术的目的和作用表面工程技术的目的和作用w表面工程技术的
6、主要目的：通过表面处理使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。材料表面按人们希望的性能进行改变。w表面工程技术是在不改变基体材料的成分、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，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从而满足工程技术上对材料提出的要求的技术。术。w表面工程技术的作用就是改善或赋予表面各表面工程技术的作用就是改善或赋予表面各种性能种性能第12页，本讲稿共40页四四、表面工程技术日益得到重视、表面工程技
7、术日益得到重视 w1）社会生产、生活的需要社会生产、生活的需要-腐蚀损失腐蚀损失2-5%w2）通过表面处理大幅度提高产品质量通过表面处理大幅度提高产品质量:耐蚀耐磨耐蚀耐磨w3）节约贵重材料节约贵重材料w4）实实现现材材料料表表面面复复合合化化，解解决决单单一一材材料料无无法法解解决决的问题的问题w5）良好的节能、节材效果良好的节能、节材效果w6）促进了新兴工业的发展促进了新兴工业的发展第13页，本讲稿共40页应用实例应用实例w汽车轻量化汽车轻量化铝合金铝合金表面耐磨问题突出表面耐磨问题突出表面耐磨涂层表面耐磨涂层 w火箭发动机的尾喷管内壁和燃烧室：火箭发动机的尾喷管内壁和燃烧室：需需承承受受
8、20003300温温度度和和巨巨大大的的热热焰焰流流冲冲击击第14页，本讲稿共40页应用实例应用实例2w问问题题：飞飞船船或或者者洲洲际际导导弹弹的的头头部部锥锥体体和和翼翼前前沿沿：由由于于具具有有音音速速数数倍倍的的速速度度，并并与与大大气气层层摩摩擦擦，即即所所谓谓气气动动加加热热，其其温温度度高高达达40005000,绝绝大大多多数数的的金金属属和和合合金金不不能能承承受受如如此此高高的的温度。温度。w解解决决问问题题的的方方法法：依依靠靠各各种种形形式式的的隔隔热热涂涂层层、防防火火涂涂层层和和烧烧蚀涂层。蚀涂层。w隔隔热热防防火火涂涂层层是是热热导导率率低低的的氧氧化化物物：氧氧化
9、化铝铝、氧氧化化锆锆、氧化钍等。氧化钍等。w烧蚀涂层：有机材料加石英纤维、陶瓷纤维或碳纤维。烧蚀涂层：有机材料加石英纤维、陶瓷纤维或碳纤维。第15页，本讲稿共40页应用实例3w人造卫星在宇宙中的温度控制人造卫星在宇宙中的温度控制问问题题：卫卫星星表表面面受受太太阳阳照照射射的的一一面面温温度度可可达达+200，没没有有被被太太阳阳照照射射的的一一面面温温度度可可低低到到-200第16页，本讲稿共40页应用实例4航航天天飞飞机机外外壳壳的的防防热热材材料料和和涂涂层层：如如美美国国洛洛克克希希德德导导弹弹与与航航天公司开发了一种天公司开发了一种LI-900全氧化硅绝热毡全氧化硅绝热毡,特性：特性
10、：w重量轻，整个体积的重量轻，整个体积的95%都是空的。都是空的。w为为防防水水、耐耐蚀蚀以以及及散散热热，表表面面加加涂涂了了一一种种碳碳化化硅硅涂涂层层，该该涂涂层层可可把把90%的的入入射射热热反反射射掉掉，而而剩剩下下10%几几乎乎都都被被氧氧化硅毡所隔绝化硅毡所隔绝。第17页，本讲稿共40页应用实例5w在在太太阳阳能能的的利利用用中中，必必须须利利用用涂涂层层来来吸吸收收太太阳光谱中所有波段的能量。阳光谱中所有波段的能量。w如如用用电电子子束束蒸蒸镀镀的的金金属属陶陶瓷瓷层层Co-Al2O3作作为为太太阳阳能能吸吸热热器器，使使对对太太阳阳能能的的吸吸收收率率可可达达95%第18页，
11、本讲稿共40页汽汽 车车 喷喷 漆漆第19页，本讲稿共40页w w电电 镀镀第20页，本讲稿共40页w w镀镀 银银 壶壶第21页，本讲稿共40页w w喷喷 丸丸第22页，本讲稿共40页w w抛抛 丸丸 后后 的的 铸铸 件件第23页，本讲稿共40页表面技术倍受重视的原因表面技术倍受重视的原因w材料物理、化学性能及其变化都从表面开始；材料物理、化学性能及其变化都从表面开始；w随随着着器器件件的的微微型型化化，表表面面/体体相相的的原原子子比比增增大大，会出现许多新的特性；会出现许多新的特性；w材材料料表表面面的的研研究究是是许许多多高高新新技技术术的的理理化化基基础础等。等。第24页，本讲稿共
12、40页世界各发达国家均对表面工程高世界各发达国家均对表面工程高度重视度重视w如美国工程科学院在为美国国会提供的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年前集中力量加强发展的9项新科学项新科学技术中，有关材料方面的仅有材料表面科学技术中，有关材料方面的仅有材料表面科学与表面技术的研究。与表面技术的研究。第25页，本讲稿共40页五、与表面现象有关的一些表面技术五、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）表面湿润和反湿润技术2）表面催化技术）表面催化技术3）膜技术）膜技术4）表面化学技术）表面化学技术第26页，本讲稿共40页w按照作用原理分类（按照作用原理分类
13、（Matton分类法）：）：1）原原子子沉沉积积：沉沉积积物物以以原原子子、离离子子、分分子子和和粒粒子子集集团团等等原原子子尺尺度度的的粒粒子子形形态态在在材材料料表表面面上上形形成成覆覆盖盖层层，如如电电镀镀、化化学学镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。镀、物理气相沉积、化学气相沉积等。2)颗颗粒粒沉沉积积：沉沉积积物物以以宏宏观观尺尺度度的的颗颗粒粒形形态态在在材材料料表表面面上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂敷等。上形成覆盖层，如热喷涂、搪瓷涂敷等。3）整体覆盖）整体覆盖:涂层涂层4)表表面面改改性性：用用机机械械、物物理理、化化学学等等方方法法，改改变变材材料料表表面面的的形形貌貌、化化学
14、学成成分分、相相组组成成、微微观观结结构构、缺缺陷陷状状态态或或应应力力状状态。态。12 表面技术的分类 第27页，本讲稿共40页原子沉积物原子沉积物原子在基体上凝聚原子在基体上凝聚,生核、长大、成膜生核、长大、成膜.如电镀、如电镀、PVD PVD、CVDCVDCVDCVD氮化钛刀具氮化钛刀具TiClTiClTiCl4 44+H+H+H2 22+N+N+N2 22TiN(s)+HClTiN(s)+HCl第28页，本讲稿共40页粒状沉积物粒状沉积物熔化的液滴或细熔化的液滴或细小的固体颗粒在小的固体颗粒在外力作用下于基外力作用下于基体表面凝聚、沉体表面凝聚、沉积或烧结积或烧结,形成形成的表面涂层的
15、表面涂层.例例如如,热喷涂、搪热喷涂、搪瓷、喷漆等瓷、喷漆等.齿轮表面喷涂齿轮表面喷涂WCWC第29页，本讲稿共40页整体沉积层整体沉积层 欲涂敷的材欲涂敷的材料于同一时间施料于同一时间施于基体表面于基体表面.如如,涂漆、热浸渍等涂漆、热浸渍等.热镀锌热镀锌第30页，本讲稿共40页表面改性表面改性用离子处理、热处用离子处理、热处理、激光处理等方、理、激光处理等方、法改变材料表面的法改变材料表面的组织和性能组织和性能.如喷如喷丸、离子注入、激丸、离子注入、激光处理光处理.激光表面合金化激光表面合金化第31页，本讲稿共40页表面技术的分类 w按学科特点分为：按学科特点分为：1)表表面面合合金金化化
16、：包包括括喷喷焊焊、堆堆焊焊、离离子子注注入入、激光溶敷、热渗镀等。激光溶敷、热渗镀等。2）表表面面覆覆层层与与覆覆膜膜技技术术：包包括括热热喷喷涂涂、电电镀镀、化化学学转转化化处处理理、化化学学镀镀、气气相相沉沉积积、涂涂装装、堆焊、金属染色、热浸镀等。堆焊、金属染色、热浸镀等。3）表表面面组组织织转转化化技技术术：包包括括激激光光、电电子子束束热热处处理技术以及喷丸、辊压等表面加工硬化技术。理技术以及喷丸、辊压等表面加工硬化技术。第32页，本讲稿共40页按工艺特点分类：按工艺特点分类：电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学电镀、化学镀、热渗镀、热喷涂、堆焊、化学转化膜、涂装、表面着色、气
17、相沉积、转化膜、涂装、表面着色、气相沉积、“三束三束”改性以及表面热处理、形变强化和衬里类改性以及表面热处理、形变强化和衬里类 表面技术的分类 第33页，本讲稿共40页第34页，本讲稿共40页第35页，本讲稿共40页第36页，本讲稿共40页1-3 表面技术的应用与发展表面技术的应用与发展一、一、表面技术应用的广泛性和重要性表面技术应用的广泛性和重要性w腐蚀损失占国民经济的腐蚀损失占国民经济的2-5%w作作用用：防防护护(Zn,Ni)、耐耐磨磨(硬硬Cr,复复合合镀镀层层）、强强化化(复复合合镀镀层层）、修修复复(Fe)、装装饰饰（Cr)等。等。二二、表表面面技技术术在在结结构构材材料料以以及及
18、工工程程构构件件和和机械零部件上的应用机械零部件上的应用w工具、模具（电铸）工具、模具（电铸）第37页，本讲稿共40页三、表面技术在功能材料和元器件上的应用三、表面技术在功能材料和元器件上的应用光光学学特特性性、电电学学特特性性、磁磁学学特特性性、热热学学特特性性、化化学学特特性性、能能量量转转换换(太太阳阳能能电电池池材材料料）、磁磁记记录录材材料料（Co,Ni)、双双金金属属、防防护护涂层涂层四四、表表面面技技术术在在人人类类适适应应、保保护护和和优优化化环环境境方面的一些应用方面的一些应用 抗抗菌菌灭灭菌菌TiO2（磷磷灰灰石石）,生生物物医医学学材材料料（人工骨）（人工骨）第38页，本讲稿共40页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兴的边缘学科w材材料料表表面面工工程程是是一一门门新新的的边边缘缘学学科科，它它涉涉及及到到诸诸如如表表面面物物理理学学、表表面面化化学学、金金属属学学、陶陶瓷瓷学学、高高分分子子学学、传传热热学学、传传质质学学等等多多个个学学科科的的理理论论，而而且且其其本本身身也也溶溶入入了了诸诸多多学学科科的的新技术。新技术。第39页，本讲稿共40页思考题w1 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？w2 表面工程技术的目的和作用是什么？w3 为什么说表面工程是一个多学科的边缘学科？第40页，本讲稿共40页